DE19507806A1

DE19507806A1 - Optimierter zweidimensionaler Prüfkörper für Koordinatenmeßgeräte und Werkzeugmaschinen

Info

Publication number: DE19507806A1
Application number: DE19507806A
Authority: DE
Inventors: Eugen Dr Ing Trapet
Original assignee: Individual
Current assignee: Trapet Eugen Dr-Ing 57537 Wissen De
Priority date: 1995-03-06
Filing date: 1995-03-06
Publication date: 1996-09-12

Description

Kugel- und Lochplatten sind seit langem bekannt als hervorragend geeignete Prüfkörper, um Koordinatenmeßgeräte (KMG) und Werkzeugmaschinen (WZM) pauschal zu beurteilen [1], als auch um deren Abweichungsparameter im einzelnen zu analysieren [2,3]. Die Maßverkörperung besteht dabei aus einem Satz von in ihrer Lage zueinander unveränderlichen Antastelementen (meist Kugeln, Ringen oder Zylindern), die in die Platte durch Klemmung, Verschraubung oder Verklebung eingesetzt sind und die mit ihren Mittelpunkten Punkte in einer Ebene verkörpern. Die Koordinaten dieser Mittelpunkte sind im allgemeinen durch vorherige Kalibrierung der Platte bekannt.

Bei der Abnahme und regelmäßigen Überwachung von KMG und WZM ist die Prüfdauer (Meßdauer) ein kritischer Parameter, da die Prüfung die für eine effektive Gerätenutzung verfügbare Zeit verringert. Obwohl der Einsatz von Kugel- und Lochplatten, also von zweidimensionalen Prüfkörpern, bereits erheblich weniger Meßaufwand erfordert als der von eindimensionalen Prüfkörpern, um den gleichen Informationsgehalt zu erzielen [1, 2, 3], konnten sich Kugel- und Lochplatten bisher noch nicht weltweit durchsetzen. Dies liegt daran, daß die Platten derzeit noch zu teuer sind und die Meßzeiten zwar nicht für eine überschlägige Prüfung auf Einhaltung der Herstellerspezifikationen, wohl aber für eine umfassende Prüfung auch mit zweidimensionellen Prüfkörpern immer noch erheblich sind (im Mittel 8 Stunden). Erst wenn der Meßaufwand bei gleichzeitig sinkendem Preis für diese Prüfkörper noch weiter verringert werden kann, ist mit einer deutlich wachsenden Verbreitung zu rechnen. Bei weltweit etwa 40000 KMG (in 1994) und steigendem Bedarf, insbesondere bei Geräten der unteren Preisklasse, besteht hier ein enormes Marktpotential, da ein zunehmendes Bewußtsein für die Notwendigkeit und die Vorteile einer regelmäßigen Meßmittelüberwachung zu verzeichnen ist. Dieses Bewußtsein ist vor allem der Verpflichtung der nach ISO 9000 zertifizierten Betriebe zur regelmäßigen Meßmittelüberwachung bzw Fertigungsmittelüberwachung zuzuschreiben.

Erfindungsgemäß konnte eine entscheidende Verbesserung durch eine sorgfältige Analyse der aus Prüfkörpernmessungen stammenden Information über gerätespezifische Meßabweichungen erreicht werden, wie sie sich aus den unterschiedlichen Prüfkörperstellungen bei unterschiedlicher Bestückung der Platten mit Antast- Formelementen (bei WZM-Prüfungen entspricht dies zu bearbeitenden Formelementen) ergibt. Bisherige Kugelplatten- und Lochplattendesigns enthielten redundante Anordnungen von Antastelementen, also mehr als zur Prüfung der charakteristischen Meßabweichungen von Geräten mit kartesichen Bewegungsachsen erforderlich sind. Dadurch wurden nicht nur die Herstellkosten höher als unbedingt nötig, auch das Plattengewicht und die Plattenabmessungen waren größer als unbedingt erforderlich. Ebenso fehlte bisher eine wirkliche Optimierung der Meßabläufe.

Erfindungsgemäß werden die Forderungen nach niedrigem Preis und kurzer Meßdauer in Verbindung mit dem; Einsatz von zweidimensionalen Prüfkörpern bei der Prüfung von KMG und WZM erreicht, indem die Anzahl der an den Prüfkörpern eingebrachten Antast- Formelemente auf ein Minimum reduziert wird. Dieses Minimum ist so gewählt, daß der Nachweis, bzw. die eindeutige Bestimmung der charakteristischen Abweichungen von KMG möglich ist. Hierzu ist erfindungsgemäß mindestens je eine mit Antastelementen bestückte "Zeile" und eine "Spalte" erforderlich. Der resultierende Prüfkörper hat dann eine T-förmige, kreuzförmige oder L-förmige Form (siehe Bild 1).

Ähnlich wie in [3] beschrieben, lassen sich mit solchen optimierten zweidimensionalen Prüfkörpern die Abweichungskomponenten von KMG und WZM, die dem Modell "starrer- Körper" genügen, mit sechs Meßdurchläufen bzw Bearbeitungsgängen ermitteln (siehe Bild 2): zwei Messungen parallel zur XY-Ebene des KMG (mit der Platte in unterschiedlichen Abständen zur XY-Ebene), zwei Messungen mit der Platte parallel zur YZ-Ebene (mit unterschiedlichen Taststiftlängen), sowie zwei Messungen parallel zur XZ- Ebene (in unterschiedlichen Abständen zur XZ-Ebene und mit unterschiedlichen Taststiftlängen). Die Notwendigkeit von zwei Plattenstellungen in der xz-Ebene stellt somit den einzigen Unterschied zu den in [3] beschriebenen Anordnungen dar.

Anmerkung

Als X-Achse wird hier die erste Achse in der kinematischen Kette bezeichnet, das ist die Bewegungsachse, die eine gleichzeitige Relativbewegung der Führungen von Y- und Z- Achse im Bezug auf das zu messende Werkstück bewirkt. Als Y-Achse wird die zweite Achse in der kinematischen Kette bezeichnet, das ist die Bewegungsachse, die nur die Führungsbahn der Z-Achse relativ zum zu messenden Werkstück verschiebt. Als Z- Achse wird die letzte Achse in der kinematischen Kette bezeichnet, das ist die Achse, die weder die Führungsbahnen der X- noch die der Y-Achse relativ zum Werkstück verschiebt. Die Z-Achse trägt im allgemeinen den Taster bzw. das Werkzeug.

Als einzige Änderung gegenüber der in [3] beschriebenen Auswertemethode werden hier die Gier- und Nickabweichungen zn:, zry, yrx, yrz, xry und xrz ausschließlich (und nicht "alternativ") aus den Differenzen der achsparallelen Positionsabweichungen bei unterschiedlichem Abstand von der Bezugsachse, dividiert durch die wirksame Hebelarmdifferenzen (eben diese Abstandsunterschiede) ermittelt. Wie bei der in [3] beschriebenen Auswertung sind die ,,Hebelarmdifferenzen" im Falle des Gierens und Nickens der Z-Achse (zrx und zry) und des Gierens der Y-Achse (yrz) die Längenunterschiede der verwendeten Taststifte bei der paarweisen Messung der Platte in jeweils der gleichen Aufstellung aber mit unterschiedlichen Taststiften. Ebenso sind die "Hebelarmdifferenzen" im Falle des Nickens der Y-Achse (yrx) und des Nickens der X- Achse (xry) die Plattenabstände in Z-Richtung (auch wie in [3] beschrieben). Die entsprechenden Auswertealgorithmen sind also für diese fünf Abweichungskomponenten identisch mit denen beim Einsatz von konventionellen Platten (solche mit vollständigem Raster bzw. bei einem Raster mit mindestens einer Spalte und mindestens zwei Zeilen). Zur Berechnung des Gierens der X-Aches (xrz) wird nun aber eine "Hebelarmdifferenz" in Y-Richtung benötigt, was gegenüber der in [3] beschriebenen Methode eine zusätzliche Stellung erforderlich macht: und zwar wird die Platte in zwei zur xz-Ebene parallelen Aufstellungen gemessen, die voneinander einen ausreichenden Abstand (z. B. 500mm) haben (Bild 2, Bild 3). Dieser Abstand ist identisch mit der erforderlichen "Hebelarmdifferenz". Die Gesamtzahl der Meßdurchläufe bleibt wie in [3] nach wie vor sechs.

Die oben beschriebene Plattenkonstruktion erlaubt auch wie in [3] beschrieben, den "Anschluß" mehrerer einzelner Plattenstellungen in einer Ebene zu einer fiktiven größeren Platte, indem die fehlenden Rasterpunkte für jede Teil-Messung zunächst modellgemäß (unter Berücksichtigung von Positions-, Geradheits- und den sich aus den Gier- und Nickabweichungen ergebenden Parallelitätsabweichungen) für jede Meßebenen- Taststiftkombination aufgefüllt werden (Bild 3), und anschließend die einzelnen Teil- Messungen in jeder Meßebene durch Besteinpassung verknüpft werden. Durch die vorliegende Erfindung werden jedoch solche "Improvisationen" weitgehend überflüssig, da der Plattenpreis so niedrig werden kann, daß für jedes Meßvolumen eine angepaßte Platte verfügbar gemacht werden kann (Bild 3).

Die Erfindung erlaubt erstmals, große bis sehr große KMG und WZM mit Kugelplatten bzw. Lochplatten zu prüfen, da die Platten erfindungsgemäß teilbar ausgeführt werden können, wobei lediglich schlanke, leicht transportierbare Elemente entstehen (Grundkörper 1a und 1b in Abb. 1). Eine gut reproduzierbare Kopplung zwischen den Elementen wird durch selbstzentrierende Verbindungselemente (3), z. B. Kugelelemente (3a) oder Paßbolzen bzw Spreizdübel (3e) erreicht. Eine besonders gute Stabilität und Reproduzierbarkeit wird durch das Einfügen einer Diagonalversteifung (4) möglich. Die Verspannung der Kugelelemente oder der Spreizdübel mit den Plattenteilen wird dabei sinnvollerweise durch eine definierte Kraft erreicht, die z. B. mit Muttern (3c) und Bolzen (3b) erzeugt wird und z. B. durch Federringe (3d) begrenzt/definiert wird. Insbesondere im Falle von Spreizdübeln ist dabei aber darauf zu achten, daß durch die spreizende Kraft lediglich eine vernachlässigbar kleine oder eine ausreichend reproduzierbare relative Verlagerung der Antast-Formelemente erfolgt und die Spreizdübel sich genau symmetrisch unter Beibehaltung ihrer Form ausdehnen. Eine Kombination von Zonen mit Dehn- und Stauchbeanspruchung innerhalb der Grundkörper (1a und 1b) und der Diagonalversteifung (4) ist sinnvoll, um solche Verlagerungen zu kompensieren.

Die Kalibrierwerte bleiben bei der erfindungsgemäßen Ausführung auch bei wiederholter Demontage und Montage erhalten. Es besteht aber auch die Möglichkeit, auf eine reproduzierbare Montage zu verzichten und diese durch Messung benachbarter, auf unterschiedlichen Plattensegmenten liegender Referenzmarken zu ersetzen. So ist die Korrektur einer eventuell nur groben relativen Positionierung der Plattensegmente möglich. Die Referenzmarken können entweder Antastelemente des Rasters selbst sein oder spezielle, nur der rechnerischen Korrektur der relativen Positionierung der Plattensegmente dienende Antast-Formelemente. Es ist auch möglich, durch Umschlagmessung der Platte eine Ermittlung der durch die wiederholte Montage bedingten Korrekturwerte für die Kalibriertabelle zu erhalten. Hierzu ist mindestens eine zusätzliche Plattenstellung erforderlich.

Um die Plattengrößen kostenoptimal an verschiedene Meß- oder Arbeitsvolumina, bzw. an die unterschiedlichen Meß- oder Arbeitsraumquerschnitte eines einzigen Gerätes anzupassen, ist es möglich, mehrere Zeilensegmente mit dem gleichen Spaltensegment oder mehrere Spaltensegmente mit dem gleichen Zeilensegment zu kombinieren. Die Beschaffung bzw. Lagerhaltung von Platten für z. B. 25 unterschiedliche KMG-Größen würde sich so von über 25 vollständigen Platten auf nur 10 unterschiedliche eindimensionale Segmente reduzieren. Eine besonders große Flexibilität und minimale Kosten ergeben sich, wenn die Konstruktion es zuläßt, daß man auch Spaltensegmente als Zeilensegmente und umgekehrt verwenden kann. In diesem Fall ist eine weitere Reduktion der Segmenttypen möglich. Die Ausführung der Plattensegmente kann auf alle bekannten Arten erfolgen.

Werkzeugmaschinen können durch die Bearbeitung von Prüfkörpern auf ihre Fertigungsgenauigkeit hin untersucht werden, indem die Antast-Formelemente bearbeitet werden und eine nachfolgende Messung auf einem Koordinatenmeßgerät oder auf einer Werkzeugmaschine die Abweichungen von den Sollkoordinaten der Antast-Formelemente ermittelt. Insbesondere ist es möglich, diese Messung auch auf weniger genauen Geräten durchzuführen, wenn ein Umschlags-Meßverfahren angewendet wird wie es z. B. in [4] beschrieben wird.

Literatur

[1] Wäldele, F.: Überwachung von Kordinatenmeßgeräten mit Prüfkörpern. In: Koordinatenmeßtechnik, expert-Verlag, 426, 1993, pp. 90-110
[2] Kunzmann, H., Trapet, E., Wäldele, F.: Concept for the Traceability of Measurements with Coordinate Measuring Machines, Proceedings of the 7^th International Precision Engineering Seminar, Kobe (Japan), Springer 1993, pp. 40-52
[3] Trapet, E., Wäldele, F.: A Reference Artefact-Based Method to Determine the Parametric Error Components of Coordinate Measuring Machines and Machine Tools, In: Measurement 9 (1991), pp. 17-22
[4] Trapet, E., Wäldele, F.: Patentanmeldung DE 40 06 835 A1 (1990): Verfahren zur Kalibrierung von zweidimensionalen Prüfkörpern mit Elimination systematischer Fehler des Meßgeräts
[5] VDI/VDE 2617, Blatt 3 und Blatt 5

Claims

1 Prüfkörper zur Prüfung von Koordinatenmeßgeräten und Werkzeugmaschinen, bestehend aus einer Platte mit einem unvollständigen Raster von Antastelementen, gekennzeichnet dadurch, daß das Raster lediglich aus zueinander eng benachbarten Zeilen (X-Richtung) und zueinander eng benachbarten Spalten (Y-Richtung) besteht.

2 Prüfkörper nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß mehrere Zeilen und eine Spalte bestückt sind.

3 Prüfkörper nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß mehrere Spalten und eine Zeile bestückt sind.

4 Prüfkörper nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß genau eine Spalte und eine Zeile bestückt sind.

5 Prüfkörper nach Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß das kalibrierte Prüfkörper in Segmente zerlegt werden kann, die wieder reproduzierbar zusammengefügt werden können, ohne daß die Kalibrierung wiederholt werden muß.

6 Prüfkörper nach Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß die Plattensegmente mittels selbstzentrierender, aus Kugeln und sphärischen Vertiefungen in den Plattensegmenten bestehenden Verbindungselementen wiederholt reproduzierbar verbunden werden.

7 Prüfkörper nach Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß die Plattensegmente mittels spreizbarer Verbindungselemente reproduzierbar verbunden werden.

8 Prüfkörper nach Ansprüchen 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, daß die Plattensegmente mittels Paßbolzen reproduzierbar verbunden werden.

9 Prüfkörper nach Ansprüchen 1 bis 8, gekennzeichnet dadurch, daß die Plattensegmente mittels Bolzen reproduzierbar verbunden werden, wobei ein Segment um eine Bolzenachse schwenkbar ist, so daß Zeilen- und Spaltensegment für Lagerung und Transport zusammengeklappt aber für den Einsatz wieder auseinandergeklappt werden können und dabei die ursprüngliche Kalibrierung der Platte ihre Gültigkeit beibehält.

10 Prüfkörper nach Ansprüchen 1 bis 9, gekennzeichnet dadurch, daß die Plattensegmente nach Messung benachbarter Antastelemente des Rasters rechnerisch miteinander verkoppelt (relativ zueinander orientiert) werden.

11 Prüfkörper nach Ansprüchen 1 bis 9, gekennzeichnet dadurch, daß die Plattensegmente nach Messung benachbarter Antastelemente, die nicht zum Raster gehören, rechnerisch miteinander verkoppelt (relativ zueinander orientiert) werden.

12 Prüfkörper nach Ansprüchen 1 bis 11, gekennzeichnet dadurch, daß zusätzlich zu Zeilen- und Spaltensegmenten Diagonalensegmente benutzt werden, um die Unsicherheit der winkelmäßigen Kopplung zu verringern.

13 Prüfkörper nach Ansprüchen 1 bis 12, gekennzeichnet dadurch, daß Segmente unterschiedlicher Länge auf Lager gehalten werden, die je nach Bedarf zu T-, L- oder kreuzförmigen Platten/Prüfkörpern verknüpft werden, die optimal auf das zu prüfende Volumen abgestimmt sind.

14 Prüfkörper nach Ansprüchen 1 bis 13 zur Prüfung von Werkzeugmaschinen, die nach Bearbeitung der Antast-Formelemente auf der zu prüfenden Maschine auf einem Koordinatenmeßgerät gemessen wird, um die Fertigungsabweichungen und bei Bedarf daraus die maschinenspezifischen Abweichungskomponenten zu ermitteln.

15 Prüfkörper nach Anspruch 14 zur Prüfung von Werkzeugmaschinen, die nach Bearbeitung der Antast-Formelemente auf der zu prüfenden Maschine auf einem Koordinatenmeßgerät oder einer Werkzeugmaschine niederer Genauigkeit nach der Umschlagmethode gemessen wird, um die Fertigungsabweichungen und bei Bedarf daraus die maschinenspezifischen Abweichungskomponenten mit erhöhter Genauigkeit zu ermitteln.