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Die Erfindung betrifft ein Koordinatenmessgerät zum Bestimmen von Raumkoordinaten eines Messpunktes an einem Messobjekt, mit einer Basis, mit einem Messkopf zum Erfassen des Messpunktes, mit einer Gestellvorrichtung, mit der der Messkopf in eine erste und eine zweite Raumrichtung verfahren werden kann, mit einer Steuer- und Auswerteeinheit, die dazu ausgebildet ist, den Messkopf an eine Raumposition zu verfahren, und mit einer Messeinrichtung, die dazu ausgebildet ist, Messwerte für die Raumkoordinaten des Messpunktes in Abhängigkeit von der Raumposition des Messkopfes zu erfassen, wobei die Steuer- und Auswerteeinheit weiter dazu ausgebildet ist, Referenzdistanzen zu ermitteln, einen Rotationsfehler der Gestellvorrichtung um eine dritte Raumrichtung in Abhängigkeit der Referenzdistanzen zu bestimmen, Kalibrierdaten in Abhängigkeit des Rotationsfehlers anzupassen und die Raumkoordinaten in Abhängigkeit der Messwerte und der angepassten Kalibrierdaten zu bestimmen.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Koordinatenmessgerätes.
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Ein solches Koordinatenmessgerät und ein entsprechendes Verfahren ist beispielsweise aus
DE 601 22 662 T2 bekannt.
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Bei der Qualitätskontrolle von industriell hergestellten Werkstücken werden die Werkstücke häufig mit Hilfe von Koordinatenmessgeräten vermessen, um zu prüfen, ob die Werkstücke den Spezifikationen entsprechen. Ein zu vermessendes Werkstück wird in einem Messvolumen des Koordinatenmessgeräts platziert. Das Koordinatenmessgerät besitzt einen Messkopf, häufig in Form eines taktilen Tastkopfes, der einen beweglich gelagerten Taststift aufweist. Dieser Taststift wird über eine geeignete Verschiebemechanik des Koordinatenmessgeräts so weit an das Messobjekt herangefahren, dass der Taststift den gewünschten Messpunkt am Messobjekt berührt. Anschließend kann aus der Stellung des Tastkopfes und der relativen Lage des Taststiftes zum Tastkopf die Raumkoordinate des angetasteten Messpunktes bestimmt werden.
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Für die Verschiebemechaniken sind unterschiedliche Konzepte bekannt. Beim dreidimensionalen Messen mit Koordinatenmessgeräten (3D-Koordinatenmessgeräte) sind typische Konzepte die Portalbauweise, Horizontalarm-Koordinatenmessgeräte und Koordinatenmessgeräte mit Ständerkonstruktion. Koordinatenmessgeräte in Portalbauweise besitzen ein in y-Richtung verschiebbares Portal mit einem Querträger, an dem ein in x-Richtung verschieblicher Schlitten angeordnet ist. Der Schlitten trägt seinerseits eine in z-Richtung verschiebliche Pinole, an der der Messkopf befestigt ist.
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Horizontalarm-Koordinatenmessgeräte besitzen eine in x-Richtung verschiebliche Säule, an der ein in z-Richtung verschieblicher Schlitten angeordnet ist. Der z-Schlitten trägt einen in y-Richtung verstellbaren Arm, dessen freies Ende den Messkopf trägt.
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Koordinatenmessgeräte in Ständerbauweise besitzen einen Ständer, der eine in z-Richtung verschiebliche Pinole trägt. Der Ständer kann selbst in x- und/oder y-Richtung beweglich sein. Alternativ können die x- und y-Führungsachsen auch durch einen entsprechend verschieblichen Tisch zum Aufspannen des Messobjektes realisiert sein.
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Für sämtliche Koordinatenmessgeräte gilt, und zwar unabhängig von der jeweiligen baulichen Ausgestaltung, dass die Messgenauigkeit solcher Geräte entscheidend von der geometrischen Genauigkeit abhängt, mit der die Führungen in diesen Geräten das Koordinatensystem verkörpern. Beispielsweise führt eine Welligkeit oder ein Schräglauf der Führungen zu Positionsfehlern beim Verfahren des Messkopfes. Es ist daher bekannt, für ein Koordinatenmessgerät die geometrischen Abweichungen seiner Führungen gegenüber einem idealen Koordinatensystem zu ermitteln, um die Messgenauigkeit des Koordinatenmessgeräts beurteilen zu können. Zudem kann bei bekannten systematischen Abweichungen durch mathematische Korrektur, die geometrische Genauigkeit eines Koordinatenmessgeräts gesteigert werden. Hierfür werden Koordinatenmessgeräte kalibriert. Dabei werden Kalibrierdaten erstellt, die für die mathematische Korrektur genutzt werden. Diese beziehen sich auf unterschiedliche Fehlerarten. Entlang jeder Raumrichtung ergeben sich drei Translations- sowie drei Rotationsfehler. Insgesamt ergeben sich somit 18 unterschiedliche Fehler, die das Messergebnis insgesamt beeinflussen.
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Wie stark sich die einzelnen Fehlertypen (Rotations- oder Translationsfehler) in unterschiedlichen Raumrichtungen auf das Messergebnis auswirken, ist zudem abhängig von der Konstruktion des Koordinatenmessgeräts. Ist die Gestellvorrichtung bspw. als Portal ausgebildet, ist insbesondere die Raumrichtung besonders fehlerbehaftet, in die das gesamte Portal verfahren werden kann. Dies liegt daran, dass typischerweise in dieser Raumrichtung der längste Verfahrweg vorliegt und sich somit auch geringfügige Fehler über den gesamte Verfahrweg stark fortpflanzen können. Zudem liegt es daran, dass in diese Richtung das gesamte Portal mit allen zusätzlichen Elementen verfahren werden muss, wodurch in diese Raumrichtung die höchste Masse im Gesamten bewegt werden muss. Dies führt wiederum zu einer Begrenzung der Genauigkeit, mit der die Position des Portals eingestellt werden kann.
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So sind Verfahren zum Kalibrieren von Koordinatenmessgeräten bekannt, bei denen zur Ermittlung der Positionsabweichungen Michelson-Laser-Interferometer und für die Ermittlung von Geradheitsabweichungen Wollaston-Interferometer eingesetzt werden. Bei solchen Verfahren ist für die Ermittlung einer rotatorischen Abweichung entweder der Einsatz einer Neigungswaage oder eines Winkellasers erforderlich. Mit solchen Kalibrierverfahren lässt sich ein Koordinatenmessgerät zwar sehr präzise kalibrieren, nachteilig an solchen Kalibrierverfahren ist jedoch, dass die hierfür erforderlichen Geräte sehr teuer sind.
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Weiter sind Verfahren zum Kalibrieren eines Koordinatenmessgeräts bekannt, bei denen die Kalibrierung unter Verwendung von definierten Referenzkörpern erfolgt. Als Referenzkörper kommt bspw. ein Kugelstab, eine Kugelplatte, ein Parallelendmaßstapel oder ein Stufenendmaß zum Einsatz. Das deutsche Gebrauchsmuster
DE 299 24 520 U1 beschreibt Prüfkörper, die Referenzobjekte aufweisen, welche von Verbindungselementen getragen werden. Es wird vorgeschlagen, die Verbindungselemente aus einem Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoff herzustellen und die Referenzobjekte aus einer Glaskeramik oder aus Glas herzustellen.
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Aus der
DE 10 2008 024 444 A1 und aus der eingangs genannten
DE 601 22 662 T2 ist ein Verfahren zum Kalibrieren eines Koordinatenmessgeräts bekannt. Hierzu wird ein Referenzkörper in dem Messvolumen des Koordinatenmessgeräts angeordnet. Das Koordinatenmessgerät weist einen Tastkopf auf, der entlang einer Raumrichtung eine Vielzahl von Messpunkten abtastet und Kalibrierwerte anhand dieser Messwerte erzeugt. Die Beschaffenheit des Referenzkörpers ist bekannt, so dass Rückschlüsse auf die zu erwartenden Messwerte gezogen werden können. Die Differenz zwischen den zu erwartenden Messwerten und den erfassten Messwerten wird der Erzeugung der Kalibrierdaten zugrunde gelegt. Auf diese Weise können beim späteren Vermessen eines Messobjekts systematische Fehler des Koordinatenmessgeräts rechnerisch korrigiert werden.
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Diese herkömmliche Kalibrierung eines Koordinatenmessgeräts unter Verwendung von definierten Referenzkörpern ist sehr kostengünstig gegenüber der Kalibrierung eines Koordinatenmessgeräts unter Verwendung von Lasern bzw. Laserinterferometern. Jedoch ist auch dieses Verfahren relativ aufwändig und zeitintensiv, da zunächst der entsprechende Referenzkörper in dem Messvolumen korrekt anzuordnen ist und dann eine Vielzahl von Messpunkten aufgenommen werden muss. Zudem muss der Referenzkörper eine bestimmte Temperatur aufweisen, für die die Maße des Referenzkörpers exakt bekannt sind. Die vorgenannten Verfahren zum Kalibrieren eignen sich daher insbesondere für ein werkseitiges Kalibrieren der Koordinatenmessgeräte, bei der eine Temperatur des Referenzkörpers sowie eine Temperatur des Koordinatenmessgeräts gewährleistet sind.
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Für hochgenaue Messungen ist jedoch ein einmaliges werkseitiges Kalibrieren oftmals nicht ausreichend. Das Koordinatenmessgerät verändert über die Zeit seines Betriebs seine mechanischen Eigenschaften. Diese Veränderungen sind insbesondere durch Temperaturschwankungen am Einsatzort des Koordinatenmessgeräts bedingt. Zudem weisen Koordinatenmessgeräte häufig als Basis eine Granitplatte auf. Die Basis dient meist als Werkstückaufnahme sowie als Führung für die Verschiebemechanik. Die Granitplatte verändert Ihre Eigenschaften ebenfalls über die Zeit bspw. durch Trocknungseffekte und Temperaturschwankungen. Somit muss die Kalibrierung zumindest über die Lebensdauer des Koordinatenmessgeräts mehrfach durchgeführt werden. Weiter kann die Basis ihre Eigenschaften auch kurzfristig verändern, bspw. durch direkte mechanische Beanspruchung. Dies kann bereits durch eine aufgebrachte Masse in Form eines Werkstücks erfolgen. Um diese Veränderungen berücksichtigen zu können müsste die Kalibrierung für jedes Werkstück durchgeführt werden.
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Hierzu ist es bspw. bekannt, eine Temperaturkorrektur für die Führung der Verschiebemechanik einzusetzen. Die Temperaturkorrektur weist in die Basis integrierte Temperaturfühler auf, welche eine Temperaturänderung innerhalb der Basis erfassen. Anhand eines Rechenmodells wird auf Basis der von den Temperaturfühlern erfassten Messwerte ein Führungsfehler ermittelt. Dieser Führungsfehler wird dann einer Korrektureinrichtung zugeführt, welche aus Messwerten für das Messobjekt korrekte Raumkoordinaten bestimmt. Eine bekannte Korrektureinrichtung ist die CAA (Computer-Aided Accuracy). Diese ermittelt bspw. anhand der Temperaturdifferenz, die innerhalb der Basis erfasst worden ist, die Führungsänderung für die Verschiebemechanik anhand eines Rechenmodells. Nachteil dieses Korrekturverfahrens ist eine begrenzte Exaktheit bei besonders großen Temperaturschwankungen. Dies ist bedingt durch die limitierte Anzahl an einsetzbaren Temperaturfühlern und durch den hohen Aufwand zur Parameterermittlung für das Rechenmodell, insbesondere bei großen Messvolumina. Zudem werden in heutigen Koordinatenmessgeräten Mechanikteile wie Drehachsen in die Basis integriert oder auf diese aufgesetzt. Diese erzeugen eine Wärmeabstrahlung, die Messwerte für die Temperatur innerhalb der Basis beeinflussen und wodurch eine sichere Korrektur erschwert wird.
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Alle vorgenannten Verfahren werden typischerweise in klimatisierten Räumen durchgeführt, in denen die Umgebungstemperatur konstant gehalten wird. Es müssen somit nur geringe Fehler korrigiert werden. Es ist jedoch wünschenswert, Koordinatenmessgeräte außerhalb von Klimaräumen einzusetzen, bspw. in Werkhallen. Dadurch ist es möglich, die Koordinatenmessgeräte in bestehende Produktionsabläufe einzubinden und somit die Produktion im Gesamten zu beschleunigen. Werkhallen weisen jedoch Temperaturschwankungen von bis zu 30°C Unterschied auf. Diese können zum einen jahreszeitlich bedingt sein und zum anderen von der direkten Umwelt des Koordinatenmessgeräts, wie bspw. von anderen Produktionsmaschinen, abhängen. Die große Temperaturspanne kann von den bisher bekannten Verfahren nicht kompensiert werden. Bei Einsatz eines Koordinatenmessgeräts aus dem Stand der Technik unter den genannten Bedingungen würden sehr große Messfehler entstehen, die eine sehr häufige Kalibrierung notwendig machen würden. Die sehr häufige Kalibrierung, bspw. mehrfach täglich, auf Basis der bekannten Verfahren, führt allerdings zu hohen Standzeiten des Koordinatenmessgeräts, so dass insgesamt kein Zeitgewinn durch Einsatz des Koordinatenmessgeräts in dem Produktionsbereich erfolgen würde. Daher wird ein Koordinatenmessgerät benötigt, das die genannten Nachteile umgeht.
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Das deutsche Gebrauchsmuster
DE 297 22 450 U1 beschreibt einen Prüfkörper für ein Kalibrieren eines Koordinatenmessgeräts. Es wird vorgeschlagen, den Prüfkörper als Endlosprofil auszugestalten. Dadurch kann dann der Prüfkörper bei der Herstellung auf die Dimensionen des Koordinatenmessgeräts abgestimmt werden. Für die Kalibrierung weist der Prüfkörper eine Vielzahl an Referenzobjekten auf, die entlang des Prüfkörpers erfasst werden können, wodurch das Koordinatenmessgerät anhand eines Prüfkörpers über einen großen Bereich kalibriert werden kann. Nachteil dieses Prüfkörpers ist, dass er für das Kalibrieren manuell in dem Messvolumen des Koordinatenmessgeräts angeordnet werden muss. Dies erfolgt vorzugsweise in mehreren Positionen, in denen die Prüfobjekte des Prüfkörpers jeweils abgetastet werden. Die einfache Struktur des Prüfkörpers ermöglicht zwar einen Einsatz des Prüfkörpers am Einsatzort des Koordinatenmessgeräts, jedoch muss das Koordinatenmessgerät jedes Referenzobjekt wie in den anderen bekannten Verfahren erfassen, wodurch eine hohe Standzeit des Koordinatenmessgeräts erzeugt wird.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Einsatz von Koordinatenmessgeräten in einem großen Temperaturbereich unter Beibehaltung der Messgenauigkeit zu ermöglichen. Ein weiterer Aspekt ist, dass Langzeiteinflüsse auf eine Führungsgenauigkeit des Koordinatenmessgeräts dauerhaft und einfach kompensiert werden können.
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Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Koordinatenmessgerät gemäß Anspruch 1 gelöst, mit einer in das Koordinatenmessgerät integrierten Referenzvorrichtung, die mindestens zwei Referenzflächen aufweist, die entlang der ersten Raumrichtung beabstandet zueinander angeordnet sind, wobei die Referenzvorrichtung einen Referenzkörper aufweist, der einen Distanzkörper und Referenzobjekte mit den Referenzflächen aufweist, und wobei die Referenzflächen eine erste und eine zweite Distanz als Referenzdistanzen entlang der ersten Raumrichtung definieren, wobei die erste und die zweite Distanz in der zweiten Raumrichtung voneinander beabstandet angeordnet sind.
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Die Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zum Betreiben eines Koordinatenmessgeräts gemäß Anspruch 15 gelöst, wobei die Referenzvorrichtung einen in das Koordinatenmessgerät integrierten Referenzkörper aufweist, der einen Distanzkörper und Referenzobjekte mit den Referenzflächen besitzt, wobei das Anpassen der Kalibrierdaten anhand der Referenzvorrichtung automatisch beim Starten des Koordinatenmessgeräts, nach einer bestimmten Betriebszeit, in Abhängigkeit von Temperaturänderungen oder vor jedem Werkstück erfolgt.
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Die vorliegende Erfindung beruht damit auf der Idee, die Referenzvorrichtung in das Koordinatenmessgerät zu integrieren. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass ein Nachkalibrieren anhand der Referenzvorrichtung automatisch durchgeführt werden kann. Insbesondere entfällt hierdurch das aufwändige Platzieren eines Prüfkörpers in dem Messvolumen, wodurch eine Standzeit des Koordinatenmessgeräts verringert wird.
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Die Erfindung beruht weiter auf der Idee, dass vorhandene Kalibrierdaten genutzt und in Abhängigkeit eines erfassten Fehlers an die aktuell vorliegenden Gegebenheiten angepasst werden.
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Zudem liegt der Erfindung die Idee zugrunde, dass nur eine verhältnismäßig einfache Kalibrierung erfolgt. Hierzu werden zwei Distanzen gemessen, die miteinander verglichen werden. Anhand dieser Distanzen kann ein Rotationsfehler der Gestellvorrichtung ermittelt werden. Dies erfolgt beispielsweise durch Winkelberechnungen anhand von erfassten Längenunterschieden sowie der Beabstandung der Distanzen. Der ermittelte Rotationsfehler ist ein relativer Fehler zwischen einer ersten Position der Gestellvorrichtung und einer zweiten Position der Gestellvorrichtung bei Erfassen der Distanzen. Dieser relative Fehler wird anschließend mit bereits vorhandenen Kalibrierdaten verglichen und die Kalibrierdaten werden ggf. an den aktuell vorliegenden Rotationsfehler angepasst. In bevorzugten Ausführungsformen werden die Kalibrierdaten entlang der ersten Raumrichtung als Funktion über die erste Raumrichtung betrachtet. Es liegt also eine Vielzahl an Kalibrierwerten in den Kalibrierdaten vor, die einzelnen Positionswerten der ersten Raumrichtung zugeordnet sind. Die Kalibrierwerte können sich jeweils auf einen Rotations- und/oder Translationsfehler beziehen. Zudem sind die Kalibrierwerte einer Raumrichtung zugeordnet, in die der Fehler kompensiert wird. Somit können sich Kalibrierwerte (und damit die Kalibrierdaten) entlang der ersten Raumrichtung auf insgesamt 6 Fehler beziehen.
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Eine Anpassung kann beispielsweise sehr einfach für Kalibrierwerte erfolgen, die einen Rotationsfehler um die dritte Raumachse entlang der ersten Raumrichtung kompensieren. Der aktuelle, erfindungsgemäß bestimmte Rotationsfehler kann hierzu mit dem entsprechenden, bereits vorhandenen Kalibrierwert für diesen Rotationsfehler verglichen werden. Sind beide Werte identisch, muss keine Anpassung erfolgen. Sind die Werte unterschiedlich, so werden alle Kalibrierwerte (dieses bestimmten Rotationsfehlers) entlang der ersten Raumrichtung anhand des aktuellen Rotationsfehlers angepasst. Eine Möglichkeit ist ein gewichtetes Aufaddieren der Differenz zwischen dem aktuellen Rotationsfehler und dem entsprechenden vorhandenen Kalibrierwert auf die vorhandenen Kalibrierwerte über die erste Raumrichtung.
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In bevorzugten Ausführungsformen werden die Kalibrierwerte eines Fehlers als Funktion des Fehlers über die Raumrichtung beschrieben. In diesem Fall besteht beispielsweise die Möglichkeit, die gesamte Funktion anhand des aktuellen Rotationsfehlers so zu verändern, dass sie den aktuellen Rotationsfehler beinhaltet.
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Eine Möglichkeit ist es, einen aktuellen Rotationsfehlerverlauf von der ersten Position zu der zweiten Position durch eine Gerade zu approximieren und diese Gerade auf die Kalibrierwerte für den Rotationsfehler über die erste Raumrichtung aufzuaddieren. Hieraus ergibt sich eine besonders einfache Anpassung.
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Eine weitere besonders vorteilhafte Möglichkeit ist eine Anpassung, bei der der Rotationsfehler aus den Kalibrierwerten an der ersten Position der Gestellvorrichtung als Null betrachtet wird, und der relative Fehler zu dieser Position – der aktuelle Rotationsfehler – an der zweiten Position in der Funktion vorliegen muss. Die vorhandene Funktion wird also an zwei Punkte angepasst, beispielsweise durch Transformation, Verschieben, Stauchen, Dehnen und/oder Verdrehen. Weiter ist es denkbar, die Funktion ähnlich wie B-Splines anzupassen. Bildlich gesprochen, weist dann das Koordinatenmessgerät eine kontinuierliche Funktion von Rotationsfehlern entlang der ersten Raumrichtung auf. Diese Funktion wird insgesamt so ”gebogen”, dass sie dem erfassten Rotationsfehler genügt. Hieraus ergibt sich ein besonders genaues Anpassen.
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Durch die Einfachheit des Nachkalibrierens in Verbindung mit der Anpassung bereits vorhandener Kalibrierwerte ergibt sich eine besonders schnelle Möglichkeit, das Koordinatenmessgerät nachzukalibrieren. Dabei wird durch das Bestimmen eines exemplarischen Fehlers die Genauigkeit des Koordinatenmessgeräts entlang der gesamten ersten Raumrichtung verbessert.
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Die Zusammenführung der oben genannten Ideen führt zu einem synergetischen Effekt. Zum einen kann für die Messung von Distanzen eine relativ einfache Referenzvorrichtung eingesetzt werden. Diese kann zudem sehr platzsparend ausgebildet sein und somit in das Koordinatenmessgerät integriert werden, ohne dass der eigentliche Betrieb des Koordinatenmessgeräts durch die Referenzvorrichtung behindert wird. Zum anderen ermöglicht die integrierte Referenzvorrichtung und die geringe Zahl benötigter Messungen eine sehr schnelle Durchführung des Nachkalibrierens. Insgesamt ermöglichen die Ideen ein sehr schnelles und einfaches Nachkalibrieren des Koordinatenmessgeräts.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass durch die Anpassung der vorhandenen Kalibrierdaten weitere bereits eingesetzte Verfahren, wie bspw. eine CAA, unverändert eingesetzt werden kann. Die Anpassung der Kalibrierwerte mit dem erfassten Rotationsfehler kann bspw. innerhalb der CAA selbst erfolgen. Beispielsweise kann der Rotationsfehler bei einer bekannten Tischplattentemperaturkorrektur aus der CAA addiert/subtrahiert werden.
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Aufgrund der Schnelligkeit des Verfahrens, kann dieses sehr häufig ausgeführt werden, da die Standzeit des Koordinatenmessgeräts nur geringfügig beeinträchtigt wird. Ein Benutzer des Koordinatenmessgeräts kann das Nachkalibrieren bei Bedarf manuell starten. Dies erfolgt vorzugsweise bei einem Starten des Koordinatenmessgeräts, sowie nach einer bestimmten Betriebszeit. Zudem ist es denkbar, das Nachkalibrieren vor jedem Werkstück durchzuführen. Somit wird ein hochgenauer Betrieb des Koordinatenmessgeräts auch unter stark schwankenden Temperaturbedingungen gewährleistet. In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Nachkalibrieren automatisch. Dies kann bspw. in Abhängigkeit der Betriebszeit, des Werkstücks oder auch in Abhängigkeit von Temperaturänderungen in der Basis des Koordinatenmessgeräts und/oder in der Umgebung des Koordinatenmessgeräts erfolgen.
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Das Koordinatenmessgerät dient zur Bestimmung von Raumkoordinaten eines Messpunkts an einem Messobjekt. Die Raumkoordinaten sind typischerweise als 3-Tuppel gespeichert, die Messwerte für drei verschiedene Raumrichtungen aufnehmen können. In bevorzugten Ausführungsformen sind die drei Raumrichtungen entsprechend eines kartesischen Koordinatensystems orthogonal zueinander angeordnet.
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Die Basis kann bspw. als Granitplatte ausgebildet sein. Granit hat den Vorteil einer sehr geringen Formveränderung aufgrund von Temperaturschwankungen. Die Basis dient dazu, das Messobjekt aufzunehmen. Weiter weist das Koordinatenmessgerät eine Gestellvorrichtung auf, die dazu dient, den Messkopf zu verfahren. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Gestellvorrichtung als Portal ausgebildet, das entlang der ersten Raumrichtung relativ zu der Basis verfahren werden kann. Innerhalb des Portals kann der Messkopf zu dem Portal in der zweiten und der dritten Raumrichtung bewegt werden. Der Bereich, in dem der Messkopf bewegt werden kann, definiert das Messvolumen. Das Messvolumen wird somit zum einen durch die Basis begrenzt und zum anderen durch die Bewegungsfreiheit des Messkopfs definiert.
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Der Messkopf weist einen Sensor auf, der eine Relativposition des Messkopfs zu dem jeweiligen Messpunkt erfasst. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Messkopf ein Tastkopf, der mindestens einen Taststift aufweist. Zum Bestimmen der Raumkoordinaten des Messpunkts wird der jeweilige Messpunkt mit dem Taststift angetastet. Aufgrund des Antastens erzeugt der Tastkopf ein Signal, das er an die Steuer- und Auswerteeinheit weiterleitet. Diese erfasst dann anhand der Messeinrichtungen, welche Position der Messkopf im Raum besitzt. In weiteren Ausführungsbeispielen kann der Messkopf alternativ oder zusätzlich einen berührungslosen Sensor aufweisen. Hierbei sind insbesondere optische Sensoren denkbar, wie bspw. Lasersensoren. Ferner ist es denkbar, dass der Messkopf Teil eines Interferometers ist. Die Messeinrichtungen sind typischerweise als Glasmaßstäbe ausgebildet, an denen sich eine entsprechende Sensorik orientiert. Anhand der erfassten Raumposition und der vom Tastkopf bestimmen relativen Position zwischen Tastkopf und Messpunkt bestimmt die Steuer- und Auswerteeinheit einen Messwert für die Raumkoordinaten des Messpunktes.
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Die Steuer- und Auswerteeinheit weist vorzugsweise einen Datenspeicher mit den Kalibrierdaten auf. Die Kalibrierdaten können in einer werksseitigen und besonders genauen Kalibrierung erstellt und dauerhaft in dem Datenspeicher hinterlegt werden. Die Steuer- und Auswerteeinheit bestimmt die Raumkoordinaten, indem sie die erfassten Messwerte anhand der Kalibrierdaten anpasst.
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Der Referenzkörper besteht aus einem Distanzkörper, an dem zwei oder mehr Referenzobjekte angeordnet sind. Der Referenzkörper trägt also die Referenzobjekte. Damit definiert er die Distanz zwischen den Referenzflächen. Die Verwendung eines solchen Referenzkörpers ermöglicht einen besonders einfachen Aufbau der Referenzvorrichtung. Gleichzeitig wird erreicht, dass die Distanz zwischen den Referenzflächen eindeutig und dauerhaft definiert wird.
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Der Distanzkörper besteht vorzugsweise aus einem Material mit geringem Temperaturausdehnungskoeffizienten, wie bspw. Zerodur oder Invar. Besonders bevorzugt ist es, wenn alle Distanzkörper einer Referenzvorrichtung aus einer Herstellungscharge kommen. Dies hat den Vorteil, dass sie im Regelfall identische Materialeigenschaften haben. Diese schlagen sich in einem identischen Ausdehnungsverhalten bei gleichen Temperaturänderungen nieder. Somit bleibt der gemeinsame identische Abstand zwischen den Referenzflächen über verschiedene Referenzkörper auch bei starken Temperaturschwankungen identisch. Insbesondere in diesem Fall kann auf eine Temperaturkompensation bei der Bestimmung der Distanzen verzichtet werden, da eine gleichartige Ausdehnung dazu führt, dass die Ausdehnung selbst vernachlässigt werden kann. Dies folgt daraus, dass eine Längendifferenz gemessen wird, die aufgrund einer Schrägstellung der Gestellvorrichtung zustande kommt und nicht durch Längenunterschiede der Referenzkörper.
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Die Referenzflächen können auf unterschiedliche Weise ausgestaltet sein. Vorzugsweise weisen sie eine optimierte Regelgeometrie auf, die von dem Messkopf erfasst wird. Jede Referenzfläche kann somit eben und/oder gewölbt ausgebildet sein. Insbesondere kann sie als Kugelfläche oder als Kugelflächenausschnitt ausgebildet sein. Wie bereits erwähnt, ist die Referenzvorrichtung ein Teil des Koordinatenrnessgerats. Sie ist derart ausgebildet, dass sie während eines Messbetriebs des Koordinatenmessgeräts aufgestellt bleiben kann. Für eine Bestimmung der ersten Distanz wird zunächst eine der Referenzflächen vermessen und anschließend wird die andere Referenzfläche vermessen. Die entsprechenden Messpunkte werden hier vorzugsweise so gewählt, dass sich ihre Raumkoordinaten nur in der ersten Raumrichtung unterscheiden. Hierdurch wird ein besonders einfaches und genaues Erfassen der ersten Distanz möglich. Die zweite Distanz wird in entsprechender Weise bestimmt. Dabei sind die ersten Messpunkte für die erste und die zweite Distanz in der zweiten Raumrichtung voneinander beabstandet. Vorzugsweise weisen sie dann die gleichen Raumkoordinaten in der ersten und der dritten Raumrichtung auf. Ist die Referenzfläche als Kugelfläche oder Kugelflächenausschnitt ausgebildet, so ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Kugeloberfläche zunächst an mehreren Messpunkten erfasst wird. Anhand der erfassten Messpunkte kann ein Kugelmittelpunkt bestimmt werden. Der Kugelmittelpunkt dient dann als Bezugspunkt zur Bestimmung der Distanzen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich die Referenzvorrichtung entlang der ersten Raumrichtung etwa über zwei Drittel des Messvolumens.
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Die Referenzvorrichtung ist so ausgebildet, dass die physikalischen, also die real vorliegenden Abstände zwischen den jeweiligen ersten und zweiten Messpunkten möglichst identisch sind. Daraus folgt, dass die erste und die zweite Distanz bei korrektem Messen ebenfalls identisch sein müssten. Besteht eine Differenz zwischen der ersten und der zweiten Distanz, so liegt ein Rotationsfehler um die dritte Raumrichtung vor. Der Betrag des Abstandes ist ein Maß für den Betrag des Rotationsfehlers, der anhand trigonometrischer Funktionen sehr einfach als Winkel bestimmt werden kann.
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Anhand des erfassten Rotationsfehlers ist es auch möglich, Rückschlüsse auf einen Temperaturgradienten der Basis entlang der ersten Raumrichtung zu schließen. Hierdurch kann bspw. eine Plausibilitätsprüfung auf Basis eines erfassten Temperaturgradienten in Verbindung mit dem Rotationsfehler erfolgen. Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass anhand des Rotationsfehlers ein fiktiver Temperaturgradient ermittelt wird, bspw. anhand einer Vergleichswerttabelle. Dieser fiktive Temperaturgradient kann dann stellvertretend für den real vorliegenden Temperaturgradienten in eine bestehende Korrektureinheit eingespeist werden. Auf diese Weise wird ermöglicht, bereits bestehende Koordinatenmessgeräte mit der Referenzvorrichtung nachzurüsten und bereits vorhandene Korrektursysteme weiter verwenden zu können, ohne diese modifizieren zu müssen.
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Somit wird insgesamt ermöglicht, ein regelmäßiges Nachkalibrieren mittels des erfindungsgemäßen Koordinatenmessgeräts durchzuführen. Aufgrund der schnellen Durchführbarkeit kann dies häufig geschehen, wodurch dauerhaft eine sehr hohe Genauigkeit des Koordinatenmessgeräts gewährleistet ist. Es wird hierdurch erreicht, dass große Temperaturschwankungen auch während des Betriebs des Koordinatenmessgeräts sehr schnell und wirtschaftlich bei der Messung berücksichtigt und kompensiert werden können.
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Die oben genannte Aufgabe ist daher vollständig gelöst.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Referenzflächen als ebene Flächen ausgeführt, die sich jeweils radial zu der ersten Raumrichtung erstrecken.
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In dieser Ausgestaltung sind Referenzflächen als ebene Flächen ausgeführt, die orthogonal zu der ersten Raumrichtung orientiert sind. Damit sind die Referenzflächen zueinander parallel angeordnet. Aufgrund der ebenen Ausgestaltung der Referenzflächen wird ermöglicht, dass die Distanz zwischen den Referenzflächen in einem flächigen Bereich erfasst werden kann.
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Dies hat zum einen den Vorteil, dass trotz vorhandener Führungsfehler die Referenzflächen sehr schnell und einfach erfasst werden können. Zum anderen ergibt sich die Möglichkeit, die Referenzflächen zu scannen. Darunter wird verstanden, dass eine Vielzahl an Messpunkten auf den jeweiligen Referenzflächen nacheinander erfasst wird. In besonders bevorzugten Ausführungsformen erfolgt ein kontinuierliches Erfassen der Referenzflächen. Beispielsweise kann hier ein Großteil der jeweiligen Referenzfläche in einer kontinuierlichen mäanderförmigen Bewegung abgetastet werden. Die Vielzahl an erfassten Messwerten für die eine Referenzfläche kann anschließend ausgewertet werden. Vorzugsweise werden durch Filter und Ausreißereliminierung nicht sinnvolle Messwerte ausgeschlossen und so das Nachkalibrieren insgesamt verbessert. Weiter besteht die Möglichkeit, anhand der (verbleibenden) Messwerte für die erste Referenzfläche einen Mittelwert zu bilden. Dieser wird mit einem entsprechenden Mittelwert der zweiten Referenzfläche verglichen, um so die Distanz zu bestimmen.
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In einer alternativen Ausführungsform ist es möglich, dass die gesamten Messwerte beider Flächen einzeln miteinander verglichen und eine Vielzahl von Distanzen bestimmt werden. Anschließend wird aus der Vielzahl der Distanzen eine Gesamtdistanz bspw. durch Mittelwertbildung bestimmt.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine der Referenzflächen im Bereich einer Grenze eines Messvolumens angeordnet.
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In dieser Ausgestaltung ist vorgesehen, dass mindestens eine der Referenzflächen, vorzugsweise alle Referenzflächen, im Bereich einer Grenze des Messvolumens angeordnet ist. Die Grenze des Messvolumens kann hierbei jede ihrer Grenzen in jede der Raumrichtungen sein.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn die beiden Referenzflächen an den jeweiligen gegenüberliegenden Grenzen entlang der ersten Raumrichtung angeordnet sind. Hierdurch wird der Rotationsfehler entlang eines Großteils oder des gesamten Messvolumens erfasst. Mit anderen Worten, die Distanz wird maximiert, wodurch der Gesamtbetrag des Rotationsfehlers über das Messvolumen entlang der ersten Raumrichtung erfasst wird. Es ist allgemein von Vorteil, wenn die Distanz möglichst groß ist, da ein sich über die erste Raumrichtung fortpflanzender Fehler mit einem möglichst großen Betrag gemessen werden kann. Die Kalibrierdaten lassen sich zudem besonders gut anhand dieses Gesamtbetrags anpassen, da keine Folgefehler durch eine Extrapolation erzeugt werden können.
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In bevorzugten Ausführungsformen sind die Referenzflächen alternativ oder zusätzlich in den Bereichen von Grenzen des Messvolumens in der zweiten und dritten Raumrichtung angeordnet. Hierdurch ergibt sich eine Anordnung der Referenzvorrichtung an einer Seite des Messvolumens. Somit wird erreicht, dass die Referenzvorrichtung einen Normalbetrieb zum Vermessen von Messobjekten nicht beeinträchtigt.
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In bevorzugten Ausführungsformen ist es zudem denkbar, dass sich die Referenzvorrichtung in die erste und zweite Raumrichtung entlang des gesamten Messvolumens erstreckt, wobei sie in die dritte Raumrichtung nur eine sehr geringe Erstreckung aufweist. Hierdurch werden die Vorteile einer großen Messbasis für die Distanzen mit dem Vorteil einer besonders platzsparenden Referenzvorrichtung verbunden.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist eine der Referenzflächen außerhalb des Messvolumens angeordnet.
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In dieser Ausgestaltung befindet sich mindestens eine der Referenzflächen außerhalb der Grenzen des Messvolumens. Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass das Nachkalibrieren auf Basis der größtmöglichen Messbasis erfolgen kann, wobei gleichzeitig das gesamte Messvolumen für einen Messbetrieb des Koordinatenmessgeräts zur Verfügung steht. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind alle Referenzflächen außerhalb des Messvolumens angeordnet.
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Es wird ein entsprechend angepasster Messkopf eingesetzt, der die Referenzflächen außerhalb des Messvolumens erfassen kann. Ist der Messkopf als Tastkopf ausgebildet, wird für das Nachkalibrieren ein spezieller Taster eingesetzt, welcher aus dem Messvolumen herausragt, so dass er die Referenzflächen antasten kann.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Referenzfläche für jede der Distanzen zwei gesonderte Referenzflächen auf.
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In dieser Ausgestaltung wird für jede zu erfassende Distanz ein gesondertes Paar an Referenzflächen eingesetzt. Jedes Paar an Referenzflächen ist für sich genommen entlang der ersten Raumrichtung aufeinanderfolgend angeordnet, wobei ihre Position in der zweiten und dritten Raumrichtung übereinstimmt. Um zwei vergleichbare Distanzen zu erhalten, weisen beide Paare den identischen physikalischen Abstand auf. Vorzugsweise ist die erste Referenzfläche des ersten Paares in der gleichen Position entlang der ersten Raumrichtung angeordnet, wie die erste Referenzfläche des zweiten Paares. Daraus folgt, dass die zweiten Referenzflächen ebenfalls in der gleichen Position entlang der ersten Raumrichtung angeordnet sein müssen.
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Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass für das Nachkalibrieren unnötige Zwischenbereiche zwischen den beiden Referenzflächen entlang der zweiten Raumrichtung nicht hergestellt werden müssen. Besonders vorteilhaft ist hierbei, dass die Paare in der zweiten Raumrichtung sehr weit voneinander beabstandet werden können, ohne dass das Messvolumen zusätzlich eingeschränkt wird.
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In weiteren Ausführungsformen ist es denkbar, dass in der Steuer- und Auswerteeinheit ein Temperaturkoeffizient für die Ausdehnung der einzelnen Referenzkörper hinterlegt ist. So kann anhand einer Umgebungstemperatur die physikalische Distanz der Referenzkörper angepasst werden. Hieraus folgt, dass die Steuer- und Auswerteeinheit die Referenzkörper als temperaturstabil weiter verarbeiten kann.
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Um diese Ausdehnung der Referenzkörper ungehindert zulassen zu können, sind die Referenzkörper vorzugsweise in einem Fest- und in einem Loslager befestigt. Hierdurch wird vermieden, dass sich der Referenzkörper aufgrund von Ausdehnungen in unerwünschter Weise verformt.
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In einer weiteren Ausgestaltung besteht der Distanzkörper aus einem Kohlefaserverbundstoff.
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In dieser Ausgestaltung wird als Material für den Distanzkörper der Kohlefaserverbundstoff verwendet. Kohlefaserverbundstoffe haben den Vorteil eines geringen Temperaturausdehnungskoeffizienten. Zudem sind derartige Distanzkörper sehr einfach in unterschiedlichsten Formen herstellbar. Beispielsweise können als Distanzkörper Kohlefaserrohre verwendet werden, an deren offenen Enden die Referenzobjekte befestigt sind. Sie bieten zudem den Vorteil einer Langzeitstabilität sowie einer sehr hohen Steifigkeit bei geringem Gewicht.
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In einer weiteren Ausgestaltung bestehen die Referenzobjekte aus Glas.
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In dieser Ausgestaltung bestehen die Referenzobjekte aus Glas, mit vorzugsweise geschliffenen Referenzflächen. Glas bietet den Vorteil von Langzeitstabilität bei besonders niedrigen Temperaturausdehnungskoeffizienten. Zudem können die Referenzflächen sehr exakt in das Glas geschliffen werden. Besonders vorteilhaft ist, dass die so geschliffenen Referenzflächen sehr alterungsbeständig sind und ihre Genauigkeit über lange Zeit beibehalten.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist die Referenzvorrichtung ein Gerüst auf, das ortsfest zu einer Basis angeordnet ist.
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In dieser Ausgestaltung werden die Referenzflachen durch ein Gerüst getragen. In bevorzugten Ausführungsformen werden die Referenzkörper durch das Gerüst getragen. Das Gerüst kann aus Profilträgern, insbesondere Aluminiumprofilen, bestehen.
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Die Profilträger können für eine sichere Verbindung in der Basis des Koordinatengeräts befestigt werden. In besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen erstrecken sich die Profilträger vor allem in der zweiten Raumrichtung. Eine geringfügige thermisch bedingte Ausdehnung in der zweiten Raumrichtung der Aluminiumprofile ist unschädlich für das Nachkalibrieren, da sich die Ausdehnung homogen in die zweite Raumrichtung erstreckt, und geringfügige Positionsveränderungen des Referenzkörpers in zweiter oder dritter Raumrichtung aufgrund der Ausgestaltung der Referenzflächen als Flächen für den Messkopf automatisch kompensiert werden.
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In einer alternativen Ausführungsform ist es denkbar, dass das Gerüst von der Basis getrennt ist. In dieser Ausführungsform ist die Referenzvorrichtung mechanisch von der Basis entkoppelt, so dass sich Änderungen in der Basis nicht auf die Referenzvorrichtung auswirken können.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist das Koordinatenmessgerät ein Gehäuse auf, wobei die Referenzvorrichtung an dem Gehäuse angeordnet ist.
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In dieser Ausgestaltung ist die Referenzvorrichtung an dem Gehäuse des Koordinatenmessgerätes befestigt oder in das Gehäuse integriert. Dies ermöglicht eine besonders einfache und platzsparende Anordnung der Referenzvorrichtung. Im einfachsten Fall werden Referenzkörper also direkt mit dem Gehäuse verbunden.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist die Steuer- und Auswerteeinheit dazu ausgebildet, einen Translationsfehler der Gestellvorrichtung in der zweiten Raumrichtung in Abhängigkeit des Rotationsfehlers zu bestimmen, und die Kalibrierdaten in Abhängigkeit des Translationsfehlers anzupassen.
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In dieser Ausgestaltung ist eine Anpassung von weiteren Kalibrierwerten der Kalibrierdaten anhand des Rotationsfehlers vorgesehen. Hierzu wird aus dem Rotationsfehler über ein mechanisches Modell ein zugehöriger Translationsfehler bestimmt. Daraus können in Abhängigkeit der Ausgestaltung der Gestellvorrichtung mechanische Zusammenhänge hergeleitet werden, die den Rotationsfehler um die dritte Raumrichtung mit einem Translationsfehler in die zweite Raumrichtung verknüpfen. Vorteilhaft hierbei ist, dass anhand des sehr schnellen und einfachen Nachkalibrierens sowohl ein Rotationsfehler als auch ein Translationsfehler entlang der ersten Raumrichtung kompensiert werden kann.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuer- und Auswerteeinheit dazu ausgebildet, den Translationsfehler als Integral des Rotationsfehlers zu approximieren.
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In dieser Ausgestaltung wird der mechanische Zusammenhang zwischen dem Rotationsfehler und dem Translationsfehler vereinfacht als Integral angenommen. Dies folgt insbesondere bei Koordinatenmessgeräten in Portalbauweise aus den mechanischen Zwangsbedingungen beim Verfahren des Portals. Bildlich gesprochen, fährt bspw. die Gestellvorrichtung über eine Welle, so ergeben sich der Translationsfehler in Richtung der Wellenamplitude und gleichzeitig ein entsprechender Rotationsfehler senkrecht zum Wellenverlauf. Dieser vereinfachte Zusammenhang ermöglicht es, den erfassten Rotationsfehler schnell in den entsprechenden Translationsfehler umzuformen und anschließend die Kalibrierdaten entlang der ersten Raumrichtung für den Translationsfehler auf die gleiche Weise anzupassen wie die Kalibrierdaten für den Rotationsfehler. Vorteilhaft hierbei ist, dass eine sehr schnelle Umsetzung des Nachkalibrierens in der Steuer- und Auswerteeinheit erfolgen kann und gleichzeitig eine genügend hohe Genauigkeit beibehalten wird.
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In einer weiteren Ausgestaltung definieren die Referenzflächen eine dritte Distanz entlang der ersten Raumrichtung, wobei die dritte Distanz von der ersten oder zweiten Distanz in der dritten Raumrichtung beabstandet angeordnet ist, wobei die Steuer- und Auswerteeinheit weiter dazu ausgebildet ist, die dritte Distanz zu ermitteln, einen zweiten Rotationsfehler der Gestellvorrichtung um die zweite Raumrichtung in Abhängigkeit der dritten Distanz und der ersten oder zweiten Distanz zu bestimmen, die Kalibrierdaten in Abhängigkeit des zweiten Rotationsfehlers anzupassen und die Raumkoordinaten in Abhängigkeit der Messwerte und der angepassten Kalibrierdaten zu bestimmen.
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In dieser Ausgestaltung wird eine dritte Distanz in der ersten Raumrichtung bereitgestellt und erfasst. Vorzugsweise ist hierfür ein eigener Referenzkörper vorgesehen, der entlang der dritten Raumrichtung beabstandet zu den anderen Referenzkörpern angeordnet ist. Das vorgenannte Vorgehen wird hier entsprechend anhand eines ersten und des dritten Referenzkörpers durchgeführt. Vorteilhaft ist hierbei, dass durch den relativ geringen zusätzlichen Aufwand, eine dritte Distanz zu erfassen, ermöglicht wird, einen zweiten Rotationsfehler zu bestimmen. Dieser bezieht sich auf die zweite Raumrichtung. Vorteilhaft ist, dass somit die Kalibrierdaten noch genauer angepasst werden können, wobei der zusätzliche Zeitaufwand des Nachkalibrierens nur geringfügig steigt.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist das erfindungsgemäße Koordinatenmessgerät eine Temperaturmesseinrichtung auf, die Temperaturen an dem Koordinatenmessgerät erfasst, und einen Datenspeicher, in dem die ermittelten Rotationsfehler und die zugehörigen Temperaturen gespeichert werden, wobei die Steuer- und Auswerteeinheit dazu ausgebildet ist, einen aktuellen Rotationsfehler in Abhängigkeit der gespeicherten Rotationsfehler und der aktuell erfassten Temperatur zu bestimmen.
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In dieser Ausgestaltung wird der aktuell vorliegende Rotationsfehler von im Vorfeld bestimmten Referenzwerten abgeschätzt. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass sie die bereits erfassten Rotationsfehler mit der dazugehörigen Temperatur in Verbindung bringt. Anhand dieser bereits erfassten Werte für den Rotationsfehler können Abschätzungen für einen aktuellen Rotationsfehler auf Basis der aktuell erfassten Temperatur erfolgen. Die Temperaturmesseinrichtung kann dabei bspw. die Umgebungstemperatur und/oder einen Temperaturgradienten innerhalb der Basis erfassen. Die so erfassten Temperaturwerte werden in bevorzugten Ausführungsformen mit den entsprechend bestimmten Rotationsfehlern als Vergleichswertetabelle abgespeichert. Hierdurch wird mittels Filterung, Ausreißereliminierung und Interpolation eine sehr exakte Vorhersage für den aktuellen Rotationsfehler ermöglicht. Auf diese Weise können Zyklen des Nachkalibrierens bei Bedarf eingespart werden und es kann dennoch eine sehr hohe Genauigkeit bei der Vermessung von Messobjekten gewährleistet werden.
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Zudem ist es denkbar, für mehrere Raumrichtungen mehrere Referenzvorrichtungen einzusetzen, so dass das Nachkalibrieren umfassend für alle Fehler ermöglicht wird.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel eines Koordinatenmessgeräts,
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2 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Koordinatenmessgeräts mit einer Referenzvorrichtung in einer Vorderansicht,
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3 das Koordinatenmessgerät aus 2 in einer Seitenansicht,
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4 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Koordinatenmessgeräts mit einer Referenzvorrichtung in einer Vorderansicht,
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5 das Koordinatenmessgerät aus 4 in einer Seitenansicht,
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6 eine schematische Darstellung eines Koordinatenmessgeräts in Portalbauweise mit einem Translations- und Rotationsfehler,
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7 die schematische Darstellung aus 6 mit einer ersten und zweiten Distanz,
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8 die schematische Darstellung der 6 und 7 mit einem gedrehten Koordinatensystem,
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9 eine schematische Darstellung eines Koordinatenmessgeräts in Portalbauweise mit einem zweiten Rotationsfehler und
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10 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In 1 ist ein Koordinatenmessgerät in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet.
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Das Koordinatenmessgerät 10 besitzt hier eine Basis 12, auf der ein Portal 14 angeordnet ist. Das Portal 14 kann in einer ersten Raumrichtung 16, die hier als y-Achse bezeichnet ist, auf der Basis 12 verfahren werden. An der Traverse des Portals 14 ist ein Schlitten 18 angeordnet, der in einer zweiten Raumrichtung 20, hier als x-Richtung bezeichnet, verfahren werden kann. Am Schlitten 18 sitzt eine Pinole 22. Die Pinole 22 kann in eine dritte Raumrichtung 24, hier als z-Achse bezeichnet, verfahren werden.
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Mit den Bezugsziffern 26, 28 und 30 sind Maßstäbe bezeichnet, mit deren Hilfe die jeweiligen Achsenposition des Portals 14, des Schlittens 18 und der Pinole 22 bestimmt werden können. Bei den Maßstäben 26, 28 und 30 handelt es sich um Messeinrichtungen, die als Glasmaßstäbe mit einer Skalierung ausgebildet sind. Am unteren freien Ende der Pinole 22 ist ein Messkopf in Form eines Tastkopfs 32 angeordnet, der fünf Taststifte 34 aufweist. Der Vollständigkeit halber wird hier darauf hingewiesen, dass der Messkopf in weiteren Ausführungsbeispielen auch als berührungsloser Messkopf ausgebildet sein kann, wie bspw. als Lastertaster.
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Das Portal 14, der Schlitten 18 und die Pinole 22 bilden eine Gestellvorrichtung 36, mit der der Tastkopf 32 verfahren werden kann. Das Koordinatenmessgerät 10 besitzt Antriebe (hier nicht näher dargestellt), über die das Portal 14, der Schlitten 18 und die Pinole 22 motorisch in den drei Raumrichtungen 16, 20 und 24 verfahren werden können, um den Tastkopf 32 zu bewegen. Der Bereich, innerhalb dem der Tastkopf 32 verfahren werden kann, definiert das Messvolumen 38. Die Maßstäbe 26, 28 und 30 werden optisch abgetastet, um Messwerte für die Position des Tastkopfs 32 im Raum zu erhalten. Alternativ hierzu kann das Koordinatenmessgerät 10 jedoch auch andere Positionseinrichtungen besitzen, bspw. induktive Messeinrichtungen.
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Darüber hinaus sei der Vollständigkeit halber darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht nur bei Koordinatenmessgeräten in Portalbauweise, sondern auch bei anderen Koordinatenmessgeräten, bspw. in Horizontalarm- oder Brückenbauweise, eingesetzt werden kann.
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Auf der Basis 12 des Koordinatenmessgeräts 10 ist ein Messobjekt 40 angeordnet. Mit einem der Taststifte 34 wird das Messobjekt 40 an einem Messpunkt 42 angetastet. Für die Raumposition des Tastkopfs 32 beim Antasten des Messpunkts 42 werden anhand der Messeinrichtungen 26, 28 und 30 Messwerte bestimmt. Diese Messwerte werden an eine Steuer- und Auswerteeinheit 44 über Leitungen 46 und 48 weitergeleitet. Zudem ist die eine Steuer- und Auswerteeinheit 44 über Leitungen 50 und 51 mit hier nicht dargestellten Temperatursensoren verbunden. Die Temperatursensoren sind innerhalb der Basis 12 angeordnet. Weiterhin sind die Temperatursensoren entlang der ersten Raumrichtung 16 beabstandet. Die Steuer- und Auswerteeinheit 44 bestimmt in Abhängigkeit der erfassten Temperaturen einen Temperaturgradienten in der ersten Raumrichtung 16. Der Temperaturgradient wird bspw. für ein mechanisches Modell der Basis 12 eingesetzt. Somit bildet die Steuer- und Auswerteeinheit 44 eine Temperaturmesseinrichtung. Weiter weist die Steuer- und Auswerteeinheit einen Datenspeicher 52 auf, in dem die erfassten Temperaturen und/oder Temperaturgradienten abgespeichert werden.
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Das in 1 dargestellte Koordinatenmessgerät befindet sich in einem Messbetrieb, da das Messobjekt 40 innerhalb des Messvolumens 38 angeordnet ist.
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Die 2 und 3 zeigen eine Vorder- und eine Seitenansicht einer schematischen Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Koordinatenmessgeräts 10. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurden das Portal 14, der Schlitten 18 und die Pinole 22 nicht dargestellt. Innerhalb des Messvolumens 38 ist eine Referenzvorrichtung 54 angeordnet. Die Referenzvorrichtung 54 besteht aus drei Referenzkörpern 56, 58 und 60. Sie weist ein Gerüst auf, das aus sechs Streben 62, 62', 64, 64' und 66, 66' besteht. Die Streben 62, 62', 64, 64' und 66, 66' verbinden die Referenzkörper 56, 58 und 60 ortsfest mit der Basis 12.
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In der Seitenansicht wird die Ausgestaltung der Referenzkörper 56 und 58 deutlich. Sie weisen Referenzobjekte 68, 68', 70, 70' und 72, 72' auf, an denen jeweils eine Referenzfläche 74, 74', 76, 76' und 78, 78' ausgebildet ist. Die Referenzflächen 74, 74', 76, 76' und 78, 78' erstrecken sich alle radial zu der x-Richtung. Sie sind somit alle parallel zueinander ausgerichtet. Die Referenzfläche mit dem Bezugszeichen 78' ist aus Gründen der Übersichtlichkeit in der Darstellung nicht bezeichnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Referenzflächen 74, 74', 76, 76' und 78, 78' somit als plane Flächen ausgeführt. In weiteren Ausführungsbeispielen ist es denkbar, dass eine oder mehrere Referenzflächen als gewölbte Flächen ausgebildet sind. Bevorzugt ist hierbei eine Ausbildung als Kugelfläche oder Kugelflächenausschnitt. Die Referenzkörper 56, 58 und 60 weisen weiter jeweils einen Distanzkörper in Form eines Kohlefaserrohrs auf. Aufgrund der Darstellung sind hier nur zwei Kohlefaserrohre 80 und 82 zu erkennen. Jedes Kohlefaserrohr 80, 82 trägt ein Paar der Referenzobjekte 68, 68' bzw. 70, 70'. Sie definieren somit den Abstand zwischen den Referenzflächen 74 und 74' bzw. 76 und 76'.
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Der Referenzkörper 56 wird von der Strebe 62 mit einem Festlager 84 gehalten und von der Strebe 62' mit einem Loslager 86 gestützt. Durch die Kombination von Festlager 84 und Loslager 86 wird eine Ausdehnung des Referenzkörpers 56 ungehindert ermöglicht. In der entsprechenden Weise wird auch der Referenzkörper 58 mit einem Festlager 88 und einem Loslager 90 gehalten.
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Die Referenzflächen 74, 74', 76, 76' und 78, 78' sind im Bereich der Grenzen des Messvolumens 38 angeordnet. Dies erfolgt in mehrfacher Hinsicht, da beispielsweise die Referenzfläche 74 im Bereich von drei Grenzen des Messvolumens 38 angeordnet ist. Zum einen befindet sie sich in z-Richtung an einer unteren Grenze des Messvolumens 38, also zur Basis 12 hin. Zum andern befindet sie sich in x- und y-Richtung im Bereich einer seitlichen Grenze sowie im Bereich einer Grenze in Längsrichtung. Die weiteren Referenzflächen 74', 76, 76' und 78, 78' sind in entsprechender Weise ebenfalls jeweils im Bereich von drei Grenzen des Messvolumens 38 angeordnet. Mit anderen Worten, wie aus 2 hervorgeht sind die Referenzflächen 74, 74', 76, 76' und 78, 78' in sechs unterschiedlichen Ecken des Messvolumens 38 positioniert. Hierdurch wird erreicht, dass das Messvolumen 38 in seiner gesamten Erstreckung erfasst wird.
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Die 4 und 5 zeigen ein alternatives zweites Ausführungsbeispiel des Koordinatenmessgeräts 10 mit der Referenzvorrichtung 54. Im Unterschied zu den 2 und 3 sind die Streben 62, 62', 64, 64' und 66, 66' derart ausgebildet, dass sie die Referenzkörper 56, 58 und 60 – und damit die Referenzflächen 74, 74', 76, 76' und 78, 78' – außerhalb des Messvolumens 38 positionieren. Um die Referenzflächen 74, 74', 76, 76' und 78, 78' antasten zu können, ist der Taststift 34 hier entsprechend verlängert ausgebildet, so dass dieser aus dem Messvolumen 38 heraus die Referenzflächen 74, 74', 76, 76' und 78, 78' antasten kann. Es ergibt sich offensichtlich der Vorteil, dass das Messvolumen 38 für den Messbetrieb nicht durch die Referenzvorrichtung 54 beschränkt wird. Durch die winkelförmige Ausbildung der Streben 62, 62', 64, 64' und 66, 66' wird erreicht, dass die Gestellvorrichtung 36 zwischen den Referenzkörpern 56, 58 und 60 hindurch bewegt werden kann, ohne diese zu beschädigen oder in ihrer Position zu verändern.
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Der Referenzkörper 56 definiert aufgrund seiner Längserstreckung in den 3 und 5 eine physikalische Distanz 92, die hier mit Y1 bezeichnet ist. Der Referenzkörper 58 definiert entsprechend eine physikalische Distanz 94, die hier mit Y2 bezeichnet ist.
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Die 6 bis 8 zeigen eine schematische Seitenansicht des Koordinatenmessgeräts 10 mit einem parabelförmigen Translationsfehler. Sie verdeutlichen schrittweise die Vorgehensweise, wie der Rotationsfehler des Portals 14 um die dritte Raumrichtung 20 entsteht und bestimmt wird.
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Die dargestellte Referenzvorrichtung 54 dient dazu, die Auswirkungen eines Temperaturgradienten in Richtung des Pfeils 96 zu kompensieren. Der Temperaturgradient 92 führt zu einer Verformung der Basis 12, so dass bei einem Verfahren der Gestellvorrichtung 36 keine reine Verschiebung erfolgt.
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6 zeigt eine Kurve 98, die den Weg darstellt, den das Portal 14 entlang der ersten Raumrichtung 16 nimmt. Die Kurve 98 beschreibt gleichzeitig den Translationsfehler entlang der y-Achse, der sich in Richtung der z-Achse auswirkt. Dieser Translationsfehler ist hier zur Verdeutlichung übertrieben und gegenüber einem gewünschten Sollwert 100 dargestellt. Die Kurve 98 ist parabelförmig ausgebildet, und stellt eine vereinfachte Fehlerstruktur dar. In einem realen Fall ist der Verlauf des Translationsfehlers nicht als eine derart vereinfachte Funktion, sondern eher als Wellenprofil zu betrachten. Typischerweise spiegeln Kalibrierdaten genau dieses Wellenprofil wieder, wobei es beispielsweise durch eine Vielzahl diskreter Kalibrierwerte oder durch ein Polynom höheren Grades approximiert werden kann.
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Das Portal 14 ist in einer ersten Position und als Portal 14' in einer zweiten Position dargestellt. Die erste Position ist die Position, in der die ersten Messwerte für die zu erfassenden Distanzen an den Referenzkörpern 56 und 58 bestimmt werden. Anschließend wird das Portal 14 in die zweite Position verfahren, um die zweiten Messwerte an den Referenzkörpern 56 und 58 zu erfassen. Anhand von Mittellinien 102 und 102' in den jeweiligen Positionen ist erkennbar, dass das Portal 14 nicht nur translatorisch in Richtung der y- und z-Achsen bewegt wird, sondern auch rotatorisch um die x-Achse bewegt wird. Da das Portal 14 stets senkrecht zu der Oberflächen der Basis 12 geführt wird, ergibt eine Krümmung der Basis 12 nicht nur den Translationsfehler, sondern begründet auch die rotatorische Ausrichtung der Mittellinie 102'. Unter der Annahme, dass das Portal 14' fest auf der gekrümmten Oberfläche der Basis 12 angeordnet ist, kann geschlossen werden, dass der Betrag des Rotationsfehlers direkt von der Steigung des Kurve 98 in der jeweiligen Position abhängt. Somit kann hier der Rotationsfehler anhand einer Ableitung 104 der Kurve 98 bestimmt werden, da sie als stets orthogonal zu der Mittellinie 102, 102' angenommen wird. Daraus ergibt sich der Rotationsfehler als Winkel 108 zwischen der Ableitung 104 und dem Sollwert 100. Ferner ergibt sich der gleiche Winkel 108 zwischen der Mittellinie 102' und einer Orthogonalen 106, die ihrerseits zu dem Sollwert 100 orthogonal ist.
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7 zeigt zusätzlich zu dem Portal 14 in der ersten Position und dem Portal 14' in der zweiten Position ein Portal 14''. Das Portal 14'' ist in der Position dargestellt, die entstehen würde, wenn das Portal 14 ausschließlich translatorisch in der ersten Raumrichtung 16 bewegt werden würde. Um den Rotationsfehler bestimmen zu können, werden die physikalischen Distanzen Y1 und Y2 als gemessene Distanzen 110 und 112 in Form von Messwerten erfasst. Die Distanzen 110 und 112 sind hier entsprechend als Distanzen Y'1 und Y'2 bezeichnet. Zudem muss der Abstand b zwischen den Distanzen 110 und 112 bekannt sein. In dem Fall der rein translatorischen Bewegung wären die gemessenen Distanzen Y'1 und Y'2 von identischer Länge. Wie hier jedoch dargestellt ist, ergibt sich eine Differenz 114 zwischen den gemessenen Distanzen Y'1 und Y'2. Anhand des bekannten Abstands b zwischen den gemessenen Distanzen 110 und 112 und der Differenz 114 lässt sich ein Winkel 116 bestimmen. Dieser Winkel 116 stellt ebenfalls den Rotationsfehler dar, der von der ersten Position des Portals 14 zu der zweiten Position des Portals 14' im Gesamten entsteht. Dieser ist augenscheinlich nicht gleich dem Winkel 108 aus 6. Das ist darauf zurückzuführen, dass die 6 der Rotationsfehler zu dem Sollwert 100 bestimmt wird, wohingegen hier ein gesamter, relativer Rotationsfehler zwischen den zwei Positionen des Portals 14 bestimmt wird.
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Um den so ermittelten Winkel 116 weiterverarbeiten zu können, wird, wie in 8 dargestellt, das Koordinatensystem (hier nur die z- und y-Achse) so gedreht, dass das Portal 14 in der ersten Position ohne irgendeinen Rotationsfehler angenommen wird. Dies führt hier zu einer Orthogonalität der Mittellinie 102 zu dem Sollwert 100. Somit ist es möglich, den gesamten Rotationsfehler als Winkel 116 über die gesamte erste Raumrichtung 16 zu bestimmen.
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In entsprechender Weise ergibt sich dann der gesamte Translationsfehler als Strecke 118 an der zweiten Position. Das Drehen des Koordinatensystems erfolgt virtuell innerhalb der Steuer- und Auswerteeinheit 44.
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Anschließend können die Kalibrierdaten anhand des Rotationsfehlers und/oder des Translationsfehlers angepasst werden.
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9 zeigt das Koordinatenmessgerät 10 der 6 bis 8 in einer Draufsicht. Es wird deutlich, dass hier die Auswirkungen eines Temperaturgradienten in Richtung des Pfeils 120 ermittelt und kompensiert werden können. Zu diesem Zweck werden analog zu den obigen Ausführungen zwei Distanzen 110 und 124 erfasst. Die Distanz 124 ist hier mit Y'3 bezeichnet und wird an dem Referenzkörper 60 gemessen. Auf diese Weise kann dann eine weitere Differenz 126 zwischen den gemessenen Distanzen Y'1 und Y'3 ermittelt werden, woraus ein zweiter Rotationsfehler um die zweite Raumrichtung 24 als Winkel 128 bestimmt werden kann.
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10 zeigt ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Das Verfahren beginnt in einem Schritt 130. Diesem Schritt folgt ein Bereitstellen des entsprechenden Tasters 34 in einem Schritt 132. Dies ist insbesondere dann notwendig, wenn eine oder mehrere der Referenzflächen außerhalb des Messvolumens 38 angeordnet sind. Anschließend wird die erste Distanz Y'1 in einem Schritt 134 erfasst. Daraufhin erfolgt das Erfassen der zweiten Distanz Y'2 in einem Schritt 136. Auf Basis der beiden Distanzen Y'1, Y'2 wird die Differenz durch Subtraktion beider Distanzen Y'1, Y'2, in einem Schritt 138 bestimmt. Aufgrund der Differenz in Verbindung mit dem Abstand b zwischen den Differenzen wird der Rotationsfehler als Winkel bestimmt. Dies erfolgt vorzugsweise durch trigonometrische Zusammenhänge. Anschließend wird der Rotationsfehler in einem Schritt 142 für eine Weiterverarbeitung abgespeichert. Die Weiterverarbeitung erfolgt später im Normalbetrieb durch die Steuer- und Auswerteeinheit 44. Anschließend endet das Verfahren in Schritt 144.
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In einer weiteren Ausführungsform wird der Temperaturgradient von der Steuer- und Auswerteeinheit 44 dann erfasst, wenn der Rotationsfehler ermittelt wird. Dieser Temperaturgradient kann zusammen mit dem Rotationsfehler in dem Datenspeicher 52 abgespeichert werden, bspw. in einer Vergleichswertetabelle. Durch die daraus resultierende Zuordnung von Temperaturgradient zu Rotationsfehler kann der Rotationsfehler anhand der Vergleichswertetabelle bestimmt werden. Beispielsweise ist dies durch Interpolation möglich, wobei die bekannten Werte als Stützpunkte dienen.
