DE3210711A1

DE3210711A1 - Mehrkoordinatentaster mit geregelter antastkraft

Info

Publication number: DE3210711A1
Application number: DE19823210711
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Dr.-Ing. 7000 Stuttgart Hirschmann
Original assignee: Dr-Ing Hoefler Messgeraetebau GmbH; Dr Ing Hoefler Messgeraetebau 7505 Ettlingen GmbH
Current assignee: Klingelnberg GmbH
Priority date: 1982-03-24
Filing date: 1982-03-24
Publication date: 1984-02-02
Also published as: DE3210711C2; US4621434A

Description

Dr.-Ing. Karl-Heinz Hirschmann, 7000 Stuttgart 1 Mehrkoordinatentaster mit geregelter Antastkraft

Die Erfindung betrifft einen Mehrkoordinatentaster mit geregelter Antastkraft zum Antasten von Gegenständen, mit dem die genaue Lage des angetasteten Punktes am Gegenstand ermittelt werden kann und der vorzugsweise bei mehrdimensionalen Längenmeßgeräten eingesetzt werden kann. Der Mehrkoordinatentaster läßt sich in Verbindung mit einer Meßmaschine zum Antasten und Messen beliebig gekrümmter Raumflächen einsetzen, wie sie zum Beispiel in der Zahnradtechnik verwendet werden.

Es sind Mehrkoordinatentaster bekannt, Deutsche Patentschrift DQ? 224-2 355'» deren Aufbau aus einer torsionssteifen Aneinanderreihung von Geradführungen besteht, denen jeweils •ein Wegmeßsystem zugeordnet ist. Die Erzeugung der Meßkraft erfolgt über Tauchspulen unabhängig von der wirklich auftretenden Kraft und ist deshalb gewissen Schwankungen unterworfen. "Von den Schwankungen wird auch wegen der unterschiedlichen Durchbiegungen des Meßsystems die Meßgenauigkeit beeinflußt. Die mögliche Meßtasterauslenkung ist damit stark eingeengt. Da die Meßmaschine wegen der notwendigerweise starren Ausführung große bewegte Massen hat, ist wegen der begrenzten Auslenkung auch die Abtastgeschwindigkeit stark eingeschränkt, was zu erheblichen Meßzeiten führt.

Die Lage des Antastpunktes der Tastkugel am Gegenstand wird indirekt aus der Größe der Auslenkung der einzelnen Geradführungen ermittelt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mehrkoordinatentaster mit geregelter Antastkraft zu entwickeln, der relativ große Auslenkungen bei konstanter Meßkraft erfassen kann und mit dem die Lage des Antastpunktes der Tastkugel am Gegenstand direkt aus der Richtung des Meßkraftvektors ermittelt werden kann,

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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Mehrkoordinatentaster mit Geradführungen aufgebaut wird, die Jeweils neben einem Weggeber ein Antriebselement enthalten, mit dem die Geradführungen ausgelenkt werden können. Das Maß der Auslenkung wird so geregelt, daß der resultierende Meßkraftvektor konstant entsprechend einer vorgegebenen Größe ist. Damit ist das Maß der Auslenkung der. Geradführungen ohne Einfluß auf die Meßkraft. Die Größe und Richtung der Meßkraft wird über eine den Geradführungen vorgeschaltete Mehrkcordinatenkraftmeßeinrichtung erfaßt. Aus der Größe der Kraftkomponenten in den einzelnen Koordinatenachsen läßt sich dann auch direkt Größe und Richtung des Kraftvektors und damit die Lage des Antastpunktes der Tastkugel am Gegenstand ermitteln, da beim reibungsfreien Kontakt zweier Flächen der Vektor der Berührkraft normal zu den beiden Flächen ist und alle Flächennormalen einer Kugel durch ihren Mittelpunkt gehen. Um die bei technischen Oberflächen vorhandene Reibung, beziehungsweise deren Einfluß zu minimieren, kann der gleiche Flächenpunkt mehrmals angetastet werden und zwar so, daß beim nächsten Antasten in Richtung der dem vorherigen Antasten ermittelten Normalenrichtung angetastet wird. Diese Antastung kann durch die in den Geradführungen eingebauten Antriebselemente erfolgen. Das Verfahren liefert damit durch die für die Zahnradtechnik wichtige Flächennormale.

Durch die Antriebe und in Verbindung mit der Meßkraftregelung kann dann auch die Abtastgeschwindigkeit wegen der kleinen Masse des Tastkopfes gesteigert werden, da der Mehrkoordinatentastkopf unabhängig von den Bewegungen der trägen Meßmaschinenschlitten, durch seine Antriebe, selbst'schnell der Oberfläche des Gegenstandes folgen kann. Für die Eigenbewegung des Mehrkoordinatentasters ist dann die Meßkraft die Führungsgröße, für die Bewegung der Meßmaschinenschlitten die Auslenkung des Tastkopfes. Ist der Mehrkoordinatentaster einmal an die Oberfläche des Gegenstandes angelegt und arbeitet die Kraftregelung, so folgt der Meßtaster der Ober-

fläche, sofern gewisse Grenzgeschwindigkeiten von den Meßmaschinenschlitten nicht überschritten werden, beziehungsweise die Oberfläche selbst keine zu große Krümmung aufweist. Weiter kann aus Größe und Richtung der Meßkraft bei bekannter, zum Beispiel gemessener Steifigkeit von Mehrkoordinatentaster und Meßmaschine eine Kompensation der Fehler infolge deren Verformung durchgeführt werden.

Die Hintereinanderschaltung der Geradführungen kann auch so erfolgen, daß die Federparallelogramme ineinander verschachtelt werden. Die notwendigerweise verschiedenen Federparallelogrammabmessungen haben wegen der Regelung keinen Einfluß auf die Meßkraft. Die Weggeber und die Antriebselemente werden dann außerhalb der Federparallelogramme angeordnet.

Die Antriebselemente können elektrische, hydraulische oder pneumatische Linearmotoren sein, die durch elektrische Signale angesteuert werden. Es lassen sich aber auch entsprechende rotatorische Antriebe einsetzen, wenn man die Rotationsbewegung in eine Linearbewegung umsetzt und gleichzeitig eine Untersetzung einführt. .Bekannte Getriebe lassen sich u.a. wegen ihrer tragen Massen und ihres Spiels nicht einsetzen. Geeignet hierfür ist ein Getriebe das aus einem schmalen, dünnen Band oder Seil besteht, das durch, den Antriebsmotor tordiert und dadurch infolge seiner schraubenförmigen Verformung verkürzt wird. Das eine Ende des Bandes wird mit dem Meßtaster, das andere mit der Meßtasterbasis verbunden. Die Vorteile dieses Getriebes sind die geringe Masse, die spielfreie Antriebsrichtungsumkehr und die einfache Umlenkbarke it des Bandes.

Für die Anwendungsfälle mit geringeren Anforderungen an Meßgeschwindigkeit und Genauigkeit, kann teilweise oder ganz auf die Geradführungen mit Wegmeßeinrichtung verzichtet werden. Die Meßkraft muß dann über die Koordinatenachsenantriebe der Meßmaschine konstant gehalten werden.

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Anstelle der direkten Kraftmeßeinrichtung kann auch eine weitere Wegmeßeinrichtung verwendet werden, deren Auslenkung in eine entsprechende Meßkraft umgesetzt wird.

Für Weg- und Kraftaufnehmer lassen sich bekannte Verfahren verwenden. Die Signalverarbeitung erfolgt zunächst analog und dann digital in einem nachgeschalteten Rechner. Der Rechner übernimmt auch die weitgehende Automation des Meßablaufs in Verbindung mit der Meßmaschine.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen beschrieben:

!"ig. 1 Prinzipieller Aufbau des erfindungsgemäßen Mehrkoordinatentasters mit geregelter Antastkraft.

Fig. 2 Prinzipieller Aufbau der Mehrkoordinatenkraftmeßeinrichtung.

Fig. 3 Blockschaltbild der elektrischen Kraftregelung und Verbindung zum Rechner.

Fig. 4 Schematische Darstellung des rotatorischen Antriebs mit Bandgetriebe und Taststift.

Die Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau des Mehrkoordinatentastkopfes mit drei Federparallelogrammeinheiten 3, ^ und 5i die so angeordnet sind, daß sie eine Meßbewegung in den Richtungen der Koordinatenachsen eines rechtwinkligen kartesischen Koordinatensystems ausführen können. Jede der Federparallelogrammeinheiten ist identisch aufgebaut. Sie bestehen entsprechend der Federparallelogrammeinheit 3 aus dem eigentlichen Federparallelogramm 3a, der Antriebseinheit 7» dem Weggeber 8 und einem Schwingungsdämpfer 9· Der zu messende Gegenstand wird von einer der Kugeln 1, die mit der Mehrkoordinatenkraftmeßeinrichtung 6 über die Stange 2 verbunden ist, berührt. Die durch die Berührung erzeugte Meßkraft wird durch die Mehrkoordinatenkraftmeßeinrichtung 6 erfasst und zwar in den gleichen Richtungen wie die drei Federparallelogrammeinheiten 3, 4- und 5 Bewegungen zulassen.

Die in den einzelnen Koordinatenrichtungen erfaßten Meßkraftkomponenten werden zur resultierenden Gesamtmeßkraft zusammengesetzt und mit der erforderlichen Meßkraft verglichen. Abweichungen hiervon werden in der x-Richtung durch die Antriebseinheit 7, hier z.B. einem elektrischen Linearmotor, ausgeglichen.

Der Ausgleich in j- und z-Richtung erfolgt durch die entsprechenden Antriebseinheiten in den Federparallelogrammeinheiten 4· und 5·

Die Mehrkoordinatenkraftmeßeinrichtung 6 ist über die Basisplatte' 11 mit den Federparallelogrammeinheiten 3» 4- und 5 verbunden. Die Auslenkung der Tastspitze 1 wird damit auf den Wegaufnehmer 8 für die x-Richtung übertragen und erfaßt. Entsprechende Wegaufnehmer für die j- und z-Richtung sind in den Federparallelogrammeinheiten 4· und 5 enthalten. Damit erhält man in Verbindung mit dem Koordinatenmeßsystem der Meßmaschine durch vorzeichenrichtige Addition die Position des Tastkugelmittelpunktes. Die Meßkraft bleibt durch die Regelung unabhängig von der Parallelogrammauslenkung konstant.

Zum Gewichtsausgleich in z-Richtung ist die Basisplatte 11 über Federaufhängungen und Einstellschrauben 10 aufgehängt.

Die Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau der Mehrkoordinatenkraftmeßeinrichtung die im vorliegenden Fall aus drei ineinander verschachtelten Kraftmeßeinrichtungen 61, 62 und 63 aufgebaut ist.

Die auftretende Meßkraft wird über die Stangen 2 auf das Gehäuse 64,über die Verbindungsplatte 65 auf die Basisplatte 66* für die x-Kraftmeßeinrichtung übertragen. Die x-Kraftmeßeinrichtung ist aus zwei Biegebalken 61 aufgebaut, die über die Zwischenplatte 67 zu einem Federparallelogramm verbunden sind. Auf den Biegebalken 61 sind dehnungsempfindliche Meßwertaufnehmer aufgebracht, die in Verbindung mit bekannten elektrischen Zwischenschaltungen ein elektrisches Signal FX 61b

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liefern, das proportional der wirkenden Kraftkomponente PX der Meßkraft ist. Entsprechend wird die Kraftkomponente 62b über das Federparallelogramm 62 und Meßwertaufnehmer 62a gemessen. Die Biegebalken 62 sind in 68 mit der z-Kraftmeßeinrichtung 63 verbunden, die hier durch einen Stauchzylinder realisiert ist, von dem nur um 90° gegeneinander versetzte Stege verwendet werden, auf die die Meßwertaufnehmer 63a aufgebracht sind, die das Signal FZ 63b liefern. Die z-Kraftmeßeinrichtung 63 ist mit der Basisplatte 11 verbunden. Die Meßwertaufnehmer sind so geschaltet, daß sich unerwünschte Kraftkomponenten und Momente aufheben.

Die Fig. 3 zeigt das Blockschaltbild der elektrischen Kraftregelung und die Datenübertragung zum Rechner. Der Mehrkoordinatenkraft aufnehmer liefert beim Antasten des Gegenstandes 26 die elektrischen Signale FX 61b, FY 62b und FZ 63b. Die Signale 61b, 62b und 63b werden einerseits über die Analog-Digitalwandler 61c,. 62c und 63c zum Rechner über die Leitungen 12 geschickt und zusammen mit den Signalen der Vorzeichenlogik 14, die über die Leitungen 13 mit dem Rechner verbunden ist, ausgewertet. Der Rechner liefert Größe und Richtung des Meßkraftvektors F und damit die Lage des Antastpunktes der Meßkugel am Gegenstand 26 und die Normalenrichtung zur Fläche im Antastpunkt. Anderseits wird über die Rechenschaltung 15 der Betrag des Meßkraftvektors ermittelt und im Vergleicher 16 mit der geforderten Meßkraft verglichen. Die Abweichung wird in den Schaltungen 17, 18 und 19 multiplikativ mit den Meßkraftkomponenten 61b, 62b und 63b verknüpft und den Leistungsverstärkern 20, 21 und 22 zugeführt, die über die Leitungen 23, 24 und 25 die Antriebseinheiten in den Federparallelogrammeinheiten mit Energie versorgen.

Die Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung des rotatorischen Antriebs mit Bandgetriebe 70, Taster und Federparallelogramm 3 für eine Koordinatenachse. Der Antriebsmotor 73 überträgt seine Drehbewegung auf das dünne Band 70, so daß dieses tordiert und verkürzt wird. Im Axiallager 72

ist das Band in Längsrichtung fixiert, so daß sich die Verkürzung über die Basisplatte 11, die Kraftmeßeinrichtung und die Stange 2 auf die Kugel 1 übertragen läßt. Sofern erforderlich kann das dünne Band auch über eine Rolle 71 umgelenkt werden.

Claims

Patentansprüche

Mehrkoordinatentaster mit geregelter Antastkraft zum Antasten von Gegenständen vorzugsweise für Längen- und Zahnradmeßmaschinen dadurch gekennzeichnet, daß die Antastkraft über eine Mehrkoordinatenkraftmeßeinrichtung erfaßt und zur Regelung der Antastkraft verwendet wird, indem entsprechende Geradführungen im Mehrkoordinatentaster durch Antriebseinheiten so ausgelenkt werden, daß die resultierende Meßkraft einer vorgegebenen Größe entspricht unabhängig von Richtung und Größe der Mehrkoordinatentasterauslenkung.
2. Mehrkoordinatentaster mit geregelter Antastkraft nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet., daß die Auslenkung der Geradführungen über elektrische Weggeber erfaßt wird.
3· Mehrkoordinatentaster mit geregelter Antastkraft nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale der elektrischen Weggeber zur Regelung der Meßmaschinenschlitten und durch vorzeichenrichtige Addition zu den Signalen der Weggeber der Meßmaschinenschlitten die Lage des Tastkugelmittelpunktes ergeben.
4-, Mehrkoordinatentaster mit geregelter Antastkraft nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Antastkraftkomponenten die Richtung des Meßkraftvektors und damit die Lage des Berührpunktes der Tastkugel am zu messenden Gegenstand ermittelt wird.
5. Mehrkoordinatentaster mit geregelter Antastkraft nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Einfluß der Reibkraft zwischen Tastkugel und Gegenstand dadurch minimiert wird, daß mehrmals angetastet wird und zwar jeweils in der beim vorhergehenden Antasten ermittelten Richtung des .Kraftvektors.
6. Mehrkoordinatentaster mit geregelter Antastkraft nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrkoordinatenkraftmeßeinrichtung mit dehnungsempfindlichen Halbleiterelementen arbeitet.

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7. Mehrkoordinatentaster mit geregelter Antastkraft nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrkoordinatenkraftmeßeinrichtung mit Weggebern arbeitet, die eine der Meßkraft proportionale Auslenkung von elastischen Elementen erfassen.
8. Mehrkoordinatentaster mit geregelter Antastkraft nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinheit ein Linearmotor ist.
9. Mehrkoordinatentaster mit geregelter Antastkraft nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinheit aus einem Rotationsmotor 75 mit nachgeschaltetem Getriebe 70 aufgebaut ist, das aus einem dünnen Band oder Seil besteht, welches vom Rotationsmotor 73 tordiert wird und sich damit verkürzt und bei Drehrichtungsumkehr wieder verlängert und somit eine Linearbewegung erzeugt.
10. Mehrkoordinatentaster mit geregelter Antastkraft nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkraft zur Korrektur von Fehlern, infolge von Verformungen von Mehrkoordinatentaster und Meßmaschine, verwendet wird.
11. Mehrkoordinatentaster mit geregelter Antastkraft nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkraftregelung in einer oder mehreren Koordinatenrichtungen direkt auf die Meßschlittenantriebe wirkt und damit die entsprechenden Geradführungen am Mehrkoordinatentaster wegfallen können.
12. Mehrkoordinatentaster mit geregelter Antastkraft nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geradführung aus ineinandergeschachtelten Pederparallelogrammen aufgebaut ist.