DE102019220060A1

DE102019220060A1 - Verfahren zum Kalibrieren eines taktilen Sensors

Info

Publication number: DE102019220060A1
Application number: DE102019220060.5A
Authority: DE
Inventors: Dominik Seitz; Tobias Held
Original assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2019-12-18
Filing date: 2019-12-18
Publication date: 2021-06-24

Abstract

Es wird ein Verfahren (110) zum Kalibrieren eines taktilen Sensors (112) mit mindestens einem Antastkörper (114) vorgeschlagen. Das Verfahren (110) weist die folgenden Schritte auf:a) Erzeugen mindestens eines Datensatzes (122), wobei das Erzeugen ein Abtasten eines Kalibrierkörpers (120) umfasst, wobei der Antastkörper (114) entlang mindestens einer Trajektorie entlang einer Oberfläche des Kalibrierkörpers (120) bewegt wird und eine Mehrzahl von Messwerten aufgenommen wird, wobei beim Abtasten Geschwindigkeit und Antastkraft des taktilen Sensors (112) variiert werden,b) Auswerten des Datensatzes (124), wobei das Auswerten des Datensatzes ein Bestimmen eines Tastvektors, mindestens einer charakteristischen, geometrischen Größe des Antastkörpers, einer statischen Nachgiebigkeit des taktilen Sensors (112) und einer dynamischen Nachgiebigkeit des taktilen Sensors (112) umfasst.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren eines taktilen Sensors, ein Computerprogramm und ein Koordinatenmessgerät zum Vermessen mindestens eines Werkstücks. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere das Gebiet der Koordinatenmesstechnik unter Verwendung eines taktilen Koordinatenmessgeräts.
Technischer Hintergrund
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Vorrichtungen und Verfahren zur Vermessung von Werkstücken bekannt. Beispielsweise werden Koordinatenmessgeräte mit taktilen Sensoren verwendet, welche eine Oberfläche eines Messobjekts, beispielsweise mechanisch, antasten. Derartige taktile Sensoren weisen typischerweise ein Antastkörper in Form einer Tastkugel auf, welche an einem Übertragungselement befestigt ist. Bei einem Antasten der Tastkugel mit dem Werkstück werden entstehende Kräfte auf die Tastkugel in drei Achsen gemessen und daraus ein Richtungsvektor des Antastens, der so genannte Tastvektor, bestimmt und so das Werkstück vermessen.
Um genaue Messergebnisse zu erreichen, muss jeder taktile Sensor, der in einem Koordinatenmessgerät oder in einer Werkzeugmaschine verwendet werden soll, eingemessen werden. Dazu werden grundsätzlich zumindest die folgenden Kennzahlen bestimmt: Tastkugelradius, Tastvektor, statische Nachgiebigkeit des taktilen Sensors und dynamische Nachgiebigkeit des taktilen Sensors. Bekannt ist, diese Kennzahlen mit einem zweistufigen Verfahren zu bestimmen. Zunächst wird aus einem Datensatz, bei dem die Kalibrierkugel mit Einzelpunkten, oder beispielsweise auch im scannenden Betrieb bei langsamer Geschwindigkeit, und unterschiedlichen Kräften abgetastet wird, der Tastvektor, der Tastkugelradius und die statische Nachgiebigkeit ermittelt. In einem zweiten Schritt wird nach erfolgreich ermittelten Informationen aus dem ersten Schritt über ein Abscannen der Kalibrierkugel bei verschiedenen Geschwindigkeiten die dynamische Nachgiebigkeit des taktilen Sensors ermittelt.
Beispielsweis beschreibt DE 19 861 469 ein Verfahren zur Kalibrierung des taktilen Sensors eines elektronisch gesteuerten Koordinatenmessgerätes mit einem kugelförmigen Kalibrierkörper bekannter Geometrie, umfassend nachfolgende Verfahrensschritte: - Verfahren des Tastkopfes entlang einer Bahn derart, dass zumindest Teile der Oberfläche des Kalibrierkörpers kontinuierlich durch den taktilen Sensor entlang einer Linie abgetastet werden, wobei die Linie derart ausgestaltet ist, dass sie nicht auf eine Ebene beschränkt ist, und wobei die Linie eine Vielzahl von Teillinien aufweist, die sich beim Schnitt von vertikalen Ebenen mit der Kugeloberfläche ergeben - Berechnen der dem taktilen Sensor zugeordneten Kalibrierdaten aus den beim Abtasten aufgenommenen Messwerten, wobei die Kalibrierdaten die Position des Mittelpunktes einer Tastkugel oder einer Tastscheibe des taktilen Sensors im Maschinenkoordinatensystem und/oder der Radius einer Tastkugel oder einer Tastscheibe sind.
Weitere Verfahren sind beispielsweise aus CN 103822603 , EP 2 447 665 , WO 030308375 und WO 2005/090900 bekannt.
Derartige Verfahren führen zu einem hohen zeitlichen Aufwand bei der Kalibrierung. Dieser kann für Kalibrierungen von einzelnen taktilen Sensoren vertretbar sein, jedoch bei einer Kalibrierung von Schwenklastem können derartige Verfahren auffällig und unakzeptabel lang werden.
Aufgabe der Erfindung
Es wäre daher wünschenswert, ein Verfahren, ein Computerprogramm und ein Koordinatenmessgerät bereitzustellen, welche die Nachteile bekannter Verfahren und Vorrichtungen zumindest weitgehend vermeiden. Insbesondere soll eine Bestimmung von einen taktilen Sensor beschreibenden Koeffizienten zeitlich deutlich reduziert werden.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird adressiert durch ein Verfahren, ein Computerprogramm und ein Koordinatenmessgerät mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen, welche einzeln oder in beliebiger Kombination realisierbar sind, sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.
Im Folgenden werden die Begriffe „haben“, „aufweisen“, „umfassen“ oder „einschließen“ oder beliebige grammatikalische Abweichungen davon in nicht-ausschließlicher Weise verwendet. Dementsprechend können sich diese Begriffe sowohl auf Situationen beziehen, in welchen, neben den durch diese Begriffe eingeführten Merkmalen, keine weiteren Merkmale vorhanden sind, oder auf Situationen, in welchen ein oder mehrere weitere Merkmale vorhanden sind. Beispielsweise kann sich der Ausdruck „A hat B“, „A weist B auf“, „A umfasst B“ oder „A schließt B ein“ sowohl auf die Situation beziehen, in welcher, abgesehen von B, kein weiteres Element in A vorhanden ist (d.h. auf eine Situation, in welcher A ausschließlich aus B besteht), als auch auf die Situation, in welcher, zusätzlich zu B, ein oder mehrere weitere Elemente in A vorhanden sind, beispielsweise Element C, Elemente C und D oder sogar weitere Elemente.
Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „mindestens ein“ und „ein oder mehrere“ sowie grammatikalische Abwandlungen dieser Begriffe, wenn diese in Zusammenhang mit einem oder mehreren Elementen oder Merkmalen verwendet werden und ausdrücken sollen, dass das Element oder Merkmal einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann, in der Regel lediglich einmalig verwendet werden, beispielsweise bei der erstmaligen Einführung des Merkmals oder Elementes. Bei einer nachfolgenden erneuten Erwähnung des Merkmals oder Elementes wird der entsprechende Begriff „mindestens ein“ oder „ein oder mehrere“ in der Regel nicht mehr verwendet, ohne Einschränkung der Möglichkeit, dass das Merkmal oder Element einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann.
Weiterhin werden im Folgenden die Begriffe „vorzugsweise“, „insbesondere“, „beispielsweise“ oder ähnliche Begriffe in Verbindung mit optionalen Merkmalen verwendet, ohne dass alternative Ausführungsformen hierdurch beschränkt werden. So sind Merkmale, welche durch diese Begriffe eingeleitet werden, optionale Merkmale, und es ist nicht beabsichtigt, durch diese Merkmale den Schutzumfang der Ansprüche und insbesondere der unabhängigen Ansprüche einzuschränken. So kann die Erfindung, wie der Fachmann erkennen wird, auch unter Verwendung anderer Ausgestaltungen durchgeführt werden. In ähnlicher Weise werden Merkmale, welche durch „in einer Ausführungsform der Erfindung“ oder durch „in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung“ eingeleitet werden, als optionale Merkmale verstanden, ohne dass hierdurch alternative Ausgestaltungen oder der Schutzumfang der unabhängigen Ansprüche eingeschränkt werden soll. Weiterhin sollen durch diese einleitenden Ausdrücke sämtliche Möglichkeiten, die hierdurch eingeleiteten Merkmale mit anderen Merkmalen zu kombinieren, seien es optionale oder nicht-optionale Merkmale, unangetastet bleiben.
In einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zum Kalibrieren eines taktilen Sensors mit mindestens einem Antastkörper vorgeschlagen. Die Verfahrensschritte können in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, wobei einer oder mehrere der Schritte zumindest teilweise auch gleichzeitig durchgeführt werden können und wobei einer oder mehrere der Schritte mehrfach wiederholt werden können. Darüber hinaus können weitere Schritte unabhängig davon, ob sie in der vorliegenden Anmeldung erwähnt werden oder nicht, zusätzlich ausgeführt werden.
Der Begriff „taktiler Sensor“, auch als Taster oder Messtaster bezeichnet, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann sich, ohne Beschränkung, insbesondere auf einen Sensor beziehen, welcher eingerichtet ist ein Messobjekt taktil abzutasten. Der Begriff „Antastkörper“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann sich, ohne Beschränkung, insbesondere auf ein Element des taktilen Sensors beziehen, welches eingerichtet ist, mit einer anzutastenden Oberfläche in Wechselwirkung zu treten. Der Antastkörper kann eingerichtet sein ein Messobjekt mechanisch zu berühren. Beispielsweise kann der Antastkörper eine Oberfläche des Messobjekts berühren, beispielsweise durch Inkontaktbringen der Oberflächen, welches als Antasten oder Abtasten bezeichnet wird. Bei dem In-Wechselwirkung-Treten können sich die Sensoroberfläche und die Oberfläche des Messobjekts berühren. Unter einem „Messobjekt“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein beliebiges zu vermessenden Objekt sein, beispielsweise ein Kalibrierkörper oder ein Werkstück.
Der Antastkörper kann grundsätzlich eine beliebige Geometrie aufweisen. Bevorzugt kann der Antastkörper eine Tastkugel sein. Beispielsweise kann der Antastkörper aus Rubin hergestellt sein, insbesondere kann die Tastkugel eine Rubinkugel sein. Alternativ können auch andere Ausgestaltungen denkbar sein. So kann die Tastkugel beispielsweise aus Hartmetall oder Siliziumnitrid hergestellt sein.
Der taktile Sensor kann ein schaltender taktiler Sensor oder ein messender taktiler Sensor sein. Der taktile Sensor kann eingerichtet sein, infolge des In-Wechselwirkung-Tretens des Antastkörpers mit dem Messobjekt mindestens ein Signal zu erzeugen. Das Signal kann eine Messung auslösen. Ein Messwert kann dabei eine Information über einen Antastpunkt aufweisen. Unter einem „Antastpunkt“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Punkt oder ein Ort verstanden werden, an welchem der Tastkörper das Messobjekt angetastet hat. Insbesondere kann der Antastpunkt ein Berührungspunkt sein. Der taktile Sensor kann ein Koordinatensystem aufweisen. Das Koordinatensystem des taktilen Sensors kann beispielsweise ein kartesisches Koordinatensystem oder ein Kugelkoordinatensystem sein. Auch andere Koordinatensysteme sind denkbar. Ein Ursprung oder Nullpunkt des Koordinatensystems kann in einem Zentrum, beispielsweise bei einer Tastkugel als Antastkörper einem Kugelmittelpunkt, sein. Der Antastpunkt kann ein Punkt im Koordinatensystem des taktilen Sensors sein.
Unter einem „Signal“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein beliebiges Signal verstanden werden, welches von dem taktilen Sensor infolge des In-Wechselwirkung-Tretens mit dem Messobjekt erzeugt wird und/oder welches in Reaktion auf das In-Wechselwirkung-Treten mit dem Messobjekt erzeugt wird. Das Signal kann beispielsweise ein elektrisches Signal, ein Stromsignal oder ein Spannungssignal sein. Das Signal kann insbesondere von einer zusätzlichen Sensorik, welche beispielsweise mit dem Antastkörper verbunden ist erzeugt werden. Der Antastkörper kann an einem Übertragungselement befestigt sein, beispielsweise an einen zylindrischen Schaft. Das Übertragungselement kann mit einem Tastkopf über ein mehrachsiges Lager verbunden sein. Der Tastkopf kann eingerichtet sein, infolge des In-Wechselwirkung-Tretens des Antastkörpers mit dem Messobjekt das mindestens eine Signal zu erzeugen.
Der Begriff „Kalibrieren“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann sich, ohne Beschränkung, insbesondere auf ein Einmessen des taktilen Sensors und/oder ein Bestimmen von Kennzahlen des taktilen Sensors beziehen. Das Kalibrieren kann insbesondere ein Bestimmen eines Tastvektors, mindestens einer charakteristischen, geometrischen Größe des Antastkörpers, einer statischen Nachgiebigkeit des taktilen Sensors und einer dynamischen Nachgiebigkeit des taktilen Sensors umfassen. Das Kalibrieren des taktilen Sensors kann an einem Kalibrierkörper erfolgen. Der Begriff „Kalibrierkörper“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann sich, ohne Beschränkung, insbesondere auf ein Messobjekt beziehen, dessen Geometrie, beispielsweise Form und/oder Größe und/oder Oberflächenbeschaffenheit, und/oder Position, bekannt, insbesondere hochgenau bekannt, ist. Der Kalibrierkörper kann eine Kalibrierkugel mit bekanntem Radius sein. Der Kalibrierkörper kann beispielsweise ein hoch genaues Kugelnormal sein, wobei Abweichungen von einer Kugelform kleiner als 0,2 µm möglich sind. Der Kalibrierkörper kann an einer bekannten Position angeordnet sein.
Der Begriff „Tastvektor“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann sich, ohne Beschränkung, insbesondere auf einen Vektor von dem Ursprung oder Nullpunkt des Koordinatensystems des taktilen Sensors, beispielsweise bei einer Tastkugel als Antastkörper von dem Kugelmittelpunkt, zu dem Antastpunkt im Koordinatensystem des taktilen Sensors beziehen. Der Tastvektor kann eine Information sein und/oder umfassen, an welcher Stelle die Berührung bezüglich eines Referenzpunktes erfolgt ist. Alternativ oder zusätzlich, kann der Tastvektor eine Information über den Vektor eines beliebigen taktilen Sensors, beziehungsweise seines Kugelmittelpunktes, bezüglich des Kugelmittelpunktes des sogenannten Referenztasters sein und/oder umfassen.
Der Begriff „charakteristische, geometrische Größe des Antastkörpers“ wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann sich, ohne Beschränkung, insbesondere auf eine Form und/oder Ausdehnung des Antastkörpers beziehen, insbesondere auf einen Radius der Tastkugel. Eine Kenntnis des Tastkugelradius kann notwendig sein, um bei einer Antastung vom bekannten Mittelpunkt des Antastkörpers auf den Berührpunkt des Antastkörpers und dem Messobjekt zu rückzurechnen bzw. um einen Messwert um den Tastkugelradius zu korrigieren.
Der Begriff „statische Nachgiebigkeit des taktilen Sensors“ wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann sich, ohne Beschränkung, insbesondere auf eine translatorische und rotatorische Verformung des taktilen Sensors auf Grund von eingeleiteten Kräften und/oder Momenten, wie diese bei der Antastung des Messobjekts auftreten, beziehen.
Der Begriff „dynamische Nachgiebigkeit des taktilen Sensors“ wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann sich, ohne Beschränkung, insbesondere auf eine translatorische und rotatorische Verformung des taktilen Sensors auf Grund von linearen und/oder rotatorischen Beschleunigungen, wie diese insbesondere beim Abscannen des Messobjekts auftreten, beziehen.
Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

a) Erzeugen mindestens eines Datensatzes, wobei das Erzeugen ein Abtasten des Kalibrierkörpers umfasst, wobei der Antastkörper entlang mindestens einer Trajektorie entlang einer Oberfläche des Kalibrierkörpers bewegt wird und eine Mehrzahl von Messwerten aufgenommen wird, wobei beim Abtasten Geschwindigkeit und Antastkraft des taktilen Sensors variiert werden,
b) Auswerten des Datensatzes, wobei das Auswerten des Datensatzes ein Bestimmen des Tastvektors, der mindestens einen charakteristischen, geometrischen Größe des Antastkörpers, der statischen Nachgiebigkeit des taktilen Sensors und der dynamischen Nachgiebigkeit des taktilen Sensors umfasst.

Der Begriff „Datensatz“ wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann sich, ohne Beschränkung, insbesondere auf eine Mehrzahl von aufgenommenen Messwerten beziehen.
Schritt a) kann insbesondere ein Scannen, auch Abscannen genannt, der Oberfläche des Kalibrierkörpers umfassen. Der Begriff „Scannen der Oberfläche des Kalibrierkörpers“ wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann sich, ohne Beschränkung, insbesondere auf ein kontinuierliches, berührendes Entlangbewegen des taktilen Sensors an der Oberfläche des Kalibierkörpers beziehen. Während des Scannens können kontinuierlich oder diskontinuierlich Messwerte aufgenommen werden. Der Begriff „Trajektorie“ wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann sich, ohne Beschränkung, insbesondere auf eine Bahn und/oder einen Pfad und/oder einen Weg des taktilen Sensors beziehen, entlang dessen sich der taktile Sensor bewegt. Eine Trajektorie kann aus den Koordinaten von Punkten auf der Kugeloberfläche bestehen. Diese Punkte können dabei beliebige Linien auf der Oberfläche beschreiben oder auch einfache Kreisbögen. Es kann sich um eine zusammenhängende Linie oder auch mehrere einzelne Linien handeln. Die Steuerung des Koordinatenmessgeräts kann diese Punkte enthalten, beispielsweise in einem Datenspeicher, und kann diese der Reihe nach anfahren. Jedem Punkt dieser Linie oder Linien kann zweckmäßig vor der Übergabe in die Steuerung die Radialrichtung als Normalen-Richtung übergeben. Damit kann die Steuerung die Messkraft auf das vorgegebene Niveau und Richtung einregeln.
Der Begriff „Antastkraft“, auch als Messkraft bezeichnet, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann sich, ohne Beschränkung, insbesondere auf eine Radial-Kraft beziehen. Der Begriff „Variieren der Geschwindigkeit und der Antastkraft“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann sich, ohne Beschränkung, insbesondere auf ein Ändern der Geschwindigkeit und der Antastkraft beziehen. Beispielsweise kann der Kalibrierkörper mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten abgescannt werden, welches in einer Variation der wirkenden Beschleunigung resultiert. Das Variieren kann zu vorbestimmten Zeiten erfolgen, beispielsweise unter Verwendung eines Prüf- oder Messprotokolls. Die Messkraft kann dabei von Aktoren, beispielsweise Kraftspulen, eingeregelt werden. Taktile messende Tastköpfe ohne derartige Aktoren enthalten üblicherweise eine Federkinematik. Die Federkennlinien sind bekannt oder können im Arbeitsbereich einfach als linear angesehen werden. Somit kann bei diesen Tastköpfen die Messkraft indirekt über die Auslenkung eingeregelt werden. Das ist hier und im Folgenden als äquivalent zu betrachten. Die Geschwindigkeit kann dabei so variiert werden, dass sich Beschleunigungsvektoren ergeben, welche bei Betrag und Richtung den zulässigen Bereich möglichst gleichmäßig abdecken. Auch die Kraft kann ebenso variiert werden. Ist zum Beispiel eine maximale Messkraft von 1 N und eine minimale von 0,2 N zulässig so kann zum Beispiel die Kalibriermessung mit 0,2 N, 0,6 N und 1 N durchgeführt werden. Damit ergeben sich bei zum Beispiel Halbkugel-förmigem Scanning Bereich Kraftvektoren in allen relevanten Richtungen mit kleiner, mittlerer und großer Messkraft. Auch andere Messkräfte und Variationen sind möglich. Kraft und Geschwindigkeit kann auch während der Scanning Messung einer Linie variiert werden.
Der Begriff „Auswerten des Datensatzes“ wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann sich, ohne Beschränkung, insbesondere auf ein Bestimmen von Kennzahlen des taktilen Sensors aus den Messwerten beziehen. Das Bestimmen des Tastvektors, der charakteristischen, geometrischen Größe des Antastkörpers, der statischen Nachgiebigkeit und der dynamischen Nachgiebigkeit kann insbesondere gleichzeitig erfolgen. Unter „gleichzeitig“ kann verstanden werden, dass die Kennzahlen Tastvektor, charakteristische, geometrische Größe des Antastkörpers, statische Nachgiebigkeit und dynamische Nachgiebigkeit durch Aufnehmen und Auswerten eines einzigen Datensatzes erfolgt. Im Vergleich zu bekannten zweistufige Verfahren, bei welchen zunächst Tastkugelradius, Tastvektor und statische Nachgiebigkeit des taktilen Sensors mit Einzelpunkten, oder mit Scan mit langsamer Geschwindigkeit, und anschließend ein Abscannen und Bestimmen der dynamischen Nachgiebigkeit des taktilen Sensors ermittelt wird, kann die Zeit zur Bestimmung der den taktilen Sensor beschreibenden Koeffizienten deutlich reduziert werden.
Das Auswerten kann ein Bestimmen von korrigierten Messwerten $\vec{P_{k o r}}$
aus den aufgenommenen Messwerten $\vec{P_{r a w}}$
umfassen, wobei sich die korrigierten Messwerte sich folgendermaßen zusammensetzen: $\vec{P_{k o r}} = \vec{P_{r a w}} + M_{s t a t} \vec{F} + M_{d y n} \vec{a},$
wobei $\vec{F}$
die Antastkraft und $\vec{a}$
die Beschleunigung des taktilen Sensors sind und die Matrix M_stat Koeffizienten der statischen Nachgiebigkeit und die Matrix M_dyn Koeffizienten der dynamischen Nachgiebigkeit umfassen. In Vektor- bzw. Matrixschreibweise können die korrigierten Messwerte $\vec{P_{k o r}} = [\begin{matrix} P_{x, i} \\ P_{y, i} \\ P_{z, i} \end{matrix}]$
geschrieben werden als $\begin{array}{l} [\begin{matrix} P_{x, i} \\ P_{y, i} \\ P_{z, i} \end{matrix}] = \vec{P_{r a w}} + [\begin{matrix} M_{s t a t,11} & M_{s t a t,12} & M_{s t a t,13} \\ M_{s t a t,21} & M_{s t a t,22} & M_{s t a t,23} \\ M_{s t a t,31} & M_{s t a t,32} & M_{s t a t,33} \end{matrix}] \vec{F} + [\begin{matrix} M_{d y n,11} & M_{d y n,12} & M_{d y n,13} \\ M_{d y n,21} & M_{d y n,22} & M_{d y n,23} \\ M_{d y n,31} & M_{d y n,32} & M_{d y n,33} \end{matrix}] \vec{a} \\ = [\begin{matrix} P_{r a w x, i} \\ P_{r a w y, i} \\ P_{r a w z, i} \end{matrix}] + [\begin{matrix} \frac{Δ x}{Δ F_{x}} & \frac{Δ x}{Δ F_{y}} & \frac{Δ x}{Δ F_{z}} \\ \frac{Δ y}{Δ F_{x}} & \frac{Δ y}{Δ F_{y}} & \frac{Δ y}{Δ F_{z}} \\ \frac{Δ z}{Δ F_{x}} & \frac{Δ z}{Δ F_{y}} & \frac{Δ z}{Δ F_{z}} \end{matrix}] [\begin{matrix} F_{x, i} \\ F_{y, i} \\ F_{z, i} \end{matrix}] + [\begin{matrix} \frac{Δ x}{Δ a_{x}} & \frac{Δ x}{Δ a_{y}} & \frac{Δ x}{Δ a_{z}} \\ \frac{Δ y}{Δ a_{x}} & \frac{Δ y}{Δ a_{y}} & \frac{Δ y}{Δ a_{z}} \\ \frac{Δ z}{Δ a_{x}} & \frac{Δ z}{Δ a_{y}} & \frac{Δ z}{Δ a_{z}} \end{matrix}] [\begin{matrix} a_{x, i} \\ a_{y, i} \\ a_{z, i} \end{matrix}], \end{array}$
wobei M_statt,11...M_statt,33 zu ermittelnde Koeffizienten der statischen Nachgiebigkeit, F_x...z,i bekannte, vektorielle Antastkräfte des i-ten Antastpunkts, M_dyn,11...M_dyn,33 zu ermittelnde Koeffizienten der dynamischen Nachgiebigkeit und a_x...z,i bekannte, vektorielle Beschleunigungen des i-ten Antastpunkts sind. Die Antastkräfte und Beschleunigungen können gemessen werden und/oder können, beispielsweise von einer Steuerung, vorbestimmt sein.
Das Auswerten kann ein Lösen des folgenden Minimierungsproblems umfassen: $m i n ‖ \sqrt{{(P_{x, i} - T V_{x})}^{2} + {(P_{y, i} - T V_{y})}^{2} {(P_{z, i} - T V_{z})}^{2}} - (R_{T K} + R_{K K}) ‖,$
wobei P_x...z,i um die zu ermittelnden statischen und dynamischen Verbiegungen korrigierten Messpunkte, TV_x...z der zu bestimmende Tastvektor, R_TK ein zu bestimmender Radius des Antastkörpers, R_KK ein bekannter Radius des Kalibrierkörpers ist.
Das so entstandene Lineare Gleichungssystem mit 4+9+9=22 Unbekannten kann bei entsprechender Permutation der Geschwindigkeit und Antastkraft und entsprechend hoher Anzahl von aufgenommenen Messwerten gelöst werden. Die Optimierungsrechnung basiert auf der oben dargestellten „Korrekturfunktion“ $\vec{P_{k o r}} .$
Gleichzeitig gilt Kugelbedingung (1). Radienfehler sind zu minimieren. Das Ergebnis der Korrekturfunktion kann als Eingangsgröße Px,i...z,i in der Kugelfunktion verwendet werden. Das Optimum ist dann gefunden, wenn man die 9 Koeffizienten der ersten 3x3 Matrix zur Korrektur der statischen Verformung, die 9 Koeffizienten der zweiten 3x3 Matrix zur Korrektur der quasi-statischen Verformung bei angenommener konstanter Beschleunigung, die 3 Komponenten des Tastvektors sowie den Radius der Tastkugel so bestimmt hat, dass die Radienfehler nicht weiter verkleinert werden können, im besten Fall also Null werden. Es können dabei auch Freiheitsgrade gesperrt und die entsprechenden Parameter durch Vorgabewerte oder Zwangsbedingungen ersetzt werden. So können die 3x3 Matrizen auch mit jeweils 6 Freiheitsgraden berechnet werden, wenn man symmetrische Matrizen definiert. Gleichzeitig oder alternativ kann der Radius der Tastkugel aus einer vorgelagerten Kalibriermessung, also zum Beispiel aus einem mitgelieferten Kalibrierschein, bekannt sein. Entsprechend kann sich also die Zahl der Freiheitsgrade verringern.
Beim Lösen der Optimierungsaufgabe ergibt sich im realen Fall immer ein Residuum. Das kann sich zum Beispiel dadurch ergeben, dass die Federkennlinien oder die Messkraft Aktoren nicht linear sind. Diese Residuen können mit bekannten Verfahren den Zuständen, insbesondere Kraft und Beschleunigung, zugeordnet und zweckmäßig verarbeitet, zum Beispiel mit einem Tiefpass, gefiltert, und in Fehlertabellen abgelegt werden. Diese Fehlertabellen können mit bekannten Verfahren genauso wie die Matrizen zur Korrektur der linearen Effekte gespeichert, übertragen und beim späteren Messen entsprechend den dann aktuellen Zuständen zur Korrektur verwendet werden. Die Fehlertabellen können dabei eine mehrdimensionale Matrix umfassen, bei der jede Dimension je einer Komponente des Kraftvektors und des Beschleunigungsvektors entspricht. Die Restfehler können auch platzsparend mit Polynomen, Splines oder in den Frequenzraum transformiert gespeichert und entsprechend zur Korrektur verwendet werden. Auch dieses wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Fehlertabelle bezeichnet, der Begriff Korrekturtabelle oder der übliche englische Begriff „error map“ sind hier ebenso als gleichbedeutend anzusehen. Dabei ist darauf zu achten, dass nur der reproduzierbare Anteil dieser Restfehler als Korrekturwerte verwendet werden. Das kann durch wiederholte Kalibriermessungen erreicht werden. Die Residuen können auch zur Ermittlung der Messunsicherheit verwendet werden. Wird eine Korrekturtabelle verwendet so wird für die Ermittlung der Messunsicherheit nur der nicht reproduzierbare Anteil verwendet. Dazu werden diese Restfehler ebenso wie zur Korrektur in Fehlertabellen gespeichert, übertragen und beim Messen entsprechend den aktuellen Zuständen dazu verwendet, den aktuellen Messunsicherheitsbeitrag des verwendeten taktilen Sensors zu Beschreiben. Diese Messunsicherheitsinformation kann entsprechend den üblichen Verfahren als Beitrag zur gesamten Messunsicherheit des Messsystems verwendet werden.
Das Verfahren kann ein Kalibrieren auf mindestens eine weitere Einflussgröße umfassen. Der Begriff „Einflussgröße“ wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann sich, ohne Beschränkung, insbesondere auf eine beliebige physikalische Größe beziehen, welche einen Einfluss auf die Messung und somit den Messwert hat. Die weitere Einflussgröße kann beispielsweise eine Temperatur oder eine Änderung der Beschleunigung, auch als Ruck bezeichnet, sein. Auch andere Einflussgrößen sind jedoch denkbar. In Schritt a) kann die weitere Einflussgröße variiert werden. In Schritt b) kann die weitere Einflussgröße berücksichtigt werden. So kann das Lineare Gleichungssystem durch Effekte wie „Verbiegung durch Ruck“ und/oder Einflüsse durch Temperatur mit verrechnet werden: $\vec{P_{k o r}} = \vec{P_{r a w}} + M_{s t a t} \vec{F} + M_{d y n} \vec{a} + M_{r u c k} \vec{\dot{a}} + \vec{V_{t e m p}} T .$
In Vektor- bzw. Matrixschreibweise können die korrigierten Messwerte $\vec{P_{k o r}} = [\begin{matrix} P_{x, i} \\ P_{y, i} \\ P_{z, i} \end{matrix}]$
geschrieben werden als $\begin{array}{l} [\begin{matrix} P_{x, i} \\ P_{y, i} \\ P_{z, i} \end{matrix}] = \vec{P_{r a w}} + [\begin{matrix} M_{s t a t,11} & M_{s t a t,12} & M_{s t a t,13} \\ M_{s t a t,21} & M_{s t a t,22} & M_{s t a t,23} \\ M_{s t a t,31} & M_{s t a t,32} & M_{s t a t,33} \end{matrix}] \vec{F} + [\begin{matrix} M_{d y n,11} & M_{d y n,12} & M_{d y n,13} \\ M_{d y n,21} & M_{d y n,22} & M_{d y n,23} \\ M_{d y n,31} & M_{d y n,32} & M_{d y n,33} \end{matrix}] \vec{a} \\ + [\begin{matrix} M_{r u c k,11} & M_{r u c k,12} & M_{r u c k,13} \\ M_{r u c k,21} & M_{r u c k,22} & M_{r u c k,23} \\ M_{r u c k,31} & M_{r u c k,32} & M_{r u c k,33} \end{matrix}] \vec{\dot{a}} + [\begin{matrix} V_{t e m p, x} \\ V_{t e m p, y} \\ V_{t e m p, z} \end{matrix}] T \\ = [\begin{matrix} P_{r a w x, i} \\ P_{r a w y, i} \\ P_{r a w z, i} \end{matrix}] + [\begin{matrix} \frac{Δ x}{Δ F_{x}} & \frac{Δ x}{Δ F_{y}} & \frac{Δ x}{Δ F_{z}} \\ \frac{Δ y}{Δ F_{x}} & \frac{Δ y}{Δ F_{y}} & \frac{Δ y}{Δ F_{z}} \\ \frac{Δ z}{Δ F_{x}} & \frac{Δ z}{Δ F_{y}} & \frac{Δ z}{Δ F_{z}} \end{matrix}] [\begin{matrix} F_{x, i} \\ F_{y, i} \\ F_{z, i} \end{matrix}] + [\begin{matrix} \frac{Δ x}{Δ a_{x}} & \frac{Δ x}{Δ a_{y}} & \frac{Δ x}{Δ a_{z}} \\ \frac{Δ y}{Δ a_{x}} & \frac{Δ y}{Δ a_{y}} & \frac{Δ y}{Δ a_{z}} \\ \frac{Δ z}{Δ a_{x}} & \frac{Δ z}{Δ a_{y}} & \frac{Δ z}{Δ a_{z}} \end{matrix}] [\begin{matrix} a_{x, i} \\ a_{y, i} \\ a_{z, i} \end{matrix}] + [\begin{matrix} \frac{Δ x}{Δ {\dot{a}}_{x}} & \frac{Δ x}{Δ {\dot{a}}_{y}} & \frac{Δ x}{Δ {\dot{a}}_{z}} \\ \frac{Δ y}{Δ {\dot{a}}_{x}} & \frac{Δ y}{Δ {\dot{a}}_{y}} & \frac{Δ y}{Δ {\dot{a}}_{z}} \\ \frac{Δ z}{Δ {\dot{a}}_{x}} & \frac{Δ z}{Δ {\dot{a}}_{y}} & \frac{Δ z}{Δ {\dot{a}}_{z}} \end{matrix}] [\begin{matrix} {\dot{a}}_{x, i} \\ {\dot{a}}_{y, i} \\ {\dot{a}}_{z, i} \end{matrix}] + \\ [\begin{matrix} \frac{Δ x}{Δ T} \\ \frac{Δ y}{Δ T} \\ \frac{Δ z}{Δ T} \end{matrix}] T, \end{array}$
wobei M_ruck,11...M_ruck,33 zu ermittelnde Koeffizienten des Effektes „Verbiegung durch Ruck“, a_x...z,i bekannte Änderungen der Beschleunigungen des i-ten Antastpunkts, T bekannte Temperaturwerte, und V_temp,x...z zu ermittelnde vektorielle Einflüsse durch die Temperatur sind. Die Änderung der Beschleunigung und Temperatur können gemessen werden und/oder können, beispielsweise von einer Steuerung, vorbestimmt sein.
Ferner wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Computerprogramm vorgeschlagen, das bei Ablauf auf einem Computer oder Computer-Netzwerk das erfindungsgemäße Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen ausführt.
Weiterhin wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln vorgeschlagen, um das erfindungsgemäße Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer oder Computer-Netzwerk ausgeführt wird. Insbesondere können die Programmcode-Mittel auf einem computerlesbaren Datenträger und/oder einem computerlesbaren Speichermedium gespeichert sein.
Der Begriffe „computerlesbarer Datenträger“ und „computerlesbares Speichermedium“, wie sie hier verwendet werden, können sich insbesondere auf nicht-transitorische Datenspeicher beziehen, beispielsweise ein Hardware-Datenspeichermedium, auf welchem computer-ausführbare Instruktionen gespeichert sind. Der computerlesbare Datenträger oder das computerlesbare Speichermedium können insbesondere ein Speichermedium wie ein Random-Access Memory (RAM) und/oder ein Read-Only Memory (ROM) sein oder umfassen.
Außerdem wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Datenträger vorgeschlagen, auf dem eine Datenstruktur gespeichert ist, die nach einem Laden in einen Arbeits- und/oder Hauptspeicher eines Computers oder Computer-Netzwerkes das erfindungsgemäße Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen ausführen kann.
Auch wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Computerprogramm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode-Mitteln vorgeschlagen, um das erfindungsgemäße Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer oder Computer-Netzwerk ausgeführt wird.
Dabei wird unter einem Computer-Programmprodukt das Programm als handelbares Produkt verstanden. Es kann grundsätzlich in beliebiger Form vorliegen, so zum Beispiel auf Papier oder einem computerlesbaren Datenträger und kann insbesondere über ein Daten-übertragungsnetz verteilt werden.
Schließlich wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein moduliertes Datensignal vorgeschlagen, welches von einem Computersystem oder Computernetzwerk ausführbare Instruktionen zum Ausführen eines Verfahrens nach einer der beschriebenen Ausführungsformen enthält.
Im Hinblick auf die computer-implementierten Aspekte der Erfindung können einer, mehrere oder sogar alle Verfahrensschritte des Verfahrens gemäß einer oder mehreren der hier vorgeschlagenen Ausgestaltungen mittels eines Computers oder Computer-Netzwerks durchgeführt werden. Somit können, allgemein, jegliche der Verfahrensschritte, einschließlich der Bereitstellung und/oder Manipulation von Daten mittels eines Computers oder Computer-Netzwerks durchgeführt werden. Allgemein können diese Schritte jegliche der Verfahrensschritte umfassen, ausgenommen der Schritte, welche manuelle Arbeit erfordern, beispielsweise das Bereitstellen von Messobjekten und/oder bestimmte Aspekte der Durchführung tatsächlicher Messungen.
In einem weiteren Aspekt wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Koordinatenmessgerät zum Vermessen mindestens eines Werkstücks vorgeschlagen.
Der Begriff „Werkstück“ wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann sich, ohne Beschränkung, insbesondere auf ein beliebiges Objekt beziehen. Das Werkstück, insbesondere eine Oberfläche des Werkstücks, kann starke Krümmungen, d.h. kleine Radien bis hin zu scharfen Kanten, aufweisen. Das Werkstück kann eine Freiformfläche sein. Beispielsweise kann das Werkstück eine Turbinenschaufel an einem Schaufelrad sein. Auch andere Werkstücke sind jedoch denkbar.
Der Begriff „Koordinatenmessgerät“ wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann sich, ohne Beschränkung, insbesondere auf eine Vorrichtung zur Bestimmung mindestens einer Koordinate des Werkstücks beziehen. Das Koordinatenmessgerät kann ein Portalmessgerät oder ein Brückenmessgerät sein. Das Koordinatenmessgerät kann einen Messtisch zur Auflage mindestens eines zu vermessenden Werkstücks aufweisen. Das Koordinatenmessgerät kann mindestens ein Portal aufweisen, welches mindestens eine erste vertikale Säule, mindestens eine zweite vertikale Säule und eine die erste vertikale Säule und die zweite vertikale Säule verbindende Traverse aufweist. Mindestens eine vertikale Säule ausgewählt aus der ersten und zweiten vertikalen Säule kann auf dem Messtisch beweglich gelagert sein. Die horizontale Richtung kann eine Richtung entlang einer y-Achse sein. Das Koordinatenmessgerät kann ein Koordinatensystem, beispielsweise ein kartesisches Koordinatensystem oder ein Kugelkoordinatensystem, aufweisen. Auch andere Koordinatensysteme sind denkbar. Ein Ursprung oder Nullpunkt des Koordinatensystems kann beispielsweise durch einen Sensor des Koordinatenmessgeräts, insbesondere dem erfindungsgemäßen taktilen Sensor, gegeben sein. Eine x-Achse kann senkrecht zur y-Achse, in einer Ebene der Auflagefläche des Messtischs verlaufen. Senkrecht zu der Ebene der Auflagefläche, in eine vertikale Richtung, kann sich eine z-Achse, auch longitudinale Achse genannt, erstrecken. Die vertikalen Säulen können sich entlang der z-Achse erstrecken. Die Traverse kann sich entlang der x-Achse erstrecken. Das Koordinatenmessgerät kann mindestens einen Messschlitten aufweisen, welcher entlang der Traverse beweglich gelagert ist. Unter einem „Messschlitten“ kann allgemein ein Schlitten verstanden werden, welcher eingerichtet ist, direkt oder mittels weiterer Bauteile mindestens einer Sensorvorrichtung aufzunehmen. In dem Messschlitten kann eine in eine vertikale Richtung, beispielsweise entlang der z-Achse, bewegliche Pinole gelagert sein. An einem unteren Ende, insbesondere einem in Richtung Auflagefläche zeigenden Ende, der Pinole kann beispielsweise der taktile Sensor angeordnet sein. Das Koordinatenmessgerät weist den mindestens einen taktilen Sensor mit dem mindestens einen Antastkörper auf. Der taktile Sensor kann austauschbar mit dem Koordinatenmessgerät verbunden sein. Das Koordinatenmessgerät weist mindestens einen Kalibrierkörper auf.
Hinsichtlich Definitionen und Ausgestaltung der Komponenten des Koordinatenmessgeräts wie taktiler Sensor und Kalibrierkörpers kann auf die Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen werden.
Das Koordinatenmessgerät weist mindestens eine Steuerung auf. Die Steuerung ist eingerichtet den Antastkörper entlang mindestens einer Trajektorie entlang einer Oberfläche des Kalibrierkörpers zu bewegen und eine Mehrzahl von Messwerten aufzunehmen. Die Steuerung ist eingerichtet beim Abtasten Geschwindigkeit und Antastkraft des taktilen Sensors zu variieren.
Die Steuerung kann mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung umfassen, beispielsweise mindestens einen Computer oder Mikrocontroller. Die Datenverarbeitungsvorrichtung kann einen oder mehrere flüchtige und/oder nichtflüchtige Datenspeicher aufweisen, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung beispielsweise programmtechnisch eingerichtet sein kann, um den taktilen Sensor anzusteuern. Die Steuerung kann weiterhin mindestens eine Schnittstelle umfassen, beispielsweise eine elektronische Schnittstelle und/oder eine Mensch-Maschine-Schnittstelle wie beispielsweise eine Eingabe-/Ausgabe-Vorrichtung wie ein Display und/oder eine Tastatur. Beispielsweise können eine oder mehrere elektronische Verbindungen zwischen dem taktilen Sensor und der Steuerung vorgesehen sein. Die Steuerung kann beispielsweise zentral oder auch dezentral aufgebaut sein. Auch andere Ausgestaltungen sind denkbar.
Das Koordinatenmessgerät weist mindestens eine Auswerteeinheit auf, welche eingerichtet ist die aufgenommenen Messwerte auszuwerten. Das Auswerten umfasst ein Bestimmen eines Tastvektors, mindestens einer charakteristischen, geometrischen Größe des Antastkörpers, einer statischen Nachgiebigkeit des taktilen Sensors und einer dynamischen Nachgiebigkeit des taktilen Sensors. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung umfassen, beispielsweise mindestens einen Computer oder Mikrocontroller. Die Datenverarbeitungsvorrichtung kann einen oder mehrere flüchtige und/oder nicht flüchtige Datenspeicher aufweisen, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung beispielsweise programmtechnisch eingerichtet sein kann, um den eine Auswertung durchzuführen. Die Auswerteeinheit kann Teil der Steuerung sein.
Zusammenfassend werden, ohne Beschränkung weiterer möglicher Ausgestaltungen, folgende Ausführungsformen vorgeschlagen:

Ausführungsform 1: Verfahren zum Kalibrieren eines taktilen Sensors mit mindestens einem Antastkörper, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
1. a) Erzeugen mindestens eines Datensatzes, wobei das Erzeugen ein Abtasten eines Kalibrierkörpers umfasst, wobei der Antastkörper entlang mindestens einer Trajektorie entlang einer Oberfläche des Kalibrierkörpers bewegt wird und eine Mehrzahl von Messwerten aufgenommen wird, wobei beim Abtasten Geschwindigkeit und Antastkraft des taktilen Sensors variiert werden,
2. b) Auswerten des Datensatzes, wobei das Auswerten des Datensatzes ein Bestimmen eines Tastvektors, mindestens einer charakteristischen, geometrischen Größe des Antastkörpers, einer statischen Nachgiebigkeit des taktilen Sensors und einer dynamischen Nachgiebigkeit des taktilen Sensors umfasst.
Ausführungsform 2: Verfahren nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei das Bestimmen des Tastvektors, der charakteristischen, geometrischen Größe des Antastkörpers, der statischen Nachgiebigkeit und der dynamischen Nachgiebigkeit gleichzeitig erfolgt.
Ausführungsform 3: Verfahren nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei der Kalibrierkörper eine Kalibrierkugel mit bekanntem Radius ist.
Ausführungsform 4: Verfahren nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei der Antastkörper eine Tastkugel ist.
Ausführungsform 5: Verfahren nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die charakteristische, geometrische Größe des Antastkörpers ein Tastkugelradius ist.
Ausführungsform 6: Verfahren nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das Auswerten ein Bestimmen von korrigierten Messwerten $\vec{P_{k o r}}$
aus den aufgenommenen Messwerten $\vec{P_{r a w}}$
umfasst, wobei $\vec{P_{k o r}} = \vec{P_{r a w}} + M_{s t a t} \vec{F} + M_{d y n} \vec{a},$
wobei $\vec{F}$
die Antastkraft und $\vec{a}$
die Beschleunigung des taktilen Sensors sind und die Matrix M_stat Koeffizienten der statischen Nachgiebigkeit und die Matrix M_dyn Koeffizienten der dynamischen Nachgiebigkeit umfassen.
Ausführungsform 7: Verfahren nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das Auswerten ein Lösen des folgenden Minimierungsproblems umfasst: $m i n ‖ \sqrt{{(P_{x, i} - T V_{x})}^{2} + {(P_{y, i} - T V_{y})}^{2} {(P_{z, i} - T V_{z})}^{2}} - (R_{T K} + R_{K K}) ‖,$
wobei P_x...z,i um die zu ermittelnden statischen und dynamischen Verbiegungen korrigierten Messpunkte, TV_x...z der zu bestimmende Tastvektor, R_TK ein zu bestimmender Radius des Antastkörpers, R_KK ein bekannter Radius des Kalibrierkörpers ist.
Ausführungsform 8: Verfahren nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das Verfahren ein Kalibrieren auf mindestens eine weitere Einflussgröße umfasst, wobei in Schritt a) die weitere Einflussgröße variiert wird, wobei in Schritt b) die weitere Einflussgröße berücksichtigt wird, wobei die weitere Einflussgröße eine Temperatur oder eine Änderung der Beschleunigung ist.
Ausführungsform 9: Computerprogramm, welches bei Ablauf auf einem Computer oder Computer-Netzwerk das Verfahren nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen ausführt.
Ausführungsform 10: Koordinatenmessgerät zum Vermessen mindestens eines Werkstücks, wobei das Koordinatenmessgerät mindestens einen taktilen Sensor mit mindestens einem Antastkörper aufweist, wobei das Koordinatenmessgerät mindestens einen Kalibrierkörper aufweist, wobei das Koordinatenmessgerät mindestens eine Steuerung aufweist, wobei die Steuerung eingerichtet ist den Antastkörper entlang mindestens einer Trajektorie entlang einer Oberfläche des Kalibrierkörpers zu bewegen und eine Mehrzahl von Messwerten aufzunehmen, wobei die Steuerung eingerichtet ist beim Abtasten Geschwindigkeit und Antastkraft des taktilen Sensors zu variieren, wobei das Koordinatenmessgerät mindestens eine Auswerteeinheit aufweist, welche eingerichtet ist die aufgenommenen Messwerte auszuwerten, wobei das Auswerten ein Bestimmen eines Tastvektors, mindestens einer charakteristischen, geometrischen Größe des Antastkörpers, einer statischen Nachgiebigkeit des taktilen Sensors und einer dynamischen Nachgiebigkeit des taktilen Sensors umfasst.

Kurze Beschreibung der Figuren
Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, insbesondere in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Ausführungsbeispiele sind in den Figuren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente.
Im Einzelnen zeigen:

1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens; und
2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Koordinatenmessgeräts.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens 110 zum Kalibrieren eines taktilen Sensors 112 mit mindestens einem Antastkörper 114. Der taktile Sensor 112 kann, wie in 2 gezeigt, Teil eines Koordinatenmessgeräts 116 sein. Der Antastkörper 114 kann eingerichtet sein, mit einer anzutastenden Oberfläche in Wechselwirkung zu treten. Der Antastkörper 114 kann eingerichtet sein ein Messobjekt mechanisch zu berühren. Beispielsweise kann der Antastkörper 114 eine Oberfläche des Messobjekts berühren, beispielsweise durch Inkontaktbringen der Oberflächen, welches als Antasten oder Abtasten bezeichnet wird. Bei dem In-Wechselwirkung-Treten können sich die Sensoroberfläche und die Oberfläche des Messobjekts berühren.
Der Antastkörper 114 kann grundsätzlich eine beliebige Geometrie aufweisen. Bevorzugt kann der Antastkörper 114 eine Tastkugel sein. Beispielsweise kann der Antastkörper 114 aus Rubin hergestellt sein, insbesondere kann die Tastkugel eine Rubinkugel sein. Alternativ können auch andere Ausgestaltungen denkbar sein. So kann die Tastkugel beispielsweise aus Hartmetall oder Siliziumnitrid hergestellt sein.
Der taktile Sensor 112 kann ein schaltender taktiler Sensor oder ein messender taktiler Sensor sein. Der taktile Sensor 112 kann eingerichtet sein, infolge des In-Wechselwirkung-Tretens des Antastkörpers 114 mit dem Messobjekt mindestens ein Signal zu erzeugen. Das Signal kann eine Messung auslösen. Ein Messwert kann dabei eine Information über einen Antastpunkt aufweisen. Insbesondere kann der Antastpunkt ein Berührungspunkt sein. Der taktile Sensor 112 kann ein Koordinatensystem 118 aufweisen. Das Koordinatensystem 118 kann beispielsweise ein kartesisches Koordinatensystem oder ein Kugelkoordinatensystem sein. Auch andere Koordinatensysteme sind denkbar. Ein Ursprung oder Nullpunkt des Koordinatensystems kann in einem Zentrum, beispielsweise bei einer Tastkugel als Antastkörper 114 einem Kugelmittelpunkt, sein. Der Antastpunkt kann ein Punkt im Koordinatensystem des taktilen Sensors 112 sein.
Das Signal kann beispielsweise ein elektrisches Signal, ein Stromsignal oder ein Spannungssignal sein. Das Signal kann insbesondere von einer zusätzlichen Sensorik, welche beispielsweise mit dem Antastkörper 114 verbunden ist, erzeugt werden. Der Antastkörper 114 kann an einem Übertragungselement befestigt sein, beispielsweise an einen zylindrischen Schaft. Das Übertragungselement kann mit einem Tastkopf über ein mehrachsiges Lager verbunden sein. Der Tastkopf kann eingerichtet sein, infolge des In-Wechselwirkung-Tretens des Antastkörpers mit dem Messobjekt das mindestens eine Signal zu erzeugen.
Das Kalibrieren kann ein Einmessen des taktilen Sensors und/oder ein Bestimmen von Kennzahlen des taktilen Sensors 112 umfassen. Das Kalibrieren kann insbesondere ein Bestimmen eines Tastvektors, mindestens einer charakteristischen, geometrischen Größe des Antastkörpers 114, einer statischen Nachgiebigkeit des taktilen Sensors 112 und einer dynamischen Nachgiebigkeit des taktilen Sensors 112 umfassen. Das Kalibrieren des taktilen Sensors 112 kann an einem Kalibrierkörper 120 erfolgen. Der Kalibrierkörper 120 kann ein Messobjekt sein, dessen Geometrie, beispielsweise Form und/oder Größe und/oder Oberflächenbeschaffenheit, und/oder Position, bekannt, insbesondere hochgenau bekannt, ist. Der Kalibrierkörper 120 kann eine Kalibrierkugel mit bekanntem Radius sein. Der Kalibrierkörper 120 kann beispielsweise ein hoch genaues Kugelnormal sein, wobei Abweichungen von einer Kugelform kleiner als 0,2 µm möglich sind. Der Kalibrierkörper 120 kann an einer bekannten Position angeordnet sein.
Der Tastvektor kann ein Vektor von dem Ursprung oder Nullpunkt des Koordinatensystems 118 des taktilen Sensors 112, beispielsweise bei einer Tastkugel als Antastkörper 114 von dem Kugelmittelpunkt, zu dem Antastpunkt im Koordinatensystem des taktilen Sensors 112 sein. Der Tastvektor kann eine Information sein und/oder umfassen, an welcher Stelle die Berührung bezüglich eines Referenzpunktes erfolgt ist. Alternativ oder zusätzlich, kann der Tastvektor eine Information über den Vektor eines beliebigen taktilen Sensors, beziehungsweise seines Kugelmittelpunktes, bezüglich des Kugelmittel-punktes des sogenannten Referenztasters sein und/oder umfassen. Die charakteristische, geometrische Größe des Antastkörpers 114 kann eine Form und/oder Ausdehnung des Antastkörpers 114 sein, insbesondere auf einen Radius der Tastkugel. Eine Kenntnis des Tastkugelradius kann notwendig sein, um bei einer Antastung vom bekannten Mittelpunkt des Antastkörpers 114 auf den Berührpunkt des Antastkörpers 114 und dem Messobjekt zu rückzurechnen bzw. um einen Messwert um den Tastkugelradius zu korrigieren. Die statische Nachgiebigkeit des taktilen Sensors 112 kann eine translatorische und rotatorische Verformung des taktilen Sensors 112 auf Grund von eingeleiteten Kräften und/oder Momenten, wie diese bei der Antastung des Messobjekts auftreten, sein. Die dynamische Nachgiebigkeit des taktilen Sensors 112 kann eine translatorische und rotatorische Verformung des taktilen Sensors 112 auf Grund von linearen und/oder rotatorischen Beschleunigungen, wie diese insbesondere beim Abscannen des Messobjekts auftreten, sein.
Das Verfahren 110 weist die folgenden Schritte auf:

a) Erzeugen mindestens eines Datensatzes (Bezugsziffer 122), wobei das Erzeugen ein Abtasten des Kalibrierkörpers 120 umfasst, wobei der Antastkörper 114 entlang mindestens einer Trajektorie entlang einer Oberfläche des Kalibrierkörpers 120 bewegt wird und eine Mehrzahl von Messwerten aufgenommen wird, wobei beim Abtasten Geschwindigkeit und Antastkraft des taktilen Sensors 114 variiert werden,
b) Auswerten des Datensatzes (Bezugsziffer 124), wobei das Auswerten des Datensatzes ein Bestimmen des Tastvektors, der mindestens einen charakteristischen, geometrischen Größe des Antastkörpers, der statischen Nachgiebigkeit des taktilen Sensors 112 und der dynamischen Nachgiebigkeit des taktilen Sensors 112 umfasst.

Der Datensatz kann eine Mehrzahl von aufgenommenen Messwerten umfassen. Schritt a) kann insbesondere ein Scannen, auch Abscannen genannt, der Oberfläche des Kalibrierkörpers 120 umfassen. Der taktile Sensor 112 kann kontinuierlich und berührend an der Oberfläche des Kalibierkörpers 120 entlang bewegt werden. Während des Scannens können kontinuierlich oder diskontinuierlich Messwerte aufgenommen werden. Die Trajektorie kann eine Bahn und/oder einen Pfad und/oder einen Weg des taktilen Sensors sein, entlang dessen sich der taktile Sensor 112 bewegt. Eine Trajektorie kann aus den Koordinaten von Punkten auf der Kugeloberfläche bestehen. Diese Punkte können dabei beliebige Linien auf der Oberfläche beschreiben oder auch einfache Kreisbögen. Es kann sich um eine zusammenhängende Linie oder auch mehrere einzelne Linien handeln. Die Steuerung 138 kann diese Punkte enthalten, beispielsweise in einem Datenspeicher, und kann diese der Reihe nach anfahren. Jedem Punkt dieser Linie oder Linien kann zweckmäßig vor der Übergabe in die Steuerung 138 die Radialrichtung als Normalen-Richtung übergeben. Damit kann die Steuerung 138 die Messkraft auf das vorgegebene Niveau und Richtung einregeln.
Das Variieren der Geschwindigkeit und der Antastkraft kann ein Ändern der Geschwindigkeit und der Antastkraft umfassen. Beispielsweise kann der Kalibrierkörper120 mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten abgescannt werden, welches in einer Variation der wirkenden Beschleunigung resultiert. Das Variieren kann zu vorbestimmten Zeiten erfolgen, beispielsweise unter Verwendung eines Prüf- oder Messprotokolls. Die Antastkraft kann dabei von Aktoren, beispielsweise Kraftspulen, eingeregelt werden. Taktile messende Tastköpfe ohne derartige Aktoren enthalten üblicherweise eine Federkinematik. Die Federkennlinien sind bekannt oder können im Arbeitsbereich einfach als linear angesehen werden. Somit kann bei diesen Tastköpfen die Messkraft indirekt über die Auslenkung eingeregelt werden. Das ist hier und im Folgenden als äquivalent zu betrachten. Die Geschwindigkeit kann dabei so variiert werden, dass sich Beschleunigungsvektoren ergeben, welche bei Betrag und Richtung den zulässigen Bereich möglichst gleichmäßig abdecken. Auch die Kraft kann ebenso variiert werden. Ist zum Beispiel eine maximale Messkraft von 1 N und eine minimale von 0,2 N zulässig so kann zum Beispiel die Kalibriermessung mit 0,2 N, 0,6 N und 1 N durchgeführt werden. Damit ergeben sich bei zum Beispiel Halbkugel-förmigem Scanning Bereich Kraftvektoren in allen relevanten Richtungen mit kleiner, mittlerer und großer Messkraft. Auch andere Messkräfte und Variationen sind möglich. Kraft und Geschwindigkeit kann auch während der Scanning Messung einer Linie variiert werden.
Das Bestimmen des Tastvektors, der charakteristischen, geometrischen Größe des Antastkörpers, der statischen Nachgiebigkeit und der dynamischen Nachgiebigkeit kann insbesondere gleichzeitig erfolgen. Im Vergleich zu bekannten zweistufige Verfahren, bei welchen zunächst Tastkugelradius, Tastvektor und statische Nachgiebigkeit des taktilen Sensors 112 mit Einzelpunkten, oder mit Scan mit langsamer Geschwindigkeit, und anschließend ein Abscannen und Bestimmen der dynamischen Nachgiebigkeit des taktilen Sensors 112 ermittelt wird, kann die Zeit zur Bestimmung der den taktilen Sensor beschreibenden Koeffizienten deutlich reduziert werden.
Das Auswerten 124 kann ein Bestimmen von korrigierten Messwerten $\vec{P_{k o r}}$
aus den aufgenommenen Messwerten $\vec{P_{r a w}}$
umfassen, wobei sich die korrigierten Messwerte sich folgendermaßen zusammensetzen: $\vec{P_{k o r}} = \vec{P_{r a w}} + M_{s t a t} \vec{F} + M_{d y n} \vec{a},$
wobei $\vec{F}$
die Antastkraft und $\vec{a}$
die Beschleunigung des taktilen Sensors 112 sind und die Matrix M_stat Koeffizienten der statischen Nachgiebigkeit und die Matrix M_dyn Koeffizienten der dynamischen Nachgiebigkeit umfassen. In Vektor- bzw. Matrixschreibweise können die korrigierten Messwerte $\vec{P_{k o r}} = [\begin{matrix} P_{x, i} \\ P_{y, i} \\ P_{z, i} \end{matrix}]$
geschrieben werden als $\begin{array}{l} [\begin{matrix} P_{x, i} \\ P_{y, i} \\ P_{z, i} \end{matrix}] = \vec{P_{r a w}} + [\begin{matrix} M_{s t a t,11} & M_{s t a t,12} & M_{s t a t,13} \\ M_{s t a t,21} & M_{s t a t,22} & M_{s t a t,23} \\ M_{s t a t,31} & M_{s t a t,32} & M_{s t a t,33} \end{matrix}] \vec{F} + [\begin{matrix} M_{d y n,11} & M_{d y n,12} & M_{d y n,13} \\ M_{d y n,21} & M_{d y n,22} & M_{d y n,23} \\ M_{d y n,31} & M_{d y n,32} & M_{d y n,33} \end{matrix}] \vec{a} \\ = [\begin{matrix} P_{r a w x, i} \\ P_{r a w y, i} \\ P_{r a w z, i} \end{matrix}] + [\begin{matrix} \frac{Δ x}{Δ F_{x}} & \frac{Δ x}{Δ F_{y}} & \frac{Δ x}{Δ F_{z}} \\ \frac{Δ y}{Δ F_{x}} & \frac{Δ y}{Δ F_{y}} & \frac{Δ y}{Δ F_{z}} \\ \frac{Δ z}{Δ F_{x}} & \frac{Δ z}{Δ F_{y}} & \frac{Δ z}{Δ F_{z}} \end{matrix}] [\begin{matrix} F_{x, i} \\ F_{y, i} \\ F_{z, i} \end{matrix}] + [\begin{matrix} \frac{Δ x}{Δ a_{x}} & \frac{Δ x}{Δ a_{y}} & \frac{Δ x}{Δ a_{z}} \\ \frac{Δ y}{Δ a_{x}} & \frac{Δ y}{Δ a_{y}} & \frac{Δ y}{Δ a_{z}} \\ \frac{Δ z}{Δ a_{x}} & \frac{Δ z}{Δ a_{y}} & \frac{Δ z}{Δ a_{z}} \end{matrix}] [\begin{matrix} a_{x, i} \\ a_{y, i} \\ a_{z, i} \end{matrix}], \end{array}$
wobei M_statt,11...M_statt,33 zu ermittelnde Koeffizienten der statischen Nachgiebigkeit, F_x...z,i bekannte, vektorielle Antastkräfte des i-ten Antastpunkts, M_dyn,11...M_dyn,33 zu ermittelnde Koeffizienten der dynamischen Nachgiebigkeit und a_x...z,i bekannte, vektorielle Beschleunigungen des i-ten Antastpunkts sind. Die Antastkräfte und Beschleunigungen können gemessen werden und/oder können vorbestimmt sein.
Das Auswerten kann ein Lösen des folgenden Minimierungsproblems umfassen: $m i n ‖ \sqrt{{(P_{x, i} - T V_{x})}^{2} + {(P_{y, i} - T V_{y})}^{2} {(P_{z, i} - T V_{z})}^{2}} - (R_{T K} + R_{K K}) ‖,$
wobei P_x...z,i um die zu ermittelnden statischen und dynamischen Verbiegungen korrigierten Messpunkte, TV_x...z der zu bestimmende Tastvektor, R_TK ein zu bestimmender Radius des Antastkörpers 114, R_KK ein bekannter Radius des Kalibrierkörpers 120 ist.
Das so entstandene Lineare Gleichungssystem mit 4+9+9=22 Unbekannten kann bei entsprechender Permutation der Geschwindigkeit und Antastkraft und entsprechend hoher Anzahl von aufgenommenen Messwerten gelöst werden. Die Optimierungsrechnung basiert auf der oben dargestellten „Korrekturfunktion“ $\vec{P_{k o r}} .$
Gleichzeitig gilt Kugelbedingung (1). Radienfehler sind zu minimieren. Das Ergebnis der Korrekturfunktion kann als Eingangsgröße Px,i..z,i in der Kugelfunktion verwendet werden. Das Optimum ist dann gefunden, wenn man die 9 Koeffizienten der ersten 3x3 Matrix zur Korrektur der statischen Verformung, die 9 Koeffizienten der zweiten 3x3 Matrix zur Korrektur der quasi-statischen Verformung bei angenommener konstanter Beschleunigung, die 3 Komponenten des Tastvektors sowie den Radius der Tastkugel so bestimmt hat, dass die Radienfehler nicht weiter verkleinert werden können, im besten Fall also Null werden. Es können dabei auch Freiheitsgrade gesperrt und die entsprechenden Parameter durch Vorgabewerte oder Zwangsbedingungen ersetzt werden. So können die 3x3 Matrizen auch mit jeweils 6 Freiheitsgraden berechnet werden, wenn man symmetrische Matrizen definiert. Gleichzeitig oder alternativ kann der Radius der Tastkugel aus einer vorgelagerten Kalibriermessung, also zum Beispiel aus einem mitgelieferten Kalibrierschein, bekannt sein. Entsprechend kann sich also die Zahl der Freiheitsgrade verringern.
Das Verfahren kann ein Kalibrieren auf mindestens eine weitere Einflussgröße umfassen. Die weitere Einflussgröße kann beispielsweise eine Temperatur oder eine Änderung der Beschleunigung, auch als Ruck bezeichnet, sein. Auch andere Einflussgrößen sind jedoch denkbar. In Schritt a) 122 kann die weitere Einflussgröße variiert werden. In Schritt b) 124 kann die weitere Einflussgröße berücksichtigt werden. So kann das Lineare Gleichungssystem durch Effekte wie „Verbiegung durch Ruck“ und/oder Einflüsse durch Temperatur mit verrechnet werden: $\vec{P_{k o r}} = \vec{P_{r a w}} + M_{s t a t} \vec{F} + M_{d y n} \vec{a} + M_{r u c k} \vec{\dot{a}} + \vec{V_{t e m p}} T .$
In Vektor- bzw. Matrixschreibweise können die korrigierten Messwerte $\vec{P_{k o r}} = [\begin{matrix} P_{x, i} \\ P_{y, i} \\ P_{z, i} \end{matrix}]$
geschrieben werden als $\begin{array}{l} [\begin{matrix} P_{x, i} \\ P_{y, i} \\ P_{z, i} \end{matrix}] = \vec{P_{r a w}} + [\begin{matrix} M_{s t a t,11} & M_{s t a t,12} & M_{s t a t,13} \\ M_{s t a t,21} & M_{s t a t,22} & M_{s t a t,23} \\ M_{s t a t,31} & M_{s t a t,32} & M_{s t a t,33} \end{matrix}] \vec{F} + [\begin{matrix} M_{d y n,11} & M_{d y n,12} & M_{d y n,13} \\ M_{d y n,21} & M_{d y n,22} & M_{d y n,23} \\ M_{d y n,31} & M_{d y n,32} & M_{d y n,33} \end{matrix}] \vec{a} \\ + [\begin{matrix} M_{r u c k,11} & M_{r u c k,12} & M_{r u c k,13} \\ M_{r u c k,21} & M_{r u c k,22} & M_{r u c k,23} \\ M_{r u c k,31} & M_{r u c k,32} & M_{r u c k,33} \end{matrix}] \vec{\dot{a}} + [\begin{matrix} V_{t e m p, x} \\ V_{t e m p, y} \\ V_{t e m p, z} \end{matrix}] T \\ = [\begin{matrix} P_{r a w x, i} \\ P_{r a w y, i} \\ P_{r a w z, i} \end{matrix}] + [\begin{matrix} \frac{Δ x}{Δ F_{x}} & \frac{Δ x}{Δ F_{y}} & \frac{Δ x}{Δ F_{z}} \\ \frac{Δ y}{Δ F_{x}} & \frac{Δ y}{Δ F_{y}} & \frac{Δ y}{Δ F_{z}} \\ \frac{Δ z}{Δ F_{x}} & \frac{Δ z}{Δ F_{y}} & \frac{Δ z}{Δ F_{z}} \end{matrix}] [\begin{matrix} F_{x, i} \\ F_{y, i} \\ F_{z, i} \end{matrix}] + [\begin{matrix} \frac{Δ x}{Δ a_{x}} & \frac{Δ x}{Δ a_{y}} & \frac{Δ x}{Δ a_{z}} \\ \frac{Δ y}{Δ a_{x}} & \frac{Δ y}{Δ a_{y}} & \frac{Δ y}{Δ a_{z}} \\ \frac{Δ z}{Δ a_{x}} & \frac{Δ z}{Δ a_{y}} & \frac{Δ z}{Δ a_{z}} \end{matrix}] [\begin{matrix} a_{x, i} \\ a_{y, i} \\ a_{z, i} \end{matrix}] + [\begin{matrix} \frac{Δ x}{Δ {\dot{a}}_{x}} & \frac{Δ x}{Δ {\dot{a}}_{y}} & \frac{Δ x}{Δ {\dot{a}}_{z}} \\ \frac{Δ y}{Δ {\dot{a}}_{x}} & \frac{Δ y}{Δ {\dot{a}}_{y}} & \frac{Δ y}{Δ {\dot{a}}_{z}} \\ \frac{Δ z}{Δ {\dot{a}}_{x}} & \frac{Δ z}{Δ {\dot{a}}_{y}} & \frac{Δ z}{Δ {\dot{a}}_{z}} \end{matrix}] [\begin{matrix} {\dot{a}}_{x, i} \\ {\dot{a}}_{y, i} \\ {\dot{a}}_{z, i} \end{matrix}] + \\ [\begin{matrix} \frac{Δ x}{Δ T} \\ \frac{Δ y}{Δ T} \\ \frac{Δ z}{Δ T} \end{matrix}] T, \end{array}$
wobei M_ruck,11...M_ruck,33 zu ermittelnde Koeffizienten des Effektes „Verbiegung durch Ruck“, a_x...z,i bekannte Änderungen der Beschleunigungen des i-ten Antastpunkts, T bekannte Temperaturwerte, und V_temp,x...z zu ermittelnde vektorielle Einflüsse durch die Temperatur sind. Die Änderung der Beschleunigung und Temperatur können gemessen werden und/oder können vorbestimmt sein.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Koordinatenmessgeräts 116. Das Koordinatenmessgerät 116 kann ein Portalmessgerät oder ein Brückenmessgerät sein. Das Koordinatenmessgerät 116 kann einen Messtisch 126 zur Auflage mindestens eines zu vermessenden Werkstücks aufweisen. Das Koordinatenmessgerät 116 kann mindestens ein Portal 128 aufweisen, welches mindestens eine erste vertikale Säule 130, mindestens eine zweite vertikale Säule 132 und eine die erste vertikale Säule 130 und die zweite vertikale Säule 132 verbindende Traverse 134 aufweist. Mindestens eine vertikale Säule 130, 132 ausgewählt aus der ersten und zweiten vertikalen Säule kann auf dem Messtisch 126 beweglich gelagert sein. Die horizontale Richtung kann eine Richtung entlang einer y-Achse sein. Das Koordinatenmessgerät 116 kann ein Koordinatensystem, beispielsweise ein kartesisches Koordinatensystem oder ein Kugelkoordinatensystem, aufweisen. Auch andere Koordinatensysteme sind denkbar. Ein Ursprung oder Nullpunkt des Koordinatensystems kann beispielsweise durch einen Sensor des Koordinatenmessgeräts, insbesondere dem erfindungsgemäßen taktilen Sensor 112, gegeben sein. Eine x-Achse kann senkrecht zur y-Achse, in einer Ebene der Auflagefläche des Messtischs 126 verlaufen. Senkrecht zu der Ebene der Auflagefläche, in eine vertikale Richtung, kann sich eine z-Achse, auch longitudinale Achse genannt, erstrecken. Die vertikalen Säulen 130, 132 können sich entlang der z-Achse erstrecken. Die Traverse 134 kann sich entlang der x-Achse erstrecken. Das Koordinatenmessgerät 116 kann mindestens einen Messschlitten 136 aufweisen, welcher entlang der Traverse 134 beweglich gelagert ist. In dem Messschlitten 136 kann eine in eine vertikale Richtung, beispielsweise entlang der z-Achse, bewegliche Pinole gelagert sein. An einem unteren Ende, insbesondere einem in Richtung Auflagefläche zeigenden Ende, der Pinole kann beispielsweise der taktile Sensor 112 angeordnet sein. Das Koordinatenmessgerät 116 weist den mindestens einen taktilen Sensor 112 mit dem mindestens einen Antastkörper auf. Der taktile Sensor 112 kann austauschbar mit dem Koordinatenmessgerät 116 verbunden sein. Das Koordinatenmessgerät 116 weist den mindestens einen Kalibrierkörper 120 auf.
Das Koordinatenmessgerät 116 weist mindestens eine Steuerung 138 auf. Die Steuerung 138 ist eingerichtet den Antastkörper 114 entlang der mindestens einen Trajektorie entlang der Oberfläche des Kalibrierkörpers 120 zu bewegen und eine Mehrzahl von Messwerten aufzunehmen. Die Steuerung 138 ist eingerichtet beim Abtasten Geschwindigkeit und Antastkraft des taktilen Sensors 112 zu variieren.
Die Steuerung 138 kann mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung umfassen, beispielsweise mindestens einen Computer oder Mikrocontroller. Die Datenverarbeitungsvorrichtung kann einen oder mehrere flüchtige und/oder nichtflüchtige Datenspeicher aufweisen, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung beispielsweise programmtechnisch eingerichtet sein kann, um den taktilen Sensor anzusteuern. Die Steuerung 138 kann weiterhin mindestens eine Schnittstelle umfassen, beispielsweise eine elektronische Schnittstelle und/oder eine Mensch-Maschine-Schnittstelle wie beispielsweise eine Eingabe-/AusgabeVorrichtung wie ein Display und/oder eine Tastatur. Beispielsweise können eine oder mehrere elektronische Verbindungen zwischen dem taktilen Sensor 112 und der Steuerung 138 vorgesehen sein. Die Steuerung 138 kann beispielsweise zentral oder auch dezentral aufgebaut sein. Auch andere Ausgestaltungen sind denkbar.
Das Koordinatenmessgerät 116 weist mindestens eine Auswerteeinheit 140 auf, welche eingerichtet ist die aufgenommenen Messwerte auszuwerten. Das Auswerten umfasst ein Bestimmen eines Tastvektors, mindestens einer charakteristischen, geometrischen Größe des Antastkörpers, einer statischen Nachgiebigkeit des taktilen Sensors und einer dynamischen Nachgiebigkeit des taktilen Sensors 112. Die Auswerteeinheit 140 kann beispielsweise mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung umfassen, beispielsweise mindestens einen Computer oder Mikrocontroller. Die Datenverarbeitungsvorrichtung kann einen oder mehrere flüchtige und/oder nicht flüchtige Datenspeicher aufweisen, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung beispielsweise programmtechnisch eingerichtet sein kann, um eine Auswertung durchzuführen. Die Auswerteeinheit 140 kann Teil der Steuerung 138 sein.
Bezugszeichenliste

110: Verfahren
112: taktiler Sensor
114: Antastkörper
116: Koordinatenmessgerät
118: Koordinatensystem
120: Kalibrierkörper
122: Schritt a)
124: Schritt b)
126: Messtisch
128: Portal
130: erste vertikale Säule
132: zweite vertikale Säule
134: Traverse
136: Messschlitten
138: Steuerung
140: Auswerteeinheit

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

DE 19861469 [0004]
CN 103822603 [0005]
EP 2447665 [0005]
WO 030308375 [0005]
WO 2005/090900 [0005]

Claims

Verfahren (110) zum Kalibrieren eines taktilen Sensors (112) mit mindestens einem Antastkörper (114), wobei das Verfahren (110) die folgenden Schritte aufweist: a) Erzeugen mindestens eines Datensatzes (122), wobei das Erzeugen ein Abtasten eines Kalibrierkörpers (120) umfasst, wobei der Antastkörper (114) entlang mindestens einer Trajektorie entlang einer Oberfläche des Kalibrierkörpers (120) bewegt wird und eine Mehrzahl von Messwerten aufgenommen wird, wobei beim Abtasten Geschwindigkeit und Antastkraft des taktilen Sensors (112) variiert werden, b) Auswerten des Datensatzes (124), wobei das Auswerten des Datensatzes ein Bestimmen eines Tastvektors, mindestens einer charakteristischen, geometrischen Größe des Antastkörpers, einer statischen Nachgiebigkeit des taktilen Sensors (112) und einer dynamischen Nachgiebigkeit des taktilen Sensors (112) umfasst.
Verfahren (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Bestimmen des Tastvektors, der charakteristischen, geometrischen Größe des Antastkörpers, der statischen Nachgiebigkeit und der dynamischen Nachgiebigkeit gleichzeitig erfolgt.
Verfahren (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kalibrierkörper (120) eine Kalibrierkugel mit bekanntem Radius ist.
Verfahren (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Antastkörper (114) eine Tastkugel ist.
Verfahren (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die charakteristische, geometrische Größe des Antastkörpers (114) ein Tastkugelradius ist.
Verfahren (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Auswerten ein Bestimmen von korrigierten Messwerten $\vec{P_{k o r}}$
aus den aufgenommenen Messwerten $\vec{P_{r a w}}$
umfasst, wobei $\vec{P_{k o r}} = \vec{P_{r a w}} + M_{s t a t} \vec{F} + M_{d y n} \vec{a},$
wobei $\vec{F}$
die Antastkraft und $\vec{a}$
die Beschleunigung des taktilen Sensors (112) sind und die Matrix M_stat Koeffizienten der statischen Nachgiebigkeit und die Matrix M_dyn Koeffizienten der dynamischen Nachgiebigkeit umfassen.
Verfahren (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Auswerten ein Lösen des folgenden Minimierungsproblems umfasst: $m i n ‖ \sqrt{{(P_{x, i} - T V_{x})}^{2} + {(P_{y, i} - T V_{y})}^{2} {(P_{z, i} - T V_{z})}^{2}} - (R_{T K} + R_{K K}) ‖,$
wobei P_x...z,i um die zu ermittelnden statischen und dynamischen Verbiegungen korrigierten Messpunkte, TV_x...z der zu bestimmende Tastvektor, R_TK ein zu bestimmender Radius des Antastkörpers (114), R_KK ein bekannter Radius des Kalibrierkörpers ist.
Verfahren (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren ein Kalibrieren auf mindestens eine weitere Einflussgröße umfasst, wobei in Schritt a) (122) die weitere Einflussgröße variiert wird, wobei in Schritt b) (124) die weitere Einflussgröße berücksichtigt wird, wobei die weitere Einflussgröße eine Temperatur oder eine Änderung der Beschleunigung ist.
Computerprogramm, welches bei Ablauf auf einem Computer oder Computer-Netzwerk das Verfahren (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausführt.
Koordinatenmessgerät (116) zum Vermessen mindestens eines Werkstücks, wobei das Koordinatenmessgerät (116) mindestens einen taktilen Sensor (112) mit mindestens einem Antastkörper (114) aufweist, wobei das Koordinatenmessgerät (116) mindestens einen Kalibrierkörper (120) aufweist, wobei das Koordinatenmessgerät (116) mindestens eine Steuerung (138) aufweist, wobei die Steuerung (138) eingerichtet ist den Antastkörper (114) entlang mindestens einer Trajektorie entlang einer Oberfläche des Kalibrierkörpers (120) zu bewegen und eine Mehrzahl von Messwerten aufzunehmen, wobei die Steuerung (138) eingerichtet ist beim Abtasten Geschwindigkeit und Antastkraft des taktilen Sensors (112) zu variieren, wobei das Koordinatenmessgerät (116) mindestens eine Auswerteeinheit (140) aufweist, welche eingerichtet ist die aufgenommenen Messwerte auszuwerten, wobei das Auswerten ein Bestimmen eines Tastvektors, mindestens einer charakteristischen, geometrischen Größe des Antastkörpers, einer statischen Nachgiebigkeit des taktilen Sensors (112) und einer dynamischen Nachgiebigkeit des taktilen Sensors (112) umfasst.