DE102017108033A1

DE102017108033A1 - Verfahren zur Messung von Koordinaten oder Eigenschaften einer Werkstückoberfläche

Info

Publication number: DE102017108033A1
Application number: DE102017108033.3A
Authority: DE
Inventors: Rainer Doderer; Jonas Michael Frank
Original assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2017-04-13
Filing date: 2017-04-13
Publication date: 2018-10-18

Abstract

Bei einem Verfahren zur Messung von Koordinaten oder Eigenschaften einer Werkstückoberfläche (19) wird ein Koordinatenmessgerät (10) mit einer daran befestigten Positioniereinrichtung (22) bereitgestellt, die mehrere Freiheitsgrade der Bewegung hat und ein Messinstrument (44) trägt. Zunächst wird eine Pose bestimmt, an der sich das Messinstrument (44) während einer an dem Werkstück (18) durchgeführten Messung befinden soll. Für jeden Freiheitsgrad der Bewegung wird ein Wert für einen Steuerungsparameter so bestimmt, dass das Messinstrument (44) die zuvor bestimmte Pose einnimmt. An dieser Pose führt das Messinstrument (44) sodann eine Messung aus. Wenn man nun die Pose desselben Werkstücks (18) verändert oder das Werkstück gegen ein gleichartiges Werkstück (18') austauscht, wird für jeden Freiheitsgrad der Bewegung ein neuer Wert für den jeweiligen Steuerungsparameter bestimmt, und zwar so, dass das Messinstrument (44) die anfangs bestimmte Pose relativ zu demselben beziehungsweise zu dem gleichartigen Werkstück einnimmt. Die neuen Werte für die Steuerungsparameter werden dabei durch inverse Kinematik bestimmt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von Koordinaten, der Rauheit oder einer anderen Eigenschaft einer Werkstückoberfläche mit Hilfe einer Positioniereinrichtung, die an einem beweglichen Träger einer Koordinatenmessmaschine befestigt ist und ein Messinstrument trägt.
Beschreibung des Standes der Technik
Zur Messungen an Werkstückoberflächen werden häufig Koordinatenmessgeräte (KMG, engl. CMM, coordinate measuring machine) verwendet. Ein Koordinatenmessgerät umfasst üblicherweise einen Tisch, der das zu vermessende Werkstück trägt, ein Messinstrument, das in unmittelbarer Nähe zu dem Werkstück positioniert wird, sowie einen Messkopf, der auf das Messinstrument definierte Stellkräfte ausübt und Kräfte misst, die von dem Messinstrument auf den Messkopf übertragen werden. In der Regel weisen Koordinatenmessgeräte außerdem eine Verfahreinrichtung auf, die den Messkopf in drei orthogonalen Verfahrrichtungen x, y und z relativ zu dem Tisch mit hoher Genauigkeit verfährt. Bekannt sind jedoch auch Koordinatenmessgeräte mit einem Verfahrtisch, der sich relativ zu einem feststehenden Messkopf bewegt. Soweit im Folgenden auf eine Verfahreinrichtung Bezug genommen wird, gelten die betreffenden Anmerkungen für Verfahrtische entsprechend.
Zu einem Koordinatenmessgerät gehört außerdem eine Auswerte- und Steuereinrichtung, welche die Bewegungen der Verfahreinrichtung steuert und die von dem Messkopf erzeugten Messsignale auswertet. Falls das Messinstrument ebenfalls Messsignale erzeugt, werden auch diese von der Auswerte- und Steuereinrichtung ausgewertet. Die Verfahreinrichtung verfügt für jede der drei Verfahrrichtungen x, y, z über mindestens einen Wandler, die an die Auswerte- und Steuereinrichtung Informationen über die zurückgelegten Verfahrwege zurückgibt. Dadurch ist die Position einer Kupplung der Verfahreinrichtung, an welcher der Messkopf auswechselbar befestigt ist, in allen Verfahrstellungen mit hoher Genauigkeit bekannt.
Besteht die durch Messung zu bestimmende Oberflächeninformation in den kartesischen Koordinaten der Werkstückoberfläche, so handelt es sich bei dem Messinstrument meist um einen taktilen Taster. Dieser berührt während der Messung die Oberfläche mit einer vorgegebenen und von dem Messkopf erzeugten Antastkraft. Beim Antasten wird der Taster geringfügig ausgelenkt, was ebenfalls vom Messkopf erfasst wird. Wenn die Lage des Tasters bezüglich der Kupplung der Verfahreinrichtung bekannt ist, lassen sich bei einem Kontakt des Antastelements mit der Werkstückoberfläche die kartesische Koordinaten des Kontaktpunktes genau bestimmen. Anstelle eines taktilen Tasters kann auch ein optischer Taster verwendet werden, der den Abstand zur Werkstückoberfläche berührungslos misst. Solche optischen Taster beruhen z. B. auf dem Prinzip der chromatisch konfokalen Abbildung und sind vor allem für die Vermessung von sehr weichen Werkstücken zweckmäßig.
Wenn die Rauheit von Werkstückoberflächen gemessen werden soll, wird als Messinstrument ein Rauheitssensor eingesetzt, der häufig als Tastschnittgerät ausgebildet ist. Ein Tastschnittgerät weist einen beweglich gelagerten Messarm auf, an dessen Ende ein Tastelement, z.B. eine Diamantspitze, befestigt ist, das während der Messung durch den Kontakt mit der Werkstückoberfläche ausgelenkt wird. Das Tastelement wird während der Messung senkrecht zur Auslenkungsrichtung des Tastelements mit Hilfe einer Vorschubeinheit linear verfahren und auf diese Weise entlang einer Linie über die zu vermessende Werkstückoberfläche geführt. Genaue Messwerte können nur dann erhalten werden, wenn die Auslenkungsrichtung des Tastelements exakt senkrecht zur vermessenden Oberfläche verläuft. Daher muss das Tastelement nicht nur bezüglich seiner kartesischen Koordinaten, sondern auch bezüglich seiner winkelmäßigen Orientierung im Raum sehr genau relativ zum Werkstück ausgerichtet sein.
Entsprechendes gilt auch für berührungsfrei arbeitende Rauheitssensoren, etwa punktweise oder flächig messende Weißlichtsensoren. Auch solche Sensoren müssen sehr genau relativ zum Werkstück ausgerichtet sein, damit die Messergebnisse nicht verfälscht werden.
In modernen Produktionsabläufen müssen die Werkstücke inzwischen mit so geringen Toleranzen gefertigt werden, dass eine laufende Prozessüberwachung unverzichtbar ist. Dabei stellt sich immer häufiger das Problem, dass die Werkstücke, deren Oberflächen automatisiert vermessen werden sollen, sehr komplexe Formen haben. Ein Motorblock eines Verbrennungsmotors beispielsweise weist eine Vielzahl von Bohrungen mit unterschiedlichen Innendurchmessern, zahlreiche Hinterschneidungen und unregelmäßig geformten Ausnehmungen auf, an denen es zu vermessende Oberflächen gibt. Herkömmliche Koordinatenmessgeräte mit ihren meist sehr voluminösen Verfahreinrichtungen sind in der Regel nicht in der Lage, ein Messinstrument so in den Öffnungen oder Ausnehmungen eines Motorblocks zu positionieren, dass dort eine Messung durchgeführt werden kann.
Moderne und teilweise auch für die laufende Prozessüberwachung geeignete Messsysteme weisen deswegen häufig eine Positioniereinrichtung auf, die zwischen der Verfahreinrichtung des Koordinatenmessgeräts und dem Messinstrument angeordnet ist. Die Positioniereinrichtung hat die Aufgabe, das Messinstrument unmittelbar über der zu vermessenden Oberfläche zu positionieren. Im Allgemeinen wird die Positioniereinrichtung nicht unmittelbar an der Verfahreinrichtung des Koordinatenmessgeräts, sondern an dem Messkopf befestigt, der von der Verfahreinrichtung getragen wird. Bekannt sind jedoch auch Messsysteme, bei denen der Messkopf zwischen der Positioniereinrichtung und dem Messinstrument angeordnet ist. Das Messinstrument ist dann nicht unmittelbar, sondern mittelbar über den Messkopf an der Positioniereinrichtung befestigt.
Solche Positioniereinrichtungen können beispielsweise ein Dreh-Schwenkgelenk aufweisen, wie es in der EP 2 207 006 A2 beschrieben ist. Mithilfe dieser bekannten Positioniereinrichtung kann ein Messinstrument um eine vertikale Achse gedreht und zusätzlich um eine horizontale Achse verschwenkt werden, um das Messinstrument optimal bezüglich der Werkstückoberfläche zu positionieren. Das Messinstrument ist dort zusätzlich noch um eine dritte Drehachse drehbar.
Eine andere Positioniereinrichtung mit drei Drehachsen ist aus der DE 20 2014 101 900 U1 bekannt.
Bevor eine Messung durchgeführt wird, muss zunächst eine Pose bestimmt werden, an der sich das Messinstrument zum Zeitpunkt der Messung befinden soll. Unter der Pose eines Objekts versteht man die Kombination von Position und Orientierung. In der Regel wird die Pose eines Objekts mit drei kartesischen Koordinaten und drei Winkeln angegeben. Die gewünschte Pose des Messinstruments kann dabei entweder relativ zu dem Werkstück oder in einem Koordinatensystem angegeben werden, in dem die Pose des Werkstücks bekannt ist. Es wird dann für jeden Freiheitsgrad der Bewegung der Positioniereinrichtung ein Wert für einen Steuerungsparameter so bestimmt, dass das Messinstrument die gewünschte Pose einnimmt, wenn die Antriebe der Positioniereinrichtung mit Steuersignalen angesteuert werden, die aus den Steuerungsparametern abgeleitet wurden. Der Anwender verwendet dabei ein parametrisches Strukturmodell der Positioniereinrichtung, auf dessen Grundlage simuliert werden kann, welche Pose das Messinstrument bei einem vorgegebenen Satz von Steuerungsparametern einnimmt.
Aus der EP 0 866 390 A1 ist ein Verfahren bekannt, wie man die Positioniereinrichtung steuern kann, damit das Messinstrument über dem Werkstück eine gewünschte Bahn abfährt. Beim Abfahren der Bahn wird die Positioniereinrichtung von der Verfahreinrichtung des Koordinatenmessgeräts entlang eines Weges verfahren, der parallel zu der gewünschten Bahn verläuft. Überlagert wird diese translatorische Bewegung des Messinstruments von eine Drehung um eine Drehachse der Positioniereinrichtung, die idealerweise senkrecht zu der Bahn ausgerichtet ist.
Manchmal ist es erforderlich, dass das Werkstück im Verlauf der Messung in eine andere Pose überführt wird. Dies kann z. B. erforderlich sein, wenn Teile der Oberfläche vermessen werden sollen, die zunächst dem Tisch des Koordinatenmessgeräts oder einer Werkstückaufnahme zugewandt und daher für das Messinstrument nicht erreichbar waren. Bisher war es erforderlich, nach dem Verschieben und/oder Verdrehen des Werkstücks die gewünschte Bahn, d. h. die Abfolge der Posen, an denen Messungen durchgeführt werden sollen, neu zu bestimmen. Hierzu kann die neue Pose des Werkstücks gemessen werden und aus dem Vergleich der Werkstückpose vor und nach dem Verschieben und/oder Verdrehen eine Transformationsmatrix abgeleitet werden. Mithilfe der Transformationsmatrix können die Posen, an denen sich das Messinstrument befinden soll, automatisch umgerechnet werden.
Es verbleibt dann jedoch die Aufgabe, für die umgerechneten Posen des Messinstruments neue Steuerungsparameter zu bestimmen, auf deren Grundlage die Positioniereinrichtung angesteuert wird. Der Anwender verwendet dabei wieder das parametrische Strukturmodell der Positioniereinrichtung und ermittelt durch eine Simulation, welche Steuerungsparameter zu der gewünschten Pose des Messinstruments führen.
Entsprechendes gilt, wenn gleichartige, d. h. geometrisch im Wesentlichen identische Werkstücke in rascher Folge hintereinander vermessen werden sollen. Dann ist es im Allgemeinen nicht möglich, alle Werkstücke exakt gleich relativ zu dem Tisch der Verfahreinrichtung auszurichten. Auch in diesen Fällen müssen die Steuerungsparameter für die Positioniereinrichtung neu bestimmt werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Messung von Koordinaten oder Eigenschaften einer Werkstückoberfläche anzugeben, das sich bei Änderungen der Werkstückpose oder einem Austausch von gleichartigen Werkstücken rascher durchführen lässt.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Messung von Koordinaten oder Eigenschaften einer Werkstückoberfläche mit folgenden Schritten:

a) Es wird ein Koordinatenmessgerät mit einer daran befestigten Positioniereinrichtung bereitgestellt, die mehrere Freiheitsgrade der Bewegung hat und ein Messinstrument trägt;
b) Es wird eine Pose bestimmt, an der sich das Messinstrument während einer an dem Werkstück durchgeführten Messung befinden soll;
c) Es wird für jeden Freiheitsgrad der Bewegung ein Wert für einen Steuerungsparameter so bestimmt, dass das Messinstrument die in Schritt b) bestimmte Pose einnimmt;
d) Das Messinstrument wird an die in Schritt b) bestimmte Pose bewegt und führt von dort an dem Werkstück eine Messung von Koordinaten oder Eigenschaften einer Oberfläche des Werkstücks aus;
e) Die Pose desselben Werkstücks wird verändert, oder es wird das Werkstück gegen ein gleichartiges Werkstück ausgetauscht;
f) Es wird für jeden Freiheitsgrad der Bewegung ein neuer Wert für den jeweiligen Steuerungsparameter so bestimmt, dass das Messinstrument die in Schritt b) bestimmte Pose relativ zu demselben beziehungsweise zu dem gleichartigen Werkstück einnimmt, wobei die neuen Werte für die Steuerungsparameter durch inverse Kinematik bestimmt werden;
g) Das Messinstrument wird an die in Schritt f) bestimmte Pose bewegt und führt von dort an demselben Werkstück beziehungsweise an dem gleichartigen Werkstück eine Messung von Koordinaten oder Eigenschaften einer Oberfläche des Werkstücks aus.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass sich die neuen Werte für die Steuerungsparameter sehr rasch automatisiert durch Anwenden der inversen Kinematik bestimmen lassen. Bei der inversen Kinematik handelt es sich um eine Rückwärtstransformation, mit der sich aus einer vorgegebenen Pose der Positioniereinrichtung die Steuerungsparameter ableiten lassen. Die Rückwärtstransformation ist im Allgemeinen wesentlich schwieriger als die direkte Kinematik, bei der auf der Grundlage der Steuerungsparameter durch Verwendung eines parametrischen Strukturmodels der Positioniereinrichtung ermittelt wird, in welcher Pose sich das Messinstrument befindet, wenn die Positioniereinrichtung mit Steuersignalen angesteuert wird, die aus den Steuerungsparametern abgeleitet wurden. Bei der inversen Kinematik entstehen die Schwierigkeiten zum einen durch Mehrdeutigkeiten, da es häufig mehrere Sätze von Steuerungsparametern gibt, die zur gleichen Pose des Messinstruments führen. Zum anderen sind bei der inversen Kinematik zahlreiche Randbedingungen einzuhalten. So sind in der Regel die zur Verfügung stehenden Drehwinkel und Verfahrstrecken beschränkt. Außerdem muss Kollisionsfreiheit gewährleistet sein, d. h. die Steuerungsparameter müssen so festgelegt werden, dass sich Teile der Positioniereinrichtung und des davon getragenen Messinstruments nicht gegenseitig oder das Werkstück berühren.
Wenn die Geometrie des Werkstücks genau bekannt ist, können die für die inverse Kinematik bekannten Algorithmen diese Randbedingungen vollständig berücksichtigen. In vielen Fällen ist die Geometrie des Werkstücks jedoch nicht so rechnerisch erfasst, dass sie den Algorithmen übergeben werden kann. In diesen Fällen ist es zweckmäßig, wenn in Schritt f) die neuen Werte so bestimmt werden, dass sie und die zuvor in Schritt c) bestimmten Werte ein vorgegebenes Abweichungskriterium einhalten. Vorzugsweise werden für die Steuerung der Positioniereinrichtung nur solche neuen Werte für die Steuerungsparameter zugelassen, die sich nur wenig von den vorher bestimmten Werten unterscheiden. Dann kann unterstellt werden, dass auch bei Verwendung der neuen Werte keine Kollisionen mit dem Werkstück auftreten. Solche neuen Werte lassen sich natürlich nur dann erhalten, wenn sich in Schritt e) die Pose desselben oder des gleichartigen Werkstücks nur wenig verändert. Auf diese Weise wird die Überprüfung auf Kollisionen mit dem Werkstück nicht von der inversen Kinematik durchgeführt, sondern in einem nachgelagerten Prüfungsschritt.
Bei der Anwendung des Abweichungskriteriums kann in Schritt f) beispielsweise für jeden Freiheitsgrad der Absolutwert der Differenz zwischen dem in Schritt c) bestimmten Wert und dem neuen Wert ermittelt werden. Das Abweichungskriterium gibt dann beispielsweise an, dass die Summe der Absolutwerte nicht größer ist als ein vorgegebener Grenzwert. Alternativ hierzu kommt in Betracht, die Werte für die Steuerungsparameter unterschiedlich zu gewichten oder ein Abweichungskriterium zu definieren, bei dem nicht die Summe, sondern die Quadrate der Absolutwerte nicht größer als ein vorgegebener Grenzwert sein dürfen.
Um die Pose des Messinstruments festzulegen, ist es erforderlich, die Koordinaten des Werkstücks zu kennen. Vorzugsweise werden deswegen vor dem Schritt c) die Koordinaten des Werkstücks und vor dem Schritt f) die veränderten Koordinaten desselben Werkstücks bzw. des gleichartigen Werkstücks in einem Koordinatensystem gemessen. Für die Messung kann beispielsweise ein Taster verwendet werden, der an dem Messkopf des Koordinatenmessgeräts befestigt wird. Derartige Messungen können automatisiert in kurzer Zeit durchgeführt werden. Durch Vergleich der Pose des Werkstücks vor und nach dem Verschieben und/oder Verdrehen bzw. der Posen der gleichartigen Werkstücke lässt sich eine Transformationsmatrix bestimmen, mit deren Hilfe die neue Pose des Messinstruments bestimmt werden kann. In einigen Fällen lässt sich die neue Pose aber auch ohne Messung der Koordinaten des Werkstücks bestimmen, etwa wenn bei einer linearen Verlagerung des Werkstücks der Betrag und die Richtung der Verlagerung genau erfasst werden. In diesem Fall lässt sich die Transformationsmatrix direkt aus dem Verlagerungsvektor ableiten.
Um im Schritt c) die Werte für die Steuerungsparameter zu bestimmen, kann ebenfalls auf eine inverse Kinematik zurückgegriffen werden. Dadurch lässt sich auch für die ursprüngliche Pose des Werkstücks sehr rasch ein Satz von Werten für die Steuerungsparameter ermitteln, auf dessen Grundlage das Messinstrument in die gewünschte Pose überführt werden kann.
Bei einem Ausführungsbeispiel weist die Positioniereinrichtung einen mehrgliedrigen beweglichen Arm auf, der mehrere steuerbare Freiheitsgrade der Bewegung hat, denen jeweils ein Antrieb zugeordnet ist. Das Messinstrument kann dabei unmittelbar oder über einen Messkopf an einem Ende des Arms befestigt sein.
Bei dem Messinstrument kann es sich beispielsweise um einen taktilen oder optischen Taster oder um einen taktilen oder optischen Rauheitssensor handeln.
Figurenliste
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:

1 ein Koordinatenmessgerät mit einer daran befestigten erfindungsemäßen Positioniereinrichtung in einer perspektivischen Darstellung;
2 die in der 1 gezeigte Positioniereinrichtung in vergrößerter Darstellung;
3 bis 5 ein Modell der in den 1 und 2 gezeigten Positioniereinrichtung in unterschiedlichen Konfigurationen des Messarms;
6 einen Ausschnitt aus der 1, in der unterschiedlichen Posen zweier gleichartiger Werkstücke angedeutet sind,

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Koordinatenmessgerät
Die 1 zeigt ein insgesamt mit 10 bezeichnetes Koordinatenmessgerät in einer perspektivischen Darstellung. Das Koordinatenmessgerät 10 umfasst einen Tisch 12, der eine Basis 14 und eine Platte 16 aus Hartgestein umfasst. Die Platte 16 dient zur Aufnahme eines Werkstücks 18 mit Hilfe eines nicht dargestellten Werkstückhalters. In diesem Ausführungsbeispiel wird angenommen, dass die Messaufgabe darin besteht, die Rauheit einer Oberfläche 19 des Werkstücks 18 ortsaufgelöst zu messen.
Der Tisch 12 trägt eine Verfahreinrichtung 20, mit der sich ein Messkopf 21 und eine daran befestigte Positioniervorrichtung 22 relativ zu dem Tisch 12 mit hoher Genauigkeit positionieren lässt. Die Verfahreinrichtung 20 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel in Portalbauweise ausgeführt und umfasst ein Portal 24, das mit zwei Füßen 26, 28 an den Rändern des Tisches 12 gelagert und in der horizontal verlaufenden x-Richtung entlang des Tisches 12 motorisch verfahrbar ist. An einem Portalquerbalken 30, der die beiden Füße 26, 28 miteinander verbindet, ist ein Ausleger 32 so gelagert, dass er entlang der Längsrichtung des Portalquerbalkens 30, d. h. in der ebenfalls horizontal verlaufenden y-Richtung, motorisch verfahren werden kann, wie dies durch einen Doppelpfeil angedeutet ist. In einer vertikal ausgerichteten Aufnahme 34 des Auslegers 32 ist ein Messträger 36 aufgenommen und entlang der vertikal verlaufenden z-Richtung motorisch verfahrbar.
An dem Messträger 36 ist austauschbar der Messkopf 21 befestigt, der die Positioniervorrichtung 22 trägt. Der Messkopf 21 weist im dargestellten Ausführungsbeispiel drei hintereinander angeordnete Federparallelogramme auf, so dass die Positioniervorrichtung 22 über jedes Federparallelogramm in einer Koordinatenrichtung verschiebbar gelagert ist. Zur Erfassung der Auslenkung ist jedem Federparallelogramm ein Wandler in Form eines Tauchspulenmagnetes zugeordnet. Zusätzlich weist jedes Federparallelogramm einen Messkraftgenerator in Form eines Tauchspulenantriebes auf, über den in derjeweiligen Koordinatenrichtung Kräfte auf die Positioniervorrichtung 22 ausgeübt werden können. Der Messkopf 21 kann auf diese Weise definierte Stellkräfte entlang orthogonaler Richtungen x, y und z auszuüben, während die Wandler des Messkopfes 21 die auf die Positioniervorrichtung 22 entlang dieser Richtungen einwirkenden Kräfte messen. Weitere Einzelheiten hierzu können der WO 02/054010 A1 entnommen werden, deren Offenbarung insoweit durch Verweis zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht wird.
Der Raum, der von dem Messträger 36 durch Verfahrbewegungen entlang den Richtungen x, y und z erreicht werden kann, liegt im dargestellten Ausführungsbeispiel in der Größenordnung von etwa 2 m³, so dass auch deutlich größere Werkstücke 18 vermessen werden können, als dies in der 1 dargestellt ist.
Die Verfahreinrichtung 20 verfügt für jede der drei Richtungen x, y, z über mindestens einen Wandler, die an eine Auswerte- und Steuereinrichtung 38 Informationen über die zurückgelegten Verfahrwege zurückgibt. Dadurch ist die Position der Automatikkupplung, an welcher des Messkopf 21 befestigt ist und die im Wesentlichen dem Tool Center Point (TCP) bei Robotern entspricht, in allen Verfahrstellungen mit hoher Genauigkeit bekannt.
Die Auswerte- und Steuereinrichtung 38 steuert die Bewegungen der Verfahreinrichtung 20 und wertet die Messwerte aus, die von dem Messkopf 21 und einem an der Positioniervorrichtung 22 befestigten Rauheitssensor 44 erzeugt werden. Die Automatikkupplung des Messträgers 36 kann neben einer mechanischen Verbindung auch eine Kommunikationsverbindung herstellen, damit zwischen dem Messkopf 21, dem Rauheitssensor 44 und der Steuer- und Auswerteeinrichtung 38 Steuer- und Messdaten ausgetauscht werden können. Alternativ hierzu kann diese Kommunikation über eine Funkschnittstelle erfolgen.
Im Folgenden wird mit Bezug auf die 2 der Aufbau der Positioniereinrichtung 22 näher erläutert.
Positioniereinrichtung
Wie in der vergrößerten Darstellung der 2 erkennbar ist, besteht die Positioniervorrichtung 22 im Wesentlichen aus einem Arm 40, der mehrere beweglich miteinander verbundene Glieder umfasst. An dem Arm 40 ist eine Vorschubeinheit 52 eines Rauheitssensors 44 befestigt, dessen Rauheitstaster 58 entlang einer Vorschubrichtung V verfahrbar ist.
Das in der 2 oben dargestellte Glied des Arms 40 wird im Folgenden als Verbindungsglied 45 bezeichnet und hat eine erste Kupplung, mit der die Positioniervorrichtung 22 an dem Messkopf 21 befestigbar ist, der seinerseits von der Verfahreinrichtung 20 des Koordinatenmessgeräts 10 getragen wird. Die Kupplung verfügt zu diesem Zweck in an sich bekannter Weise über Ausrichtelemente, Befestigungselemente und elektrische oder optische Verbindungselemente, mit denen sich eine Signalverbindung zwischen dem Verbindungsglied 45 und dem Messkopf 21 herstellen lässt.
Der Arm 40 hat einen ersten Armabschnitt G1, der unterhalb des Kupplungsglieds 45 angeordnet ist. Der erste Armabschnitt G1 ist relativ zu dem Kupplungsglied 45 um eine erste Drehachse A1 drehbar und verfügt zu diesem Zweck über einen ersten Antrieb, der in der 2 nur schematisch angedeutet und mit M1 bezeichnet ist. Ein zweiter Armabschnitt G2 ist relativ zu dem ersten Armabschnitt G1 um eine zweite Drehachse A2 mithilfe eines zweiten Antriebs M2 drehbar, wobei die zweite Drehachse A2 senkrecht zur ersten Drehachse A1 verläuft. Ein dritter Armabschnitt G3 ist relativ zu dem zweiten Armabschnitt G2 mithilfe eines dritten Antriebs M3 drehbar, und zwar um eine dritte Drehachse A3, die zur zweiten Drehachse A2 senkrecht verläuft. Der Arm 40 ist dabei so ausgelegt, dass die zweite Drehachse A2 sowohl die erste Drehachse A1 als auch die zweite Drehachse A3 schneidet.
Rauheitssensor
Vom Ende des dritten Armabschnitts G3 erstreckt sich radial nach außen die Vorschubeinheit 52 des Rauheitssensors 44. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Vorschubeinheit 52 dauerhaft mit dem dritten Armabschnitt G3 verbunden und umfasst eine Antriebseinheit 54 sowie ein Kupplungsglied 56 mit einer zweiten Kupplung. Das Kupplungsglied 56 ist linear entlang einer Linearführung in der Vorschubrichtung V relativ zu der Antriebseinheit 54 mit Hilfe eines Antriebs M4 verfahrbar, wie dies in der 2 durch einen Doppelpfeil angedeutet ist. Die Vorschubrichtung V verläuft senkrecht zur dritten Drehachse A3 und wird mit dieser mitgedreht. Über die zweite Kupplung ist der Rauheitstaster 58 auswechselbar an dem Kupplungsglied 56 befestigt. Bei anderen Ausführungsbeispielen ist der gesamte Rauheitssensor 44 lösbar an dem dritten Armabschnitt G3 befestigt, der zu diesem Zweck über eine geeignete Kupplung verfügt.
Der Rauheitstaster 58 hat ein Gehäuse 59 mit einer Öffnung, aus der ein Tastarm 60 mit einer Tastspitze 62 hervorragt, bei der es sich zum Beispiel um eine Diamantnadel handeln kann. Ferner ist an dem Gehäuse 59 eine Kufe 64 befestigt, die während der Messung an der Oberfläche 19 des Werkstücks 18 anliegt.
Rauheitsmessung
Zur Vorbereitung einer Rauheitsmessung bringt die Verfahreinrichtung 20 des Koordinatenmessgeräts 10 die Positioniervorrichtung 22 zunächst in eine Position in der Nähe des Werkstücks 18. Damit die Rauheitsmessung am gewünschten Ort auf der Oberfläche 19 durchgeführt werden kann, positioniert die Positioniervorrichtung 22 den Rauheitssensor 44 anschließend mit hoher Genauigkeit relativ zum Werkstück 18. Dazu werden die Motoren M1, M2 und M3 der Positioniervorrichtung 22 so von der Auswerte- und Steuereinrichtung 38 angesteuert, dass die Tastspitze 62 des Rauheitssensors 44 schließlich an der gewünschten Stelle an der Oberfläche 19 des Werkstücks 18 aufsetzen kann. Im Rahmen der Positionierung wird mindestens eines der Glieder G1, G2, G3 um die zugeordnete Drehachse A1, A2 oder A3 gedreht.
Beim Aufsetzen der Tastspitze 62 gelangt auch die Kufe 64 des Rauheitssensors 44 in Anlage mit der Oberfläche 19. Der Messkopf 21 erzeugt dabei die für die Rauheitsmessung benötigte Antastkraft, mit der die Tastspitze 62 auf der Oberfläche 19 des Werkstücks 18 aufliegt. Während der Messung wird der Motor M4 der Vorschubeinheit 54 betätigt, um den Rauheitstaster 58 entlang der Vorschubrichtung V zu verfahren. Die Kufe 64 gleitet dabei über die Oberfläche 19 des Werkstücks 18 hinweg. Wellen oder Stufen auf der Oberfläche führen dabei zu Auslenkungen des Rauheitssensors 44 entlang der Auslenkrichtung D, die von dem Messkopf 21 aufgenommen und gemessen werden.
Während des Verfahrvorgangs V wird gleichzeitig der Messarm 60 mit der daran befestigten Tastspitze 62 von kleineren Riefen oder Rillen auf der Oberfläche 19 ausgelenkt. Die Auslenkungen des Messarms 60 entlang der Auslenkrichtung D werden durch einen im Gehäuse 59 angeordneten Wandler erfasst. Die vom Wandler erzeugten Messsignale werden über die Kupplungen der Positioniervorrichtung 22 und über das Koordinatenmessgerät 10 an die Auswerte- und Steuereinrichtung 38 übermittelt. Aus diesen Messsignalen wird schließlich das Rauheitsprofil der Oberfläche 19 abgeleitet.
Ansteuerung der Positioniereinrichtung
Die relative Anordnung der vorstehend erwähnten Drehachsen A1, A2, A3, der Vorschubrichtung V und der Auslenkrichtung D ist in der 3 ohne die Abschnitte G1, G2, G3 des Arms 40 dargestellt. In dieser modellhaften Darstellung sind zusätzlich mehrere Koordinatensysteme eingezeichnet. Ein Koordinatensystem mit den Koordinatenachsen X₀, Y₀ und Z₀ ist dem Kupplungsglied 45 zugeordnet, das starr an den Messträger 34 der Verfahreinrichtung 20 angekuppelt ist. Weitere Koordinatensysteme sind für die Armabschnitt G1, G2, G3 eingezeichnet. Der erste Armabschnitt G1 hat dabei das Koordinatensystem mit den Koordinatenachsen X_A1, Y_A1 und Z_A1, das sich um die erste Drehachse A1 bezüglich des Koordinatensystems X₀, Y₀ und Z₀ dreht, wenn der Antrieb M1 entsprechend angesteuert wird. Entsprechend dreht das dem zweiten Armabschnitt G2 zugeordnete Koordinatensystem mit den Koordinatenachsen X_A2, Y_A2 und Z_A2 mit der zweiten Drehachse A2 und das dem dritten Armabschnitt G3 zugeordnete Koordinatensystem mit den Koordinatenachsen X_A3, Y_A3 und Z_A3 mit der dritten Drehachse A3 mit. Die Vorschubeinheit 52 hat nur einen linearen Freiheitsgrad entlang der Vorschubrichtung V. Wie oben bereits erwähnt, dreht sich die Vorschubrichtung V bei einer Drehung des dritten Armabschnitts G3 um die dritte Drehachse A3 mit. Senkrecht zur Vorschubrichtung V und parallel zur dritten Drehachse A3 verläuft die Auslenkrichtung D. Der Arm 40 muss von der Steuer- und Auswerteeinrichtung 38 so angesteuert werden, dass die Auslenkrichtung D stets zumindest im Wesentlichen senkrecht auf einer zu vermessenden Oberfläche 62 des Werkstücks 18 steht.
Der Ablauf der Messung erfolgt in folgenden Schritten:
Zunächst wird die Pose des Werkstücks 18 mithilfe des Koordinatenmessgeräts 10 in an sich bekannter Weise gemessen. Der Rauheitssensor 44 wird dazu gegen einen Taster ausgetauscht, der das Werkstück 18 an mehreren Messpunkten antastet. Auf diese Weise erhält man die Koordinaten des Werkstücks 18 im Koordinatensystem des Koordinatenmessgeräts. Wenn die Geometrie des Werkstücks 18 genau bekannt ist, genügen hierzu weniger Messpunkte. Diese Messung kann automatisiert erfolgen und benötigt nur wenig Zeit.
Dann wird eine Pose bestimmt, an der sich der Rauheitssensor 44 relativ zu dem Werkstück 18 während der an dem Werkstück 18 durchgeführten Messung befinden soll. Ausgangspunkt ist dabei regelmäßig die Festlegung eines Messpunktes, einer Folge von Messpunkten oder einer Messlinie auf der Oberfläche 19 des Werkstücks 18. Da die Auslenkrichtung D senkrecht zur Oberfläche 19 und die Verfahrrichtung V parallel zur Oberfläche 19 ausgerichtet sein soll, ergibt sich dadurch die erforderlich Pose des Rauheitssensors 44.
In einem zweiten Schritt wird für jeden Freiheitsgrad der Bewegung ein Wert für einen Steuerungsparameter der Positioniereinrichtung 22 so bestimmt, dass der Rauheitssensor 44 die zuvor bestimmte Pose einnimmt. Diese Werte können entweder durch Simulation unter Verwendung des in der 3 gezeigten Strukturmodells oder durch inverse Kinematik bestimmt werden. Zur Lösung des inversen kinematischen Problems gibt es kein allgemein anwendbares Verfahren; im Stand der Technik etabliert haben sich algebraische, geometrische und numerische Methoden, die im Prinzip alle gleichermaßen geeignet sind.
Bei der in der 2 gezeigten Abtastung der Oberfläche 19 an einem Messpunkt MP ergibt sich beispielsweise der Wertesatz (0, 0, 0) für die Steuerungsparameter, die den Drehachsen A1, A2 bzw. A3 zugeordnet sind. Die in der 3 gezeigte Konfiguation der Positioniereinrichtung 22 stellt somit gewissermaßen die Nullstellung der Positioniereinrichtung 22 dar. Für die in den 4 und 5 dargestellten Konfigurationen der Positioniereinrichtung 22 ist der Wertesatz (-90°, 180°, 0°) bzw. (0°, -90°, -90°).
In den meisten Fällen muss die gesamte Positioniereinrichtung 22 mit Hilfe der Verfahreinrichtung 20 des Koordinatenmessgeräts 10 zusätzlich translatorisch verfahren werden, damit der Rauheitssensor 44 in die gewüschte Pose überführt werden kann. Hierzu sind entsprechende Werte für Steuerungsparameter zu ermitteln, die den translatorischen Freiheitsgraden der Verfahreinrichtung 20 zugeordnet sind. Um die Darstellung der weiteren Schritte nicht unnötig kompliziert zu machen, werden im Folgenden nur die Steuerungsparameter für die Drehachsen A1, A2, A3 diskutiert; für die Verfahrachsen der Verfahreinrichtung 20 gelten entsprechende Überlegungen.
Falls das Werkstück 18 oder Teile des Koordinatenmessgeräts 10 den direkten Weg des Rauheitssensors 44 zu seiner gewünschten Pose versperren, muss ein Umgehungsweg festgelegt werden, der sicherstellt, dass keine Teile des Koordinatenmessgeräts 10 und der daran befestigten Positioniereinrichtung 22 das Werkstück 18 berühren. Vor allem wenn die zu vermessenden Oberflächen sich in Bohrungen oder tiefen Ausnehmungen des Werkstücks 18 befinden, muss zu jedem Zeitpunkt die Pose aller Teile der Positioniereinrichtung 22 exakt bekannt sein, damit es nicht zu Kollisionen kommt, die einen Abbruch des Messvorgangs nach sich ziehen können. Wenn die Geometrie des Werkstücks 18 nicht so rechnerisch erfasst ist, dass sie den Algorithmen einer inversen Kinematik übergeben werden kann, wird der Verfahrweg am besten durch Simulation bestimmt, was allerdings zeitaufwändig ist und menschliches Zutun erfordert.
Die durch Simulation oder inverse Kinematik bestimmten Werte für die Steuerungsparameter werden sodann einer Regelungseinrichtung zugeführt, die auf der Grundlage dieser Werte Steuersignale berechnet, die ihrerseits den Antrieben M1, M2 und M3 zugeleitet werden. Infolge dieser Ansteuerung der Antriebe M1, M2, M3 werden die Glieder G1, G2, G3 so verschwenkt, dass der Rauheitssensor 44 die gewünschte Pose einnimmt. Ausgehend von dieser Pose des Rauheitssensors 44 kann die Rauheitsmessung beginnen, wie sie oben unter der Ziffer 4 erläutert wurde.
Im Folgenden wird unterstellt, dass nach Abschluss der Messung an dem Werkstück 18 ein anderes, aber gleichartiges, d. h. geometrisch im Wesentlichen identisches Werkstück 18' vermessen werden soll. Dazu wird das bereits vermessene Werkstück 18 gegen ein neues Werkstück 18' ausgetauscht. Im Allgemeinen gelingt es jedoch vor allem bei großen Werkstücken wie etwa Motorblöcken nicht oder nur mit großem Aufwand, das neue Werkstück 18' für die Messung exakt in der Pose auf dem Tisch 16 oder einer nicht dargestellten Halterung anzuordnen, in der sich das bereits vermessende Werkstück 18 befand. Die 6, die einen Auschnitt des Tischs 16 des Koordinatengemäßgeräts 10 zeigt, illustriert in einer übertriebenen Darstellung, wie das neue Werkstück 18' gegenüber dem bereits vermessenen Werkstück 18 translatorisch verlagert und zusätzlich verdreht sein kann. Die tatsächlichen Abweichungen sind typischerweise deutlich kleiner als in der 6 angedeutet und liegen bei Verlagerungen in der Größenordnung weniger Millimeter und bei Verdrehungen in der Größenordnung von wenigen Grad.
Auch die Pose des neuen Werkstücks 18' wird mit Hilfe des Koordinatenmessgeräts 10 in an sich bekannter Weise gemessen. Durch Vergleich der beiden Posen erhält man eine Transformationsmatrix, mit der sich die für das Werkstück 18 bestimmten Posen in neue Posen für das neue Werkstück 18' umrechnen lassen. Für diese neuen Posen wird nun in einem weiteren Schritt durch inverse Kinematik für jede Drehachse A1, A2, A3 ein neuer Wert für den jeweiligen Steuerungsparameter bestimmt, und zwar so, dass der Rauheitssensor 44 die gleiche Pose relativ zu dem neuen Werkstück 18' einnimmt wie zuvor bei dem Werkstück 18.
Auf der Grundlage der neuen Werte für die Steuerungsparameter werden schließlich die Motoren M1, M2, M3 angesteuert, um den Rauheitssensor 44 in die neue Pose zu überführen. Dort kann für das neue Werkstück 18' die Rauheitsmessung beginnen.
Wenn hintereinander bei verschiedenen Werkstücken 18, 18' derselbe Messpunkt MP angefahren, muss die Positioniereinrichtung 22 nur die vergleichsweise kleinen Änderungen der Werkstückpose ausgleichen. Entsprechend gering sind dann die Winkeländerungen bezüglich der Drehachsen A1, A2, A3. In derartigen Fällen können die neuen Werte für die Steuerungsparameter auch mit einer vereinfachten und dadurch besonders schnell durchführbaren inversen Kinematik bestimmt werden, bei der keine Randbedingungen berücksichtigt werden. Unterstellt wird dabei, dass die ursprünglichen Werte für die Steuerungsparameter so gewählt waren, dass auch bei kleineren Abweichungen von diesen Werten Kollisionen vermieden werden. Es ist dann lediglich mithilfe eines Abweichungskriteriums zu prüfen, ob die neuen Werte für die Steuerungsparameter ausreichend nahe an den vorher bestimmten Werten liegen.
Im einfachsten Fall wird für jeden Steuerungsparameter der Absolutwert der Differenz zwischen den neuen und den alten Werten berechnet. Wenn die Summe dieser Absolutwerte kleiner ist als ein vorgegebener Grenzwert, wird davon ausgegangen, dass auch die neuen Werte für die Steuerungsparameter nicht zu einer Kollision führen. Betragen beispielsweise bei der in der 4 gezeigten Konfiguration die alten Werte (-90°, 180°, 0°) und die neuen Werte (-92°, 184°, -3°), so ist die besagte Summe 9°. Wenn der Grenzwert für die Gesamtabweichung 10° beträgt, würde dies bedeuten, dass die Motoren M1, M2, M3 auf der Basis der neuen Werte angesteuert werden können.
Bei einem kleineren Grenzwert von nur 5° hingegen müsste entweder das Werkstück 18' so neu ausgerichtet werden, dass seine Pose nicht so stark von der Pose des zuvor vermessenen Werkstücks 18 abweicht, oder es müsste durch Simulation überprüft werden, ob die eigentlich untolerierbar stark abweichenden Werte für die Steuerungsparameter nicht trotzdem eine kollisionsfreie Anordnung des Rauheitssensors 44 ermöglichen.
In gleicher Weise ist vorzugehen, wenn das Werkstück 18 nicht gegen ein gleichartiges Werkstück 18' ausgetauscht, sondern nur neu ausgerichtet wird, um beispielsweise einen nicht zugänglichen Teil der Oberfläche 19 erreichen zu können. Wenn dabei größere Verlagerungen und/oder Verdrehungen erforderlich sind, ist es im Allgemeinen erforderlich, bei den Algorithmen der inversen Kinematik alle Randbedingungen zu berücksichten, damit Kollisionen zuverlässig vermieden werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2207006 A2 [0009]
DE 202014101900 U1 [0010]
EP 0866390 A1 [0012]
WO 02/054010 A1 [0028]

Claims

Verfahren zur Messung von Koordinaten oder Eigenschaften einer Werkstückoberfläche (19), mit folgenden Schritten: a) Es wird ein Koordinatenmessgerät (10) mit einer daran befestigten Positioniereinrichtung (22) bereitgestellt, die mehrere Freiheitsgrade der Bewegung hat und ein Messinstrument (44) trägt; b) Es wird eine Pose bestimmt, an der sich das Messinstrument (44) während einer an dem Werkstück (18) durchgeführten Messung befinden soll; c) Es wird für jeden Freiheitsgrad der Bewegung ein Wert für einen Steuerungsparameter so bestimmt, dass das Messinstrument (44) die in Schritt b) bestimmte Pose einnimmt; d) Das Messinstrument (44) wird an die in Schritt b) bestimmte Pose bewegt und führt von dort an dem Werkstück (18) eine Messung von Koordinaten oder Eigenschaften einer Oberfläche (19) des Werkstücks (18) aus; e) Die Pose desselben Werkstücks (18) wird verändert, oder es wird das Werkstück gegen ein gleichartiges Werkstück (18') ausgetauscht; f) Es wird für jeden Freiheitsgrad der Bewegung ein neuer Wert für den jeweiligen Steuerungsparameter so bestimmt, dass das Messinstrument (44) die in Schritt b) bestimmte Pose relativ zu demselben beziehungsweise zu dem gleichartigen Werkstück einnimmt, wobei die neuen Werte für die Steuerungsparameter durch inverse Kinematik bestimmt werden; g) Das Messinstrument (44) wird an die in Schritt f) bestimmte Pose bewegt und führt von dort an demselben Werkstück (18) beziehungweise an dem gleichartigen Werkstück (18') eine Messung von Koordinaten oder Eigenschaften einer Oberfläche (19) des Werkstücks (18) aus.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem vor dem Schritt c) die Koordinaten des Werkstücks (18) und vor dem Schritt f) die veränderten Koordinaten desselben Werkstücks (18) beziehungsweise des gleichartigen Werkstücks (18') in einem Koordinatensystem gemessen werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem in Schritt c) die Werte für die Steuerungsparameter durch inverse Kinematik bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in Schritt f) die neuen Werte so bestimmt werden, dass sie und die in Schritt c) bestimmten Werte ein vorgegebenes Abweichungskriterium einhalten.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem in Schritt f) für jeden Freiheitsgrad der Absolutwert der Differenz zwischen dem in Schritt c) bestimmten Wert und dem neuen Wert ermittelt wird, und dass das Abweichungskriterium angibt, dass die Summe der Absolutwerte nicht größer ist als ein vorgegebener Grenzwert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Positioniereinrichtung (22) einen mehrgliedrigen beweglichen Arm (40) aufweist, der mehrere steuerbare Freiheitsgrade der Bewegung hat, denen jeweils ein Antrieb (M1, M2, M3) zugeordnet ist, wobei das Messinstrument (44) unmittelbar oder über einen Messkopf an einem Ende des Arms (40) befestigt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Messinstrument einen taktilen oder optischen Taster oder einen taktilen oder optischen Rauheitssensor (44) umfasst.