DE19703738A1

DE19703738A1 - Verfahren zur Bestimmung geometriebestimmender Parameter eines Koordinatenmeßgerätes sowie Koordinatenmeßgerät zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE19703738A1
Application number: DE1997103738
Authority: DE
Inventors: Heinz Roehr
Original assignee: Leitz Brown and Sharpe Messtechnik GmbH
Current assignee: Hexagon Metrology GmbH
Priority date: 1997-02-01
Filing date: 1997-02-01
Publication date: 1998-08-06
Anticipated expiration: 2017-02-02
Also published as: DE19703738C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung geometriebestimmender Parameter eines Koordinatenmeßgerätes sowie ein Koordinatenmeßgerät zur Durchführung des Verfah rens.

Gemäß dem Stand der Technik erreichen Koordinatenmeß geräte in der Regel ihre spezifizierte Genauigkeit mit Hilfe einer Geometriekorrektur, bei der die Abweichungen der Maßstäbe und der geometriebestimmenden Elemente gemes sen und rechnerisch korrigiert werden. Verfahren zur Auf nahme und Durchführung dieser Korrektur sind für konventio nelle Koordinatenmeßgeräte, das heißt für solche mit im we sentlichen starrer Struktur und senkrecht aufeinander auf bauenden geraden Achsen bekannt.

Gemäß der deutschen Patentanmeldung 195 34 535.5 wird ein nicht-kartesischer Aufbau für ein Koordinatenmeßgerät beschrieben. Dieses zum Stand der Technik gehörende Koordi natenmeßgerät weist einen zur Antastung des Werkstückes be wegbaren Tastkopf auf, der von einem im wesentlichen star ren Körper fest, auswechselbar fest oder beweglich getragen wird. Darüber hinaus ist ein Positioniermechanismus für den Taskopf zur Positionierung des Tastkopfes relativ zur Werkstückaufnahme vorgesehen sowie eine Versorgungs-, Steuer- und Auswerteeinrichtung. Der Positioniermechanismus besteht aus an einer Grundplatte an wenigstens drei fest vorgesehenen Punkten allseitig schwenkbar gelagerten Beinen. Die Beine des Positioniermechanismus sind mit ihren freien Enden allseitig schwenkbar an dem den Tastkopf tragenden Körper befestigt, und die Länge der wenigstens drei Beine und/oder ihre Neigungen zur Grundplatte sind meßbar verstellbar.

Ein Verfahren, das es gestattet, bei einem Koordina tenmeßgerät mit einem solchen Aufbau, insbesondere bei ei nem Koordinatenmeßgerät in Hexapod-Bauweise, die Abwei chungen der Maßstäbe und der geometriebestimmenden Elemente aufzunehmen, wird gemäß der deutschen Patentanmeldung 196 40 674.9-52 beschrieben. Gemäß diesem Verfahren werden bei einem Hexapod-Koordinatenmeßgerät zunächst die Längen abweichungen der längenveränderlichen Elemente (Beine) aufgenommen und korrigiert und nach Montage des Hexapoden die übrigen Geometrieabweichungen mit Hilfe eines Prüfkör pers bekannter Abmessungen aufgenommen, der in verschiede nen Stellungen gemessen wird.

Dieses zum Stand der Technik gehörende Verfahren er fordert einen hochgenau kalibrierten Prüfkörper, etwa eine Kugelplatte. Hierdurch fallen einige Kosten an. Darüber hinaus erfordert dieses Verfahren eine gewisse Meßzeit. Insbesondere bei einer häufigen oder täglichen Überprüfung und Wiederherstellung der Genauigkeit, zum Beispiel nach einem Umbau des Koordinatenmeßgerätes von einer waagerech ten auf eine senkrechte Basis oder nach extremen Tempera turänderungen, ist ein relativ hoher Meßzeitaufwand erfor derlich.

Das der Erfindung zugrunde liegende technische Problem besteht darin, ein Verfahren zur Ermittlung der Parameter der Geometrie eines Koordinatenmeßgerätes, vorzugsweise in Hexapod-Bauweise anzugeben, das ganz oder weitgehend ohne einen kalibrierten Prüfkörper auskommt und welches darüber hinaus in sehr kurzer Zeit durchgeführt werden kann, sowie ein Koordinatenmeßgerät zur Durchführung des Verfahrens.

Dieses technische Problem wird durch die Merkmale des Anspruches 1 sowie durch die Merkmale des Anspruches 12 ge löst.

Erfindungsgemäß wird das Tastelement an einem Ort fi xiert, beispielsweise durch zentrierendes Antasten einer Kegelbohrung. In diesem Zustand wird die Plattform in ver schiedene Stellungen, das heißt Orientierungen gebracht, bei denen die Beine verschiedene Längen und Richtungen ein nehmen. Diese verschiedenen Achseneinstellungen weichen vorteilhaft stark voneinander ab.

Aus den dabei gewonnenen Beinlängendaten werden die geometrischen Parameter ermittelt. Solche Parameter sind beispielsweise die Differenz zwischen der am Maßstab abge lesenen Länge und der tatsächlichen Beinlänge (zwischen den Anlenkpunkten) für jedes Bein, die Positionen der Anlenk punkte der Beine an Basis und Plattform, die Richtungen und Abstände der Drehachsen in den Gelenken und die Position des Tastkopfs an der Plattform.

Da hierbei nur die Abweichungen der geometrischen Pa rameter von Sollwerten bestimmt werden müssen, ist dies in einfacher Weise durch eine Störungsrechnung möglich. Sind mehr Beinlängendaten vorhanden als nötig zur eindeutigen Festlegung der geometrischen Parameter, so wird ein Bestfit oder eine Auswahl der relevanten Daten vorgenommen.

Es sind verschiedene Ausführungsformen des erfindungs gemäßen Verfahrens möglich.

Vorteilhaft wird das erfindungsgemäße Verfahren in Ko ordinatenmeßgeräten in Hexapod-Bauweise verwendet. Bei ei nem solchen Koordinatenmeßgerät ist der Tastkopf an einer Plattform angeordnet, die von sechs längenveränderlichen Elementen (Beinen) getragen wird, die mit ihren Enden je weils an der Plattform und an einer stationären Basis an setzen. Durch Längenänderungen der Beine kann die Plattform verschiedene Positionen und Orientierungen im Raum einneh men.

Die Messung von Position und Orientierung der Platt form geschieht durch Messung der Beinlängen, die in ihrer Gesamtheit eindeutig Position und Orientierung der Platt form festlegen, oder durch ein unabhängiges Meßsystem. Die Steuerung des Koordinatenmeßgerätes rechnet die Beinlängen in kartesische Koordinaten und Orientierungswinkel um und umgekehrt. Daran anschließend sind die meisten Funktionen der Maschinensteuerung und der Auswertesoftware dieselben wie bei einem konventionellen Koordinatenmeßgerät.

Es ist bekannt, ein Koordinatenmeßgerät so zu steuern, daß die Tastkugel in die Spitze einer kegelförmigen Bohrung eingesenkt wird, entweder durch Bestimmung der Kegelspitze durch Punktantastung und Anfahren der betreffenden Position oder durch Scannen und direktes Auffinden der Kegelspitze. Das erste Verfahren kann sowohl mit messenden als auch mit schaltenden Tastsystemen ausgeführt werden, das zweite Ver fahren nur mit messenden Tastsystemen. Dieses zweite Ver fahren ist das schnellere und universellere, das heißt, es bestehen nur geringe Anforderungen an die Form des Kegels. Daher wird für das erfindungsgemäße Verfahren ein Verfahren unter Einsatz eines messenden Tastkopfes bevorzugt. In bei den Fällen wird die Position der Tastkugel durch den Kegel und durch die Größe der Tastkugel bestimmt.

Ist der Tastkopf des Hexapod-Koordinatenmeßgerätes als messender Tastkopf ausgebildet, so wird erfindungsgemäß zu nächst die Tastkugel vorzugsweise automatisch in eine we nigstens näherungsweise kegelförmige Bohrung eingesenkt, die sich in einem ortsfest auf der Werkstückaufnahme ange brachten Körper befindet. Da dies ein geregelter Vorgang ist, ist dies auch ohne genaue Kenntnis der geometrischen Abweichungen möglich. Durch die Antastung der Kegelspitze ist ein Punkt festgelegt, der bei beliebiger Orientierung der Plattform im Rahmen der Unrundheit der Tastkugel (meist wesentlich geringer als die Ungenauigkeiten des Koordina tenmeßgerätes) stets derselbe ist.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Orientierung der Plattform verändert, so daß die Beine dabei wesentlich verschiedene Längen und Richtungen einneh men. Die Auslenkung des Tastkopfes kann hierbei durch Nach regeln konstant gehalten werden oder aber es kann die Ver änderung der Tastkopf-Auslenkung gemessen und bei der Be rechnung der Geometrieparameter berücksichtigt werden. Letzteres ist dann möglich, wenn die geometriebedingten Ab weichungen kleiner sind als der Meßbereich des Tastkopfes, was häufig der Fall ist.

Die einzelnen Abweichungen der geometriebestimmenden Elemente, wie etwa Versätze von Anlenkpunkten gegenüber Soll- oder Ausgangswerten, wirken sich bei dieser Bewegung der Plattform in verschiedener, von der Orientierung der Plattform äbhängiger Weise aus, so daß aus den berechneten Positionen und Orientierungen der Plattform und gegebenen falls den gemessenen Werten der Tastkopf-Auslenkung auf die geometriebestimmenden Parameter geschlossen werden kann. Da eine geschlossene Lösung in der Regel nicht möglich ist, werden hierzu bekannte Iterations- oder Näherungsverfahren, beispielsweise die Störungsrechnung, eingesetzt.

Ob mit diesem Verfahren alle oder nur einige geome triebestimmende Parameter bestimmt werden und mit welcher Genauigkeit, hängt unter anderem von der Geometrie des Hexapoden ab, von der Position der Kegelbohrung, von der Vollständigkeit des Geometriemodells, von der Anzahl und der Spannweite der eingenommenen Orientierungen und von der Meßgenauigkeit der Position und Orientierung der Plattform und der Tastkopfauslenkung. Gegebenenfalls muß zwischen dominierenden und untergeordneten Abweichungen unterschie den werden, und es ist dann eventuell nur möglich, die do minierenden Abweichungen zu bestimmen.

Eventuell ist es auch erforderlich, die Kegelbohrung an verschiedenen Orten im erreichbaren Volumen des Koordi natenmeßgerätes aufzustellen oder unterschiedliche Tast stifte einzusetzen. Die Position oder die Positionen der Kegelbohrung im erreichbaren Volumen des Koordinatenmeßge rätes muß, beziehungsweise müssen so gewählt werden, daß die geometriebestimmenden Parameter sich auf Position und Orientierung der Plattform auswirken, damit sie auch tat sächlich bestimmt werden können. Die Konstruktion des Hexa poden ist vorteilhaft so ausgestaltet, daß dies an den für die Position der Kegelbohrung vorgesehenen Orten auch gilt.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich in sehr kur zer Zeit durchführen, vorzugsweise als automatischer Meß lauf. Der Körper, der die Kegelbohrung enthält, kann fest am Koordinatenmeßgerät angeordnet sein oder wird vom Be nutzer auf der Werkstückaufnahme befestigt. In diesem Fall kann ein handgesteuerter "Lernlauf", wie bei anderen Prüf körpern, zur Auffindung der Bohrung notwendig sein. Es kann aber auch vorteilhaft sein, einen Körper, der mehrere Ke gelbohrungen enthält, auf der Werkstückaufnahme anzubrin gen.

Nach Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die geometriebestimmenden Parameter des Koordinatenmeßgerä tes bekannt und werden in einem Korrekturmodell zur Verbes serung der Genauigkeit des Koordinatenmeßgerätes verrech net. Das Verfahren ist daher mindestens einmal nach der Montage oder Aufstellung des Koordinatenmeßgerätes anzu wenden. Es kann aber auch sinnvoll sein, dieses Verfahren regelmäßig zur Überprüfung und Nachkorrektur des Koordina tenmeßgerätes einzusetzen. So kann es beispielsweise bei bestimmten Einsatzarten oder Bauformen notwendig sein, nach Umsetzung des Koordinatenmeßgerätes an einen anderen Ort oder in eine andere Lage, eine Nachkorrektur vorzunehmen. Auch zur Nachkorrektur bei Temperaturschwankungen, das heißt zur Optimierung der Genauigkeit beziehungsweise einer Temperaturkompensation, unter den aktuellen Bedingungen, ist das erfindungsgemäße Verfahren aufgrund des geringen Zeitbedarfs vorteilhaft.

Ein weiteres Ziel bei der Ausführung des erfindungsge mäßen Verfahrens ist die Festlegung des Nullpunktes der Beinlängenmessung.

Aus Kostengründen werden bei konventionellen Koordina tenmeßgeräten meist inkrementale, nicht absolut-kodierte Maßstäbe eingesetzt. Der Nullpunkt des Maschinenkoordina tensystems wird dann bei einer Referenzfahrt nach dem Ein schalten des Koordinatenmeßgerätes mit Hilfe einer Refe renzmarke, deren Genauigkeit nicht der des Koordinatenmeß gerätes entsprechen muß, festgelegt. Bei einem Koordina tenmeßgerät in Hexapod-Bauweise ist aufgrund der nicht linearen Beziehung zwischen Beinlängen und kartesischen Ko ordinaten jedoch die Kenntnis des Nullpunktes der Bein längenmessung mit einer geringeren Unsicherheit als der Meßunsicherheit des Koordinatenmeßgerätes erforderlich.

Zu den Parametern, die bei Ausführung des erfindungs gemäßen Verfahrens bestimmt werden, gehört auch die abso lute Beinlänge, die sich für jedes Bein von dem gemessenen um einen, von Orientierung des Hexapoden und Temperatur ab hängigen, aber ansonsten konstanten Betrag unterscheidet. Damit kann der Nullpunkt der Beinlängenmessung für jedes einzelne Bein auch bei Verwendung inkrementaler Maßstäbe, wozu auch einfache Laserinterferometer gehören, durch das erfindungsgemäße Verfahren bestimmt werden, wenn der Ort der Kegelspitze im Meßvolumen des Koordinatenmeßgerätes fest ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann automatisch, halb automatisch oder manuell ablaufen.

Das Verfahren ist prinzipiell bei jeder Koordinaten meßgerät-Bauart anwendbar, bei der derselbe Meßpunkt mit wesentlich verschiedenen Achsenstellungen erreicht werden kann, also beispielsweise bei einem Koordinatenmeßgerät in Gelenkarm-Bauweise mit mehr als drei Achsen, bei einem kar tesischen Koordinatenmeßgerät in Hexapod-Bauweise, bei dem nicht alle sechs Freiheitsgrade, aber mehr als drei reali siert sind.

Weitere Einzelheiten der Erfindung können den Unteran sprüchen entnommen werden.

Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Er findung dargestellt.

Die Figur zeigt ein Koordinatenmeßgerät (1) in Hexa pod-Bauweise. Ein Tastkopf (2) mit einer Tastspitze (3) ist an einem Ausleger (4) angeordnet. Der Ausleger (4) ist an einer Plattform (5) angeordnet, an welcher sechs längenver änderliche Beine (6 bis 11) angelenkt sind.

In einer ersten Position (A) wird die Tastspitze (3) durch zentrierendes Antasten einer Kegelbohrung (13) in ei nem Prüfkörper (12) fixiert. In dieser Position werden die Beinlängendaten ermittelt.

Anschließend wird die Plattform (5) in eine zweite Po sition (B) (gestrichelt dargestellt) gebracht, wobei die Tastspitze (3) nach wie vor in der Kegelbohrung (13) durch zentrierendes Antasten fixiert ist.

In dieser Position werden wiederum die Beinlängendaten erfaßt. Anschließend werden aus den in den beiden Positio nen (A, B) ermittelten Beinlängendaten die geometriebestim menden Parameter ermittelt.

Bezugszeichenliste

1

Koordinatenmeßgerät

2

Tastkopf

3

Tastspitze

4

Ausleger

5

Plattform

6

bis

11

Beine

12

Prüfkörper

13

Kegelbohrung
A, B Postionen

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung geometriebestimmender Pa rameter eines Koordinatenmeßgerätes (1), bei dem ein be stimmter Meßpunkt (13) mit wenigstens zwei, voneinander we sentlich abweichenden Achsenstellungen (A, B) erreicht wird,
bei dem in einem ersten Schritt kleinräumige Abweichungen, insbesondere Maßstabsabweichungen, bestimmt und korrigiert werden,
bei dem in einem zweiten Schritt die Position der Tastkugel (3) im Raum festgelegt wird und das Koordinatenmeßgerät (1) wenigstens zwei voneinander wesentlich abweichende Achsen stellungen (A, B) im Raum einnimmt, und
bei dem in einem dritten Schritt aus den dabei gemessenen Maßstabsdaten die geometriebestimmenden Parameter und/oder deren Abweichungen von Sollwerten errechnet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Festlegen der Position der Tastkugel (3) im Raum durch Antasten oder Hineinfahren in eine statisch bestimmte Aufnahme durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Hineinfahren in eine statisch bestimmte Aufnahme die Tastkopf-Auslenkung bei jeder Orientierung auf densel ben Wert geregelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn zeichnet, daß beim Hineinfahren in eine statisch bestimmte Aufnahme die Abweichung der Tastkopf-Auslenkung gemessen und im dritten Schritt mitverrechnet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als statisch bestimmte Aufnahme eine wenigstens nähe rungsweise kegelförmige Bohrung (13) verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als statisch bestimmte Aufnahme eine durch drei Kugeln oder drei Walzen gebildete Aufnahme verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des Festlegens der Position der Tastkugel (3) im Raum im zweiten Schritt ein wiederholtes Antasten einer Kugel und die Bestimmung des Kugelmittelpunktes durchge führt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einige oder alle geometriebestimmenden Para meter bestimmt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren an verschiedenen Orten und/oder mit ver schiedenen Tasterlängen durchgeführt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Tastkugel wenigstens einmal aus der Kegelbohrung (13) ausgehoben wird, um eine Verschlechterung der Genauig keit durch Reibung zu vermeiden.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren zur erstmaligen oder wiederholten Bestim mung der geometriebestimmenden Parameter und/oder zur Über prüfung der Genauigkeit des Koordinatenmeßgerätes und/oder zur Verbesserung der Genauigkeit bei Temperaturschwankungen und/oder zur Bestimmung des Nullpunktes einer Messung der Länge und/oder Längenänderung eines längenveränderlichen Elementes und/oder zur Bestimmung des Maschinen-Nullpunkts eingesetzt wird.

12. Koordinatenmeßgerät zur Durchführung des Verfah rens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Koor dinatenmeßgerät (1) eine Plattform (5) aufweist, an der der Tastkopf (2) angeordnet ist und daß die Plattform (5) als eine mehrere verschiedene Orientierungen im Raum einneh mende Plattform (5) ausgebildet ist.

13. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 12, dadurch ge kennzeichnet, daß das Koordinatenmeßgerät (1) als ein Koor dinatenmeßgerät in Gelenkarm- oder Hexapod-Bauweise ausge bildet ist.

14. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 12, dadurch ge kennzeichnet, daß das Koordinatenmeßgerät (1) als ein in seinen Freiheitsgraden eingeschränkter Hexapode ausgebildet ist.

15. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 12, dadurch ge kennzeichnet, daß das Koordinatenmeßgerät als ein in Hexa pod-Bauweise ausgebildetes Koordinatenmeßgerät und mit mehr oder weniger als sechs längenveränderlichen Elementen aus gebildet ist.

16. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 12, dadurch ge kennzeichnet, daß das Koordinatenmeßgerät (1) als Prüf element wenigstens eine Kegelbohrung (13) oder wenigstens eine Kugel aufweist.

17. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 12, dadurch ge kennzeichnet, daß das Koordinatenmeßgerät (1) eine Kon struktion aufweist, derart, daß die geometriebestimmenden Parameter mit einer minimalen Anzahl von Messungen bestimm bar sind.

18. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 17, dadurch ge kennzeichnet, daß das Koordinatenmeßgerät (1) eine nicht parallele Anordnung von Gelenkachsen aufweist.