DD141061A1

DD141061A1 - Einrichtung zum bestimmen der lage und abmessungen von gegenstaenden

Info

Publication number: DD141061A1
Application number: DD78210273A
Authority: DD
Inventors: Werner Krieg
Original assignee: Werner Krieg
Priority date: 1978-12-29
Filing date: 1978-12-29
Publication date: 1980-04-09
Also published as: IT1121498B; IT7969490A0

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Bestimmen der Lage und Abmessungen von Gegenständen, z.B. von Meßköpfen und Werkstücken bei Meß- und Werkzeugmaschinen, mit dem Ziel, Fehlereinflüsse beim Messen und Positionieren zu beseitigen. Die Aufgabe besteht darin, mittels Längen- und/oder Winkelraessungen die Lage von Gegenständen in bezug auf außerhalb der Maschine liegende Bezugspunkte und -strecken zu bestimmen. Das wird dadurch erreicht, daß auf einem, von der Maschine getrennten, ortsfesten Gestell Längen- und Winkelmeßelemente oder nur Längenmeßelemente in einem eigenen Koordinatensystem angeordnet sind, daß koppelnde Mittel zwischen einem zu bewegenden oder zu messenden Gegenstand und den Meßelementen derart vorgesehen sind, daß beim Verschieben des Gegenstandes innerhalb des Koordinatensystems der Maschine eine Zählrichtungsumkehr in den Meßelementen nicht erfolgt. - Fig.1 -

Description

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Titel: Einrichtung zum Bestimmen der Lage und Abmessungen von Gegenständen

Anwendungsgebiet der Erfindung;

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Bestimmen der Lage und Abmessungen von Gegenständen, vorzugsweise von Werkstücken, Meßköpfen und Werkzeugen bei Werkzeugmaschinen und Koordinatenmeßmaschinen·

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen;

Die Werkzeugmaschinen und Koordinatenmeßmaschinen zum Bearbeiten und Messen von Werkstücken sind bekannterweise selbst MaßVerkörperungen, denen meistens das System rechtwinkliger, karthesischer Koordinaten zugrunde gelegt ist· Die Ablaufachsen (Führungen) der die Taster bzw» Werkzeuge tragenden Bauteile bestimmen zusammen mit den verwendeten Längenmeßeinrichtungen der einzelnen Achsen den Koordinatenursprung und den daran anschließenden Verstell- oder Meßbereich. So ist zum Beispiel in der Zeitschrift "Werkstatt und Betrieb" tO7 <T974) Heft 11, S. 655-658, und auch in der DE-OS 2.231*644 eine Koordinatenmeßmaschine in Portalbauweise beschrieben, bei welcher ein Meß- oder Steuerkopf, entlang dreier karthesischer Koordinaten verschiebbar, in Führungen eines Gehäuses oder Gestells gelagert ist· Digitale Meßsysteme, die Stahlmaßstäbe abtasten,sind entlang dieser Pührungen angeordnet. Eine derartige Anordnung der die Verschiebung des Meßkopfes messenden "Systeme

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und eine derartige Anordnung der Maßverkörperungen ist mit Verstößen gegen das Komparatorprinzip (Fehler 1. Ordnung) in einer oder mehreren Koordinaten und Abweichungen von einem Geradlauf der Schlitten auf den Führungen sowie diversen Lageänderungen behaftet, die sich aus thermischen und elastischen Deformationen und Verschleißerscheinungen ergeben· Um alle diese Fehlerquellen und -einflüsse bei Koordinatenmeßmaschinen zu beseitigen bzw. in seinen Auswirkungen zu mindern, werden aufwendige Vorrichtungen zur Kompensierung der Fehler 1* Ordnung für eine oder mehrere Koordinatenachsen benötigt und ist höchste Präzision bei der Ausführung der Gehäuse oder Gestelle der Meß- und Werkzeugmaschinen und deren Führungen notwendig·

In der DD-PS 109.197 ist eine Vorrichtung zum Messen und Bearbeiten von Werkstücken beschrieben, bei der ein Y/erkzeughalter oder auch Meßkopf in wenigstens zwei Koordinatenrichtungen bewegbar und die Bewegung durch eine Meßeinrichtung meßbar ist. Dabei wird die Lagefixierung des Werkzeughalter3 oder Meßkopfes durch eine Meßeinrichtung mit Hilfe optischer Strahlung und lichtelektrischer Empfänger durchgeführt. Diese lichtelektrischen Empfänger sind am Werkzeughalter oder Meßkopf angeordnet. lichtablenkende Glieder,die der Bewegung des Meßkopfes entlang der Koordinaten auf besonderen Führungen im Maschinengehäuse folgen, sind vorgesehen. Obwohl die Führungen der optischen Glieder von den Führungen für den Meßkopf oder den Werkzeughalter getrennt sind, wirken sich doch durch Belastungen und Deformationen bedingte Einflüsse auf die geradlinige Bewegung der verfolgenden optischen Glieder aus. Desgleichen treten durch Ungenauigkeiten der optischen Glieder bedingte Winkelfehler auf, die über den Meßbereich hinweg nicht konstant sind und mit größerer Entfernung vom Koordinatenursprung ansteigen.

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Diese Fehlerquellen vor allem bei den derzeitig bekannten Koordinatenmeßmaschinen erkennend, ist in der Zeitschrift "Werkstatt und Betrieb" 103 (1970), Heft 9, S. 728 der Gedanke geäußert worden, zur weiteren Genauigkeitssteigerung bei derartigen Maschinen von festen Bezugspunkten außerhalb der Maschine auszugehen und die Entfernungen und damit die Position des Meßkopfes oder, bei Werkzeugmaschinen, des Werkzeuges von diesen Bezügspunkten aus zu messen. Hierzu würden sich Laserinterferoraeter anbieten, die mit der Lichtwellenlänge als Maßverkörperung arbeiten·' Tatsächlich ausgeführt wurden zwischenzeitlich derartige Meßmaschinen jedoch nicht·

Ziel der Erfindung

Es ist der Zweck der Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und Fehlereinflüsse bei Koordinatenmeß- und Werkzeugmaschinen zu vermindern«

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Bestimmen der Lage und Abmessungen von Gegenständen an Koordinatenmeß- und Werkzeugmaschinen zu schaffen, welche mittels Längen- und/oder Winkelmessungen die Lage von Werkzeugen zur Bearbeitung oder die Lage von Meßköpfen zum Messen von Werkstücken im Bezug auf feste, außerhalb der Maschine liegende Bezugspunkte und -strecken ermittelt·

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß auf einem von der Koordinatenmeß- oder Werkzeugmaschine getrennten, ortsfesten Gestell Längen- und Winkelmeßelemente oder nur Längenmeßelemente in einem eigenen Koordinatensystem

angeordnet sind, daß koppelnde Mittel zwischen

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einem zu bewegenden oder zu messenden Gegenstand und den Meßelementen derart vorgesehen sind, daß beim Verschieben des Gegenstandes innerhalb des Koordinatensystems der Maschine eine Zählrichtungsumkehr in den Meßelementen nicht auftritt· Bei einer Einrichtung nach dem Triangulationsprinzip sind drei Winkeliaeßelemente an dem Gestell vorgesehen, von denen zwei in einem festen Abstand voneinander auf einer gemeinsamen Achse zur Messung der relativen Winkelbewegungen in einer Ebene angeordnet sind, wobei das dritte Winkelmeßelement direkt am Gestell zur Messung der Drehung der Achse gelagert ist, und daß die auf der Achse vorgesehenen Winkelmeßgeräte durch mechanische koppelnde Mittel mit dem zu verschiebenden oder zu messenden Gegenstand verbunden sind.

Bei einer Einrichtung nach dem Trilaterationsprinzip sind drei vorzugsweise in einer Ebene auf dem Gestell angeordnete Längenmeßelemente vorgesehen, die durch mechanische koppelnde Mittel mit dem zu verschiebenden oder zu messenden Gegenstand verbunden und um zwei senkrecht zueinanderstehende Achsen schwenkbar sind.

Dabei sind die koppelnden Mittel an dem Gegenstand winkel- und in den Meßelementen längsbeweglich spielfrei gelagert· Vorteilhaft ist ferner, daß die die Meßelemente mit dem Gegenstand koppelnden Mittel lichtbündel sind und als Meßelemente interferometrische Meßsysteme vorgesehen sind·

Es ist weiterhin vorteilhaft, daß ein Längenmeßelement und zwei, die Winke!bewegungen desselben um zwei senkrecht zueinanderstehende Achsen messende Winkelmeßelemehte undjein die Kopplung des Längenmeßelementes mit dem zu messenden Gegenstand bewirkenden. Maßstab vorgesehen sind.

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Durch die Trennung von Werkzeug- oder Meßmaschine von den Maßverkörperung darstellenen Winkel- oder Längenmeßelementen, die in fester Beziehung zu dem zu bewegenden oder zu messenden Gegenstand stehen, wird erreicht, daß die Meßergebnisse beeinflussende Wirkungen seitens der Maschine ausgeschaltet sind· Des weiteren wird eine günstigere Verteilung der die Messungen beeinflussenden Fehlerkomponenten erreichtt Fehler 1· OrdnuDg, wie sie bei Verletzung des Abbe * sehen Grundsatzes auftreten, sind bei einer derartigen Einrichtung weitestgehend ausgeschaltet. Durch die vorgenommene Entflechtung der Maschine von der Maßverkörperung ist eine separate Temperaturführung für die Meßelemente und den Gegenstand unaufwendiger durchführbar als für den ganzen die Maschine umfassenden Arbeitsraum. Ein weiterer Vorteil ergibt sich bei Anwendung der Erfindung, indem höchste Anforderungen an Genauigkeit, Steife und Verschleißverhalten der Führungen der Werkzeug- und Meßmas.chine entfallen, v/eil die durch die Maschine bedingten Fehlereinflüsse sich auf die Genauigkeit der Messungen nicht auswirken.

AusführunKSbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen

Fig* 1 eine Werkzeugmaschine mit einer Meßeinrichtung nach dem Triangulationsprinzip,

Fig. 2 die Anordnung von Meßelementen und eines mechanischen koppelnden Mittels bei der Einrichtung nach Fig· 1,

Fig. 3 einen Schnitt A-A durch die Anordnung nach Fig. 2, .

Fig. 4 eine Koordinatenmeßmaschine mit einer

Meßeinrichtung nach dem Trilaterations-

prinzip und

Pig. 5 die Anordnung eines Meßelementes und eines mechanischen koppelnden Mittels bei der Einrichtung nach Pig* 4·

Pig· 1 zeigt eine Werkzeugmaschine in Ständerbauweise mit einer in drei Koordinaten beweglichen Werkzeug-" aufnahme 1 und mit einer nach dem Triangulationsprinzip aufgebauten, Winkelmeßelemente 2, 3» 4 umfassende Meßeinrichtung. Diese Winkelmeßelemente 2, 3, 4 sind, ein eigenes, von der Werkzeugmaschine getrenntes Koordinatensystem bildend, auf einem von der Maschine oder von dem Bewegungssystem für die Werkzeugaufnähme getrennten Gestell 5 angeordnet. Dabei sind die Winkelmeßelemente 2 und 4 auf einer gemeinsamen Achse 6 und einem konstanten Abstand zueinander und in einer Ebene gelagert. Das Winke1-meßelement 3 ist am Gestell 5 angeorrdnet und dient zur Messung der Drehung der Achse 6. Die Winke1-meßeleraente 2 und 4 sind durch koppelnde Mittel" 7 und 8, z.B. in Porm von Koppelstangen, mit einem Meßkopf 9 (zubewegender Gegenstand) verbunden, wobei sie in dem Meßkopf 9» wie es die Figuren 2 und 3 näher zeigen, in einem spielfreien Kardangelenk 10 und in den Winkelmeßelementen längsbeweglich spielfrei gelagert sind· Es ist günstig, wenn der Meßkopf 9 ausfahrbar ist. Im zurückgezogenen Zustand ist das Werkzeug 11 freigegeben. Danach besteht eine feste Maßbeziehung zwischen dem Werkzeug 11 und dem Kardan 10 und damit auch zum Meßkopf 9· Die Meßwerte der Winkelmeßelemente 2, 3 und 4 können in einem Rechner (nicht dargestellt) zur späteren Verarbeitung gespeichert v/erde ru

Im vorgeschalteten Zustand des Meßkopfes 9 ist es mit diesem möglich, ein in Bearbeitung befindliches Werkstück (nicht dargestellt) zu vermessen, ohne es von der Werkzeugmaschine zu entfernen* Es ist somit eine wirtschaftliche Bearbeitung und Prüfung der Werkstücke erzielbar, da naturgemäß ein Wiederaufspannen und Ausrichten des Werkstückes zwecks Weiter- oder Nachbearbeitung

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aufwendig und fehlerbehaftet ist·

Pig. 4 zeigt eine Koordinatenmeßmaschine mit einem Meßkopf 12 und einer nach dem Trilaterationsprinzip arbeitenden Einrichtung zum Messen von Gegenständen. Dieser Meßkopf 12 ist mittels Schlitten 13, 14 und 15 in drei Koordinaten des Koordinatensystems der Meßmaschine gegenüber dem Mescbinentisch 16, auf welchen zwecks' Prüfung Werkstücke aufgebracht werden können, verschiebbar, was durch Pfeile in der Pig» dargestellt ist*

Die Koordinatenmeßmaschine besitzt ein Gestell 17, an dem um jeweils zwei senkrecht zueinanderstehenden Achsen 25, 26 (Pig. 5) schwenkbare Längenmeßelemente 18, 19 und 20 gelagert sind. Diese Meßelemente 18, 19 und 20 sind in einem konstanten Abstand zueinander angeordnet. Jedes dieser Meßelemente 18, 19 und 20 ist über einen Maßstab 21, 22, 23 mit dem Meßkopf 12'verbunden, wobei die Maßstäbe 21, 22 und 23 im Meßkopf 12 allseitig schwenkbar vorzugsweise in einem Kugelgelenk 24 (Pig. 5) spielfrei gelagert sind. In den Längenmeßelementen 18, 19, 20 sind die Maßstäbe 21, 22, 23 spielfrei verschiebbar gegenüber einem nicht dargestellten Abtastsystem.

Bei dieser Einrichtung wird die meßtechnische Qualität geometrisch von den Maßstäben 21, 22, 23, dem Meßkopf 12 und den Längenmeßelementen 18, 19, 20 bestimmt. Es ist vorteilhaft, die Längenmeßelemente 18, 19, 20 an Gestell 17 so anzuordnen, daß sie Eckpunkte eines rechtwinkligen Dreieckes bilden, weil dadurch eine gute Zugänglichkeit zu dem Raum über dem Tisch der Meßmaschine gewährleistet wird.

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Auch ist der rechentechnische Aufwand bei der Verknüpfung des Koordinatensystems der Maschine mit dem Koordinatensystem der Meßeinrichtung zur Berechnung der Position des Meßkopfes 12 aus den Meßwerten der längenmeßelerneUte 18, 19, 20 relativ gering· Eine Anordnung der Längenmeßelemente 18, 19, 20 ζ·Β· in den Eckpunkten eines gleichseitigen-Dreiecks würde dagegen wegen der ausgeglicheneren Fehlerverteilung günstiger sein·

Wie aus beiden Ausführungsformen der Einrichtung ersichtlich, läßt sich die Position der Gegenstände mittels unterschiedlicher Meßelemente ermitteln· So ist eine Einrichtung gemäß der Erfindung zur Messung der Position oder Abmessungen von Gegenständen möglich, welche ein Längenmeßelernent mit am Gegenstand gelagertem Maßstab und zwei Winkelmeßelemnte umfaßt, wobei die Winkelmeßelemente die Winkelbewegungen des Längenmeßelementes um zwei senkrecht zueinander stehende Achsen messen. Die Einrichtung würde die Position in einem sphärischen Koordinatensystem messen« Ein Rechn—er verknüpft hierbei das sphärische Koordinatensystem der Einrichtung mit einem ζ·Β· karthesischen Koordinatensystem der Meß- oder Werkzeugmaschine·

In den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig*1 bis 5 sind mechanische koppelnde Elemente 7 und sowie die als solche Elemente dienende Maßstäbe 21, 22 und 23 vorgesehen· Zur Kopplung zwischen den Meßelementen der Einrichtung können auch Lichtbündel interferometrischer Meßsysteme (nicht dargestellt) dienen· In diesem Fall ist es vorteilhaft, interferometrische Wegmeßsysteme als Meßelemente vorzusehen, die auf der Basis der Erzeugung eines virtuellen Schnittpunktes der

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interferierenden Strahlungsbündel am Ort des zu messenden Gegenstandes arbeiten» Am Gegenstand ist dann ein Retroreflektor vorzusehen, der Lichtbündel aus einem relativ großen Raumwinkel in das Meßsystem zwecks Enrfernungsbestimmung zurückwirft» Die durch die Meßsysteme erzeugten:. Ausgangssignale werden rechentechnisch zur Berechneung der Position des Gegenstandes verarbeitet·

Claims

-to- 2 10273 Erfindungs anspruoh

1· Einrichtung zum Bestimmen der Lage oder Abmessungen von Gegenständen bei Werkzeug- und Koordinatenmeßmaschinen, wobei die Gegenstände relativ zu einer Meßrichtung in mehreren Koordinaten eines maschineneigenen Koordinatensystems verschiebbar und die Verschiebung derselben mit Hilfe der Meßvorrichtung meßbar ist, daß die Meßvorrichtung ein vom Koordinatensystem der Maschine getrenntes eigenes Koordinatensystem einschließt, und daß diese beiden Koordinatensysteme durch Rechner verknüpft sind, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem von der Maschine getrennten, ortsfesten Gestell längen- und Winkelmeßelemente oder nur Längenmeßelemente in einem eigenen Koordinatensystem angeordnet sind,

daß koppelnde Mittel zwischen einem zu bewegenden oder zu messenden Gegenstand und den Meßelementen derart vorgesehen sind,

daß beim Verschieben des Gegenstandes innerhalb des Koordinatensystems der Maschine eine Zählrichtungsumkehr in den Meßelementen nicht eintritt» 2. Einrichtung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß drei Winkelmeßelemente an dem Gestell vorgesehen sind, von denen zwei in festem Abstand voneinander auf einer gemeinsamen Achse zur Messung der relativen Winkelbewegungen in einer Ebene angeordnet sind, -

daß das dritte Winkelelement direkt am Gestell zur Messung der Drehung der Achse ist, und daß die auf der Achse vorgesehenen Winkelmeßelemente durch mechanische koppelnde Mittel mit dem zu verschiebenden oder zu messenden Gegenstand verbunden sind·

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3. Einrichtung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß drei vorzugweise in einer Ebene auf dem Gestell angeordnete Längenmeßelemente vorgesehen sind, die durch mechanische koppelnde Mittel mit dem zu verschiebenden oder zu messenden Gegenstand verbunden und um zwei senkrecht zueinander stehende Achsen schwenkbar sind. .

4· Einrichtung nach den Punkten 1 bis 3i dadurch gekennzeichnet,

daß die koppelnden Mittel am Gegenstand winkelbeweglich und in den Meßelementen längsbeweglich spielfrei gelagert sind,

5· Einrichtung nach den Punkten 1 bis· 3.» dadurch gekennzeichnet,

daß die die Meßelemente mit dem Gegenstand koppelnden Mittel Lichtbündel sind und als Meßelemente interferometrische Meßsysteme vorgesehen sind·

6· Einrichtung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Längselement und zwei, die Winkelbewegungen desselben um zwei senkrecht zueinander stehende Achsen messende Winkelmeßelemente und ein die Kopplung des Längenmeßelementes mit dem zu messenden Gegenstand bewirkenden Maßstab vorgesehen sind»