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Diese
Erfindung betrifft dreidimensionale Messungsmaschinen, die in der
Messtechnik verwendet werden, um mechanische Präzisions-Teile zu vermessen.
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Diese
Maschinen weisen ein numerisches Steuersystem der Art auf, wie es
zur Ausstattung von numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen (NC-Maschinen)
gehört,
um einen angelenkten Arm numerisch zu steuern. An dem Arm sitzen
ein Komparator und ein Sensor, welcher in Kontakt an den zu messenden
Punkten der Oberfläche
gebracht wird, die auf diese Weise in dem rechtwinkligen Koordinatensystem
der theoretischen Bezugsgröße oder
Maschine markiert werden. Es sind mehrseitige Maschinen zur Messung
einer Schaufel aus dem Artikel „Le contrôle des côtés passe à la vitesse supérieure", Mesures Regulation
Automatisme, CPE. Paris, FR Nr. 703, März 1998, (1998-03) Seiten 87–90, bekannt.
Ferner ist eine Maschine zur dreidimensionalen Messung, um die Darstellung
eines Objekts zu erzeugen, aus der Patentanmeldung
WO 97/21069 bekannt.
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Zur
Durchführung
der Messung oder Überprüfung eines
Teils wird dieses auf der Messplatte der dreidimensionalen Messungsmaschine
festgeklemmt, und zwar in präziser
Position zu der Maschinen-Bezugsgröße oder der mechanischen Bezugsgröße. Diese
Bezugsgröße besteht
in Gestalt einer Einrichtung der Platte, beispielsweise einer Bezugsfläche, kugelförmig o.
a., auf der bei einer Initialisierungsphase der Maschine die Maschinen-Bezugsgröße mit der
Bezugsgröße des zu
messenden Teils in Übereinstimmung
gebracht wird, bevor die Messungen an diesem durchgeführt werden.
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Der
Sensor wird sodann durch die Maschine automatisch und nacheinander
auf die zu messenden Punkte positioniert, und ein Bediener nimmt gleichzeitig
und von Hand am Komparator die entsprechenden Abstände zu den
theoretischen Koordinaten dieser Punkte ab.
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Dieses
Verfahren ist in Ordnung, wenn es sich um einfache Überprüfungen von
unkomplizierten Teilen handelt, wenn nur wenige Punkte zu überprüfen oder
zu messen sind und wenn die Anzahl der zu messenden Teile nicht
zu hoch ist.
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Bei
komplizierten Teilen wie Turbomaschinenschaufeln jedoch sind die
Messungen langwierig und die Anzahl der zu messenden Teile bedeutend. In
diesem Fall erweist sich das Verfahren als sehr kostenaufwändig.
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Die
Anmelderin hat ihre Erfindung mit dem Zweck, diese Kosten zu senken,
ausgeführt.
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Dazu
betrifft die Erfindung zunächst
ein Verfahren zur dreidimensionalen Messung von Koordinaten einer
Gesamtanordnung von vorbestimmten N Punkten der Oberfläche eines
mechanischen Teils, das in Relation zu einer vorbestimmten Bezugsgröße gemessen
werden soll und von dem die Leitkosinusse der theoretischen Normalen
in den theoretischen Punkten, die den genannten vorbestimmten N
Punkten entsprechen, bekannt sind, und welches Verfahren umfasst:
- – eine
Vorbereitungsphase, in der die Koordinaten von N Punkten, die den
genannten vorbestimmten N Punkten entsprechen, an der Oberfläche eines ersten
mechanischen Teils, das als Vergleichsstück genommen wird, in Relation
zu der Bezugsgröße gemessen
werden,
- – eine
Initialisierungsphase, in der N lineare Messungen einer Verschiebung
auf den genannten Normalen gleichzeitig und jeweils an den N Punkten
dieses Vergleichsstücks
vorgenommen werden,
- – eine
Messungsphase, in der N lineare Messungen einer Verschiebung vorgenommen
werden, die gleichzeitig und jeweils an den N Punkten des zu messenden
Teils, die den N Punkten dieses Vergleichsstücks entsprechen, erfolgen,
- – eine
Berechnungsphase, in der die dreidimensionalen Koordinaten der N
Punkte des zu messenden Teils aus den dreidimensionalen Koordinaten der
N Punkte des genannten Vergleichsstücks, den linearen Messungen
und den Leitkosinussen der theoretischen Normalen in diesen Punkten berechnet
werden.
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In
jedem Punkt erfolgt die Messung linear auf der theoretischen Normalen
auf der Oberfläche durch
einen getrennten Fühler
für den
Punkt, der zuvor getrennt von den anderen Fühlern, jedoch gleichzeitig
mit diesen initialisiert wird und zwar mittels eines Vergleichsstücks, an
dem die Messungen bereits mit dem oben angegebenen, beim bisherigen
Stand bekannten Mittel durchgeführt
wurden.
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Die
zu messenden N Punkte werden damit gleichzeitig und automatisch
gemessen.
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Eine
dreidimensionale Messungsmaschine für simultane Messungen, mit
der das obengenannte Verfahren durchgeführt werden kann, die ein Rechenmodul,
ein Steuermodul und eine Messplatte enthält, weist mindestens eine Matrize
mit Fühlern
für Verschiebungen
auf, die so ausgeführt
ist, dass in einer Öffnungsstellung
ein Teil auf der Platte montiert werden kann und in einer Schließstellung
alle Fühler in
funktionalen Messkontakt zu dem Teil gebracht werden können.
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Vorteilhafterweise
handelt es sich bei den Verschiebungs-Fühlern um Induktionsfühler, die
robuste Fühler
sind, die sich gut für
eine industrielle Umgebung eignen.
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Ebenfalls
vorteilhafterweise ist das Rechenmodul dazu konzipiert, allgemeine
geometrische Merkmale der Oberfläche
des Teils zu berechnen, beispielsweise die Starken, die Verwindung,
die Knickung, den Versatz oder Mittenversatz.
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Die
Erfindung geht näher
aus der folgenden Beschreibung der dreidimensionalen Messungsmaschine
für simultane
Messungen und des Verfahrens zu simultanen Messungen gemäß dieser
Erfindung hervor, die unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
erfolgt, wobei
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1 in
einer Perspektivansicht die erfindungsgemäße Maschine in Öffnungsstellung
oder Montagestellung zeigt,
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2 ein
Schema zeigt, mit dem das Prinzip der doppelten Messung erläutert wird,
die mit einem Verschiebungs-Fühler
und einem Vergleichsstück durchgeführt wird,
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3 in
einer Perspektivansicht die erfindungsgemäße Maschine in Schließstellung
oder Messstellung zeigt,
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4 ein
Schema zeigt, in dem das typische Ansprechen eines Induktionsfühlers dargestellt
ist,
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die 5 Schemata zeigen, in denen einige von
dem Rechenmodul dieser Erfindung berechnete allgemeine geometrische
Merkmale dargestellt sind,
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6 eine
Funktionsübersicht
des Rechenmoduls zeigt, und
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7 ein
Beispiel für
Rechenergebnisse zeigt, die von dem Rechenmodul des erfindungsgemäßen Systems
geliefert werden.
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Bezugnehmend
auf die 1 und 3 umfasst
die dreidimensionale Messungsmaschine 10 für simultane
Messungen im Prinzip in einem Rahmen 23 zusammengesetzt
ein Elektroniksystem 11, das mit einem im folgenden erläuterten
Rechenmodul 12, einem numerischen Steuermodul 13,
einer Messplatte 14 zur Aufnahme eines mechanischen Teils 15 sowie
mit Messmitteln 16, 17, 17', die nachfolgend erläutert werden,
ausgerüstet
ist.
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Das
Teil 15, das entweder ein erstes mechanisches Teil ist,
das als Vergleichsstück
genommen wird und mit Vergleichsstück bezeichnet wird, oder ein
zu messendes mechanisches Teil ist, ist durch Klemmbügel 24, 24' auf Unterlegblöcken 22, 22' zu beiden Seiten
der Messplatte 14 festgeklemmt.
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Die
obigen Messmittel bestehen hier in Form von Matrizen (i, j), wobei
i = 1, ..., n, und j = 1, ..., m, von Fühlern Cij für relative Verschiebungen,
die von Klemmbacken gehalten werden, und zwar hier in dem Beispiel
der Zeichnung eine untere Klemmbacke 16, die an dem Rahmen 23 befestigt
ist, und zwei obere Klemmbacken 17 und 17', die um eine
Achse 18 schwenken können,
welche fest mit dem Rahmen 23 verbunden ist. Die Fühler Cij
sind auf Linien Lj der Matrizen 16, 17, 17' ausgerichtet,
die Profilen von Abschnitten j des Teils 15 entsprechen.
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Das
numerische Steuermodul 13 kann über eine Bedienungskonsole 130 des
Moduls 13 Steuerzylinder 19 steuern, die so ausgeführt sind,
dass sie die oberen Klemmbacken 17 und 17' entweder in eine Öffnungsstellung
oder Montagestellung bringen, wie in 1 gezeigt,
und die Montage des Teils 15 auf der Messplatte 14 ermöglichen,
oder in eine Schließstellung
oder Messstellung bringen und dabei diese Klemmbacken 17, 17' in Anlage an
den einstellbaren Anschlägen 21, 21' bringen, wie
in 3 gezeigt.
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Die
Form der Matrizen 16, 17, 17', die Position
der Fühler
Cij auf den Matrizen und die Höhe
der Anschläge 21, 21' sind so bemessen,
dass in Messstellung alle Sensoren Pcij der jeweiligen Verschiebungs-Fühler Cij
in einen nachfolgend erläuterten funktionalen
Kontakt an der Unterseite bzw. der Oberseite des auf der Platte 14 montierten
Teils 15 gebracht werden.
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Die
beiden Seiten eines Teils 15 wie beispielsweise einer Turbomaschinenschaufel,
die mit den Begriffen Druckseite und Saugseite bezeichnet werden,
können
so simultan vermessen werden und allgemeinen Messungen unterzogen
werden, wie später
noch erläutert
wird.
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Die
Verschiebungs-Fühler
Cij sind hier, unter Bezugnahme auf die 2 und 4,
Induktionsfühler,
die jeweils einen Sensor PCij enthalten. Unter Ansprechen auf eine
Position Poi oder Pli des Sensors der Linie Loj oder Llj, die einer
Linie Lj einer Matrize 16, 17 oder 17' entspricht,
geben sie für
jede Seite des Teils 15 elektrische Messsignale Sij ab,
hier analoge elektrische Ströme,
die durch einen Magnetkern in einer Leiterspule induziert werden
und von den Matrizen 16, 17 und 17' aus durch Schlauchverbindungen 26, 26', 27, 27' an das Rechenmodul 12 übertragen
werden.
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Bezugnehmend
auf 4, ist unter funktionalem Kontakt zu verstehen,
dass die Position P des Sensors des Fühlers, der mit seinem Kern
fest verbunden ist, zwischen zwei Extrempositionen O und Pm liegen
muss, außerhalb
derer das Ansprechen mit dem induzierten Strom I nicht mehr linear
ist.
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Außerdem muss
berücksichtigt
werden, dass die Achse des Sensors PCij im Wesentlichen senkrecht
zu der gemessenen Oberfläche
stehen muss, wenn dieser mit ihr in Kontakt ist, so dass ein Festfressen
oder vorzeitige Abnutzungen vermieden werden und die Berechnungen
zur Interpretation der Messung vereinfacht werden.
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Dazu
wird auf die theoretische Bestimmung der Oberfläche zurückgegriffen, die aus dem CAD (computergestützten Design),
wie beim Stand der Technik bekannt, hervorgeht und hier in Form
von Computerdateien des Formats CATIA verfügbar ist (das mit dem von der
Firma EMD vertriebenen CAD-Programm verarbeitet werden kann). Diese
Dateien können
mit einem CD-Lese-/Aufzeichnungsgerät 120 des Rechenmoduls 12 von
CD-Platten (compact disk) gelesen werden.
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Dieses
Rechenmodul 12 ist in der Lage, mit den CAD-Dateien des
Teils 15 dessen theoretische Abschnitte zu berechnen, auf
denen die gewünschten
Linien Lj auf den Matrizen 16, 17, 17', die theoretischen
Punkte Pthij dieser Linien, an denen die Messungen erfolgen sollen,
und die Leitkosinusse cxthij, cythij, czthij der Normalen Nthij
auf der theoretischen Oberfläche
in diesen Punkten Pthij liegen. Es speichert diese theoretischen
Daten DT ab oder schreibt sie mittels des Lese-/Aufzeichnungsgeräts 120 in eine CD-Datei.
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Die
theoretischen Daten DT sind notwendig, um die Matrizen 16, 17, 17' herzustellen,
da sie es ermöglichen,
die Position der Fühler
Cij und die Neigung zu bestimmen, in der sich die Fühler Cij
befinden müssen,
um die Messungen durchzuführen,
und damit die Matrizen korrekt auszuführen, so dass alle jeweiligen
Sensoren Pcij der Verschiebungs-Fühler Cij in der Messposition
in funktionalem Kontakt sind. Doch so kompliziert sie auch sind,
erfordern alle diese Berechnungen und die Ausführung der Matrizen 16, 17, 17' doch nur Kenntnisse,
die zum Stand der Technik gehören.
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Um
eine präzise
Aufnahme einer komplexen Oberfläche
eines Teils wie z. B. einer Turbomaschinenschaufel, muss die obige
Maschine in einem besonderen Verfahren zur mehrfachen doppelten
dreidimensionalen Messung eingesetzt werden, wobei ein erstes mechanisches
Teil als Vergleichsstück
genommen wird, wie im Folgenden unter Bezugnahme auf 6 beschrieben
wird.
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In
einer Vorbereitungsphase 1 werden die Koordinaten xoij,
yoij, zoij der N = m·n
Punkte Poij auf den Linien Loj, die den Linien Lj und den Positionen der
Fühler
Cij auf diesen Linien entsprechen, an der Oberfläche des ersten mechanischen
Teils, das als Vergleichsstück
genommen wird, in Relation zu einer vorbestimmten Bezugsgröße Ro gemessen,
indem beispielsweise eine dreidimensionale Messungsmaschine gemäß dem anfangs
beschriebenen Verfahren nach dem Stand der Technik verwendet wird.
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Die
Leitkosinusse cxthij, cythij, czthij der theoretischen Normalen
Nthij auf der genannten Oberfläche
in den theoretischen Punkten Pthij, die aus den Daten DT hervorgegangen
sind und den Punkten Poij entsprechen, werden in dem Rechenmodul 12 gespeichert.
Diese Normalen definieren N lineare theoretische Bezugsgrößen Pthij,
Nthij, mit dem Ausgangspunkt Pthij und dem einzigen Vektor Nthij,
die an die jeweiligen N Punkte Pthij geknüpft sind, in Anbetracht dessen,
dass die Fühler
Cij in Pthij ein konstantes, aber nicht bekanntes Signal Soij abgeben.
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In
einer Initialisierungsphase 2 des Verfahrens wird das Vergleichsstück auf der
Messplatte 14 der Maschine 10 positioniert, das
Schließen
der Matrizen 17 und 17' durch die an der Bedienungskonsole 130 zugängliche
Schließsteuerung
gesteuert, und es werden N lineare Messungen loij der Fühler Cij
abgenommen, die simultan und an den genannten jeweiligen N Punkten
Poij des Vergleichsstücks
in jeder der N linearen, theoretischen Bezugsgrößen vorgenommen wurden, und
diese N Koordinaten loij werden in dem Rechenmodul 12 gespeichert.
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Es
ist zu bemerken, dass bei zwei verschiedenen Fühlern Cij die Größen Soij
verschieden sind. Da die absolute Messung loij dergestalt ist, dass: loij = Soij + dloij,zeigt sich, dass die
Messungen loij des Teils nicht bezogen auf Ausgangsgrößen erfolgen,
die von einem Fühler
zum anderen gleich sind, und daher nicht zu einer Rekonstruktion
des Profils Lj der Oberfläche des
Teils dienen können.
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In
einer darauf folgenden Messungsphase 3 wird das Vergleichsstück in der
Maschine 10 durch das zu messende Teil ersetzt, indem die
Bedienungskonsole 130 und die Öffnungs- und Schließsteuerung der
Matrizen 17 und 17' verwendet
werden, und es werden N lineare Messungen llij der gleichen Fühler Cij
abgenommen, die simultan und an den genannten jeweiligen N Punkten
Plij des zu messenden Teils in jeder der N linearen, theoretischen
Bezugsgrößen vorgenommen
wurden, und diese N Koordinaten llij werden in dem Rechenmodul 12 gespeichert.
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Die
zuvor bezüglich
loij gemachte Bemerkung gilt hier auch für llij.
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Und
schließlich
berechnet das Rechenmodul 12 in einer nachfolgenden Koordinaten-Berechnungsphase 4 die
dreidimensionalen Koordinaten xlij, ylij, zlij des zu messenden
Teils aus den dreidimensionalen Koordinaten xoij, yoij, zoij des Vergleichsstücks, den
Messungen loij und llij und den Leitkosinussen cxthij, cythij, czthij
unter Verwendung des Verhältnisses,
das sich aus 2 ableitet: xlij
= xoij – cxthij·dlijwobei dlij = (dllij + Soij) – (dloij + Soij) = llij – loij.
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Desgleichen
erhält
man die anderen Koordinaten: ylij = yoij – cythij·dlij zlij = zoij – czthij·dlij
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Durch
diese Berechnungen wird die Rekonstruktion des Profils der Abschnitte
des zu messenden Teils möglich
und ausreichend präzise,
zumindest für die
Anwendung des Verfahrens auf die Turbomaschinenschaufeln, da man
eine Präzision
der Profilrekonstruktion in der Größenordnung von Hundertstel
Millimeter in der Bezugsgröße Ro erreicht.
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Um
ein anderes Teil zu messen, muss die Initialisierungsphase nicht
erneut ausgeführt
werden: ihre Ergebnisse bleiben in dem Rechenmodul für eine ganze
Serie von zu messenden Teilen verfügbar, soweit erforderlich.
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Es
wird lediglich das gerade gemessene Teil durch ein neues Teil ersetzt,
und durch die Verbindung 5 werden die Messungsphase 3 und
die Berechnungsphase 4 erneut gestartet, um die Koordinaten
xlij, ylij, zlij dieses neuen Teils zu bekommen.
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Sobald
alle zu messenden Teile bearbeitet sind, können ergänzende Berechnungen geometrischer
Merkmale in einer allgemeinen Berechnungsphase 7 durchgeführt werden,
doch können
diese Berechnungen auch in der Koordinaten-Berechnungsphase 4 stattfinden,
insoweit keine Statistiken über
die Gesamtheit der so gemessenen Teile aufgestellt werden.
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Bezugnehmend
auf die 5A, 5B, 5C und 7 kann
das Rechenmodul 12 in dieser Phase die allgemeinen geometrischen
Merkmale der Abschnitte oder der Profile j der Oberfläche des Teils
berechnen, beispielsweise die in 5A gezeigten
Stärken,
die in 5B gezeigte Knickung, die in 5C gezeigte
Verwindung, Versatz und Versatz der Achsen.
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Alle
diese Berechnungsergebnisse des Rechenmoduls 12 können auf
einem Bildschirm 121 angezeigt oder mit einem (nicht dargestellten)
Drucker ausgedruckt werden.
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In 7 ist
ein Beispiel für
einen Druckerausdruck der Ergebnisse der Verwindung dargestellt.