DE102018208189B4

DE102018208189B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln der Torsionsfehler einer Maschinenachse

Info

Publication number: DE102018208189B4
Application number: DE102018208189.1A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Neumann; Ulrich Staaden
Original assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2018-05-24
Filing date: 2018-05-24
Publication date: 2021-05-20
Anticipated expiration: 2038-05-25
Also published as: DE102018208189A1

Abstract

Verfahren zum Ermitteln von Torsionsfehlerwerten (zRz) bei einer vorzugsweise als Koordinatenmessgerät ausgebildeten Vorrichtung (10), die wenigstens eine ansteuerbare Maschinenachse (X, Y, Z) umfasst, umfassend:
- Ermitteln von Translationsfehlerwerten (zTy_1,2) für die Maschinenachse (X, Y, Z) basierend auf Messwerten, die auf Basis eines Bewegens der Maschinenachse (X, Y, Z) entlang einer Messstrecke (M) gewonnen wurden;
- Ermitteln von ersten Torsionsfehlerwerten (zRz) für die Maschinenachse (X, Y, Z) basierend auf Messwerten, die entlang einer Kurzmessstrecke (A) gewonnen wurden, wobei die Kurzmessstrecke (A) kürzer als die Messstrecke (M) ist;
- Ermitteln einer Fehlergröße (Δs̃) basierend auf den ersten Torsionsfehlerwerten (zRz);
- Berechnen von zweiten Torsionsfehlerwerten (zRz) für die Maschinenachse (X, Y, Z) auf Basis der Fehlergröße (Δs̃) und der Translationsfehlerwerte (zTy_1,2).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln der Torsionsfehler für eine ansteuerbare Maschinenachse, insbesondere in Bezug auf Koordinatenmessgeräte und/oder auf eine als Koordinatenmessgerät ausgebildete Vorrichtung.
Koordinatenmessgeräte, Werkzeugmaschinen, Maschinenkinematiken oder allgemeine technische Systeme können in an sich bekannter Weise ansteuerbare Maschinenachsen umfassen, um vorbestimmte Bewegungen auszuführen. Hierbei kann es sich z.B. um Translations- oder Rotationsachsen handeln. Die Bewegungen können durch einen der Maschinenachse vorzugsweise individuell zugeordneten Antrieb realisiert werden, der z.B. einen Elektromotor umfassen kann. Dieser kann zum Ausführen gewünschter Bewegungen in an sich bekannter Weise angesteuert werden, beispielsweise mittels einer elektronisch und/oder digital betreibbaren Steuereinrichtung. Die für das Ansteuern verwendeten Steuersignale können die Achse dazu veranlassen, eine gewünschte Bewegung auszuführen und z.B. eine hierfür aufzubringende Antriebsleistung angeben.
Ein Koordinatenmessgerät, mit dem in bekannter Weise Objektkoordinaten bspw. von einem industriell gefertigten Werkstück erfasst werden können, umfasst typischerweise wenigstens drei ansteuerbare Maschinenachsen, die derart angeordnet sind, dass eine hiervon bewegte Messeinrichtung (z.B. ein das Objekt taktil oder berührungslos abtastender Messsensor) an beliebige Positionen in einem kartesischen Koordinatensystem bewegbar ist. Hierfür können die Maschinenachsen selbst entlang der entsprechenden Achsen des Koordinatensystems ausgerichtet sein und/oder jeweils eine Bewegung entlang einer dieser Achsen ermöglichen (d.h. jeweils eine Maschinenachse kann jeweils einer Koordinatenachse zugeordnet sein). In der Folge weist ein Koordinatenmessgerät typischerweise zwei sich in der Horizontale erstreckende sowie rechtwinklig zueinander verlaufende Maschinenachsen auf (typischerweise als X- und Y-Achse bezeichnet). Ferner ist oftmals eine sich vertikal erstreckende Maschinenachse vorgesehen, welche auch als Z-Achse bezeichnet werden kann. Ein entsprechender Aufbau eines Koordinatenmessgeräts ist z.B. in der nachfolgend erläuterten DE 10 2008 024 444 A1 gezeigt.
Es ist ferner bekannt, dass derartige Maschinenachsen sogenannte Führungsfehler aufweisen können. Hierbei handelt es sich z.B. um Translations- oder Rotationsfehler, die bei einem Bewegen entlang der Maschinenachse die eigentlich gewünschte Bewegung überlagern und insbesondere in Bewegungskomponenten resultieren, die entlang oder um von der Maschinenachse abweichenden Koordinatenachsen vorliegen (d.h. in von einer Soll-Bewegungsrichtung der Maschinenachse abweichenden Richtungen vorliegen). Zusätzlich können beim Bewegen entlang einer Maschinenachse auch Torsionsfehler auftreten, welche eine Verdrehung der Maschinenachse um sich selbst bzw. um ihre eigene Längsachse betreffen.
Derartige Führungsfehler können verschiedene Ursachen haben und z.B. aus Fertigungsungenauigkeiten der Führungen, der Maßstäbe und/oder der Lager einer Maschinenachse resultieren. Nachstehend sind die bei einem Bewegen einer mit Z bezeichneten Maschinenachse möglichen Führungsfehler aufgelistet. Die Z-Maschinenachse (bzw. ihre Bewegungsachse) erstreckt sich dabei entlang (bzw. parallel zu) der z-Achse eines kartesischen Koordinatensystems, welches ferner eine y- und eine x-Achse umfasst. Die möglichen Führungsfehler, die bei einem Bewegen der Z-Maschinenachse entlang der z-Koordinatenachse auftreten, lauten wie folgt:

- Ein Positionsfehler zTz(z_i) betrifft die Verschiebung der Maschinenachse Z in Richtung der z-Achse am Ort z_i;
- Ein Translationsfehler zTy(z_i) betrifft die Verschiebung der Maschinenachse Z in Richtung der y-Achse am Ort z_i;
- Ein Translationsfehler zTx(z_i) betrifft die Verschiebung der Maschinenachse Z in Richtung der x- Achse am Ort z_i;
- Ein Torsionsfehler zRz(z_i) betrifft die Verdrehung der Maschinenachse Z um die z-Achse am Ort z_i;
- Ein Rotationsfehler zRy(z_i) betrifft die Verdrehung der Maschinenachse Z um die y-Achse am Ort z_i;
- Ein Rotationsfehler zRx(z_i) betrifft die Verdrehung der Maschinenachse Z um die x-Achse am Ort z_i.

Die Orte z_i erstrecken sich dabei über die gesamte von der Z-Maschinenachse abfahrbare Bewegungsstrecke, welche auch einer nachstehend erläuterten Messstrecke entspricht.
Es versteht sich, dass die Nomenklatur in analoger Weise auch auf eine sich entlang (bzw. parallel zu) der x-Achse erstreckenden X-Maschinenachse und eine sich entlang (bzw. parallel zu) der y-Achse erstreckenden Y-Maschinenachse übertragen werden kann. Es würde statt z_i dann jeweils ein Ort x_i bzw. y_i betrachtet werden. Ferner betrifft der Torsionsfehler dann jeweils eine Verdrehung der Y, X- Maschinenachse um die hierzu parallelen Koordinatenachsen oder, mit anderen Worten, um sich selbst. Rotationsfehler liegen jeweils um die verbleibenden Koordinatenachsen vor. Dem Fachmann ist die entsprechende Nomenklatur geläufig, weshalb von einer vollständigen Wiedergabe aller 18 möglicher Führungsfehler um sämtliche drei X, Y, Z- Maschinenachsen an dieser Stelle abgesehen wird.
Es ist ferner bekannt, derartige Führungsfehler in Form konkreter Führungsfehlerwerte an den einzelnen x_i, y_i und z_i-Positionen zu erfassen und in einer Maschinensteuerung zu hinterlegen. Die Führungsfehler können verwendet werden, um Positionswerte und/oder Steuersignale der Maschinenachse(n) im Sinne von Kalibrierwerten rechnerisch zu korrigieren. Werden beispielsweise Positionswerte der Maschinenachse(n) verwendet, um daraus Messwerte abzuleiten, wie dies z.B. bei einem Koordinatenmessgerät üblich ist, können die vorab ermittelten Führungsfehlerwerte verwendet werden, um die Messwerte entsprechend zu bereinigen (d.h. die Führungsfehler aus den ermittelten Werten herauszurechnen). Weitere Hintergründe zum Ermitteln von Führungsfehlern und einem darauf basierten Kalibrieren von Koordinatenmessgeräten finden sich in der DE 10 2008 024 444 A1 und der DE 44 21 302 C1 .
Die Erfindung betrifft speziell Möglichkeiten zum Bestimmen derartiger Führungsfehler. Diese können dann anschließend in an sich bekannter Weise für ein Kalibrieren der Maschinenachse und/oder einer Vorrichtung umfassend mehrere Maschinenachsen verwendet werden. Für das Bestimmen von Führungsfehlern sind verschiedene Ansätze aus dem Stand der Technik bekannt.
In der DE 10 2008 024 444 A1 wird z.B. eine Lösung offenbart, bei der eine Abtastvorrichtung entlang eines Referenzkörpers bewegt wird, um darauf basierend Führungsfehlerwerte zu ermitteln (dort als Achsfehlerwerte bezeichnet). Da der Referenzkörper vorab mit einem kalibrierten Koordinatenmessgerät vermessen und hierfür Körperfehlerwerte ermittelt werden, können auch Imperfektionen des Referenzkörpers berücksichtigt werden. Anders ausgedrückt können um Imperfektionen des Referenzkörpers bereinigte Führungsfehlerwerte ermittelt werden.
Ein Nachteil dieser Lösung besteht darin, dass der Referenzkörper insbesondere für Torsionsfehlermessungen mindestens so lang wie eine Messstrecke sein muss, entlang derer Achsfehlerwerte bestimmt werden sollen (d.h. der Referenzkörper muss in der Regel so lang wie eine maximale Bewegungsstrecke einer einzelnen Maschinenachse sein). Die Länge und das Gewicht eines solchen Referenzkörpers fallen daher entsprechend hoch aus. Soll ein Koordinatenmessgerät nach bereits erfolgter Auslieferung an den Kunden kalibriert werden, muss der Kunde entweder über einen eigenen entsprechend großen und daher kostspieligen Referenzkörper verfügen oder der Referenzkörper muss mit einem entsprechend hohen Transportaufwand bedarfsweise an den Kunden geliefert werden.
Die DE 44 21 302 C1 betrifft hingegen das optische Erfassen von Führungsfehlerwerten mittels eines Laserinterferometers. In diesem Fall werden in an sich bekannter Weise Laserstrahlen auf ein gemeinsam mit der Achse bewegten Reflektor gerichtet, um einen rückreflektierten Strahlungsanteil zu erhalten. Ein aus dem ursprünglich ausgesendeten Laserstrahl ausgekoppelter Strahlungsanteil und der rückreflektierte Strahlungsanteil können dann überlagert werden, um Laufzeitunterschiede hierzwischen zu ermitteln und darauf basierend z.B. Abstandswerte zu berechnen. Derartige Laserinterferometer zeichnen sich jedoch oftmals durch den Nachteil aus, dass sie einen hohen Einrichtungsaufwand erfordern. Zum Ermitteln genauer Messwerte ist nämlich typischerweise eine besonders präzise Strahlausrichtung erforderlich, was entsprechend zeitintensiv ist und Erfahrung erfordert.
Weitere Hintergründe zum Ermitteln von Führungsfehlern mittels Laserinterferometern finden sich auch in der DE 33 34 460 A1 .
Ferner ist aus der DE 37 81 674 T2 ein Positionsbestimmungsverfahren innerhalb eines Messraums eines Koordinatenmessgeräts bekannt. Dabei werden Geometriefehler des Koordinatenmessgeräts ermittelt und Fehlerdaten zum Kompensieren dieser Geometriefehler für den Verfahrweg einer jeden Achse gespeichert. Zum Einsatz kommt dabei ein spezieller Messkörper.
Die DE 198 30 646 A1 offenbart ein Verfahren zur Korrektur von geometrischen Ablauffehlern einer Koordinatenmessmaschine, bei dem mit einer Messeinrichtung eine Aufnahme der Ablauffehler wenigstens einer Achse über das gesamte Messvolumen mit einem Stützstellenraster erfolgt, und bei dem zusätzlich eine Aufnahme der Ablauffehler wenigstens einer Achse in wenigstens einem Teilvolumen des gesamten Messvolumens mit einer erhöhten Stützstellendichte durchgeführt wird, wobei die Messeinrichtung wenigstens annähernd an einer virtuellen Nullmarke wenigstens einer Achse des Teilvolumens angeordnet wird und anschließend die Aufnahme der Ablauffehler in dem Teilvolumen durchgeführt wird.
In der Praxis werden zum Ermitteln von Torsionsfehlern, die nicht direkt mit Lasern erfassbar sind, oft auch teure Neigungswagen verwendet. Diese erfordern ebenfalls einen gewissen Einrichtungsaufwand bei einem Anbringen an einer Maschinenachse. Für vertikale Maschinenachsen, bei denen derartige Neigungswagen nicht verwendbar sind, müssen Torsionsfehler auf andere Weise ermittelt werden. In diesem Fall kann z.B. wieder auf das Vermessen entlang eines entsprechend lang auszubildenden Referenzkörpers zurückgegriffen werden, wie in der DE 10 2008 024 444 A1 erläutert.
Zusammengefasst besitzen die bisherigen Ansätze jeweils Nachteile in Form kostspieliger und/oder aufwendig einzustellender Messaufbauten, insbesondere wenn Torsionsfehler um eine Maschinenachse bestimmt werden sollen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine präzise Ermittlung von Torsionsfehlern einer Maschinenachse mit einem vertretbaren Kosten- und Einrichtungsaufwand zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß den beigefügten unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Ferner versteht es sich, dass die in der einleitenden Beschreibung erwähnten Merkmale einzeln oder in beliebiger Kombination auch bei der vorliegend offenbarten Lösung vorgesehen sein können, sofern nicht anders angegeben oder ersichtlich.
Die Erfindung ermöglicht, den Torsionsfehler für eine Achse zu berechnen, ohne hierfür Torsionsfehler-Messwerte entlang der gesamten Maschinenachse (d.h. entlang einer gesamten Mess- bzw. Bewegungsstrecke dieser Maschinenachse) erfassen zu müssen. Stattdessen kann eine Fehlergröße ermittelt werden, die anhand des Vermessens entlang einer vergleichsweise kurzen Strecke (im Folgenden Kurzmessstrecke) bestimmt wird, und die Torsionsfehlerwerte können darauf basierend entlang vorzugsweise der gesamten Messstrecke berechnet werden, ohne aber notwendigerweise entlang dieser gesamten Messstrecke gemessen zu werden.
Das Ermitteln der Fehlergröße kann z.B. dazu beitragen, den Einrichtungsaufwand zu reduzieren, da diese nicht durch aufwendige und vor allem zeitintensive manuelle Einstellungen eliminiert werden muss. Stattdessen kann sie ermittelt und daher rechnerisch berücksichtigt werden. Gleichzeitig erfolgt dies jedoch entlang einer vergleichsweise kurzen Kurzmessstrecke, die insbesondere kürzer als eine insgesamt für die Maschinenachse betrachtete Messstrecke (und/oder maximale Bewegungsstrecke der Maschinenachse) sein kann. Wird hierfür ein Referenzkörper verwendet, kann dieser ebenfalls entsprechend kurz und somit auch leichter ausfallen, wodurch die mit dem Verwenden eines Referenzkörpers einhergehende Kosten und/oder ein hiermit verbundener Transportaufwand ebenfalls reduziert werden können. Werden die Messwerte entlang der Kurzmessstrecke auf andere Weise gewonnen (zum Beispiel per optischen Messungen) muss die verwendete Messvorrichtung nur entlang einer entsprechend kurzen Strecke eingerichtet und/oder kalibriert werden, was den erforderlichen Aufwand reduziert. Da aber dennoch die erwähnte Fehlergröße berücksichtigt wird, ist eine ausreichende Präzision der ermittelten Führungsfehlerwerte gewährleistet. Weiter kann durch das lediglich kurze sowie aufwandsarme Vermessen und anschließende Berechnen der Torsionsfehlerwerte ermöglicht werden, dass auf insbesondere für das Messen an vertikalen Achsen bisher durchgeführte umständliche Torsionsmessverfahren verzichtet werden kann. An horizontalen Achsen können hingegen bisher benötigte Referenzgeräte wie zum Beispiel teure Neigungswaagen entfallen.
Im Detail wird ein Verfahren zum Ermitteln von Torsionsfehlerwerten bei einer vorzugsweise als Koordinatenmessgerät ausgebildeten Vorrichtung vorgeschlagen, die wenigstens eine ansteuerbare Maschinenachse umfasst, umfassend:

- Ermitteln von Translationsfehlerwerten für die Maschinenachse basierend auf Messwerten, die durch (oder, mit anderen Worten, auf Basis von oder bei) ein(em) Bewegen der Maschinenachse entlang einer Messtrecke gewonnen wurden;
- Ermitteln von ersten (per Messung ermittelten) Torsionsfehlerwerten für die Maschinenachse basierend auf Messwerten, die entlang einer Kurzmessstrecke gewonnen wurden, wobei die Kurzmessstrecke kürzer als die Messstrecke ist;
- Ermitteln einer Fehlergröße basierend auf den ersten Torsionsfehlerwerten;
- Berechnen von zweiten (per Rechnung ermittelten) Torsionsfehlerwerten für die Maschinenachse auf Basis der Fehlergröße und der Translationsfehlerwerte.

Wie geschildert, kann die Vorrichtung eine Mehrzahl von ansteuerbaren Maschinenachsen umfassen, insbesondere drei Maschinenachsen, die Bewegungen entlang sämtlicher Achsen eines kartesischen Koordinatensystems ermöglichen und insbesondere entlang jeweils einer Achse eines solchen Koordinatensystems ausgerichtet sind. Insbesondere können zwei der Maschinenachsen sich in der Horizontalen erstrecken und eine vertikal hierzu. Sofern die Vorrichtung als Koordinatenmessgerät ausgebildet ist, kann diese gemäß jeglicher Bauart realisiert sein, z.B. gemäß einer sogenannten Portalbauweise oder als Horizontalarmmessgerät.
Das Ermitteln der Translations- und Torsionsfehler für die Maschinenachse kann derart verstanden werden, dass bei einem Bewegen entlang der Maschinenachse und/oder in verschiedenen Positionen entlang dieser Maschinenachse entsprechende Fehlerwerte ermittelt werden. Insbesondere können die Fehlerwerte basierend auf an den verschiedenen Positionen entlang der Maschinenachse ermittelten Messwerten bestimmt werden. Allgemein können die Translationsfehlerwerte Verschiebungen der betrachteten Maschinenachse entlang einer hiervon abweichenden Koordinatenachse (und/oder weiteren Maschinenachse) betreffen. Bevorzugt betreffen die Translationsfehlerwerte dabei Verschiebungen der betrachteten Maschinenachse entlang (bzw. in Richtung) einer gemeinsamen Koordinatenachse, wobei diese Koordinatenachse vorzugsweise in einem Winkel zu der betrachteten Maschinenachse verläuft. Im Folgenden Bezug nehmend auf die einleitend aufgelistete Nomenklatur können als Translationsfehlerwerte, um einen Torsionsfehler entlang z.B. einer Z-Maschinenachse zu ermitteln, zTy(z_i)-Werte oder aber zTx(z_i)-Werte betrachtet werden. Sämtliche der vorstehenden oder nachstehenden Ausführungen bezüglich der Z-Maschinenachse gelten sinngemäß auch für die X- und Y-Maschinenachse.
Die Messstrecke kann durch entsprechendes Ansteuern oder Antreiben der Maschinenachse abgefahren werden und vorzugsweise ohne zusätzliches Ansteuern und/oder Antreiben weiterer Maschinenachsen. Die Messstrecke kann der maximalen Bewegungsstrecke der Maschinenachse entsprechen oder wenigstens einen Teil dieser Bewegungsstrecke einnehmen.
Die Messwerte können in an sich bekannter Weise auf Basis der einleitend geschilderten Laserinterferometrie ermittelt werden. Hierfür kann eine Laser Interferometer Anordnung vorgesehen und z.B. von der nachstehend geschilderten Vorrichtung umfasst sein (und/oder bedarfsweise darin anordenbar sein). Die Laser Interferometer Anordnung kann eine Strahlquelle umfassen, die z.B. im Messvolumen der Vorrichtung positioniert oder positionierbar sein kann (vorzugsweise ortsfest). Ferner kann die Laser Interferometer Anordnung wenigstens eine hiervon bestrahlte optische Einheit umfassen, die vorzugsweise gemeinsam mit der Maschinenachse bewegbar ist. Die optische Einheit kann z.B. an einer Pinole des Koordinatenmessgeräts angeordnet sein und/oder wenigstens einen Reflektor umfassen oder als ein solcher realisiert sein. Allgemein kann die optische Einheit dazu eingerichtet sein, die eintreffende Strahlung zu reflektieren, insbesondere in Richtung einer Strahlauswertungseinheit, die z.B. wenigstens einen Interferometerkopf und/oder wenigstens eine Prisma-Einheit (z.B. mit einem Wollaston-Prisma) umfassen kann.
Die Translationsfehlerwerte können im Wesentlichen gleichzeitig und/oder im Rahmen eines gemeinsamen Bewegungsvorgangs entlang der Maschinenachse erfasst werden. Die Translationsfehlerwerte können jeweils basierend auf Messwerten ermittelt werden, die von unterschiedlichen Messeinrichtungen (z.B. unterschiedlichen Photodetektoren oder Interferometer Köpfen) erfasst werden. Beispielsweise können für die nachfolgend erläuterten ersten Translationsfehlerwerte erste Messwerte und für die nachfolgend erläuterten zweiten Translationsfehlerwerte zweite Messwerte erfasst und betrachtet werden. Gemäß einer Variante werden Messwerte zum Ermitteln der ersten Translationsfehlerwerte mit Hilfe einer ersten optischen Einheit erzeugt und/oder erfasst und Messwerte zum Ermitteln der zweiten Translationsfehlerwerte mit Hilfe einer zweiten optischen Einheit erzeugt und/oder erfasst. Die erste und zweite optische Einheit befinden sich dabei vorzugsweise in unterschiedlichen Positionen. Es kann auch eine optische Einheit mit z.B. zwei Reflektoren an entsprechend unterschiedlichen Positionen vorgesehen sein. Die unterschiedlichen Positionen können sich auf eine von der betrachteten Maschinenachse abweichende Koordinatenachse und/oder Maschinenachse beziehen bzw. entlang dieser angeordnet sein. Dabei kann es sich insbesondere um die verbleibende Koordinatenachse und/oder Maschinenachse handeln, auf welche sich die Translationsfehlerwerte nicht beziehen (d.h. diejenige Achse, für die weder die Verschiebung bzw. der Führungsfehler betrachtet wird, noch die Richtung, in der diese Verschiebung stattfindet). Die unterschiedlichen Positionen können bezogen auf die betrachtete Maschinenachse somit auch als Quer-Positionen bezeichnet werden. Werden z.B. Translationsfehlerwerte zTy(z_i) betrachtet, können die unterschiedlichen Positionen entlang der x-Achse angeordnet sein.
Prinzipiell können die unterschiedlichen Positionen zum Erfassen der Messwerte auch dadurch bereitgestellt werden, dass lediglich eine Messeinheit und/oder optische Einheit (z.B. umfassend lediglich einen Reflektor) verwendet wird, diese aber für das Erfassen der einzelnen Messwerte in entsprechend unterschiedliche Positionen bewegt oder in diesen neu montiert wird.
Die per Messung ermittelten Translationsfehlerwerte können neben einem auf den eigentlich gesuchten Führungsfehler zurückgehenden Anteil auch anderweitige Translationsfehleranteile umfassen, die z.B. aus Messungenauigkeiten und/oder dem allgemeinen Messaufbau resultieren können. Wie nachstehend noch näher erläutert, kann gemäß bestimmter Ausführungsformen davon ausgegangen werden (d.h. kann im Rahmen des Verfahrens und insbesondere zum Ermitteln und/oder Berechnen der gesuchten Werte die Annahme getroffen werden), dass die ermittelten Translationsfehlerwerte mehrere voneinander unterschiedliche Translationsfehleranteile umfassen können, von denen wenigstens einer z.B. auf Messungenauigkeiten und/oder den Messaufbau zurückzuführen sein kann. Zusätzlich kann aber die Annahme getroffen werden, dass die Translationsfehlerwerte (z.B. wenn diese erste und Translationsfehlerwerte umfassen) auch wenigstens einen identischen bzw. gleichen Translationsfehleranteil umfassen, welcher z.B. den eigentlichen Translations-Führungsfehler betrifft, der unabhängig von dem verwendeten Messverfahren ist.
Ein möglicher den Messaufbau betreffender Translationsfehleranteil kann sich daraus ergeben, dass die Messwerte in einer von der betrachteten Maschinenachse beabstandeten Position zumindest mittelbar erzeugt und/oder erfasst werden, beispielsweise da sich dort eine optische Einheit der vorstehend erläuterten Art befindet. Im Zusammenspiel mit einer Torsion um die betrachtete Maschinenachse können Messeinheiten zum Erfassen der Messwerte in derartigen beabstandeten Positionen in einer orthogonal zu der Maschinenachse verlaufenden Ebene verkippt und/oder verschwenkt werden, was in entsprechenden Translationsfehleranteilen resultiert (s.a. folgende 3). Weitere mögliche Translationsfehleranteile werden nachstehend noch näher erläutert.
Bei den ersten Torsionsfehlerwerten kann es sich im Gegensatz zu den zweiten Torsionsfehlerwerten um messtechnisch oder zumindest mittelbar auf Basis eines tatsächlichen Vermessungsvorgangs ermittelte Werte handeln. Anders ausgedrückt können die ersten Torsionsfehlerwerte das zumindest mittelbare Resultat einer Vermessung und insbesondere Abtastung eines Referenzkörpers darstellen, wohingegen die zweiten Torsionsfehlerwerte das vorzugsweise unmittelbare Resultat einer nachstehend erläuterten Berechnung darstellen können. Das Abtasten kann taktil (z.B. mittels eines Messfühlers) oder berührungslos (z.B. mittels optischer oder kapazitiver Sensoren) erfolgen. Die Kurzmessstrecke kann sich entlang der Messstrecke erstrecken oder, anders ausgedrückt, mit einem Abschnitt hiervon zusammenfallen (d.h. die Kurzmessstrecke liegt innerhalb der Messstrecke). Folglich kann sich die Kurzmessstrecke wiederum entlang der Maschinenachse und/oder einer Bewegungsachse hiervon erstrecken.
Die Messwerte entlang der Kurzmessstrecke können prinzipiell mittels eines beliebigen Messverfahrens gewonnen werden z.B. mittels optischer Messungen.
Eine Weiterbildung des Verfahrens und der Vorrichtung sieht vor, dass sich die Kurzmessstrecke entlang eines Referenzkörpers erstreckt und die Messwerte durch Abtasten des Referenzkörpers gewonnen wurden. Das Abtasten kann z.B. taktil, kapazitiv oder optisch erfolgen.
Der Referenzkörper kann (zumindest in einer Dimension) im Wesentlichen dieselbe Länge wie die Kurzmessstrecke und vorzugsweise keine wesentliche größere Abmessung als die Kurzmessstrecke aufweisen. Beispielsweise kann eine der Kurzmessstrecke im Wesentlichen entsprechende Länge des Referenzkörpers größer als dessen Höhe und/oder Breite sein. Der Referenzkörper weist vorzugsweise wenigstens eine plane Fläche auf, entlang derer sich die die Kurzmessstrecke erstreckt. Alternativ kann der Referenzkörper eine Doppelreihe (d. h. sich parallel zueinander erstreckende Reihen) von vorbestimmten geometrischen Elementen mit bekannten (d. h. kalibrierten) Positionen umfassen. Bei den Elementen kann es sich zum Beispiel um Kugeln, Zylinder oder Bohrungen handeln.
Die Kurzmessstrecke, welche einer Länge des Referenzkörpers entsprechen kann, umfasst vorzugsweise nur einen Teil einer maximal möglichen Bewegungsstrecke (im Folgenden auch maximale Bewegungsstrecke) der Maschinenachse. In einer Variante ist die Kurzmessstrecke kürzer als 1 m und vorzugsweise kürzer als 0,5 m (z.B. 30 cm). Die maximale Bewegungsstrecke kann hingegen wenigstens 1,5 m, wenigstens 2 m oder auch bis zu 2,5 m betragen oder eine beliebige Länge aufweisen, welche größer als diejenige der Kurzmessstrecke ist.
Als Referenzkörper kommen beispielsweise eine Kugelplatte, eine Planfläche oder ein Block (z.B. Granitblock) bzw. Quader in Betracht. Hintergründe zum Ermitteln von Abtastwerten mit Hilfe eines Referenzkörpers finden sich in der vorstehend erläuterten DE 10 2008 024 444 A1 .
Allgemein kann das Abtasten des Referenzkörpers im Anschluss (oder auch vorab) zu dem vorzugsweise optischen Ermitteln der Translationsfehlerwerte erfolgen. Je nach konkreter Ausgestaltung der Vorrichtung kann der Referenzkörper dabei auch beim Ermitteln der Translationsfehlerwerte (bzw. Erfassen der hierfür benötigten Messwerte) an oder in der Vorrichtung verbleiben, sodass sämtliche Messwerte prinzipiell ohne zusätzliche Umrüst- oder Einrichtungsmaßnahmen erfasst werden können.
Die Fehlergröße kann wenigstens einen, vorzugsweise aber wenigstens zwei, Translationsfehleranteile umfassen (oder, mit anderen Worten, von diesen gebildet werden). Insbesondere kann die Fehlergröße Translationsfehleranteile umfassen, welche auf messtechnisch bedingte Ungenauigkeiten zurückzuführen sind und/oder nicht aufgrund eigentlicher Führungsfehler der betrachteten Maschinenachse erzeugt werden. Allgemein kann es sich bei Translationsfehleranteilen um Fehleranteile handeln, die beim Einrichten eines Messsystems beispielsweise durch Vornehmen präziser Einstellungen und/oder durch das Verwenden weiterer (z.B. benachbarter) Maschinenachsen mit idealen Eigenschaften vermeidbar wären. Im Rahmen des Verfahrens ist jedoch allgemein vorgesehen, derartige Fehleranteile nicht durch möglichst umfassende und präzise Einrichtung des Messsystems und/oder der Vorrichtung zu vermeiden (was prinzipiell aber ebenso als zusätzliche Maßnahme vorgesehen sein kann), sondern die Fehlergröße z.B. rechnerisch zu ermitteln oder zumindest anzunähern, um diese rechnerisch kompensieren und/oder berücksichtigen zu können.
Dies kann insbesondere in der Weise erfolgen, dass die Fehlergröße zum Berechnen der zweiten Torsionsfehlerwerte herangezogen wird. Wie geschildert, können die zweiten Torsionsfehlerwerte rechnerisch und insbesondere ausschließlich rechnerisch ermittelt werden. Anders ausgedrückt können hierfür lediglich Werte herangezogen werden, die auf Basis bereits abgeschlossener Vermessungen ermittelt wurden und vorliegen, nicht aber zusätzliche Messwerte, die erst noch erfasst werden müssten (bspw. mittels gesonderter Achsbewegungen). Die zweiten Torsionsfehlerwerte können zusätzlich auf Basis der ersten Translationsfehlerwerte und/oder der zweiten Translationsfehlerwerte ermittelt und insbesondere berechnet werden. Die Fehlergröße (und/oder die Translationsfehlerwerte) können z.B. als Parameterwerte in einer zum Ermitteln der zweiten Torsionsfehlerwerte verwendeten Gleichung eingesetzt werden.
Wie nachstehend erläutert, können die Translationsfehlerwerte aber auch weitere Translationsfehleranteile und insbesondere von der Fehlergröße unabhängige Translationsfehleranteile umfassen, insbesondere solche, die auf tatsächliche Führungsfehler der betrachteten Maschinenachse zurückzuführen sind.
Eine Weiterbildung des Verfahrens und der Vorrichtung sieht vor, dass die zweiten Torsionsfehlerwerte für einen Bereich berechnet werden, der außerhalb der Kurzmessstrecke liegt. Bei dem Bereich kann es sich zum Beispiel um einen Streckenteil der Messstrecke handeln (oder auch um die gesamte Messstrecke), entlang derer die Translationsfehlerwerte erfasst wurden. Während die ersten Torsionsfehlerwerte lediglich anhand von Messwerten entlang der Kurzmessstrecke ermittelt wurden, wird hierdurch das Ermitteln von Torsionsfehlerwerten auch außerhalb der Kurzmessstrecke ermöglicht.
Insbesondere kann vorgesehen sein, zweite Torsionsfehlerwerte entlang der gesamten Messstrecke zu berechnen (d. h. die Torsionsfehlerwerte innerhalb der gesamten Messstrecke zu ermitteln) oder aber wenigstens entlang der Hälfte oder wenigstens zwei Dritteln der Länge der Messstrecke entlang derer auch die Translationsfehlerwerte erfasst wurden. Hierfür kann z.B. die Annahme getroffen werden, dass die mit Bezug auf die Kurzmessstrecke ermittelte Fehlergröße im Wesentlichen auch außerhalb der Kurzmessstrecke vorliegt und/oder gültig ist (oder, mit anderen Worten, entlang der Messstrecke konstant ist). Dies rechtfertigt ein Verwenden bzw. Berücksichtigen der Fehlergröße zum Berechnen von Torsionsfehlerwerten auch außerhalb der Kurzmessstrecke. Die weiteren zum Berechnen von Torsionsfehlerwerten verwendeten Größen z.B. in Form der (ersten und zweiten) Translationsfehlerwerte können durch das Erfassen entsprechender Messwerte entlang der Messstrecke ohnehin bereits außerhalb der Kurzmessstrecke vorliegen.
Bei einer weiteren Variante des Verfahrens und der Vorrichtung umfassen die Translationsfehlerwerte erste und zweite Translationsfehlerwerte für die Maschinenachse, die jeweils basierend auf Messwerten ermittelt werden, die auf Basis eines Bewegens der Maschinenachse entlang der Messtrecke gewonnen wurden (z.B. erste Messwerte zum Ermitteln der ersten Translationsfehlerwerte und zweite Messwerte zum Ermitteln der zweiten Translationsfehlerwerte).
Bevorzugt wird dabei, dass die ersten und zweiten Translationsfehlerwerte auf Basis von Messwerten ermittelt werden, die in zu der Maschinenachse beabstandeten Messpositionen ermittelt werden, z.B. erste Messwerte (für erste Translationsfehlerwerte) in ersten Messpositionen und zweite Messwerte (für zweite Translationsfehlerwerte) in zweiten Messpositionen, wobei die ersten und zweiten Messpositionen voneinander verschieden sind). Anders ausgedrückt können sich die Messwerte auf zu der Maschinenachse (und insbesondere zu einer Längsachse, zentralen Mittellinie und/oder Bewegungsachse der Maschinenachse) beabstandete Position beziehen und/oder die Messpositionen können in einem Abstand zu bzw. neben der Maschinenachse liegen. Folglich können die Messpositionen als auch Quer-Positionen bezogen auf die betrachtete Maschinenachse bezeichnet werden. Insbesondere können die Messwerte in diesen Positionen zumindest mittelbar erfasst und/oder erzeugt werden. Dies kann zum Beispiel dadurch erfolgen, dass in den entsprechenden Positionen optische Einheiten und insbesondere Reflektoren zum Wechselwirken mit einem optischen Messstrahl angeordnet sind. Achsen, entlang derer die entsprechend beabstandeten Positionen vorliegen und/oder angeordnet sein können, können zum Beispiel in Form von sich in einem Winkel zu der Maschinenachse erstreckenden Koordinatenachsen und/oder Längs- bzw. Bewegungsachsen weiterer Maschinenachsen vorliegen. Vorzugsweise beziehen sich die ersten und zweiten Translationsfehlerwerte auf voneinander unterschiedliche Positionen z.B. entlang einer solchen Achse.
Zusammengefasst können die ersten Translationsfehlerwerte und die zweiten Translationsfehlerwerte somit in voneinander unterschiedlichen Quer-Positionen bezogen auf eine betrachtete Maschinenachse ermittelt werden. Allgemein können die ersten und zweiten Translationsfehlerwerte jeweils in mehreren Messpositionen erfasst werden, wobei für jede Messposition der ersten Translationsfehlerwerte eine Messposition der zweiten Translationsfehlerwerte mit zwei identischen und einem unterschiedlichen Koordinatenwert existiert. Der unterschiedliche Koordinatenwert liegt dabei vorzugsweise entlang einer sich in einem Winkel zu der betrachteten Maschinenachse erstreckenden Koordinatenachse vor (z.B. unterschiedliche x-Koordinaten beim Betrachten der Z-Maschinenachse).
In einer weiteren Ausführungsform von Vorrichtung und Verfahren ist die Maschinenachse eine sich in einem Winkel zur Horizontalen (d. h. Horizontale in einem Raumkoordinatensystem) erstreckende Maschinenachse. Insbesondere kann sich die Maschinenachse entlang einer Vertikalen erstrecken und/oder entlang einer Achse, die parallel zur Richtung der Gravitationskraft und vorzugsweise entgegengesetzt hierzu orientiert ist. Die Maschinenachse kann auch als Z-Achse bezeichnet werden, wohingegen sich in der Horizontalen erstreckende Koordinaten- und/oder Maschinenachsen als x- und y-Achsen (bzw. X- und Y-Maschinenachsen) bezeichnet werden können. Wie geschildert, wird bei derartigen vertikalen Achsen zur Bestimmung von Torsionsfehlern oftmals auf vergleichsweise umfangreiche Zusatzmessungen zurückgegriffen, die z.B. Referenzkörper erfordern, welche sich entlang einer gesamten maximalen Bewegungsstrecke der Maschinenachse erstrecken. Mit dem hierin vorgestellten Verfahren ist es hingegen möglich, den Messaufwand durch Verwenden vergleichsweise kurzer Referenzkörper zu reduzieren. Allgemein versteht es sich aber, dass das Verfahren auch dann Vorteile bietet, wenn nicht-vertikale Maschinenachsen und insbesondere horizontale Maschinenachsen betrachtet werden. In diesem Fall ist es mit bisherigen Lösungen zum Ermitteln von Torsionsfehlerwerten oftmals erforderlich, vergleichsweise teure Neigungswagen zu verwenden. Mit dem geschilderten Verfahren kann auf derartige Neigungswagen verzichtet und stattdessen auf vergleichsweise kurze Referenzkörper zurückgegriffen werden.
Gemäß einer Weiterbildung von Vorrichtung und Verfahren werden die (z.B. ersten und/oder zweiten) Translationsfehlerwerte basierend auf mittels wenigstens einer optischen Messeinrichtung erfassten Messwerten bestimmt. Die optische Messeinrichtung kann die Messwerte auf Basis von Laserstrahlung und/oder Laserinterferometrie erfassen. Insbesondere kann es sich bei der Messeinrichtung um eine vorstehend geschilderte Laser Interferometer Anordnung handeln. Dies bietet den Vorteil, dass zumindest die Translationsfehlerwerte mittels eines vergleichsweise genauen optischen Messverfahrens ermittelt und ohne Zuhilfenahme speziell hierfür vorzusehender (und/oder anzufertigender) Referenzkörper bestimmt werden können.
Die Fehlergröße kann allgemein Translationsfehleranteile bezogen auf sowohl die ersten und auch die zweiten Translationsfehlerwerte umfassen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Fehlergröße für wenigstens einen der hierin geschilderten Translationsfehleranteile (d.h. für eine Art von Translationsfehleranteil) sowohl einen sich auf die ersten als auch einen sich auf die zweiten Translationsfehlerwerte beziehenden Translationsfehleranteil umfasst, sofern entsprechende erste und zweite Translationsfehlerwerte vorhanden sind. Ein Beispiel findet sich in der nachstehenden Gleichung (5).
Wie geschildert, kann die Fehlergröße wenigstens einen Translationsfehleranteil umfassen, der nicht auf einen eigentlichen Führungsfehler der Maschinenachse zurückzuführen ist. Ein Beispiel für einen Translationsfehleranteil, der maßgeblich auf das verwendete Messverfahren und/oder den verwendeten Messaufbau zurückzuführen ist, ist ein erster von der Fehlergröße optional umfasster Translationsfehleranteil, der aus einem nicht-idealen Verlauf eines optischen Messstrahls resultiert. Dieser kann auch als ein optischer Translationsfehleranteil bezeichnet werden. Bei dem optischen Messstrahl kann es sich um einen Laserstrahl handeln, der zum Erfassen und/oder Erzeugen der Messwerte und insbesondere der Translationsfehlerwerte verwendet wird. Insbesondere kann es sich um einen in Richtung einer gemeinsam mit der Maschinenachse bewegten optischen Einheit (z.B. einem Reflektor) ausgesendeten und vorzugsweise noch nicht rückreflektierten Messstrahl bzw. Strahlungsanteil handeln. Der ideale Verlauf des optischen Messstrahls kann allgemein einen sich parallel zu der Maschinenachse und/oder Messstrecke erstreckenden Verlauf betreffen, wobei auch ein rückreflektierter und zum Ermitteln der Translationsfehleranteile verwendeter Strahlungsanteil vorzugsweise parallel zu der Messstrecke und/oder Maschinenachse verlaufen kann. Ein derartiger Verlauf wird aber nur mit einem entsprechend hohen Einrichtungs- und insbesondere Strahlausrichtungsaufwand erreicht. Abweichungen von dem idealen Verlauf des optischen Messstrahls und insbesondere dem geschilderten parallelen Verlauf können allgemein als ein schräger Verlauf des optischen Messstrahls bezeichnet werden und/oder in Form eines solchen schrägen Verlaufs vorliegen (d.h. schräg bezogen auf die Achse, zu der sich der Strahl idealerweise parallel erstrecken soll). Dieser schräge Verlauf kann in einem damit einhergehenden Translationsfehleranteil resultieren oder, anders ausgedrückt, zu dem ermittelten Translationsfehlerwert beitragen, beispielsweise da die darauf basierend ermittelten Messwerte in einer nach Maßgabe der Schrägstellung verschobenen Position erfasst und/oder erzeugt werden.
Zusammengefasst kann sich der ideale Verlauf also auf eine gewünschte Ausrichtung und/oder einen gewünschten Verlauf des Messstrahls beziehen, wohingegen der nichtideale Verlauf z.B. in Form einer Schrägstellung hiervon abweichen kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform von Verfahren und Vorrichtung umfasst die Fehlergröße wenigstens einen (zweiten) Translationsfehleranteil, der zumindest anteilig aus einem Führungsfehler entlang einer weiteren Maschinenachse resultiert. Dieser kann auch als ein Zusatzführungs-Translationsfehleranteil bezeichnet werden. Bei dem Führungsfehler kann es sich um einen Translations-, Rotations- oder Torsionsfehler handeln und/oder bei der weiteren Maschinenachse um eine von der betrachteten Maschinenachse verschiedene Maschinenachse. Insbesondere kann es sich um eine Maschinenachse handeln, entlang derer weder die (z.B. ersten oder zweiten) Translationsfehlerwerte betrachtet werden, noch um diejenige Koordinaten- und/oder Maschinenachse, entlang derer die betrachtete Maschinenachse aufgrund dieser Translationsfehler verschoben wird. Wird beispielsweise eine Verschiebung einer Z-Maschinenachse in eine y-Koordinatenachse betrachtet, kann ein Führungsfehler entlang der X-Maschinenachse den Translationsfehleranteil verursachen. Vorzugsweise wird als Führungsfehler ein Torsionsfehler um eben diese weitere Maschinenachse betrachtet.
Die Erfinder haben erkannt, dass sich durch das Berücksichtigen dieses weiteren Translationsfehleranteils eine besonders genaue Ermittlung der Fehlergröße bzw. der schlussendlich daraus berechneten Torsionsfehlerwerte erreichen lässt. Dies ist beispielsweise darauf zurückzuführen, dass anhand der Fehlergröße und somit im Rahmen der Berechnung zwischen eigentlich tatsächlich führungsfehlerbedingten Fehlerwerten entlang der betrachteten Maschinenachse und hiervon unabhängigen Führungsfehlern entlang der weiteren Maschinenachse differenziert werden kann und/oder dass diese weiteren Führungsfehler überhaupt berücksichtigt werden können.
Das Verfahren und die Vorrichtung können ferner vorsehen, dass (beispielsweise zum Berechnen der zweiten Torsionsfehlerwerte) davon ausgegangen bzw. die Annahme getroffen wird, dass die Fehlergröße zumindest anteilig konstant entlang der Messstrecke ist. Unter der zumindest anteiligen Konstanz kann verstanden werden, dass zumindest einer der vorstehend oder nachstehend erläuterten Translationsfehleranteile, vorzugsweise aber sämtliche Translationsfehleranteile und somit die Fehlergröße an sich, konstant entlang der Messstrecke ist. Hierdurch kann im Wesentlichen ohne zusätzlichen Berechnungs- und/oder Messaufwand ermöglicht werden, dass auch Torsionsfehlerwerte außerhalb der Kurzmessstrecke (innerhalb derer tatsächliche Messwerte für die Fehlergröße ermittelt wurden) berechnet werden können. Dies trägt dazu bei, dass die Kurzmessstrecke und somit der Referenzkörper entsprechend kurz ausfallen können.
Bei einer Weiterbildung der Vorrichtung und des Verfahrens wird davon ausgegangen bzw. die Annahme getroffen, dass die ersten und zweiten Translationsfehlerwerte an einer (und vorzugsweise jeder) gegebenen Position entlang der Messstrecke (und/oder entlang einer Bewegungsstrecke der Messachse) zumindest einen identischen Translationsfehleranteil umfassen. Dieser kann auch als ein Führungs-Translationsfehleranteil bezeichnet werden. Bei diesem Translationsfehleranteil kann es sich um einen von dem vorstehend geschilderten ersten und zweiten Translationsfehleranteil verschiedenen Translationsfehleranteil handeln. Insbesondere kann es sich um einen Translationsfehleranteil handeln, der auf einen eigentlichen Führungsfehler um die betrachtete Maschinenachse zurückzuführen ist. Die Annahme eines identischen Translationsfehleranteils kann im Rahmen des Verfahrens Vorteile hinsichtlich der Ermittlung insbesondere von den zweiten Torsionsfehlerwerten ermöglichen, da beispielsweise bestimmte Zusammenhänge in Anbetracht der identischen Translationsfehleranteile geeignet kombiniert und/oder einander gleichgesetzt werden können.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung, insbesondere ein Koordinatenmessgerät, mit wenigstens einer ansteuerbaren Maschinenachse, einer Auswerteeinrichtung und einer Berechnungseinrichtung, wobei die Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet ist:

- Translationsfehlerwerte für die Maschinenachse basierend auf Messwerten zu ermitteln, die durch ein Bewegen der Maschinenachse entlang einer Messstrecke gewinnbar sind (oder gewonnen wurden);
- erste Torsionsfehlerwerte für die Maschinenachse basierend auf Messwerten zu ermitteln, die durch ein Abtasten eines Referenzkörpers entlang einer Kurzmessstrecke gewinnbar sind (oder gewonnen wurden), wobei die Kurzmessstrecke kürzer als die Messstrecke ist; und
- eine Fehlergröße basierend auf den ersten Torsionsfehlerwerten zu ermitteln;

Die Vorrichtung kann jegliche Weiterbildung und jegliches weitere Merkmal umfassen, um sämtliche der vorstehenden oder nachstehenden Schritte, Betriebszustände und Funktionen bereitzustellen oder auszuführen. Insbesondere kann die Vorrichtung dazu eingerichtet sein, ein Verfahren gemäß jeglichen der vorstehenden oder nachstehenden Aspekte auszuführen. Insbesondere kann die Vorrichtung eine Messeinrichtung zum Ermitteln von zumindest den ersten und zweiten Translationsfehlerwerten umfassen, wobei die Messeinrichtung optional auch eine gemeinsam mit der Maschinenachse bewegbare Einheit umfassen kann. Diese Einheit kann die vorstehend geschilderte optische Einheit z.B. in Form eines Reflektors umfassen. Ferner kann die Messeinrichtung eine Strahlquelle und/oder allgemein eine Laser Interferometer Anordnung umfassen oder als Letztere realisiert sein. Ferner kann die Vorrichtung auch den Referenzkörper umfassen, der vorzugsweise lediglich bedarfsweise innerhalb des Koordinatenmessgeräts angeordnet werden kann (z.B. im Rahmen des geschilderten Verfahrens, nicht jedoch während einer eigentlichen Werkstückvermessung).
Die Auswerteeinrichtung und Berechnungseinrichtung können jeweils elektronisch und/oder digital betreibbar sein. Sie können jeweils durch eine gemeinsame Recheneinrichtung realisiert werden oder von einer solchen umfasst sein. Die Recheneinrichtung kann beispielsweise als ein herkömmlicher PC realisiert sein. Die Recheneinrichtung kann über ein Computerprogramm verfügen, das bei Ausführen auf einer Prozessoreinheit die hierin geschilderten Funktionen der Auswerteeinrichtung und Berechnungseinrichtung bereitstellt.
Die Vorrichtung kann auch dazu eingerichtet sein, erste und zweite Translationsfehlerwerte für die Maschinenachse basierend auf Messwerten zu ermitteln, die durch ein Bewegen der Maschinenachse entlang der Messstrecke gewinnbar sind (oder gewonnen wurden). Die ersten und zweiten Translationsfehlerwerte können zum Ermitteln der zweiten Torsionsfehlerwerte verwendet werden.
Im Folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung anhand der beigefügten schematischen Figuren erläutert. In ihrer Art und/oder Funktion übereinstimmende Merkmale können dabei figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Es stellen dar:

1 eine Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, mit der ein erfindungsgemäßes Verfahren ausführbar ist;
2 eine Detaildarstellung einer gemeinsam mit einer Maschinenachse der Anordnung aus 1 bewegbaren optischen Einheit;
3 eine Darstellung eines Translationsfehleranteils, der auf einen nicht-idealen Verlauf eines Messstrahls zurückzuführen ist;
4 eine Darstellung eines Translationsfehleranteils, der auf einen Führungsfehler entlang einer weiteren Maschinenachse zurückzuführen ist;
5 ein Ablaufschema eines mit der Vorrichtung aus 1 ausführbaren Verfahrens.

In 1 ist eine als Koordinatenmessgerät ausgebildete Vorrichtung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Der nachfolgend erläuterte Messaufbau sowie Verfahrensablauf richtet sich dabei beispielhaft auf das Ermitteln von Führungsfehlern entlang einer vertikalen Z-Maschinenachse und insbesondere eines Torsionsfehlers um diese Achse. Es können jedoch auch Führungsfehler und insbesondere Torsionsfehler um jegliche andere der nachstehend geschilderten Maschinenachse ermittelt werden, wofür der Messaufbau und Verfahrensablauf entsprechend angepasst werden können. Dies betrifft zum Beispiel eine entsprechende Anpassung der auszuführenden Achsbewegungen und/oder der Ausrichtung des nachstehend erläuterten Referenzkörpers 31. Basierend auf den nachfolgend erläuterten Prinzipien des erfindungsgemäßen Vorgehens sind derartige Anpassungen für den Fachmann jedoch unproblematisch.
Das Koordinatenmessgerät (bzw. die Vorrichtung) 10 besitzt eine Basis 12, auf der beispielsweise ein Portal 14 angeordnet ist. Das Portal 14 kann in einer Längsrichtung mittels einer ersten Maschinenachse, die hier als X-Maschinenachse bezeichnet wird, auf der Basis 12 verfahren werden. An der Traverse des Portals 14 ist ein Schlitten 16 angeordnet, der mittels einer zweiten Maschinenachse, die hier als Y-Maschinenachse bezeichnet wird, verfahren werden kann. Am Schlitten 16 sitzt eine mittels einer dritten Maschinenachse, die hier als Z- Maschinenachse bezeichnet wird, verfahrbare Pinole 18.
An dem unteren freien Ende der Pinole 18 ist ein Messkopf 19 angeordnet. An dem Messkopf 19 ist wahlweise eine Abtastvorrichtung 26 oder eine nachfolgend erläuterte optische Einheit 50 anordenbar. In dem gezeigten Zustand ist die Abtastvorrichtung 26 an dem Messkopf 19 angeordnet. Diese ist analog zu der Abtastvorrichtung 26 in den 2 und 3 der DE 10 2008 024 444 A1 ausgebildet, jedoch im vorliegend Fall hochkant bzw. vertikal ausgerichtet.
Die Maschinenachsen X, Y, Z erstrecken sich und ermöglichen jeweils Bewegungen entlang der und parallel zu den Achsen eines kartesischen Koordinatensystems. Diese Achsen sind in 1 als x-, y- und z-Koordinatenachsen bezeichnet, wobei sich die Z-Maschinenachse entlang der z-Koordinatenachse, die Y-Maschinenachse entlang der y-Koordinatenachse und die X-Maschinenachse entlang der x-Koordinatenachse erstreckt. Man erkennt, dass die x- und y-Koordinatenachsen in einer horizontalen Raumebene verlaufen und die z-Koordinatenachse vertikal hierzu. Für die den x-, y-, z-Koordinatenachsen jeweils zugeordneten Maschineachsen X, Y, Z gilt entsprechendes.
In herkömmlicher Weise ist jede Maschinenachse X, Y, Z individuell ansteuer- und bewegbar und verfügt über eine eigene in 1 nicht erkennbare Antriebseinheit. Genauer gesagt besitzt das Koordinatenmessgerät 10 Antriebe (hier nicht näher dargestellt), über die das Portal 14, der Schlitten 16 und die Pinole 18 motorisch in den drei Raumrichtungen entlang der x-, y- und z-Koordinatenachsen verfahren bzw. bewegt werden können. Damit lässt sich der Tastkopf 19 innerhalb eines Messvolumens des Koordinatenmessgeräts 10 dreidimensional verfahren.
Mit den Bezugsziffern 20, 22, 24 sind Maßstäbe bezeichnet, mit deren Hilfe die jeweilige Achsposition des Messkopfes 19 bestimmt werden kann. Bei den Maßstäben 20, 22, 24 handelt es sich typischerweise um Glasmaßstäbe mit einer Skalierung, die optisch abgetastet wird. Alternativ hierzu kann das Koordinatenmessgerät 10 jedoch auch andere Positionsmesseinrichtungen besitzen, beispielsweise induktive Messeinrichtungen.
Darüber hinaus sei der Vollständigkeit halber darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht nur bei Koordinatenmessgeräten in Portalbauweise, sondern auch bei anderen Koordinatenmessgeräten, beispielsweise in Horizontalarm- oder Brückenbauweise, eingesetzt werden kann.
Auf der Basis 12 des Koordinatenmessgerätes 10 ist ein Referenzkörper 31, auf dem ein Maßstab 30 angeordnet ist, vereinfacht dargestellt. Mittels der Abtastvorrichtung 26 wird der Referenzkörper 31 an einer Vielzahl von Messpunkten abgetastet. Hierzu kann der Messkopf 19 und somit die an ihm angeordnete Abtastvorrichtung 26 über die nicht abgebildeten Antriebe in x-, y- sowie z-Richtung so verfahren werden, dass die jeweiligen Messpunkte des Referenzkörpers 31 anfahrbar sind. Somit sind die Raumkoordinaten eines Messpunktes durch die x-, y-, z-Achspositionen des Messkopfes 19, die über die Maßstäbe 20, 22, 24 ablesbar sind, bestimmbar.
Im Rahmen des nachstehend erläuterten Verfahrens wird der Referenzkörper 31 dazu verwendet, um erste Torsionsfehlerwerte für die Z-Maschinenachse entlang einer Kurzmessstrecke A zu ermitteln, welche sich in z-Richtung erstreckt. Dies wird nachstehend noch näher erläutert. Zusätzlich werden (wie ebenfalls nachstehend noch näher erläutert) Translationsfehlerwerte für die (bzw. um die) Z-Maschinenachse entlang einer Messstrecke M berechnet, welche die gesamte maximale (oder, anders ausgedrückt, die gesamte mögliche) Bewegungsstrecke der Z-Maschinenachse umfasst. Man erkennt aus 1 unmittelbar, dass die Kurzmessstrecke A geringer ausfällt als die Messstrecke M, wobei in 1 aber kein genaues Längenverhältnis dieser Strecken A, M gezeigt ist, da es sich lediglich um eine schematische Abbildung handelt. Entsprechend kann der Referenzkörper 31 vergleichsweise klein dimensioniert werden und zum Bereitstellen der Kurzmessstrecke A zum Beispiel eine Länge von nicht mehr als 30 cm aufweisen (sh. entsprechende Längenabmessung A in 1). Die Messstrecke M kann hingegen eine Länge von mehr als 1 m und zum Beispiel 2 m umfassen.
Weiterhin erkennt man eine zumindest teilweise auf der Basis 12 angeordnete optische Messeinrichtung in Form einer Interferometer Anordnung 40 herkömmlicher Bauart. Die Interferometer Anordnung 40 umfasst eine ortsfest auf der Basis angeordnete Laserstrahlquelle 42, welche zwei parallel zueinander verlaufenden Laserstrahlen 44 aussendet und auf ebenfalls auf der Maschinenbasis 12 ortsfest angeordnete Prisma-Einheiten 46 richtet, die zum Beispiel jeweils als Wollaston-Prisma ausgebildet sein können. Die Prisma-Einheiten 46 befinden sich demnach in voneinander unterschiedlichen Positionen entlang der x-Koordinatenachsen. Oberhalb der Prisma-Einheiten 46 (d. h. entlang der z-Koordinatenachsen gegenüberliegend) kann eine nachfolgend erläuterte optische Einheit 50 positioniert werden, welche anstelle der Abtastvorrichtung 26 an den Messkopf 19 angebracht wird. Wird anschließend die Z-Maschinenachse angetrieben und die optische Einheit 50 entlang der z-Koordinatenachse bewegt, können in an sich bekannter Weise Führungsfehler und insbesondere Translationsfehler für die Z-Achse ermittelt werden. Weitere Hintergründe zu derartigen Interferometer Anordnungen 40 können z. B. der einleitend erläuterten DE 44 21 302 C1 entnommen werden. Prinzipiell kann jegliche für die nachstehende Messwertermittlung geeignete Interferometer Anordnung 40 verwendet werden.
Die Interferometer Anordnung 40 und der Referenzkörper 31 müssen nicht gleichzeitig auf der Basis 12 angeordnet sein. Es kann auch gewünscht sein, dass lediglich eine von der Interferometer Anordnung 40 und dem Referenzkörper 30 auf der Basis 12 angeordnet ist und/oder dass diese wahlweise darauf angeordnet werden (d. h. entweder die Interferometer Anordnung 40 oder der Referenzkörper 30), je nachdem welche der nachstehend geschilderten Messwerte aktuell ermittelt werden sollen.
Das Koordinatenmessgerät 10 besitzt zur Bestimmung der Führungsfehlerwerte ferner eine Recheneinrichtung 32, welche eine Auswerte-, Steuer- und eine Berechnungseinrichtung 33, 34, 35 umfasst oder, mit anderen Worten, bereitstellt. Die Steuereinrichtung 34 steuert die Verfahrbewegungen des Koordinatenmessgerätes 10 mittels der X, Y, Z-Maschinenachsen und insbesondere entlang der Messstrecke M und der Kurzmessstrecke A. Die Auswerteeinrichtung 33 führt die rechnerische Auswertung der über die Positionsmesser 20, 22, 24 aufgenommenen Positionswerte aus und ist dazu eingerichtet, die nachstehend erläuterten Führungsfehlerwerte sowie die hierfür benötigten Messwerte zu ermitteln. Als Beispiele dieser Messwerte sind Abtastwerte zu nennen, die von Tastelementen, die an der Abtastvorrichtung 26 angeordnet sind, bestimmt werden und von Maßstabswerten, die unter Verwendung des Maßstabes 30 bestimmt werden. Zusätzlich können in der nachstehend erläuterten Weise mit der in 1 noch nicht gezeigten optischen Einheit 50 Messwerte insbesondere zum Bestimmen von Translationsfehlerwerten ermittelt werden. Mittels der Berechnungseinrichtung 35 können schließlich basierend auf vorbestimmten Eingangsgrößen und/oder Eingangswerten Torsionsfehlerwerte entlang der (bzw. um die) Z-Achse über die gesamte Messstrecke M berechnet werden.
In an sich bekannter Weise können die ermittelten Führungsfehlerwerte dazu verwendet werden, um eine oder sämtliche der X-, Y-, Z-Maschinenachsen zu kalibrieren. Somit können bei später mit dem Koordinatenmessgerät 10 durchgeführten Messungen die entsprechenden Führungsfehler zum Beispiel mittels einer mathematischen Kompensation eliminiert werden. Möglichkeiten zum Kalibrieren der X-, Y-, Z-Maschinenachsen auf Basis der Führungsfehlerwerte und insbesondere die hierfür zu verwendeten mathematischen Ansätze sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden an dieser Stelle nicht näher erläutert.
In 2 ist die optische Einheit 50 gezeigt, die alternativ zu der in 1 gezeigten Abtastvorrichtung 26 an dem Messkopf 19 des Koordinatenmessgeräts 10 anbringbar ist. Die weiteren Details des Koordinatenmessgeräts 10 sind in 2 nicht gezeigt. Man erkennt ferner das Koordinatensystem, das hinsichtlich der Vertikalen und Horizontalen analog zu demjenigen aus 1 orientiert ist. Allerdings ist der Blickwinkel gegenüber 1 leicht verändert, wie sich aus der entsprechenden Orientierung der x- und y-Koordinatenachsen ergibt. Die optische Einheit 50 umfasst zwei Reflektoren 52, welche in einem Abstand h₂ bzw. h₁ von einer Längsachse L des Messkopfes 19 positioniert sind. Die Längsachse L verläuft dabei parallel zu der Z-Maschinenachse und somit auch der z-Koordinatenachse. Insbesondere fallen eine Längsachse und Bewegungsachse der Z-Maschinenachse mit der in 2 gezeigten Längsachse L zusammen. Die Abstandswert h₂ und h₁ stellen somit Abstandswerte entlang der x-Koordinatenachse dar oder, anders ausgedrückt, beziehen sich auf Positionen der Reflektoren 52 entlang der x-Koordinatenachse. Folglich ist der in 2 gezeigte linke Reflektor 52 in einer Position x₂ und der in 2 rechte Reflektor 52 in einer Position x₁ positioniert. Die mittels der Reflektoren 52 erfassten Messwerte beziehen sich demnach auf zu der eigentlich betrachteten Z-Maschinenachse (bzw. deren Längs- und/oder Bewegungsachse), um die der Torsionsfehler ermittelt werden soll, beabstandete Positionen x₁, x₂.
Ferner erkennt man in 2 die Laserstrahlen 44, die von der dort nicht gezeigten Strahlquelle 42 ausgesendet und mittels der Prisma-Einheiten 46 in Richtung der Reflektoren 52 umgelenkt werden. In an sich bekannter Weise können somit mittels der Reflektoren 52 rückreflektierte Laserstrahlen erzeugt werden, welche mit einem ausgekoppelten Anteil aus den ursprünglich ausgesandten Laserstrahlen 44 überlagert werden, um anhand der dabei entstehenden Interferenzen Messwerte z.B. in Form von Abstandswerten zu ermitteln.
Alternativ könnte auch lediglich ein Reflektor 52 vorgesehen sein. In diesem Fall könnte für das Erfassen der ersten und zweiten Translationsfehlerwerte der Reflektor 52 in die entsprechenden x₁,x₂-Positionen verfahren oder in den diesen Positionen neu montiert werden und die Translationsfehlerwerte könnten sozusagen nacheinander erfasst werden. Hierfür kann ferner eine einzelne Prisma-Einheit 46 verwendet werden, die analog zu dem Reflektor 52 bewegt oder neu montiert wird, woraufhin ein Laserstrahl 44 auf diese Prisma-Einheit 46 geführt wird.
Aus dem einleitend erläuterten Stand der Technik in Form der DE 44 21 302 C1 und auch der DE 10 2008 024 444 A1 (siehe dort insbesondere [0077]) ist es bekannt, dass mit einer derartigen Abstandswerterfassung in zu der betrachteten Maschinenachse beabstandeten Position auch Torsionsfehler um eine entsprechende Achse berechnet werden können.
Die Erfinder haben jedoch erkannt, dass dies nur mit einem erheblichen Einrichtungsaufwand bezüglich der verwendeten Messsysteme möglich ist oder dass vereinfachende und die Genauigkeit der Messergebnisse verfälschende Annahmen hierfür getroffen werden müssen. Die gezeigte Lösung sieht stattdessen vor, mittels der optischen Einheit 50 zunächst Translationsfehler zu erfassen, die bei einem Verschieben entlang der Z-Maschinenachse, um die der Torsionsfehler bestimmt werden soll, entlang wenigstens einer der jeweils anderen X- und Y-Maschinenachsen bzw. in die entsprechende x- und y-Koordinatenrichtung entstehen. Dabei werden zusätzlich auch Translationsfehleranteile berücksichtigt, die unabhängig von dem eigentlichen zu ermittelnden Führungsfehler entlang der Z-Maschinenachse entstehen können.
Im Detail wird mit jedem der Reflektoren 52 aus 2 und somit sowohl in der x₁- als auch der x₂-Position ein entsprechender Translationsfehler ermittelt. Beispielhaft wird dabei im Folgenden der Translationsfehler beim Verschieben entlang der Z-Maschinenachse in die y-Richtung bzw. entlang der Y-Maschinenachse betrachtet. Es wäre aber ebenso möglich, z.B. die Verschiebung der Z-Maschinenachse in die x-Richtung bzw. entlang der X-Maschinenachse zu betrachten. Allgemein werden die entsprechenden Fehlerwerte gemäß einer gewählten Messauflösung an einzelnen z-Achswerten aufgezeichnet (d.h. es werden einzelne z-Positionen betrachtet). Aufgrund des gewählten Messaufbaus sind die ermittelten Translationsfehlerwerte aber auch von dem jeweiligen Erfassungsort in Form der x₂-, x₁-Position abhängig, auf die sie sich beziehen und an denen die Reflektoren 52 angeordnet sind.
Zu Beginn des Verfahrens werden mit der optischen Einheit 50 Translationsfehlerwerte entlang der gesamten Messstrecke M durch Bewegen der Z-Maschinenachse entlang dieser Strecke erfasst und in der Recheneinrichtung 32 hinterlegt. Auf diese Werte kann dann im Rahmen der folgenden Berechnungen zurückgegriffen werden.
Im Einzelnen sind mit der gezeigten optischen Einheit 50 die folgenden Translationsfehler erfassbar, wobei auf die einleitend gewählte Nomenklatur Bezug genommen wird: ${z \tilde{T} y}_{1} (x_{1}, z) = zTy (z) + s_{1} * z + h_{1} * zRz (z)$
${z \tilde{T} y}_{2} (x_{2}, z) = zTy (z) + s_{2} * z + h_{2} * zRz (z)$
In diesen für das erfindungsgemäße Verfahren definierten Gleichungen (1) und (2) wird davon ausgegangen, dass die Translationsfehlerwerte einen identischen Translationsanteil zTy(z) umfassen. Dieser entspricht einem allein auf den eigentlichen Führungsfehler (bzw. Translations-Führungsfehler) beim Bewegen entlang der Z-Maschinenachse zurückzuführenden Translationsfehleranteil. Die weiteren Translationsfehleranteile in Form der weiteren Summanden der Gleichungen (1) und (2) sind hingegen auf andere Ursachen zurückzuführen und jeweils individuell auf einen der Reflektoren 52 bezogen (bzw. auf eine x-Position und einen h-Abstand).
Ein erster Translationsfehleranteil ist beispielsweise auf einen nicht idealen Verlauf der Laserstrahlen 44 zurückzuführen, der spätestens dann auftritt, wenn diese mittels der Prisma-Einheiten 46 in Richtung der Reflektoren 52 umgelenkt werden. Genauer gesagt können die entsprechenden Strahlen von einem eigentlich gewünschten (d. h. idealen) und sich parallel zu der betrachten Z-Maschinenachse erstreckenden Verlauf abweichen, entlang derer die optische Einheit 50 zum Erfassen des zTy-Translationsfehlers bewegt wird. Insbesondere können sich die Laserstrahlen 44 in einem Winkel α zu der Z-Maschinenachse (und/oder der hierzu parallel verlaufenden z-Koordinatenachse) erstrecken, wie in 2 entsprechend angedeutet. Dies kann auch in einem sich in die y-Koordinatenrichtung erstreckenden Anteil y₂ und y₁ resultieren, welcher in einem nicht auf einen Translationsfehler der Z-Maschinenachse zurückzuführenden Translationsfehleranteil resultiert. Die entsprechenden y₁ und y₂ -Anteile können mittels trigonometrischer Überlegungen bestimmt werden. Wie in den obigen Gleichungen (1) und (2) bereits angewandt, kann hierfür der aktuelle z-Wert (d.h. Positionswert entlang der Z-Maschinenachse und/oder z-Koordinatenachse) mit einem Koeffizienten s₁ und s₂ multipliziert werden. Dabei betrifft der Koeffizient S₁ den Tangens des Winkels α₁ und der Koeffizient s₂ den Tangens des Winkels α₂ .
Ein weiterer in den Gleichungen (1) und (2) bereits berücksichtigter Fehleranteil resultiert aus dem gewählten Messaufbau und konkret dem Anordnen der Reflektoren 52 in den Abständen h₁ und h₂ zur Längsachse L bzw. Z-Maschinenachse. Dies wird im Folgenden anhand der lediglich schematischen 3 erläutert. In 3 ist das Koordinatensystem aus 2 in Draufsicht gezeigt, wobei die einzelnen Koordinatenachsen sich wiederum parallel zu den X-, Y- und Z-Maschinenachsen erstrecken und/oder mit diesen zusammenfallen. Ferner ist das Koordinatensystem derart orientiert, dass man von oben auf die z-Koordinatenachse blickt und diese sich senkrecht aus der Blattebene hinaus erstreckt. Im Folgenden lediglich Bezug nehmend auf einen der Reflektoren 52 erkennt man, dass dieser in Folge eines Torsionsfehlers um die Z-Maschinenachsen in einen Abstand y_β zu der x-Achse bewegt werden kann. Genauer gesagt kann die Torsion um die Z-Maschinenachsen dazu führen, dass der Reflektor 52 um den Winkel β aus seiner eigentlichen Position x₁ verschwenkt wird. Der eigentlich mit dem Reflektor 52 erfasste Messwert kann somit von einer y-Komponente überlagert werden, welche einen entsprechenden Translationsfehleranteil bildet, der nicht auf einen eigentlichen Translations-Führungsfehler der Z-Maschinenachse zurückzuführen ist.
Aufgrund trigonometrischer Überlegungen kann dieser Fehleranteil (bzw. die in 3 gezeigte y_β-Komponente) aus dem Abstandswert h₁ multipliziert mit dem Tangens des Winkels β berechnet werden. Für die im Fall von Führungsfehlern eines Koordinatenmessgeräts 10 betrachteten sehr kleinen Winkelbeträge kann der Wert des Winkels β dabei mit dem Tangens dieses Winkels gleichgesetzt werden, sodass unmittelbar der dem Winkel β entsprechende Torsionsfehlerwert zRz(z) betrachtet und mit dem Abstand h₁ multipliziert werden kann. Es versteht sich, dass auch für den zweiten Reflektor 52 an der Position x₂ eine analoge Überlegung zutrifft, wie in der vorstehenden Gleichung (2) auch entsprechend berücksichtigt.
Schließlich existiert noch der anhand der folgenden 4 erläuterte weitere Translationsfehleranteil, der ebenfalls nicht auf die eigentlich betrachtete Z-Maschinenachse bzw. deren Führungsfehler zurückzuführen ist, sondern auf Führungsfehler entlang einer weiteren Maschinenachse. Für den vorliegend gegebenen Aufbau wird dabei konkret ein Translationsfehleranteil betrachtet, der auf Torsionsfehler um die X-Maschinenachse zurückzuführen ist. Konkret wird hierbei berücksichtigt, dass bei einem Anordnen der optischen Einheit 50 und somit Bewegen der Reflektoren 52 in deren einzelnen x₁- und x₂-Positionen Translationsfehleranteile bzw. y-Komponenten entstehen, welche auf einen Torsionsfehler um die X-Maschinenachse zurückzuführen sind. In der 4 äußert sich der entsprechende Torsionsfehler xRx an den Positionen x₁ und x₂ in den an diesen Positionen entstehenden und lediglich beispielhaft unterschiedlich groß gezeigten Winkelfehler φ₁, und φ₂. Man erkennt, dass diese Winkelfehlern φ₁, und φ₂ auch mit entsprechenden y-Komponenten y₁ und y₂ einhergehen. Der effektiv aus diesen Winkelfehlern resultierende Translationsfehleranteil bei einem Bewegen entlang der Z-Maschinenachse in die y-Richtung entspricht dabei der Differenz aus den in 4 gezeigten y₁- und y₂ -Komponenten.
Aufgrund analoger trigonometrischer Überlegungen, wie vorstehend anhand von 3 erläutert, kann der entsprechende resultierende Translationsfehleranteil als Produkt des aktuellen z-Wertes mit der Differenz der gezeigten Winkelfehler φ₂ und φ₁, multipliziert werden. Dieser kann in einer der vorstehenden Gleichungen (1) oder (2) zusätzlich berücksichtigt werden. Ausgehend von der Gleichung (2) ergibt sich dabei z.B. die nachstehende Gleichung (3), mit der der entsprechende erweiterte Translationsfehler bestimmt werden kann. Die resultierende Gleichung (3) lautet wie folgt: ${z \hat{\tilde{T}} y}_{2} (x_{2}, z) = zTy (z) + s_{2} * z + h_{2} * zRz (z) + (φ_{2} - φ_{1}) * z$
Stellt man die Gleichungen (1) und (3) nach dem gemeinsamen darin enthaltenen Term zTy(z) um und setzt die entsprechenden Ausdrücke einander gleich, kann der folgende Zusammenhang erhalten werden: ${z \hat{\tilde{T}} y}_{2} (x_{2}, z) -z \tilde{T} y (x_{1},z) = (s_{2} - s_{1}) * z + (φ_{2} - φ_{1}) * z+ (h_{2} - h_{1}) * zRz (z)$
Dieser Ausdruck kann vereinfacht werden, indem eine Fehlergröße Δs̃ betrachtet wird, welche für jeden der Translationsfehler der Gleichungen (1) und (2) die vorstehend erläuterten Translationsfehleranteile aufgrund des schrägen bzw. nicht-idealen Verlaufs der Laserstrahlen umfasst sowie aufgrund der Winkelfehler um die X-Maschinenachse.
Diese Fehlergröße lautet wie folgt: $Δ \tilde{s} = (s_{2} - s_{1}) + (φ_{2} - φ_{1})$
Ferner kann aus der vorstehenden Gleichung (4) die Differenz der h₂- und h₁-Werte als Δx bezeichnet werden. Basierend auf diesen Vereinfachungen kann die Gleichung (4) als folgende Gleichung (6) formuliert werden: ${z \hat{\tilde{T}} y}_{2} (x_{2}, z) - {z \tilde{T} y}_{1} (x_{1}, z) = Δ \tilde{s} * z + Δ x * zRz (z)$
Ein Umstellen der Gleichung nach den eigentlich interessierenden Torsionsfehlerwerten zRz(z) um die Z-Maschinenachse ergibt Folgendes: $zRz (z) = \frac{{z \hat{\tilde{T}} y}_{2} (x_{2}, z) - {z \tilde{T} y}_{1} (x_{1}, z) - Δ \tilde{s} * z}{Δ x}$
In dieser Gleichung sind die Torsionsfehlerwerte zRz(z) unbekannt. Gleiches gilt auch für die Fehlergröße Δs̃ bzw. das Produkt hiervon mit dem aktuellen z-Wert. Die letztere Unbekannte wäre unerheblich, falls die Schrägen s₁ und s₂ der Translationsmessung und auch die Winkelfehler φ₁ und φ₂ gleich wären, da die Fehlergröße Δs̃ dann den Wert 0 annehmen würde. Derartige Verhältnisse lassen sich aber nur mit einem erheblichen Einrichtungs- und Justieraufwand des Messaufbaus und der Vorrichtung erreichen. Das gezeigte Beispiel sieht deshalb vor, diese Fehlergröße Δs̃ zu ermitteln und rechnerisch zu berücksichtigen, anstatt sie mittels des geschilderten Einrichtungsaufwands sozusagen physikalisch zu eliminieren.
In diesem Zusammenhang wurde zunächst erkannt, dass ohne wesentliche Genauigkeitseinbußen die Annahme getroffen werden kann, dass die Fehlergröße Δs̃ entlang der gesamten Messstrecke M konstant ist. Anders ausgedrückt haben die Erfinder erkannt, dass bei einem Bewegen entlang der Z-Maschinenachse die Schrägen s₁ und s₂ und die Winkelfehler φ₁, und φ₂ im Wesentlichen unveränderlich sind, da die Z-Maschinenachse bzw. deren Position auf diese Fehler wenig oder auch gar keinen Einfluss besitzt. Dies ermöglicht es, die entsprechende Fehlergröße Δs̃ entlang nur einer vergleichsweise kurzen Strecke zu erfassen und die Gültigkeit dieser Messung auch für außerhalb dieser Strecke liegende Bereiche anzunehmen. Die kurze Strecke liegt dabei ebenfalls in dem Bewegungsspektrum (bzw. entlang der allgemeinen Bewegungsachse und/oder der maximalen Bewegungsstrecke) der Z-Maschinenachse.
Bei der kurzen Strecke handelt es sich um die vorstehend bereits anhand von 1 erläuterte Kurzmessstrecke A. Entlang dieser Kurzmessstrecke A werden in einem gesonderten Verfahrensschritt die in Gleichung (7) enthaltenen Torsionsfehlerwerte zRz ermittelt, und zwar für die z-Werte entlang eben dieser Kurzmessstrecke A. Hierfür wird die optische Einheit 50 am Messkopf 19 durch die Abtastvorrichtung 26 ersetzt. Möglichkeiten, um Torsionsfehler zRz um die Z-Maschinenachse mittels einer entsprechenden Abtastvorrichtung 26 und einem hiervon abgetasteten (wenn auch längeren) Referenzkörper 31 zu ermitteln, sind aus der vorstehend erläuterten DE 10 2008 024 444 A1 bekannt und werden dort insbesondere in Absatz [0077] erläutert. Alternativ können die Torsionsfehlerwerte zRz entlang der Kurzmesstrecke A mittels eines beliebigen anderen Verfahrens ermittelt werden, z.B. per optischer Verfahren.
Da somit zumindest entlang der Kurzmessstrecke A Torsionsfehlerwerte um die Z-Maschinenachse zRz(z) ermittelbar sind, enthält die Gleichung (7) lediglich noch eine Unbekannte in Form der Fehlergröße Δs̃. Stellt man die Gleichung (7) nach dieser verbleibenden Unbekannten um, kann eben diese Fehlergröße Δs̃ mittels der folgenden Gleichung (8) berechnet werden: $Δ \tilde{s} = \frac{{z \hat{\tilde{T}} y}_{2} (x_{2}, z) - {z \tilde{T} y}_{1} (x_{1}, z) - zRz (z) * Δ x}{z}$
Als z-Wert kann dabei prinzipiell jeder beliebige z-Wert (d.h. jeder z_i-Ort) innerhalb der Kurzmessstrecke A verwendet werden. Vorzugsweise werden verschiedene z-Werte in die Gleichung (8) eingesetzt und die dabei erhaltenen Ergebnisse werden gemittelt, woraus sich der Wert der Fehlergröße Δs̃ ergibt.
Die in Gleichung (8) enthaltenen zTy-Translationsfehlerwerte wurden mittels der optischen Einheit 50 durch Bewegen der Z-Maschinenachse entlang der gesamten Messstrecke M zu Beginn des Verfahrens aufgezeichnet, wobei es sich um die jeweiligen Gesamtwerte handelt, welche auch die weiteren Translationsfehleranteile enthalten (siehe Gleichungen (1) und (2)). Es versteht sich, dass in Gleichung (8) nur zTy-Translationsfehlerwerte an z-Positionen entlang der Kurzmessstrecke A betrachtet werden. Ferner sind die z-Werte (entlang der Kurzmessstrecke A) wie auch der Δx-Wert aus dem Messaufbau bekannt. Schließlich handelt es sich bei den in Gleichung (8) eingesetzten zRz(z)-Torsionsfehlerwerte um die entlang der Kurzmessstrecke A messtechnisch ermittelten Fehlerwerte. Folglich kann die Fehlergröße Δs̃ zumindest entlang der Kurzmessstrecke A berechnet werden, wobei das Ergebnis aufgrund der vorstehend erläuterten Konstanz-Annahme auch für die gesamte Messstrecke M gilt.
In der vorstehend erläuterten Weise wurde somit die Fehlergröße Δs̃ basierend auf messtechnisch erfassten Werten ermittelt und, genauer gesagt, auf Basis dieser Messwerte berechnet. Basierend auf der vorstehend geschilderten Annahme, wonach diese Fehlergröße Δs̃ entlang der gesamten Messstrecke M als konstant angenommen wird, kann der entsprechend berechnete Wert z.B. in die vorstehend geschilderte Gleichung (7) eingesetzt werden. Anschließend können in dieser Gleichung z-Werte entlang der gesamten Messstrecke M und auch die messtechnisch ermittelten Translationsfehlerwerte zTy entlang der gesamten Messstrecke M eingesetzt werden. Folglich können Torsionsfehlerwerte zRz(z) um die Z-Maschinenachse an jeder z-Position entlang der Messstrecke M berechnet werden.
Im Ergebnis gelangt man somit auf Basis lediglich entlang einer vergleichsweise kurzen Kurzmessstrecke A messtechnisch erfasster Torsionsfehlerwerte zRz um die Z-Maschinenachse zu entlang der gesamten Messstrecke M berechneten zRz-Torsionsfehlerwerten um eben diese Z-Maschinenachse. Im Gegensatz zu bisherigen Lösungen kann aufgrund der reduzierten Kurzmessstrecke A dabei auf einen vergleichsweise klein dimensionierten und daher kostengünstigen Referenzkörper 31 zurückgegriffen werden, der sich insbesondere nicht entlang der gesamten Messstrecke M, sondern lediglich entlang der kurzen Kurzmessstrecke A erstrecken muss.
Abschließend wird noch ein Ablaufschema anhand der 5 erläutert, in dem die wesentlichen Schritte des vorstehend erläuterten Verfahrens zusammengefasst sind. In dem Schritt S1 werden die zTy-Translationsfehlerwerte entlang der Z-Maschinenachse in der ersten Position x₁ bestimmt. In dem Schritt S2 werden die zTy-Translationsfehlerwerte entlang der Z-Maschinenachse in der zweiten Position x₂ bestimmt. Die Schritte S1 und S2 können dabei auch teilweise oder vollständig parallel zueinander ausgeführt werden, beispielsweise durch gemeinsames Verfahren der Reflektoren 52 mittels der optischen Einheit 50 aus 2.
Die Messwerte werden dabei entlang der gesamten Messstecke M aus 1 aufgezeichnet und somit an sämtlichen betrachteten Orten entlang dieser Messstrecke M (d.h. an sämtlichen z-Positionen, die gemäß der gewählten Messauflösung entlang der Z-Maschinenachse betrachtet werden). Man gelangt somit zu Werten für die Ausdrücke auf den linken Seiten der vorstehend erläuterten Gleichungen (1) und (2), wobei die einzelnen Fehleranteile, aus denen sich diese Werte zusammensetzen, auf der rechten Seite dieser Gleichungen noch nicht bekannt sind.
In dem Schritt S3 wird zum Ermitteln der unbekannten Fehlergröße Δs̃ der Torsionsfehler zRz um die Z-Maschinenachse durch Abtasten des Referenzkörpers 31 ermittelt. Man erhält somit für die z-Werte entlang der Kurzmessstrecke A aus 1 messtechnisch erfasste erste Torsionsfehlerwerte um die Z-Maschinenachse.
In dem Schritt S4 wird daraufhin mittels der vorigen Gleichung (8) die Fehlergröße Δs̃ auf Basis der ermittelten Messwerte rechnerisch bestimmt.
In dem abschließenden Schritt S5 wird mittels der vorigen Gleichung (7) durch Einsetzen der Fehlergröße Δs̃\ sowie der messtechnisch erfassten Translationsfehlerwerte der Torsionsfehler zRz um die Z-Maschinenachse entlang der gesamten Messstrecke M, welche die Kurzmessstrecke A in der Länge übersteigt, berechnet.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung kann auch allgemein vorgesehen sein, zum Ermitteln der Torsionsfehlerwerte die ersten (entlang der Kurzmessstrecke A gemessenen) und zweiten (berechneten) Torsionsfehlerwerte zu kombinieren. Insbesondere wenn sich die Messstrecke M und Kurzmessstrecke A wie in 1 gezeigt überlappen, können entlang der Kurzmessstrecke A die gemessenen und in dem verbleibenden Anteil der Messstrecke M, der sich nicht mit der Kurzmessstrecke A überlappt, die berechneten Torsionsfehlerwerte betrachtet und beispielsweise zum dortigen Kalibrieren der Z-Maschinenachse verwendet werden.
Bezugszeichenliste

10: Vorrichtung / Koordinatenmessgerät
12: Basis
14: Portal
16: Schlitten
18: Pinole
19: Messkopf
20-24: Maßstab
26: Abtastvorrichtung
30: Maßstab
31: Referenzkörper
32: Recheneinrichtung
33: Auswerteeinrichtung
34: Steuereinrichtung
35: Berechnungseinrichtung
40: Messeinrichtung
42: Laserstrahlquelle
44: Laserstrahlen
46: Prisma-Einheit
50: optische Einheit
52: Reflektor
M: Messstrecke
A: Kurzmessstrecke
L: Längsachse
X, Y, Z: Maschinenachse
h1, h2: Abstandswert
y1, y2: y-(Fehler)Komponente
x1, x2: x-(Fehler)Komponente
φ: Winkelfehler
zTx(zi), zTy(zi): Translationsfehler
zTz(zi): Positionsfehler
zRz(zi): Torsionsfehler
zRy(zi), zRx(zi): Rotationsfehler
∆s: Fehlergröße

Claims

Verfahren zum Ermitteln von Torsionsfehlerwerten (zRz) bei einer vorzugsweise als Koordinatenmessgerät ausgebildeten Vorrichtung (10), die wenigstens eine ansteuerbare Maschinenachse (X, Y, Z) umfasst, umfassend: - Ermitteln von Translationsfehlerwerten (zTy_1,2) für die Maschinenachse (X, Y, Z) basierend auf Messwerten, die auf Basis eines Bewegens der Maschinenachse (X, Y, Z) entlang einer Messstrecke (M) gewonnen wurden; - Ermitteln von ersten Torsionsfehlerwerten (zRz) für die Maschinenachse (X, Y, Z) basierend auf Messwerten, die entlang einer Kurzmessstrecke (A) gewonnen wurden, wobei die Kurzmessstrecke (A) kürzer als die Messstrecke (M) ist; - Ermitteln einer Fehlergröße (Δs̃) basierend auf den ersten Torsionsfehlerwerten (zRz); - Berechnen von zweiten Torsionsfehlerwerten (zRz) für die Maschinenachse (X, Y, Z) auf Basis der Fehlergröße (Δs̃) und der Translationsfehlerwerte (zTy_1,2).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zweiten Torsionsfehlerwerte (zRz) für einen Bereich berechnet werden, der außerhalb der Kurzmessstrecke (A) liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei sich die Kurzmessstrecke (A) entlang eines Referenzkörpers (31) erstreckt und die Messwerte durch Abtasten des Referenzkörpers (31) gewonnen wurden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Translationsfehlerwerte (zTy_1,2) erste und zweite Translationsfehlerwerte (zTy₁, zTy₂) für die Maschinenachse (X, Y, Z) umfassen, die jeweils basierend auf Messwerten ermittelt werden, die auf Basis eines Bewegens der Maschinenachse (X, Y, Z) entlang der Messstrecke (M) gewonnen wurden; und wobei die ersten und zweiten Translationsfehlerwerte (zTy₁, zTy₂) vorzugsweise auf Basis von Messwerten ermittelt werden, die in zu der Maschinenachse (X, Y, Z) beabstandeten Messpositionen (x₁, x₂) ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei sich die Maschinenachse (X, Y, Z) in einem Winkel zur Horizontalen erstreckt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Translationsfehlerwerte (zTy_1,2) basierend auf mittels wenigstens einer optischen Messeinrichtung (40) erfassten Messwerten bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Fehlergröße (Δs̃) wenigstens einen ersten Translationsfehleranteil (s₁*z, s₂*z) umfasst, der zumindest anteilig aus einem nicht-idealen Verlauf eines optischen Messstrahls (44) resultiert.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Fehlergröße (Δs̃) wenigstens einen zweiten Translationsfehleranteil (φ₁*z, φ₂*z) umfasst, der zumindest anteilig aus einem Führungsfehler entlang einer weiteren Maschinenachse (X, Y, Z) resultiert.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Anteil der Fehlergröße (Δs̃) konstant entlang der Messstrecke (M) ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die ersten und zweiten Translationsfehlerwerte (zTy₁, zTy₂) an einer gegebenen Position entlang der Messstrecke (M) zumindest einen gleichen Translationsfehleranteil (zTy) umfassen.
Vorrichtung (10), insbesondere Koordinatenmessgerät, mit wenigstens einer ansteuerbaren Maschinenachse (X, Y, Z), einer Auswerteeinrichtung (33) und einer Berechnungseinrichtung (35) wobei die Auswerteeinrichtung (33) dazu eingerichtet ist: - Translationsfehlerwerte (zTy_1,2) für die Maschinenachse (X, Y, Z) basierend auf Messwerten zu ermitteln, die auf Basis eines Bewegens der Maschinenachse (X, Y, Z) entlang einer Messstrecke (M) gewinnbar sind; - erste Torsionsfehlerwerte (zRz) für die Maschinenachse (X, Y, Z) basierend auf Messwerten zu ermitteln, die entlang einer Kurzmessstrecke (A) gewinnbar sind, wobei die Kurzmessstrecke (A) kürzer als die Messstrecke (M) ist; und - eine Fehlergröße (Δs̃) basierend auf den ersten Torsionsfehlerwerten (zRz) zu ermitteln; und wobei die Berechnungseinrichtung (35) dazu eingerichtet ist, zweite Torsionsfehlerwerte (zRz) für die Maschinenachse (X, Y, Z) auf Basis der Fehlergröße (Δs̃) und der Translationsfehlerwerte (zTy_1,2) zu berechnen.