DE4433917A1 - Verfahren zur Messung von Werkstücken mit einem handgeführten Koordinatenmeßgerät - Google Patents

Description

Handbediente Koordinatenmeßgeräte sind bisher, jedenfalls dann, wenn relativ genaue Meßergebnisse gefordert waren, nahezu ausschließlich mit sogenannten schaltenden Tastköpfen ausgerüstet worden. Der Meßvorgang läuft dabei so ab, daß der Meßarm des Koordinatenmeßgeräts mit dem daran befestigten schaltenden Tastkopf von der Bedienperson auf das Werkstück zu bewegt wird, bis der federnd gelagerte Taster mit seiner Tastkugel die Werkstückoberfläche berührt. Bei dieser ersten Berührung wird von einem empfindlichen Sensor ein Schaltsignal an die Steuerung des Koordinatenmeßgeräts gemeldet, das zum Festhalten der von den Koordinatenmeßeinrichtungen, d. h. den Maßstäben gelieferten Koordinatenmeßwerte dient. In gleicher Weise wird dann der nächste Meßpunkt aufgenommen und aus der Summe der nacheinander punktweise angetasteten Stellen am Werkstück wird dessen Form bzw. Toleranz durch den Auswerterechner des Koordinatenmeßgeräts ermittelt.

Das linienförmige Vermessen von Werkstücken, d. h. das quasikontinuierliche Aufnehmen von Meßpunkten auf einer Werkstückoberfläche mit Hilfe eines sogenannten messenden Tastkopfes im Scanning Betrieb war aus den verschiedensten Gründen bei handbedienten Koordinatenmeßgeräten bisher nicht möglich. Zum einen ist der Meßbereich, in dem die wenigen bekannten messenden Taster ein der Tasterauslenkung proportionales Signal abgeben, nur sehr klein und es ist sehr schwer wenn nicht unmöglich, die relativ großen trägen Massen eines Koordinatenmeßgeräts von Hand so zu bewegen, daß der Taster innerhalb der vorgegebenen engen Grenzen der Tasterauslenkung an der Werkstückoberfläche entlang gleitet. Außerdem werden durch die Handführung die unterschiedlichsten Kräfte und Momente auf den Meßarm des Koordinatenmeßgeräts ausgeübt. Hierdurch verformen sich jedoch die Führungsteile des Koordinatenmeßgeräts in einem Ausmaß, das genauen Messungen ausschließt. Letzteres gilt naturgemäß in noch stärkerem Maße auch für das Vermessen von Werkstücken mit handgeführten Maschinen und einfachen starren Tastern wie sie in der Anfangszeit der Koordinatenmeßtechnik häufig benutzt wurden.

Im quasikontinuierlichen Scanning Mode arbeiten deshalb heute ausschließlich in allen drei Achsen motorisch angetriebene CNC-ge­ steuerte Koordinatenmeßgeräte. Entsprechende Scanning- Verfahren sind beispielsweise in der US-PS 4 769 763, der US-PS 5 334 918 sowie in der DE-OS 42 12 455 beschrieben.

Soweit nach diesen Scanning Verfahren CNC-gesteuert unbekannte Werkstücke vermessen werden, arbeiten die Verfahren sehr langsam, da der Steuerrechner das weitere Fortschreiten des Scanning-Vorganges ständig wieder vom bereits zurückgelegten Weg ableiten muß.

In der DE-OS 42 38 139 ist ein leichtgängig geführtes Koordinatenmeßgerät mit relativ geringer Masse der geführten Teile bekannt geworden, mit dem auch Linienzüge am Werkstück unter Handführung aufgenommen werden können. Aber auch dort tritt das Problem auf, daß sich das Gerät unter den vom Bediener aufgebrachten Kräften verformt, so daß die Meßergebnisse ungenau werden. Außerdem ist die Aufnahme von Meßpunkten insofern noch umständlich, als der Beginn und das Ende eines Meßvorganges von der Bedienperson an die Steuerung des Gerätes gemeldet werden muß. Das Betätigen von entsprechenden Signaleinrichtungen stört jedoch das feinfühlige Abtasten der Werkstückoberfläche.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren anzugeben, mit dem einfach und schnell Messungen hoher Genauigkeit an Werkstückoberflächen mit handgeführten Koordinatenmeßgeräten durchgeführt werden können und ein für dieses Verfahren besonders geeignetes Koordinatenmeßgerät anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen bzw. durch ein Koordinatenmeßgerät mit den im Anspruch 9 angegebenen Merkmalen gelöst.

Die Erfindung geht aus von einem Koordinatenmeßgerät, welches einen in mindestens zwei Richtungen gegenüber einem beweglichen Träger auslenkbaren Taststift besitzt, der einen Antastformkörper, in der Regel eine Tastkugel trägt. Gemäß der Erfindung wird nun der Antastformkörper in Kontakt mit dem zu vermessenden Geometrieelement des Werkstücks an diesem entlang bewegt und dabei aus den bei Bewegung des Trägers generierten Signalen der Koordinatenmeßeinrichtungen und/oder bei Auslenkung des Taststifts erzeugten Signalen der Meßwertgeber des Tasters werden Steuersignale abgeleitet, die den Beginn und das Ende eines Meßvorganges sowie die Gültigkeit der Koordinatenmeßwerte charakterisieren.

Da die Steuerung des Koordinatenmeßgeräts somit den Beginn und das Ende einer Messung selbsttätig erkennt, kann sich die Bedienperson ganz dem Abtasten des jeweiligen Geometrieelements am Werkstück widmen und braucht Beginn und Ende einer Messung nicht mehr zu signalisieren. Gleichzeitig ist sichergestellt, daß das Meßergebnis nicht durch ungültige Meßwerte verfälscht wird, die beispielsweise gewonnen wurden, als der Antastformkörper den Kontakt mit der Werkstückoberfläche verloren hatte, oder als übermäßiger Druck auf die Werkstückoberfläche ausgeübt wurde.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich deshalb Werkstücke sehr schnell und mit hoher Genauigkeit von Hand vermessen.

Obwohl in vielen Fällen die bei Auslenkung des Taststifts generierten Signale ausreichend sind, um die genannten Steuersignale zu generieren, da die Auslenkung des Taststifts bei vielen Tastern ohnehin der Meßkraft proportional ist, kann es zweckmäßig sein, außerdem das Signal eines die Betätigungskraft der Handführung messenden Sensors auszuwerten und zusätzlich zur Ableitung der Steuersignale heranzuziehen, um hierdurch den Beginn und das Ende der Messung zu signalisieren, während die Tasterauslenkung bzw. die davon abgeleiteten Signale zur Charakterisierung der Gültigkeit der Koordinatenmeßwerte herangezogen werden.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die zwischen dem Beginn und dem Ende eines Meßvorgangs generierten gültigen Koordinatenmeßwerte einschließlich der Meßwerte der zugehörigen Tasterauslenkung gespeichert werden. Denn aus diesen gespeicherten Meßwerten läßt sich durch geeignete Auswerteprogramme nach Art eines Expertensystems selbständig die Form des abgefahrenen geometrischen Elementes erkennen, d. h. ob die abgefahrene Linie einen Kreis beschrieben hat, auf einer ebenen Fläche lag, einen Zylindermantel, ein Rechteck oder eine Ellipse umfahren hat. Der Bediener kann dann das nach Ende eines Meßvorganges angezeigte geometrische Element bei Zustimmung einfach bestätigen bekommt dann dessen Maße, Abweichungen, Toleranzen etc. angezeigt oder ausgedruckt.

Das zur Durchführung des Verfahrens besonders geeignete KMG besitzt deshalb eine Einrichtung zur Erzeugung von Steuersignalen aus den bei Bewegung des Trägers des Tasters generierten Signale der Koordinatenmeßeinrichtungen und/oder bei Auslenkung des Taststifts erzeugten Signalen der Meßwertgeber des Tasters, welche Einrichtung mit einem Speicher zur Abspeicherung von generierten Koordinatenmeßwerten einschließlich der zugehörigen Tasterauslenkungen gekoppelt ist. Außerdem ist es vorteilhaft, wenn dem Taster eine Betätigungshandhabe zugeordnet ist, die zumindest bezüglich einiger Freiheitsgrade der Bewegung vom Taststift bzw. von dem ihn tragenden Meßarm kräftemäßig entkoppelt ist. Die Betätigungshandhabe stellt sicher, daß die Betätigungskräfte in Richtung der Führungen in das Meßgerät eingeleitet werden und daß keine Zwangskräfte, Drehmomente etc. auf die Führungen des Koordinatenmeßgeräts ausgeübt werden. Zweckmäßige Ausgestaltungen für die Betätigungshandhabe sind in den Unteransprüchen beschrieben und in den Ausführungsbeispielen dargestellt.

Von besonderem Vorteil für die Bedienbarkeit und das Erzeugen gültiger Meßwerte ist außerdem, wenn das Koordinatenmeßgerät eine Einrichtung zur Rückkopplung eines visuellen oder akustischen Signals besitzt, das die Gültigkeit der Koordinatenmeßwerte und/oder das Überschreiten vorbestimmter Grenzwerte der Tasterauslenkung anzeigt. Das ermöglicht es der Bedienperson, mit konstanter Betätigungskraft an der Werkstückoberfläche entlang zu fahren, indem die Bedienperson sozusagen in den "Kraftregelkreis" des Koordinatenmeßgeräts eingebunden wird.

Im Bezug auf Leichtgängigkeit und massearme Führungsteile ist es zweckmäßig, wenn der Taster des Koordinatenmeßgeräts über aufeinanderfolgende Drehachsen gelenkig mit einem höhenverstellbaren Träger verbunden ist, das Koordinatenmeßgerät also einen Aufbau ähnlich dem besitzt, wie er in der DE-OS 42 38 139 beschrieben ist. Der gelenkige Taster kann beispielsweise über ein als Materialdünnstelle ausgebildetes Kardangelenk senkrecht zu seiner Schaftrichtung auslenkbar gelagert sein wie das in der DE-OS 18 04 253 beschrieben ist.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Fig. 1-8 der beigefügten Zeichnungen. Hierbei sind Fig. 1 eine kinematische Schemazeichnung eines Koordinatenmeßgeräts mit zwei parallelen Drehachsen;

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des Geräts aus Fig. 1 mit einem Blockschaltbild der daran angeschlossenen Auswerte- und Steuerelektronik;

Fig. 3a-3c einfache Skizzen, die das manuelle Abscannen von von Geometrieelementen verdeutlichen; Fig. 4 ein Polarkoordinatendiagramm, in dem die beim Abscannen eines kreisförmigen Geometrieelements aufgebrachten Meßkräfte dargestellt sind;

Fig. 5 ein Flußdiagramm eines für das Gerät nach Fig. 1 geeigneten Meßprogramms;

Fig. 6 eine kinematische Schemazeichnung eines für das Gerät nach Fig. 1 geeigneten Tasters nach einem ersten Ausführungsbeispiel;

Fig. 7 eine kinematische Schemazeichnung eines für das Gerät nach Fig. 1 geeigneten Tasters nach einem zweiten Ausführungsbeispiel;

Fig. 8 eine Konstruktionszeichnung des Tastkopfs für das Gerät nach Fig. 1 nach einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel.

Das in Fig. 1 schematisch gezeichnete Koordinatenmeßgerät besitzt eine als vertikale z-Führung ausgebildete Säule (1), an der ein Träger (4) mit Hilfe eines Antriebs (2) verschieblich gelagert ist. Die vertikale z-Position kann über einen Maßstab (3) photoelektrisch ausgelesen werden.

Am Träger (4) ist die Drehachse (6) befestigt, um die der erste Gelenkarm (5) in der Ebene (x, y) verschwenkt werden kann. Den Schwenkwinkel gibt ein ebenfalls photoelektrisch ausgelesener Teilkreis (16) auf der Achse (6) an.

Am ersten Gelenkarm (5) ist eine zweite zur vertikalen Achse (6) parallele Achse (8) befestigt. An dieser Achse (8) ist ein zweiter Gelenkarm (7) ebenfalls drehbar gelagert. Zur Erfassung der Drehbewegung dieser zweiten Drehachse (8) dient ein Teilkreis (18) in Verbindung mit einem nicht dargestellten photoelektrischen Abtastsystem.

Der zweite Gelenkarm (7) bildet gleichzeitig den Träger für einen Taster (10), der über ein Federparallelogramm mit den beiden gelenkigen Schenkeln (9a, 9b), am Träger (4) angelenkt ist. Über das Federparallelogramm (9a/9b) ist der Taster (10) in der Vertikalen beweglich. Die Auslenkung w des Federparallelogramms wird über ein Meßsystem (23), erfaßt und über einen Verstärker (15) dem Motor (2) weitergemeldet, der größere Auslenkung des Parallelogramms durch Nachfahren des Trägers (4) ausregelt.

Der Taststift (11) ist am Taster (10) über ein federndes Kardan-Gelenk (14) in der Ebene (x, y) auslenkbar. Das Maß der Auslenkung wird über zwei senkrecht zueinander angeordnete Meßsysteme (13a, 13b) erfaßt. Die Position der Tastkugel (12) in der x-y-Ebene ergibt sich somit aus den Meßwerten ϕ und ψ der Winkelmeßsysteme (16) bzw. (18) in Verbindung mit den Längen R1 und R2 der beiden Gelenkarme (5) und (7) nach folgender Formel, die man anhand von Fig. 1 leicht ableiten kann:

X = R1 · cos ϕ + R2 · cos(ϕ + ψ)
Y = R1 · sin ϕ + R2 · sin(ϕ + ψ)

wobei R2 und ψ noch von der Auslenkung (u, v, w) des Taststifts (11) abhängt.

Wie aus dem Blockschaltbild nach Fig. 2 hervorgeht sind die Signalausgänge (u, v, w) der drei Meßwertgeber (13a, b und 23) einer Funktionsbaugruppe (43) mit beispielsweise je einem Trägerfrequenzmeßverstärker (61, 62 und 63) und nachgeschaltetem Analog/Digitalwandler zugeführt. Bei den Meßwertgebern (13a, b und 23) handelt es sich um Induktivmeßsysteme, die nach dem Trägerfrequenzverfahren arbeiten. Die digitalisierten Meßwerte der Taststiftauslenkung sind an die Dateneingänge eines schnellen Mikroprozessors (41) gelegt. Der Mikroprozessor (41) erhält ebenfalls die Meßwerte der Koordinatenmeßeinrichtungen, d. h. des die z-Verstellung messenden Maßstab/Gebersystems (3) und der beiden Winkelgeber (16 und 18). Letztere werden zur Vermeidung von Zentrierfehlern jeweils durch zwei beidseitig der Drehachse angeordnete Leseköpfe (26a/26b bzw. 28a/28b) ausgelesen und die Paare von Winkelmeßsignalen ϕ und ψ, d. h. die Sinus/Cosinussignale der inkrementalen Winkelmeßsysteme werden in Interpolatorschaltungen (66-68) 80fach interpoliert und in Mehrfach-Zählerbausteinen (69 und 70) gezählt. Die Interpolatoren (65-68) und Zähler (69, 70) sind in der mit (44) bezeichneten Funktionsbaugruppe "Wegmessung" zusammengefaßt.

Zwei Summationsschaltungen (45 und 46) bilden den Mittelwert der Winkelmeßwerte der Geberpaare (26a/b und 28a/b). Die daraus gewonnenen aktuellen digitalen Winkelmeßwerte ϕ und ψ werden ebenso wie der Meßwert (z) drei Digitaleingängen des Mikroprozessors (41) zugeführt,
Gleichzeitig gelangen die Meßwerte der Tasterauslenkung (w) und der z-Meßwert zu einer Antriebssteuerungs-Schaltung (47). Diese bildet ein digitales Regelsignal, das über einen Digital/Analogwandler (48) einem Servoverstärker (49) zugeführt ist, der außerdem an den Tachogenerator des Motors (2) angeschlossen ist. Die Antriebssteuerung (47) sorgt dafür, daß der Motor (2) den Träger (4) des Geräts stets der Auslenkung des Federparallelogramms (9a/9b) flachführt, um die Auslenkung (w) zu kompensieren,
Über einen Datenbus ist der Mikroprozessor (41) an einen Auswerterechner (51), einen handelsüblichen PC angeschlossen, Dem Mikroprozessor zugeordnet ist außerdem eine Speicherbaugruppe (50), in der die vom Mikroprozessor empfangenen Meßwerte (u, v, w und ϕ, ψ, z) wie noch nachfolgend beschrieben wird eingespeichert werden können.

Der Mikroprozessor (41) ist außerdem mit einem Frequenzgenerator (52) und einem Lautsprecher (53) gekoppelt, Eine seiner Aufgaben besteht darin, über ein entsprechendes Auswerteprogramm in seiner Firmware die Taststiftauslenkung (u, v, w) zu überwachen und ein akustisches Signal zu erzeugen, dessen Frequenz davon abhängt, ob eines der Signale (u, v oder w) einen bestimmten maximal zulässigen Betrag (L2) überschreitet, oder ob alle Signale (u, v und w) unterhalb einer unteren Schwelle (L1) für die Tasterauslenkung liegen. In beiden Fällen wird ein akustisches Signal ausgegeben, um dem Benutzer anzuzeigen, daß er den für das Aufnehmen gültiger Meßwerte zulässigen Bereich verlassen hat.

Bevor im Detail auf die Art und Weise des Messens mit dem anhand der Fig. 1 und 2 beschriebenen Gerät eingegangen wird, soll an dieser Stelle der Taster des Gerätes anhand von Fig. 6 und Fig. 7 näher erläutert werden. Die beiden Ausführungsbeispiele nach Fig. 6 und Fig. 7 unterscheiden sich allein durch die an den Taster bzw. den Taststift angesetzte Betätigungshandhabe.

Der in Fig. 6 beschriebene Taster (10) ist am Träger (7), d. h. am Gelenkarm des Geräts aus Fig. 1 über ein Federparallelogramm mit den beiden Schenkeln (9a und 9b) gelenkig verbunden. Eine Feder (15) zwischen einer mit dem Träger (7) verbundenen Stange (20) und einer mit dem Taster (10) verbundenen Stange (17) dient der Gewichtsentlastung des Tasters (10) und hält diesen in der Nullage des mit (23) bezeichneten vereinfacht dargestellten Induktivmeßsystems, mit dem die vertikale Auslenkung (w) des Tasters gemessen wird.

Ein Verlängerungsstück (10a) des Tasters 10 ist mittels einer Klemmeinrichtung (22) an das Ende eines mit dem Träger (7) verbundenen Biegebalkens (21) koppelbar. Über die Klemmung in der Vertikalen läßt sich erreichen, daß wie nachfolgend noch beschrieben wird, Profile am Werkstück in einer vorbestimmten Höhe abgefahren werden können.

Gleichfalls mit dem Taster (10) verbunden ist der Taststift (11) mit der Tastkugel (12). Der Taststift (11) ist über ein durch Materialausdünnung gebildetes Kardangelenk (14) in der waagerechten Ebene (x, y) auslenkbar gehalten. Zur Erfassung der Tasterauslenkung in der Ebene senkrecht zur Vertikalen dienen die beiden Induktivmeßsysteme (13a und 13b).

Bewegt wird der Taster (10) vom Bediener mittels eines Handgriffs (19), der über eine Blattfeder (24) in der Vertikalen nachgiebig am Taster (10) gelagert ist. In das Verbindungsteil (29) zwischen der Blattfeder (24) und dem Handgriff (19) sind außerdem zwei Gelenke (27a und 27b) eingebaut, die den Handgriff (19) bezüglich Biegekräften vom Taster (10) entkoppeln. Der Handgriff (19) ist als Ringhülse ausgebildet, die den Taststift (11) umgibt. Über einen Schalter (S1) zwischen dem Taster und dem Verbindungsteil (29) des Handgriffs (19) läßt sich signalisieren, daß die Betätigungskraft in der Vertikalen eine bestimmte Schwelle (L0) überschritten hat.

Gleichfalls vom Taster (10) bezüglich Biegekräften entkoppelt ist der Handgriff (119) im Ausführungsbeispiel für den Taster nach Fig. 7. Gleiche Teile sind dort im Vergleich zu Fig. 6 gleichen Bezugsziffern bezeichnet und werden an der Stelle nicht nochmals erläutert. Der Handgriff (119) ist hier direkt am Taststift (11) gelagert und zwar mittels einer ringförmigen Platte (124) am Taststift (11), die beidseitig an mehreren Stellen durch Federn (127a-127d) im Innern der als ringförmige zylindrische Hülse ausgebildeten Handhabe (119) eingespannt ist.

Auch hier ist wieder ein Schalter (S1) vorgesehen, der die Betätigungskraft zwischen der Handhabe (119) und dem Taststift (11) in der Vertikalen bzw. das Überschreiten einer Mindestkraft (L0) signalisiert.

Beim Messen unterschiedlicher Geometrieelemente mit dem vorstehend beschriebenen Gerät geht man folgendermaßen vor: Wird z. B. eine in der x/y-Ebene liegende Bohrung oder die in Fig. 3a dargestellte Welle (31) abgetastet, so wird die Auslenkung (u, v) des Taststifts (11) durch die Meßsysteme (13a und 13b) ermittelt, gleichzeitig ergeben sich über die Federkennlinie des elastischen Kardangelenks (14) auch die dabei aufgebrachten Kräfte. In der Vertikalen wird in diesem Falle keine Kraft, da die anhand von Fig. 2 erläuterte Servosteuerung jede vom Meßsystem (23) angezeigte Auslenkung (W) durch ein entsprechendes Nachfahren des Trägers (4) kompensiert.

Soll die Bohrung bzw. die Welle (31) in einer bestimmten Höhe angetastet werden, so ist vorher die Auslenkung des Federparallelogramms (9a, b) über die Klemmeinrichtung (22) zu blockieren und die Servosteuerung des z-Schlittens (4) auszuschalten. Wird jetzt auch eine Betätigungskraft in der Vertikalen aufgebracht, so erzeugt diese eine Biegung des Biegebalkens (21), welche vom Meßsystem (23) erfaßt wird. Über die Federkennlinie des Biegebalkens (20) ist ebenfalls die auf den Träger (7) des Tasters (10) einwirkende Kraft in der vertikalen z-Richtung bekannt. Auf diese Weise sind also alle Kräfte bzw. Momente, die aus der Anlage der Tastkugel (12) am Werkstück resultieren, bekannt und können zur Korrektur der Biegung des Taststifts (11) bzw. der Deformation des Gelenkarms (4-9) verwendet werden, wie das in der am gleichen Tage eingereichten Anmeldung der Anmelderin mit dem Titel "Verfahren zur Kalibrierung eines Koordinatenmeßgerätes mit zwei rotatorischen Achsen" beschrieben ist. Das Koordinatenmeßgerät gestattet es damit sehr gut, die zu vermessenden Geometrieelemente im Scanning Verfahren linienförmig mit hoher Genauigkeit abzutasten.

Wird eine in der x/y-Ebene liegende Fläche wie beispielsweise die Fläche (32) nach Fig. 3b angetastet, so würde die Antastkraft in z-Richtung bei Verschiebung des Taststifts (11) auf der Fläche (32) lediglich über die Reibungskraft zwischen Tastkugel (12) und Fläche (32) eine Auslenkung der Meßsysteme (23a und 23b) bewirken. Die zwischen Taststift (11) und Taster (10) wirkende Kraft in z-Richtung hingegen ist nicht bekannt. Dieser Umstand kann bei geringer Kraft und kleinen Reibungskoeffizienten zu Unsicherheiten führen. Denn tastet man beispielsweise in einer Stufenbohrung die Bohrungswand und die Absatzfläche gleichzeitig an, so wäre in diesem Fall überhaupt nicht zu erkennen, ob nicht nur an der Bohrungsinnenwand sondern auch an der Absatzfläche Kontakt zur Tastkugel (12) besteht. Das ist nur dann der Fall, wenn in der vertikalen z- Richtung eine bestimmte Kraft überschritten wird, was durch schließen des Schalters (S1) signalisiert wird.

Soll die Achslage des in Fig. 3c skizzierten Zylinders (33) bestimmt werden, so wird der Zylindermantel in Unterschiedlichen Höhen, beispielsweise spiralförmig abgefahren, während die Klemmeinrichtung (22) deaktiviert ist und der Motor (2) den Träger (4) des Gelenkarms dem handgeführten Taststift (11) nachfährt.

Besonders bedienungsfreundlich ist das Messen mit dem beschriebenen Gerät dann, wenn wie beispielhaft anhand des im Folgenden beschriebenen Verfahren erläutert der Beginn und das Ende eines Meßvorganges an einem Geometrieelement automatisch erkannt wird und zudem gewährleistet wird, daß nur Meßpunkte ausgewertet werden, die mit einer in bestimmten Grenzen (L1 und L2) liegenden Antastkraft erfaßt wurden. Denn hierdurch wird zum einen gewährleistet, daß die Tastkugel bei der Messung überhaupt in Kontakt mit der Werkstückoberfläche war und zum anderen, daß die Kraft den für eine zuverlässige Korrektur zulässigen Bereich auch nicht überschritten hat. Dieses automatische Verfahren kann durch entsprechende Programmierung der Firmware des Mikroprozessors (41) (Fig. 2) realisiert werden, beispielsweise in der Art, wie das in dem Flußdiagramm nach Fig. 5 dargestellt ist.

Danach befindet sich das Meßgerät in Bereitschaft, wenn beispielsweise die Tastkugel (12) in der in Fig. 3a-3c gezeigten Stellung (A) ohne Kontakt mit dem Werkstück irgendwo im Meßbereich des Gerätes steht. In diesem Modus "Meßbereitschaft" werden laufend zwei Kriterien abgeprüft, nämlich ob sich der Träger (7) des Tasters in irgendeiner Weise bewegt und ob durch Auslenkung der Meßsysteme (u oder v oder w) über eine Mindestschwelle (L0) das Auftreten einer Meßkraft, d. h. Kontakt mit dem Werkstück signalisiert wird. Das erste Kriterium ist erfüllt, sobald die Tastkugel aus ihrer Ruheposition (A) wegbewegt wird, und das zweite Kriterium ist in dem Moment erfüllt, in dem sie in Stellung (B) die Oberfläche der Geometrieelemente (Kreis 31), (Fläche 32) oder (Zylinder 33) in Fig. 3a bzw. 3b oder 3c berührt. Von diesem Augenblick an werden die Koordinatenmeßwerte ϕ, ψ und z, die die Bewegung des Trägers (7) im Raum beschreiben, und die gemessenen Taststiftauslenkungen u, v und w simultan mit hoher Punktdichte gespeichert. Gleichzeitig wird für jeden Meßpunkt (n) abgeprüft, ob die Antastkraft für irgendeine der Auslenkrichtungen über einer Mindestschwelle (L1) liegt und für die Auslenkungen (u und v) unter einer einstellbare Maximalschwelle (L2) liegt. Nur wenn beide Bedingungen erfüllt sind, wird der Meßwert als gültig markiert und der nächste Meßwert (n + 1) eingespeichert.

Ist eine der beiden genannten Bedingungen nicht erfüllt, so wird der entsprechende Meßwert als ungültig markiert und der nächste Meßpunkt eingespeichert. Gleichzeitig wird die Zahl der aufeinanderfolgenden ungültigen Meßwerte (m) gezählt und abgefragt, ob dieser Wert (m) eine festzusetzende obere Grenze (x) überschritten hat. Das ist beispielsweise dann der Fall, wenn vom zu vermessenden Geometrieelement abgetastet wird (Stellung D in den Fig. 3a, 3b und 3c). In dem Moment verschwindet nämlich die Meßkraft, alle nachfolgenden Punkte werden ungültig markiert und wenn die Tastkugel dann zur Stellung (E) beispielsweise zwei Zentimeter von der Werkstückoberfläche wegbewegt wird, sind z. B. aufeinanderfolgend 200 ungültige Meßpunkte aufgenommen worden, was das Ende der Messung signalisiert.

Beim Abtasten des kreisförmigen Geometrieelements nach Fig. 3a ergibt sich im Polardiagramm nach Fig. 4 für die Meßkraft (MK) beispielsweise der dort dargestellte Verlauf. An den Stellen (70) und (71) hat die Taststift-Auslenkung und damit die Meßkraft (MK) den durch die eingestellten Schwellen (L2 und L1) begrenzten zulässigen Bereich überschritten. Dieses Über- bzw. Unterschreiten ist der Bedienperson bereits während des Abfahrens der Werkstückoberfläche durch einen hohen bzw. tiefen Signalton aus dem Lautsprecher (53) (Fig. 2) angezeigt worden, worauf sie den Druck auf das Werkstück verringert bzw. erhöht hat. Die zugehörigen Meßwerte sind als ungültig markiert worden und aus den verbleibenden Meßwerten berechnet das Programm automatisch ein die Meßwerte möglichst gut annäherndes Geometrieelement, im beschriebenen Beispiel einen Kreis. Dieses Geometrieelement wird der Bedienperson auf dem Monitor des Auswerterechners (51) als Meßergebnis angeboten und kann bestätigt werden. Bestätigt die Bedienperson das vorgeschlagene Geometrieelement, so werden ihm anschließend in an sich bekannter Weise die Meßwerte in Form eines Meßprotokolles ausgedruckt, einschließlich der eventuell vorgegebenen Toleranzen etc. Das Gerät befindet sich dann wieder im Status Meßbereitschaft und es kann das nächste Geometrieelement vermessen werden. Bestätigt die Bedienperson das vorgeschlagene Geometrieelement nicht, wird er zur Auswahl eines anderen Elementes aufgefordert und wählt beispielsweise einen Zylinder aus. In dem Falle reicht das Meßergebnis nicht aus, um die Lage der Zylinderachse zu bestimmen und das Programm fordert die Bedienperson auf, den Zylinder in einer zweiten Höhenlinie abzufahren und geht in den Modus Meßbereitschaft.

Der in der Konstruktionszeichnung nach Fig. 8 detaillierter gezeichnete Tastkopf des Meßgeräts erlaubt ein besonders feinfühliges manuelles Abtasten der zu vermessenden Werkstücke unter weitestgehender Vermeidung von Kräften und Momenten durch die Bedienperson. In der gezeichneten Darstellung ist mit (107) die Aufnahme bezeichnet, mit der der Tastkopf an der zweiten Drehachse (8) gehalten ist. Das Federparallelogramm, das die Auslenkung des Tastkopfs in der vertikalen z-Richtung sicherstellt, ist durch zwei Rohre (109a) und (109b) mit rechteckigem Querschnitt gebildet, deren Enden über angeschraubte Blattfedern (139a, b und c) mit der Aufnahme (107) bzw. dem Träger (110) für den Taststift verbunden sind. Eine diagonal gespannte Feder (115) dient zur Gewichtsentlastung des Trägers (110). Am Träger (110) ist auch der Kern (123b) des Induktivmeßsystems für die z-Verstellung befestigt, während der Spulenkörper (123a) vom Ende eines Rohres (120) getragen wird, das fest mit der Aufnahme (107) verbunden ist.

Am oberen Ende des Taststiftträgers (110) ist ein Drehteil (110a) aufgeschraubt, in das eine Ringnut (110b) eingedreht ist, so daß eine Materialdünnstelle (114) entsteht. Diese Materialdünnstelle dient als elastisches Kardangelenk für den daran aufgehängten Taster (111). Zur Aufnahme des Tasters (111) ist an das scheibenförmige untere Teil des Drehteils (110a) ein Halteteil (211) angesetzt, welches mit zwei Hülsen (211a) und (211b) versehen ist, in die der Tasterschaft (111) eingesetzt ist. In diesen Tasterschaft (111) ist am unteren Ende der eigentliche Taststift (112a) mit der Tastkugel (112b) eingeschraubt.

Mit (113a) und (113b) sind der Spulenkörper und der Kern eines der beiden Meßsysteme bezeichnet, die zur Messung der Auslenkung des Tasterschafts (111) um die Materialdünnstelle (114) dienen. Die beiden Meßsysteme sind mit ihrer Achse im Winkel von 45° bezogen auf die Zeichnungsebene befestigt.

Um den Tasterschaft (111) ist ein Handgriff (219) gelegt, der folgenden Aufbau besitzt: An einer Hülse (200) am Tasterschaft sind nach außen abstehende Blattfedern (201a, b, c und d) eingespannt, an denen eine zweite, äußere Hülse (202) in Schaftrichtung nachgiebig aufgehängt ist. Diese zweite Hülse (202) hat außen die Form einer Kugelkalotte und auf die Kugelkalotte ist ein Ring (209) aufgesetzt, dessen Innenseite dem Radius der Kugelkalotte angepaßt ist. Der Ring (209) kann somit um den Tasterschaft gedreht werden und gegen die Achse des Tasterschafts gekippt werden. Der Ring (209) ist die eigentliche Betätigungshandhabe, die von der Bedienperson beim Abfahren des zu vermessenden Werkstücks ergriffen wird.

Claims (20)

1. Verfahren zur Vermessung von Werkstücken mit einem handgeführten Koordinatenmeßgerät, das einen in mehreren Raumrichtungen beweglich gelagerten Träger (7) für einen Taster (10) besitzt, der an einem auslenkbaren Taststift (11) einen Antastformkörper (Tastkugel 12) trägt, wobei

• - der Antastformkörper (12) in Kontakt mit dem zu vermessenden Geometrieelement (31, 32, 33) des Werkstücks gebracht und in ständigem Kontakt an diesem entlang geführt wird, und
• - aus den bei Bewegung des Trägers (7) generierten Signalen (ϕ, ψ, z) der Koordinatenmeßeinrichtungen und/oder bei Auslenkung des Taststifts (11) erzeugten Signalen (u, v, w) der Meßwertgeber (13a, 13b, 23) des Tasters (10) Steuersignale (80-84) abgeleitet werden, die den Beginn und das Ende des Meßvorganges an dem Geometrieelement bzw. die Gültigkeit der Koordinatenmeßwerte (X, Y, Z) charakterisieren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei zusätzlich das Signal eines die Betätigungskraft messenden Sensors (S1) ausgewertet und zur Ableitung der Steuersignale herangezogen wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-2, wobei das die Gültigkeit der Koordinatenmeßwerte charakterisierende Steuersignal (81, 82) aus den Signalen (u, v, w) der Meßwertgeber (13a, 13b, 23) abgeleitet wird, die bei Auslenkung des Taststifts (11) gegenüber dem Träger (7) erzeugt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, wobei als Kriterium für die Gültigkeit der Meßwerte das unter- und/oder Überschreiten vorbestimmter Grenzwerte (L1, L2) der Meßkraft (11) bzw. der Taststiftauslenkung (u, v, w) dient.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Unter- bzw. Überschreiten der Grenzwerte (L1, L2) durch ein vorzugsweise akustisches Signal (53) angezeigt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, wobei das den Beginn und das Ende eines Meßvorganges charakterisierende Steuersignal (80) aus einer Verknüpfung der bei Bewegung des Trägers (7) generierten Signale ϕ, ψ, z der Koordinatenmeßeinrichtungen und der bei Auslenkung des Taststifts (11) über eine bestimmte Schwelle (L0) generierten Signale der Meßwertgeber (13a/b, 23) gewonnen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, wobei die vor, während und nach einem Meßvorgang generierten Signale (ϕ, ψ, z) der Koordinatenmeßeinrichtungen sowie die Meßwerte (u, v, w) der zugehörigen Taststiftauslenkungen gespeichert werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, wobei aus den zwischen dem Beginn und dem Ende eines Meßvorganges generierten gültigen Koordinatenmeßwerten einfache geometrische Elemente (Kreis 31, Fläche 32, Zylinder 33, Rechteck, Ellipse etc.) bestimmt bzw. den Meßwerten zugeordnet und angezeigt werden sowie die Abweichungen der Koordinatenmeßwerte von den idealen Konturen der geometrischen Elemente.

9. Koordinatenmeßgerät zur Vermessung von Werkstücken mit

• - einem in allen drei Raumrichtungen beweglichen Träger (7), dem Koordinatenmeßeinrichtungen (3, 16/26, 18/28) zugeordnet sind,
• - einen am Träger (7) befestigten, in mindestens zwei Raumrichtungen auslenkbaren Taststift (11), dem Meßwertgeber (13a, 13b, 23) zur Erfassung der Auslenkung (u, v, w) zugeordnet sind, und
• - einer Einrichtung (41) zur Erzeugung von Steuersignalen (80-84) aus den bei Bewegung des Trägers (7) generierten Signalen der Koordinatenmeßeinrichtungen (3, 16/26, 18/28) und/oder bei Auslenkung des Taststifts (11) erzeugten Signalen (u, v, w) der Meßwertgeber, welche Einrichtung mit einem Speicher (50) zur Abspeicherung der generierten Koordinatenmeßwerte (ϕ, ψ, z) und der dazugehörigen Tasterauslenkungen (u, v, w) gekoppelt ist.

10. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 9, wobei dem Taststift (11) eine Betätigungshandhabe (19, 119) zugeordnet ist, die zumindest bezüglich einiger Freiheitsgrade der Bewegung vom Taststift (11) bzw. dessen Träger (Taster 10) kräftemäßig entkoppelt ist.

11. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 10, wobei die Betätigungshandhabe ein gelenkig am Träger (10) des Taststifts (11) befestigter, den Taststift (11) zumindest teilweise umgebender Ring (19) oder Halbring ist.

12. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 10, wobei die Betätigungshandhabe eine am Taststift (11) nachgiebig gelagerte Hülse (119) ist.

13. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 9, wobei der Taster (10) in Richtung (w) seines Taststiftes (11) auslenkbar ist und die diesbezügliche Führung (9a/9b) klemmbar ist.

14. Koordinatenmeßgerät nach einem der Ansprüche 9-13, mit einer Datenverarbeitungseinheit (41, 51) zur Bestimmung und Anzeige einfacher geometrischer Elemente aus gespeicherten Koordinatenmeßwerten (X, Y, Z).

15. Koordinatenmeßgerät nach einem der Ansprüche 9-14, mit einer Einrichtung (52/53) zur Rückkopplung eines visuellen oder akustischen Signales, welches die Gültigkeit der Koordinatenmeßwerte und/oder das Unter- bzw. Überschreiten vorbestimmter Grenzwerte (L1, L2) der Tasterauslenkung (u, v, w) anzeigt.

16. Koordinatenmeßgerät nach einem der Ansprüche 10-12, wobei der Betätigungshandhabe (19, 119) ein bei Betätigung ansprechender Sensor (S1) zugeordnet ist, der mit der Einrichtung (41) zur Erzeugung der Steuersignale verbunden ist.

17. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 16, wobei der Sensor ein elektrischer Schalter (S1) ist, der anspricht, wenn die Betätigungskraft in Richtung des Tasterschaftes einen vorbestimmten Grenzwert (L0) überschreitet.

18. Koordinatenmeßgerät nach einem der Ansprüche 9-16, wobei der Taststift (11) über ein federndes Kardangelenk (14) senkrecht zu seiner Längsachse auslenkbar gelagert ist.

19. Koordinatenmeßgerät nach einem der Ansprüche 1-17, wobei der Träger (7) für den Taster (10) des Koordinatenmeß­ geräts über zwei aufeinanderfolgende Drehachsen (6, 8) gelenkig mit einem motorisch höhenverstellbaren Träger (4) verbunden ist.

20. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 9, wobei dem Taststift (11) oder dessen Träger (10) eine Betätigungshandhabe (19) zugeordnet ist, die mit einem oder mehreren Sensoren (23) in Wirkverbindung steht, deren Signale (w), Antrieben (2) zur Nachführung des Trägers (7) für den Taststift (11) zugeführt sind.