DE102004005599A1

DE102004005599A1 - Verfahren zur Bestimmung einer zulässigen Tasterkombination eines Koordinatenmessgerätes mit einem Tastkopf

Info

Publication number: DE102004005599A1
Application number: DE200410005599
Authority: DE
Inventors: Heinz-Eckhard Dr. Habermehl
Original assignee: Leitz Messtecknik GmbH
Current assignee: Hexagon Metrology GmbH
Priority date: 2004-02-05
Filing date: 2004-02-05
Publication date: 2005-08-25

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer zulässigen Tasterkombination eines Koordinatenmessgerätes, wobei ein statisches Drehmoment und ein dynamisches Drehmoment bestimmt werden, und über die Beziehung, dass die Summe des statischen Drehmomentes und des dynamischen Drehmomentes kleiner als das zulässige Aushebedrehmoment sein sollen, als Ergebnis bestimmt wird, ob eine Tasterkombination zulässig ist oder nicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer zulässigen Tasterkombination eines Koordinatenmessgerätes.
In der Koordinatenmesstechnik kommt es häufig vor, dass seitlich weit auskragende Tasterkombinationen verwendet werden müssen, um Merkmale zu vermessen, die sich tief in einem Werkstück befinden. Solche Tasterkombinationen üben durch ihr Eigengewicht eine Kraft auf den Tastkopf aus, die durch konstruktive Maßnahmen, wie einen Federgewichtsausgleich kompensiert werden müssen. Hinzu kommen die durch die Auskragung bedingten statischen Drehmomente sowie die Drehmomente, die durch die Antastkraft und den Hebelarm der Auskragung entstehen. Die Konstruktion des Tastkopfes muss das abfangen, ohne dass wesentliche Messfehler entstehen. Naturgemäß hat die Robustheit eines Tastkopfes gegenüber den oben erwähnten Kräften und Drehmomenten Grenzen, die beachtet werden müssen. In der Regel bestehen solche Tasterkombinationen aus mehreren Tastern unterschiedlicher Länge, Auskragung und Gewicht, so dass es für den Anwender nicht einfach ist, die resultierenden Kräfte und Momente zu bestimmen.
Taster und Verlängerungen sind gemäß dem Stand der Technik in vielen Materialien unterschiedlicher Dichte erhältlich. Tasterverlängerungen werden zum Beispiel aus Stahl, Titan, Keramik sowie Kohlenfaserverbundwerkstoff angeboten. Taster sind mit Schäften aus Hartmetall, Keramik und Kohlefaserverbundwerkstoff erhältlich.

Das der Erfindung zugrunde liegende technische Problem besteht darin, ein Verfahren zur Bestimmung einer zulässigen Tasterkombination eines Koordinatenmessgerätes mit einem Tastkopf anzugeben.

Dieses technische Problem wird durch das verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, zulässige Tasterkombinationen für ein Koordinatenmessgerät in einfachster Weise zu bestimmen.

An der Kombination Taster/Tasteraufnahme entstehen Drehmomente, die das Aushebedrehmoment M_a des Tastkopfes nicht übersteigen dürfen. Es werden zwei unterschiedliche Drehmomente bestimmt:

a) das statische Drehmoment M_s durch die verwendete Tasterkonfiguration,
b) das dynamische Drehmoment M_d durch die Antastkraft in Verbindung mit der wirksamen Hebellänge des Tasters.

Das statische Drehmoment M_s entsteht durch die seitlich stehenden Tasterkomponenten. Es wirkt permanent. Das Gewicht des Tasters erzeugt mit dem entsprechenden Hebel (Abstand zwischen Schwerpunkt und Z-Achse des Tastkopfes) ein Drehmoment.

Ein zusätzliches dynamisches Drehmoment M_d kommt beim Antastvorgang zustande. Die an der Antastkugel wirkende Kraft erzeugt über den entsprechenden Hebel (Abstand zwischen Tastkugel und Bezugspunkt in der Tasteraufnahme) ein Drehmoment.

Um eine unzulässige Tasterkombination zu vermeiden, ist die folgende Bedingung zu erfüllen: Ma + MS < Ma,das heißt, die Summe aus statischem und dynamischem Drehmoment darf im Antastvorgang beziehungsweise beim Scannen das Aushebedrehmoment M_a nicht übersteigen.

Tasteraufnahmen sind üblicherweise tellerförmig ausgebildet mit einem Anschraubpunkt, an dem ein einzelner Taster oder eine Tasterkombination befestigt werden kann, wobei die Schnittstelle zum Tastkopf als eine kinematische Dreipunktlagerung ausgebildet ist. Die Taststiftaufnahme wird in diese kinematische Lagerung mit einer Haltekraft gepreßt, die mechanisch beispielsweise durch einen Haken mit Feder oder magnetisch aufgebracht wird. Der kleinste Abstand zwischen einer Verbindungslinie zweier Lagerpunkte des kinematischen Gelenkes und dem Krafteinleitungspunkt definiert zusammen mit der Haltekraft das Aushebedrehmoment M_a.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden verschiedene Annahmen und Vereinfachungen zur Berechnung der zulässigen Drehmomente am Taster vorgenommen.

Das Gewicht der eingesetzten Taster/Tasteraufnahme wirkt als Gegenkraft und reduziert die wirksame Haltekraft des Hakens oder des Magneten. Dies lässt sich dadurch berücksichtigen, dass eine um das maximal zulässige Tastergewicht geringere Haltekraft für die Berechnung des Aushebedrehmomentes M_a angenommen wird.

Mit diesen um das maximale Tastergewicht korrigierten Grenzwerten der Aushebedrehmomente werden vorteilhaft die weiteren Berechnungen der zulässigen Drehmomente für die Tasterkonfigurationen durchgeführt.

Vorteilhaft wird auch davon ausgegangen, dass die schwereren Komponenten der Taster, zum Beispiel die Verlängerungen, immer in Richtung der Tasteraufnahmen liegen. Die Verlängerungen der Taster sind üblicherweise rohrförmig ausgebildet und bestehen aus mehreren Rohren. Die übliche Anordnung ist derart ausgebildet, dass die schwereren Teile in der Nähe der Aufnahme angeordnet sind, während die leichteren Teile in Richtung Tastspitze angeordnet werden. Wenn der Schwerpunkt der Tasterteile für die Berechnung der statischen Drehmomente vereinfachend in die Mitte der seitlich ausladenden Tasterarme (Ablagen) gelegt wird, ist das berechnete Drehmoment somit immer etwas größer als das wirkliche. Die Berechnung erhält dadurch eine zusätzliche Sicherheitsreserve.

Vorteilhaft wird für den ungünstigsten Hebel an der Aufnahme gerechnet. Die drei Lager der Tasteraufnahme liegen auf einem Kreis mit einem bestimmten Durchmesser. Durch die Anordnung auf dem Kreis existiert eine minimale Hebellänge sowie eine maximale Hebellänge an der Aufnahme. Um sämtliche Fälle abzudecken, muss über die minimale Hebellänge ein entstehendes Drehmoment am Taster mit der Hakenkraft abgefangen werden. Damit geht man davon aus, dass das Aushebeverhalten radialsymmetrisch um die Z-Achse überall gleich ist. Diese Annahme einer radialsymmetrischen Kraftverteilung entspricht zwar nicht der Realität, allerdings führt die Verwendung des kleinstmöglichen Hebels zwischen Haltekraft und Lagerpunkten dazu, dass in keinem Fall das Aushebedrehmoment M_a überschritten wird.

Bei Tasterrichtungen in der XY-Ebene ist zur Bestimmung der Drehmomente die Länge in dieser Ebene zu verwenden.

Bei der Hebellänge für das dynamische Drehmoment wird der Abstand zwischen der Antastkugel und dem Schwerpunkt der durch die kinematischen Lagerpunkte aufgespannten Ebene zugrunde gelegt. Im erfindungsgemäßen Verfahren wird allerdings aus Einfachheitsgründen der Abstand Tastkugel zum Anschraubpunkt an der Tasteraufnahme verwendet. Diejenige Antastkraft, die das größte Drehmoment mit dem Taster erzeugen kann, wirkt senkrecht zu dieser Linie.

Die üblicherweise über Software eingestellte Antastkraft F_a ist nicht die wirklich auftretende Kraft. Das System fährt nach dem Erkennen der Antastung (im Folgenden Triggerschwelle genannt) bis zum endgültigen Stillstand im Umkehrpunkt noch ein Stück weiter und erhöht die wirkende Kraft. Damit erhöht sich die maximal auftretende Kraft im Antastvorgang um eine Zusatzkraft F_b.

In den Berechnungen wird die Zusatzkraft F_b zur Antastkraft F_a addiert. Sie gibt an, um wieviel die wirkende Kraft durch das oben beschriebene Verhalten größer ist als die eingestellte Triggerschwelle F_a.

Das erfindungsgemäße Verfahren berücksichtigt nur Kippungen aus den Lagern, weil das hierzu nötige Drehmoment wesentlich kleiner ist als das zur Drehung um eine Achse senkrecht zur Ebene der Lagerpunkte. Eine solche Drehung entspräche einer Schraubenbewegung, die auf Grund der kinematischen Verhältnisse in den Lagern ein wesentlich größeres Drehmoment benötigt als die Kippung um eine Achse, die durch die Verbindungslinie zweier Lagerpunkte dargestellt wird.

Sind mehrere Taster in einem Tasterbaum zusammengebaut, so ist das statische Drehmoment des Tasterbaumes durch Summation der Drehmomente durch Einzelkomponenten gegeben. Hierbei muss die Richtungsabhängigkeit der Momente über die Vorzeichen der Ablagen beachtet und für die X- und Y-Richtung gerechnet werden. Eine Kompensation der statischen Drehmomente von gegenüberliegenden Tastern in einem symmetrisch aufgebauten Tasterbaum wird von dem erfindungsgemäßen Verfahren aus Einfachheitsgründen nicht berücksichtigt, ist aber natürlich möglich. Dies gilt auch für die Momentenkompensation der Taster mit Hilfe von Ausgleichsgewichten.

Eine Modellberechnung sieht folgendermaßen aus:
Man benötigt folgende Daten:

1. Ablagen, das heißt die Entfernung zwischen der Tastspitze und dem Anschraubpunkt des Tasterarmes am Tastkopf, also die seitliche Auskragung als X-, Y- und Z-Wert sowie
2. das Gewicht des Tasterarmes G.

Im ersten Schritt wird das statische Drehmoment M_s bestimmt:

Im zweiten Schritt wird das dynamische Drehmoment M_d bestimmt mit einer Korrektur der Z-Ablage vom Anschraubpunkt der Tasteraufnahme zur Lagerebene der Tasteraufnahme, wobei: Z' = Z + uist.

Daraus folgt:

wobei
F_a = Antastkraft (Triggerkraft)
F_b = zusätzliche Kraft durch den Bremsvorgang.

Im dritten Schritt wird das Gesamtdrehmoment am Tasterarm bestimmt: Mg = Ms + Md < Ma

Soll die maximal zulässige Tasterlänge und das Tastergewicht für einen Tastkopf ermittelt werden, gilt im Grenzfall: Ms + Md = Ma

Bei einer Tasterlänge L und einem Gewicht G für einen rein waagerechten Taster (ohne Z-Komponente) ergibt sich:

Daraus folgt:

Diese Funktion lässt sich als eine Kurve in einem L-G-Diagramm darstellen, wobei bei zusätzlicher Variation von F_a beziehungsweise der Eintauchtiefe beim Scannen eine Kurvenschar entsteht.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es möglich, dass das Koordinatenmessgerät die Länge und das Gewicht des Tasters bei an dem Tastkopf angeordneter Tasterkombination selbst bestimmt. Das Koordinatenmessgerät bewegt sich hierzu ruckartig in Z-Richtung und regt dadurch die Z-Schaukel des Tastkopfes zu Schwingungen an. Über die Frequenz dieser Schwingung und der bekannten Federkonstanten der Rückstellfeder der Z-Schaukel lässt sich das Gewicht des Tasterbaumes bestimmen.

Die Länge ergibt sich aus dem Kalibriervorgang der einzelnen Taster, bei dem eine messtechnische Verkörperung eines Punktes, beispielsweise eine Kalibrierkugel, mit allen Tastern angetastet wird, ohne dass die Kalibrierkugel im Messvolumen bewegt wird. Aus der Differenz der Orte, an denen die Kugel von den einzelnen Tastern „gesehen" wird, lassen sich die Abstände der Tastkugeln vom Anschraubpunkt der Taststiftaufnahme berechnen.

Es ist natürlich auch möglich, das Gewicht oder die Länge über eine Tastatur einzugeben.

Anstelle der Ausgabe über das L-G-Diagramm ist es auch möglich, eine Ausgabe an der Koordinatenmessmaschine vorzusehen, bei der vorzugsweise durch ein optisches Signal angezeigt wird, ob eine vorgesehene Tasterkombination zulässig ist oder nicht. Die Bestimmung kann, wie schon ausgeführt, dadurch erfolgen, dass das Koordinatenmessgerät selbst das Gewicht und die Länge des Tasters bestimmt und über die Ausgabe die Meldung erfolgt, ob die Tasterkombination zulässig ist oder nicht. Das Gewicht oder die Länge des Tasters können auch über die Tastatur eingegeben werden, worauf ebenfalls die Ausgabe erfolgt, ob die Tasterkombination zulässig ist.

Bei der Bestimmung der zulässigen Tasterkombinationen sind feste Daten, wie zum Beispiel die Antastkraft F_a und die Zusatzkraft F_b in der Programmierung und Steuerung des Koordinatenmessgerätes abgespeichert, so dass eine automatische und benutzerfreundliche Berechnung erfolgen kann.

Ebenso ist das Aushebedrehmoment M_a in der Steuerung und Programmierung abgelegt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich anhand der zugehörigen Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel einer Tasterkombination nur beispielhaft dargestellt ist. In der Zeichnung zeigen:
1 eine Tasterkombination mit einem kinematischen Lager in Ansicht;
2 eine Tasterkombination mit kinematischem Lager in Ansicht mit ausgehobener Tasteraufnahme;
3 ein Längen-Gewichts-Diagramm.
In 1 ist eine eingewechselte Tasterkombination (1) zusammen mit einem kinematischen Lager (2) dargestellt. Die Tasterkombination (1) besteht aus einer Tasteraufnahme (3), einer Anschraubfläche (4) und einer an einem Tasterschaft (5) angeordneten Tastkugel (6). Das kinematische Lager ist an einem Tastkopf (7) angeordnet. Die Antastkraft wirkt in Richtung des Pfeiles (A). Das Lager (2) befindet sich im Eingriff, das durch die Antastkraft (A) erzeugte Drehmoment überschreitet nicht seine zulässige Grenze.
In der 2 ist die gleiche Tasterkombination (1) mit den gleichen Bezugszahlen dargestellt, wobei das kine matische Lager (3) unter der Wirkung der Antastkraft (A) auf die Tastkugel (6) ausgehoben wird. Hier überschreitet das durch die Antastkraft (A) ausgeübte Drehmoment seine zulässige Grenze.
In dem in 3 dargestellten L-G-Diagramm ist das Tastergewicht in Newton auf der Y-Achse und auf der X-Achse die Tasterlänge in Millimetern aufgetragen. Es ergibt sich eine Kurvenschar aufgrund der unterschiedlichen Antastkräfte. Mittels dieses Diagramms ist es für den Anwender leicht möglich, eine zulässige Tasterkombination zu bestimmen und damit Messfehler aufgrund von unzulässigen Tasterkombinationen zu vermeiden.
Das L-G-Diagramm ist für jeden Tastkopf zu erstellen.

1: Tasterkombination
2: Lager
3: Tasteraufnahme
4: Anschraubfläche
5: Tasterschaft
6: Tastkugel
7: Tastkopf
A: Antastkraft

Claims

Verfahren zur Bestimmung einer zulässigen Tasterkombination eines Koordinatenmessgerätes mit einem Tastkopf, dadurch gekennzeichnet, dass – ein statisches Drehmoment (M_s) durch die verwendete Tasterkonfiguration bestimmt wird, – ein dynamisches Drehmoment (M_a) durch die Antastkraft in Verbindung mit der wirksamen Hebellänge des Tasters bestimmt wird, – über die Beziehung MS + Md < Ma,wobei M_a das zulässige Aushebedrehmoment ist, als Ergebnis bestimmt wird, ob eine Tasterkombination zulässig ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über die Beziehung G = 2(Ma | L -(Fa + Fb))wobei G das Gewicht des Tasterarmes ist, M_a das Aushebedrehmoment, L die Länge des Tasterarmes, F_a die Antastkraft und F_b eine Zusatzkraft des Tastkopfes durch den Bremsvorgang ist, bei einem waagerechten angeordneten Taster das zulässige Maximalgewicht in Abhängigkeit von der Länge des Tasterarmes bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: 1. Ermitteln der Auskragung des längsten Tasters der Tasterkombination, 2. Ermitteln des zulässigen Gewichtes der gesamten Tasterkombination gemäß der Formel G = 2 (M_a | L - (F_a + F_b )), 3. Zusammenbau der Tasterkombination gemäß der im Schritt 2 ermittelten Gewichtsgrenze.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung der zulässigen Tasterkombination für die Berechnung des Aushebedrehmomentes M_a eine um das maximal zulässige Tastergewicht verringerte Haltekraft angenommen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung der zulässigen Tasterkombination für die Berechnung des statischen Drehmomentes M_s der Schwerpunkt der Tasterteile in die Mitte der seitlich ausladenden Tasterarme gelegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung der zulässigen Tasterkombination von der kleinsten Hebelkraft in den Lagern der Tasteraufnahme ausgegangen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Tasterrichtungen in der XY-Ebene zur Bestimmung der Drehmomente die Länge in dieser Ebene verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Hebellänge für das dynamische Drehmoment der Abstand zwischen der Antastkugel und dem Anschraubpunkt an der Tasteraufnahme zugrunde gelegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Anordnung eines Tasterbaumes das statische Drehmoment des Tasterbaumes durch Summation der Drehmomente der Einzelkomponenten in Richtung des am weitesten auskragenden Tasters bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beziehung G = 2(Ma | L - (Fa + Fb))in einem Nomogramm dargestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Nomogramm für jeden Tastkopftyp erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Koordinatenmessgerät bei angeordneter Tasterkombination das Gewicht und die Tasterlänge der Tasterkombination selbst bestimmt.