DE3310345A1

DE3310345A1 - Verfahren und vorrichtung zum messen von werkstuecken in drei dimensionen

Info

Publication number: DE3310345A1
Application number: DE19833310345
Authority: DE
Inventors: Michael J. Dipl.-Ing. 8023 Pullach Mehltretter; Peter J. Dr. Mehltretter, (verstorben); Peter Dipl.-Ing. Dr. 8031 Steinebach Meinke; Andreas Dipl.-Ing. Dr. 8000 München Truckenbrodt
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MT Aerospace AG
Priority date: 1983-03-22
Filing date: 1983-03-22
Publication date: 1984-09-27

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Messen von
Werkstücken in drei Dimensionen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen von Werkstücken in drei Dimensionen, bei dem mit einem im Raum beweglichen Taster die Meßpunkte des Werkstückes abgetastet und die jeweiligen Positionswerte des Tasters registriert und ausgewertet werden.
Bei den meisten in der Meßtechnik üblichen Mehrkoordinaten-Meßmaschinen wird der Taster mittels senkrecht zueinander bewegbaren Führungsschlitten geführt, wobei jeweils die in den verschiedenen Bewegungsrichtungen gefahrenen Wege gemessen werden.
Etwaige Verbiegungen der Führungsschlitten gehen als Fehler in die Messung ein. Die Meßmaschinen werden daher mit extrem steifen Führungsschlitten ausgerüstet, um die Abweichungen durch Verformungen soweit zu reduzieren, daß ihre Summe unterhalb der Meßgenauigkeit zu liegen kommt. Der Aufbau wird dabei jedoch aufgrund einer Vergrößerung der Baugröße und des höheren Materialaufwandes sehr komplex.
Die fehlende Bewegungsmöglichkeit der Tastsysteme relativ zu den Führungschl itten bei den bekannten Verfahren führt ferner zu hohen Anforderungen an die Positioniergenaugigkeit der Antriebe für die translatorischen Bewegungen der Führungsschlitten. Dabei ist auch wegen der im allgemeinen unterschiedlichen Lagen der zu vermessenden Flächen ein häufiger Tasterwechsel erforderlich, was einen zügige Meßabl auf stark hemrnt.
Sogenannte Tastersterne ersetzen zwar einen mehrfachen Taststiftwechsel, jedoch sind sie aufgrund ihrer Baugröße in vielen Fällen nicht alle Meßpunkte zugänglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Meßverfahren zu entwickeln, mit dem bei konstruktiv einfachen und sicherem Aufbau Messungen mit hoher Genauigkeit durchführbar sind.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Taster über ein Mehrfach-Gelenksystem bewegt wird.
Hiermit entfallen die bei den bekannten Verfahren erforderl ichen genauen Führungssysteme sowie die bauaufwendige Auslegung von den Taster mit der Meßmaschine verbindenden beweglichen Elementen.
Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß das erfindungsgemäße Verfahren eine sinnvollere Kinematik erlaubt, bei der der Taster wesentlich schneller und aus unterschiedlichen Richtungen an den Meßpunkt herangefahren werden kann.
Gemäß einer Ausgestaltuny der Erfindung werden sämtliche translatorischen und rotatorischen Freiheitsgrade vom Taster und dem Mehrfach-Gelenksystem ausgeführt.
Hierdurch vereinfacht sich die Halterung für das zu messene Werkstück, indem diese nach fertigungstechnischen Gesichtspunkten günstig frei auslegbar ist. Bei den bekannten Meßverfahren wird üblicherweise mindestens eine Bewegung vom Werkstück durchgeführt.
Es ist vorteilhaft, wenn der Taster zu den notwendigen Bewegungsmöglichkeiten zusätzliche Freiheitsgrade besitzt, mit denen Hindernisse umgangen werden können.
Eine derartige Beweglichkeit erlaubt die Durchführung sämtlicher Messungen an einem Werkstück, ohne die Lage des Werkstückes ändern zu müssen. Das Werkstück kann dabei mit einer Klemmvorrichtung gehalten werden, so daß ein allseitiger Zugang möglich ist. Weitere Orientierungsmöglichkeiten zwischen Taster und Werkstück sind hierdurch gegeben.
Die Erfindung erstreckt sich auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, die dadurch gekennzeichnet ist, daß der Taster über mindestens zwei gelenkig miteinander verbundenen Armen an einem raumfesten Teil der Meßmaschine verbunden ist.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung sind drei hintereinander gelenkig miteinander verbundene Arme vorgesehen, wobei das freie Ende des ersten Armes schwenkbar an dem raumfesten Teil der Meßmaschine angeordnet ist und wobei der dritte Arm den Taster darstellt.
Mit einem derartigen Positioniersystem ist es möglich, mit geringer Baugröße der Meßmaschine einen sehr großen Bereich mit dem Tastkopf verfahren zu können.
Durch Einbringung von entsprechenden Bewegungsfreiheiten zwischen den Gelenkgliedern ist das Anfahren an jeden Meßpunkt des zu vermessenden Werkstückes aus unterschiedlichen Richtungen möglich. Dieses kann in einer einfachen Weise dadurch erreicht werden, daß der erste Arm gegenüber dem raumfesten Teil und der dritte Arm gegenüber dem zweiten Arm jeweils um zwei senkrecht zueinander liegenden Achsen schwenkbar sind.
Es ist auch möglich, mehr als drei Gelenkarme für das Positioniersystem vorzusehen, um damit weitere Freiheitsgrade einzubringen, die es ermöglichen, Hindernisse zu umfahren und damit den Tastkopf von allen Richtungen an das Werkstück heranzuführen. Es ist hierdurch nur ein Taster erforderlich, der in einer einfachen Art direkt das letzte Gelenkglied sein kann.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung bilden die Gelenkarme ein Parellelogrammgestänge, das an einem Ende schwenkbar mit dem raumfesten Teil der Meßmaschine verbunden ist und dessen anderes Ende den senkrecht zur Bewegungsebene des Parallelogrammgestänges beweglichen Taster trägt.
Um Abweichungen durch Verformung des Parallelogrammgestänges in der Richtung senkrecht dessen eewegungsebene zu vermeiden, ist zwischen dem freien Ende des Paraellelogrammgestänges und dem Taster ein Meßschlitten vorgesehen, der sich auf dem Meßtisch abstützt.
Hierbei ist das Parallel ograrnmgestänge parallel zu der Aletotiscllolleno angeordnet.
Der Taster kann als starrer Taststift ausgebildet und beweglich am Meßschlitten befestigt sein. Zusätzlich zur axialen Verschiebungsmöglichkeit des Tasters bzw.
des Taststiftes ist die Einbeziehung einer Schwenkbewegung um eine senkrecht zur Taststiftachse liegende Achse möglich. Ein weiterer rotatorischer Freiheitsgrad wird vom Werkstück übernommen.
Durch Berührung des Tasters mit dem Werkstück wird der Taster je nach angewandter Stellkraft eine Verformung und damit eine Auslenkung erfahren. Diese Auslenkung läßt sich durch die Wahl eines elastischen Tasters in meßbare Bereiche führen, in dem entweder ein starrer Taststift elastisch aufgehängt oder ein elastischer Taststift verwendet wird.
Das weiche Tastsystem erlaubt ein schnelles Antasten, ohne der Gefahr einer Beschädigung des Werkstückes oder des Tasters und ohne Verfälschung der Messung durch Verbiegung des Tasters ausgesetzt zu sein. Die Auslenkung des Tasters wird durch Messung der dabei ausgeübten Kraft und des Momentes in den Messungen einbezogen.
Bei dem weichen Tastsystem ist außerdem eine ungenauere Positionierung des Tasters möglich, da nicht genau mit der Spitze gemessen werden muß.
In der Zeichnung sind 5 Ausführungsbeispiele nach Er Erfindung schematisch dargestellt.
Fig. 1 zeigt eine Meßmaschine mit einer um eine vertikale Achse 10 drehbar in einem raumfesten Sockel 11 gelagerten Welle 12, an der ein aus mehreren gelenkig miteinander verbundene Arme ausgebildetes Mehrfach-Gelenksystem 13 bis 16 schwenkbar angelenkt ist. Der erste Arm 13 des Gelenksystemes ist an der Welle 12 um eine senkrecht zur Achse 10 verlaufene Achse 17 schwenkbar befestigt. Das letzte Glied ist als Taster 16 ausgebildet und trägt eine Tastspitze 18, die an ein zu messendes Werkstück 19 herangefahren wird. Das Werkstück 19 ist allseitig zugänglich von einer zangenartigen Halterung 20 gehalten.
Die Arme 13 bis 16 des Gelenksystemes sind untereinander um jeweils Achsen 21 bis 23 schwenkbar miteinander verbunden, die parallel zur Achse 17 verlaufen. Auf diese Weise befinden sich alle Arme 13 bis 16 stets in einer Ebene 25, die von der Tastspitze 18 durchfahren werden kann.
Aufgrund der viergliedrigen Aufteilung des Gelenksystemes 13 bis 16 kann ein Punkt der Ebene von allen Seiten mit der Tastspitze 18 in bestimmten Richtungen angefahren werden. Die Bewegungsfreiheit in der Ebene 25 bietet in Verbindung mit der Drehbeweglichkeit der Aktionsebene des Gelenksystemes 13 bis 16 die Möglichkeit, im Raum jeden Punkt innerhalb eines begrenzten Bereiches von allen Richtungen mit dem Tastkopf anzutasten. Es können daher ohne Umspannen oder Drehen des Werkstückes 19 alle Meßpunkte mit dem Tastkopf 18 erreicht werden. Die jeweilige Position des Tastkopfes wird durch Messung der Winkel ,/ 9,J I zwischen dem Arm 13 und der Welle 12 bzw. zwischen den Armen 13 bis 16 untereinander, sowie der Drehung t der Welle 12 bezüglich eines Referenzpunktes. Diese Messungen können entweder durch an den jeweiligen Gelenken angeordneten Sensoren oder mit optischen Methoden durchgeführt werden. Die optische Methode erlaubt die Messungen von außen, d.h. mit von der Meßmaschine entfernt angeordneten Instrumenten durchzuführen.
Die Wendigkeit des oben beschriebenen Systemes läßt sich dadurch vergrößern, daß das letzte Glied 16 mit der Tastspitze 18 noch einen weiteren Freiheitsgrad besitzt, nämlich eine Drehbeweglichkeit um eine Achse, die senkrecht zur Achse 23 und in der Linie des anschließenden Armes 15 liegt.
In Fig. 2 ist ein einfaches Beispiel dargestellt, bei dem das Gelenksystem nur aus drei Armen 13', 14' und 16' besteht. In diesem Fall ist das letzte, die Tastspitze 18' tragende und als Taster 16 ausgebildetes Glied um zwei senkrecht zueinander verlaufende Achsen 23' und 30 schwenkbar. Dieses Meßsystem ist insbesondere zur Messung von auf einem Meßtisch liegenden Werkstücken geeignet. Eine Drehung des Werkstückes 19' bedarf es bei dieser Einrichtung jedoch nicht, dieser Freiheitsgrad wird ebenfalls von der Meßmaschine übernommen.
Fig. 3 zeigt ein weiteres Beispiel, bei dem das Gelenksystem als Parallelogramnlgestänge 35 ausgebildet ist, das einseitig an einem raumfesten Teil 36 der Meßmaschine und anderseitig an einem Meßschlitten 37 in der Parallelogrammebene schwenkbar angelenkt ist.
Der Meßschlitten 37 trägt einen senkrecht zur Parallelogrammebene xy verschiebbaren Taster 38 mit einer Tastspitze 39. Der Meßschlitten 37 stützt sich an der parallel zur xy-Ebene verlaufenden Fläche einer Tisch- platte 40 ab, auf dem das Werkstück 41 für den Meßvorgang abgestellt wird. Der vierte erforderliche Bewegungsfreiheitsgrad wird vom Werkstück 41 bzw. mittelbar mit dem Tisch 40 durchgeführt.
In der Ausführung gemäß Fig. 3 ist der Taster 38 in Bezug auf Biegungen starr mit dem Meßschlitten 37 verbunden. Um eventuelle Verfälschungen der Messungen durch Verbiegung des Tasters 38 zu verhindern, kann ein weiches bzw. elastisches Tastsystem vorgesehen werden.
Die Fig. 4 und 5 zeigen Ausführungsbeispiele hierzu.
Bei der Ausführung nach Fig. 4 ist ein starrer Taststift 45 vorgesehen, der elastisch aufgehängt ist, indem er an einem Punkt 46 schwenkbar und an einem zweiten Punkt federnd gelagert ist. Das elastische Lager besteht z.B. aus drei um 1209 versetzte Federn 48. Auf diese Weise wirkt sich die elastische Aufhängung in allen Richtungen aus, so daß der Taster 45 aus jeder Richtung an den Meßpunkt 49 heranfahrbar ist. Beim Anlegen des Tasters 45 an den Meßpunkt 49 des Werkstückes 50 wird der Taster 45 entsprechend der angelegten Kraft k um den Lagerpunkt 46 geschwenkt. Durch Messung des Momentes der Kontaktkraft k in Bezug auf die Lagerstelle 46 werden die beiden Koordinaten der Abweichung 51 und der Abstand 52 zum Lagerpunkt 46 berechnet, die dann in der Messung des Werkstückes 50 Berücksichtigung finden.
Die Messung der Kontaktkraft k kann durch dreidimensionale Kraftmessung bei den Lagerstellen 46 und 47 durch induktive, elektrische Verfahren oder mittels Dehnmeßstreifen durchgeführt werden. Aus der Messung dieser Kraft und deren Moment kann der Angriffspunkt der Meßkraft k und ihre Richtung ermittelt werden. Hier- durch ist es möglich, trotz ungenauer Positionierung des Tasters, d.h. nicht notwendigerweise mit der Tastspitze exakte Messungen vorzunehmen. Dadurch ist außerdem ein einfaches selbstsuchendes Abtasten von Kanten und Oberflächen möglich, indem der Taster senkrecht zur Meßkraft fortschreitet.
Gemäß Fig. 5 ist ein weicher Taster 55 mit starrer Aufhängung 56 vorgesehen. Der Taster 55 ist an zwei Lagerstellen 57 und 58 gefesselt. Wie beim vorhergehenden Beispiel wird hier ebenfalls durch Messung der Kontaktkraft k und deren Moment im Bezug auf die Lagerstelle 57 und Ermittlung des Angriffspunktes der Kraft k die Abweichung 59 des Tasters 55 in Bezug auf dessen Ruhestellung errechnet.
Die Weichheit dieser Tastsysteme reduziert die Häufigkeit der Nachstellbewegungen der Meßmaschine und steigert somit die Meßgeschwindigkeit. Außerdem besteht trotz schnellem Antasten keine Gefahr für das Werkstück oder den Taster.
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Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e 4. Verfahren zum Messen von Werkstücken in drei Dimensionen, bei dem mit einem im Raum beweglichen Taster die Meßpunkte des Werkstückes abgetastet und die jeweiligen Positionswerte des Tasters registriert und ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Taster (16, 16', 38) über ein Mehrfachgelenksystem (13 bis 16; 13', 14', 16'; 35, 37) bewegt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Taster (16, 16', 38) und das Mehrfach-Gelenksystem die translatorischen und rotatorischen Bewegungen übernehmen.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Taster (16, 16', 38) zusätzliche Bewegungsfreiheitsgrade hat.
4. Dreidimensionale Meßmaschine zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 mit einem im Raum beweglichen Tas-ter, dadurch gekennzeichnet, daß der Taster (16, 16') über mindestens zwei gelenkig miteinander verbundene Armen (13 bis 16; 13', 14', 16') mit einem raumfesten Teil (11, 11') der Meßmaschine verbunden ist.
5. Meßmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß drei hintereinander gelenkig miteinander verbundene Gelenkarme (13', 14', 16') vorgesehen sind, wobei das freie Ende des ersten Armes (13') schwenkbar und drehbeweglich an einem raumfesten Teil (11') der Meßmaschine angeordnet ist und wobei der dritte Arm den Taster (16') bildet.
6. Meßmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Arm (13') gegenüber dem raumfesten Teil (11) um zwei senkrecht zueinander liegenden Achsen (10', 17') schwenkbar ist.
7. Meßmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennnzeichnet, daß der dritte Arm (16') gegenüber dem zweiten Arm (14') um zwei senkrecht zueinander stehenden Achsen (23', 30) schwenkbar ist.
8. Meßmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß mindestens vier gelenkig miteinander verbundene Arme (13 - 16) vorgesehen sind.
9. Meßmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der letzte Arm (16, 16') des Gelenksystemes den Taster (16, 16') bildet.
10. Meßmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gelenkarme ein Parallelogrammgestänge (35) bilden, das an einem Ende schwenkbar mit einem raumfesten Teil (36) der Meßmaschine verbunden ist, und dessen anderes Ende den senkrecht zur Bewegungsebene des Parellelogrammgestänges beweglichen Taster trägt.
11. Meßmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem freien Ende des Parallelogrammgestänges (35) und dem Taster (39) ein Meßschlitten (37) vorgesehen ist.
12. Meßmaschine nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein elastisch aufgehängter Taster (45) vorgesehen ist.
13. Meßmaschine nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein elastischer Taster (55) vorgesehen ist.