DE10319711B4

DE10319711B4 - Verfahren zur hochgenauen dimensionalen Messung an Messobjekten

Info

Publication number: DE10319711B4
Application number: DE2003119711
Authority: DE
Inventors: Frank Dr. Härtig; Karin Kniel
Original assignee: Bundesrepublik Deutschland; Bundesministerium fuer Wirtschaft und Technologie
Current assignee: Bundesrepublik Deutschland; Bundesministerium fuer Wirtschaft und Technologie
Priority date: 2003-05-02
Filing date: 2003-05-02
Publication date: 2006-08-17
Anticipated expiration: 2023-05-03
Also published as: DE10319711A1

Abstract

Verfahren zur hochgenauen dimensionalen Messung von mindestens zwei Messpunkten auf einer durch diese Punkte festgelegten Messachse an einem Messobjekt, bei dem
a) das Messobjekt mittels einer Zustellvorrichtung bei der Messung jedes Messpunktes so zugestellt wird, dass ein Taster den jeweiligen Messpunkt aufnehmen kann, wobei der Taster einen Messreflektor eines Längenmesssystems trägt, welches entlang einer Messachse des Längenmesssystems misst,
b) das Messobjekt mittels der Zustellvorrichtung nach erfolgter Aufnahme eines Messpunktes auf der Messachse des Messobjekts so aus der bestehenden Zustellposition herausbewegt wird, dass der Taster mit dem Messreflektor des Längenmesssystems mittels einer Verschiebeeinrichtung ohne Signalverlust in eine Tastermessposition zur Aufnahme eines weiteren Messpunktes auf der Messachse des Messobjekts gefahren werden kann,
c) der Taster ohne Signalverlust in die Tastermessposition zur Aufnahme des weiteren Messpunktes gefahren wird,
d) die Messachse des Messobjekts auf der Zustellvorrichtung und die Messachse des Längenmesssystems durch ein zusätzliches Messgerät zu Justagezwecken ermittelt und/oder...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur hochgenauen dimensionalen Messung an Messobjekten mit interferometrischer Genauigkeit.
Längenmesssysteme, wie Laserinterferometer, werden heute oft zur hochgenauen Messung in Forschung und Industrie eingesetzt. Dimensionale Längenmessungen mit interferometrischer Genauigkeit erfolgen in der Regel mit speziellen, auf die Messaufgabe zugeschnittenen Messeinrichtungen. Um Abbé-nahe Antastungen zu realisieren und gleichzeitig einen Signalverlust durch die Unterbrechung des Messstrahls zu vermeiden, sind Messgeräte mit aufwendigen Kinematiken entwickelt worden. Verfahren, die eine interferometrische Messung auf Koordinatenmessgeräten ermöglichen, sind dadurch gekennzeichnet, dass das Messobjekt während der Messung fest auf dem Maschinenbett des Koordinatenmessgerätes ruht. Der Messstrahl ist dabei aufwendig parallel zu einer Achse des Koordinatenmessgerätes auszurichten. Um die einzelnen Messpunkte anzufahren, wird der Taster über das Messobjekt bewegt. Dies erfordert Messreflektoren, wie Planspiegel, um eine Strahlunterbrechung während der Messung zu vermeiden.

In der DE 21 43 655 B ist ein Verschiebungskomparator mit Laserinterferometer für die Messung von Innen- und Außenmaßen beschrieben. Der Komparator besteht aus zwei zueinander beweglichen Hauptkomponenten, wobei die eine Komponente aus Messreflektor und Messobjekt besteht und die andere aus Taster und optischen Elementen. Für die Antastung der Mess punkte ohne Signalverlust wird das Messobjekt mit dem Messreflektor um dessen Nullpunkt gekippt. Die DE 21 43 655 A beschreibt eine aufwendige Messappatur mit großem Justageaufwand für die interferometrische Längenmessung von Messobjekten. Durch die Mitverkippung des Messspiegels mit seinem begrenzten Reflexionsbereich sowie durch die Größe der gesamten Apparatur ist die Größe der Messobjekte stark eingeschränkt. Die kinematische Trennung von Taster und Reflektor bedingt auch eine von der Größe der Messobjekte abhängige Baugröße der Längenmesseinrichtung.

In der DE 31 24 357 C2 wird eine interferometrische Längenmesseinrichtung beschrieben, bei der der Messreflektor sich am Messtaster befindet. Dieses Verfahren ist auch an Koordinatenmessgeräten einsetzbar. Der Messreflektor ist hier als Planspiegel ausgebildet. Zur Einhaltung des Abbé-Prinzips und zur Kompensation von Kippbewegungen erfolgt die Reflexion des Messstrahls beidseitig und in der Höhe der Antastkugel an zwei Planspiegeln. Dieses Verfahren setzt daher die Integration einer massigen Spiegelvorrichtung zur Anbringung an die Pinole eines Koordinatenmessgerätes voraus. Die Verwendung von Planspiegeln als Reflektoren ist jedoch stets mit einem hohen Justageaufwand verbunden.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Entwicklung eines allgemeinen Verfahrens zur hochgenauen Messung von dimensionalen Größen, das mit geringem Justageaufwand und einfachen Mitteln auskommt.

Die obige Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Insbesondere wird ein Verfahren zur hochgenauen dimensionalen Messung mittels eines Laserinterferometers und der Zustellung des Messobjektes durch einen Drehtisch vorgeschlagen.

Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der Zeichnung. Es zeigt:
1 eine vorschlagsgemäße Kalibrierung eines Endmaßes;
2 eine vorschlagsgemäße Messung, insbesondere Durchmesserbestimmung, an Kugeln und
3 eine vorschlagsgemäße Messung, insbesondere Durchmesserbestimmung, an Ringen und Dornen.
In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Teile die selben Bezugszeichen verwendet, wobei entsprechende oder vergleichbare Vorteile erreicht werden, auch wenn eine wiederholte Beschreibung weggelassen ist.
Erfindungsgemäß wird jeder Messpunkt (7) eines Messobjektes (6, 13, 14) mittels eines Drehtisches (1) in die Messachse (9) eines Längenmesssystems (2) (Laserstrahl) gedreht, so dass die Messung aller Messpunkte (7) mit dem Längenmesssystem (2) ohne Signalunterbrechung möglich ist. Als Längenmesssystem eignet sich beispielsweise ein Laserinterferometer.
Die Distanz zwischen den einzelnen Messpunkten (7) wird durch das Laserinterferometersignal bestimmt. Hierzu wird ein Reflektor (5) möglichst Abbé-nah an die Antastkugel eines Taststiftes (4) angebracht. Der Taststift (4) kann mittels einer Verschiebeeinrichtung (3), wie einem Koordinatenmessgerät, einachsig verschoben werden.
Als Voraussetzung für das Verfahren müssen die Messachse (9) des Längenmesssystems (2) (Laserstrahl), die Verschiebeachse (10) des Verschiebegestells (3) und die Messachse (11) des Messobjektes (6, 13, 14) möglichst genau in einer Ebene, der Messebene (12), liegen. Hierbei ist die Messachse (11) des Messobjekts (6, 13, 14) die Achse, auf der die eindimensionalen Maße des Messobjekts definiert sind. Bei Messungen wie bei einem Endmaß liegen zwei Messpunkte auf einer Messachse, bei Messungen wie bei einem Stufenendmaß liegen mehrere Messpunkte auf einer Messachse. Zwei- oder dreidimensionale Messobjekte wie Kugeln können mehrere Messachsen aufweisen. Wesentlich ist hierbei, dass die Messachse, in der gemessen werden soll, in die Messebene (12) gedreht wird. Dies kann durch eine einfache Einmessung erfolgen. Dabei ist zu beachten, dass die Messachse (9) des Lasermesssystems (2) (Laserstrahl) durch die Drehachse (8) des Drehtisches (1) verläuft. Dies ist beispielsweise dadurch zu erreichen, dass der Reflektor (5) am Taster (4) des Koordinatenmessgerätes (3) über die Drehachse (8) des Drehtisches (1) positioniert wird und mit Hilfe eines Oszilloskopes die Intensität des empfangenen interferometrischen Signals beobachtet wird. Durch leichtes Verschieben des Interferometers (2) kann die Messachse (9) des Längenmesssystems (2) (Laserstrahl) so lange verändert werden, bis am Oszilloskop eine maximale Intensität zu erkennen ist. Auf diese Weise lässt sich anschließend auch die Messachse (9) des Längenmesssystems (2) (Laserstrahl) aus der Richtung des Laserstrahls im Messvolumen ermitteln. Dafür werden weitere Punkte höchster Intensität auf dem justierten Laserstrahl gesucht und mit dem Koordinatenmessgerät (3) gemessen. Ist die Messachse (9) des Längenmessystems (2) (Laserstrahl) aus der Laserrichtung bekannt, kann das Messobjekt (6, 13, 14) auf dem Drehtisch (1) durch Drehung des Drehtisches (1) parallel zur Messachse (9) des Längenmesssystems (2) (Laserstrahl) ausgerichtet werden. Die Verschiebeachse (10), die ebenso möglichst nah in der Messebene (12) liegen sollte, kann entsprechend der Messachse (9) des Längenmesssystems (2) (Laserstrahl) bzw. der Messachse (11) des Messobjkts (6, 13, 14) bei einem Koordinatenmessgerät (3) programmiert werden.
In der Stellung, in der alle drei Achsen (9, 10, 11) in der Messebene (12) liegen, erfolgt die Antastung aller Messpunkte (7) am Messobjekt (6, 13, 14). Die Positionierung des Taststiftes (4) zu den einzelnen Messpositionen (7) er folgt ohne Strahlunterbrechung ebenfalls in der Messebene (12). Um den Taster (4) mit dem Reflektor (5) kollisionsfrei entlang der Messachse (9) des Längenmesssystems (2) (Laserstrahl) bewegen zu können, wird das Messobjekt (6, 13, 14) oder ein Teil des Messobjektes für das Anfahren der einzelnen Messpunkte (7) aus der Messebene (12) herausgedreht und für die Messpunktaufnahme anschließend wieder hereingedreht.
Bevorzugte Ausführungsform ist ein in das Koordinatenmessgerät (3) integrierter Drehtisch (1) und ein auf dem Maschinenbett des Koordinatenmessgerätes (3) befestigtes Laserinterferomter (2). Der Messreflektor (5), ein Tripelspiegel, ist in der Nähe des Tastsystems (4) des Koordinatenmessgerätes (3), möglichst nahe der Antastkugel (Abbé-Prinzip), angebracht.
Beispiele für Anwendungsgebiete einer solchen Messanordnung sind:

– Kalibrierung von Endmaßen (6), wobei das Endmaß exzentrisch auf dem Drehtisch (1) positioniert wird (1).
– Kalibrierung von Stufenendmaßen.
– Durchmesserbestimmung an Ringen (14), Dornen (3) und Kugeln (13) (2). Durch exzentrische Positionierung auf den Drehtisch (1) und mehrfache Punktaufnahme an den Polpunkten kann der Durchmesser hochgenau bestimmt werden.

Bezugsnormale, wie Stufenendmaße, erfordern eine sehr hohe Messgenauigkeit. Durch die erfindungsgemäße Lösung kann mit einfachen Mitteln ein hochgenaues Messergebnis erzielt werden. Dazu ist lediglich ein geringer Justageaufwand notwendig. Die Ausrichtung der Messachse des Messobjekts und der Messachse des Längenmessystems zueinander in einer Messebene kann weitgehend automatisiert werden, beispielsweise durch die Nutzung der zusätzlichen Informationen des Koordinatenmessgerätes.
Allgemein zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren durch die einfache Handhabung aus. Außerdem sind die für die Durchführung notwendigen Gerätschaften und Messmittel vielerorts bereits vorhanden und können ohne Weiteres zur Umsetzung dieses Verfahrens angewandt werden.
Die Messung mit Laserinterferometern gewährleistet zudem die direkte Rückführbarkeit von Längenmessungen.

Claims

Verfahren zur hochgenauen dimensionalen Messung von mindestens zwei Messpunkten auf einer durch diese Punkte festgelegten Messachse an einem Messobjekt, bei dem a) das Messobjekt mittels einer Zustellvorrichtung bei der Messung jedes Messpunktes so zugestellt wird, dass ein Taster den jeweiligen Messpunkt aufnehmen kann, wobei der Taster einen Messreflektor eines Längenmesssystems trägt, welches entlang einer Messachse des Längenmesssystems misst, b) das Messobjekt mittels der Zustellvorrichtung nach erfolgter Aufnahme eines Messpunktes auf der Messachse des Messobjekts so aus der bestehenden Zustellposition herausbewegt wird, dass der Taster mit dem Messreflektor des Längenmesssystems mittels einer Verschiebeeinrichtung ohne Signalverlust in eine Tastermessposition zur Aufnahme eines weiteren Messpunktes auf der Messachse des Messobjekts gefahren werden kann, c) der Taster ohne Signalverlust in die Tastermessposition zur Aufnahme des weiteren Messpunktes gefahren wird, d) die Messachse des Messobjekts auf der Zustellvorrichtung und die Messachse des Längenmesssystems durch ein zusätzliches Messgerät zu Justagezwecken ermittelt und/oder durch eine Einstellvorrichtung vorgegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messobjekt durch Antastung von mindestens zwei Punkten eindimensional gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messobjekt durch Änderung seiner relativen Lage zum Längenmesssystem an einer bestimmten Position auf der Zustellvorrichtung und durch Antastung mehrerer Punkte zwei- und/oder dreidimensional gemessen und berechnet werden kann.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Längenmesssystem ein Laserinterferometer verwendet wird, bei dem der Laserstrahl die Messachse des Längenmesssystems bildet, und dass vorzugsweise ein Reflektor wie ein Tripelspiegel eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustelleinrichtung die Positionierung des Messobjektes durch eine Dreh-, Schwenk-, Schiebe- oder Roboterzustellung in die Messachse des Längenmesssystems gewährleistet.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustellvorrichtung derart angesteuert wird, dass die Lage des Messobjektes ermittelbar und einstellbar ist und durch zusätzliche Messungen mit einem geeigneten zusätzlichen Messgerät eine optimale Position der Zustellbewegung für jedes Messobjekt ermittelt werden kann.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Verschiebeeinrichtung ein Koordinatenmessgerät verwendet wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anfahren der Messpunkte auf der gegenüberliegenden Seite des Messobjektes ermöglicht wird.