DE19730471C5 - Verfahren zum Scannen mit einem Koordinatenmeßgerät - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Scannen mit einem Tastkopf eines Koordinatenmeßgerätes, wobei zuerst geregeltes Scannen ohne vorgegebene Sollkontur mit einer vorgegebenen Fläche, die eine Werkstückoberfläche schneidet und in der eine Tastkugel geführt wird, und danach gesteuertes Scannen mit einer erzeugten Sollkontur in einem einzigen Scanlauf durchgeführt wird, dass das Umschalten zwischen beiden Scanarten automatisch durchgeführt wird und dass in einem Scanlauf die folgenden Schritte durchgeführt werden:
a) es wird ein festgelegter Startpunkt angefahren;
b) es wird in einer festgelegten Richtung mit einer vorgegebenen Steuerfläche geregelt gescannt;
c) es werden aus den Ist-Daten (I1) der bereits gemessenen Kontur durch Extrapolation Soll-Daten (S2) für die zu messende Kontur berechnet;
d) es findet eine Übergangsphase mit einer geregelten Bewegung des Tastkopfes (1) statt;
e) es wird gesteuert gescannt, indem der Tastkopf (1) entlang einer Soll-Bahn (T2), die aus den Soll-Daten (S2) für die Kontur berechnet wird, geführt wird;
f) die...

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Scannen mit einem Koordinatenmeßgerät.
  • Stand der Technik
  • Bei Koordinatenmeßgeräten werden im wesentlichen zwei Betriebsarten unterschieden:
    Die Einzelpunktantastung, wobei der Taststift an einem Punkt in Kontakt mit der Werkstückoberfläche gebracht wird, um einen Meßpunkt aufzunehmen und das Scannen, wobei der Taststift im kontinuierlichen Kontakt mit der Werkstückoberfläche geführt wird und dabei im Maschinentakt Meßpunkte aufnimmt.
  • Beim Scannen sind zwei unterschiedliche Verfahren bekannt:
    Beim "geregelten" Scannen wird die Auslenkung des Tastkopfes in einem Regelkreis auf einen Sollwert geregelt. Zur Steuerung wird lediglich eine Fläche vorgegeben, die die Werkstückoberfläche schneidet und in der die Tastkugel geführt wird. Dieses Verfahren ist universell einsetzbar, aber schwingungsanfällig, da hierbei über das gesamte Koordinatenmeßgerät ein Regelkreis geschlossen werden muß, in den aus der gescannten Kontur beliebige Frequenzen eingekoppelt werden. Die erreichbare Geschwindigkeit ist bei gegebener Genauigkeit daher durch die Dynamik des Gesamtsystems begrenzt.
  • Beim "gesteuerten" Scannen wird andererseits der Tastkopf entlang einer durch Soll-Daten vorgegebenen Bahn geführt und die Abweichung der Ist- von der Sollkontur gemessen. Dieses Verfahren ist regelungstechnisch einfacher zu beherrschen und erlaubt in der Regel größere Geschwindigkeiten als das geregelte Scannen, jedoch müssen vorher die Sollkontur und die Lage des Werkstückes bekannt sein. In beschränktem Maße können Abweichungen der Form oder Lage durch Anpassung der vorgegebenen Soll-Daten kompensiert werden, beispielsweise durch Aufschalten einer veränderlichen Größe, die die ursprüngliche Soll-Scanlinie verändert.
  • Beide bekannten Verfahren unterliegen somit verfahrenseigenen Beschränkungen im praktischen Einsatz.
  • Gemäß dem Stand der Technik ( DE 195 29 574 A1 ) ist ein Verfahren bekannt, bei dem ausschließlich gesteuert gescannt wird. Der Tastkopf des Meßgerätes verfährt ausschließlich nach Solldaten. Das bedeutet, daß dem Koordinatenmessgerät von vornherein eine Sollkontur zum Antasten vorgegeben wird. Gegebenenfalls wird ein Nachbessern oder ein Anpassen der Sollkontur vorgenommen, beispielsweise wenn der Tastkopf gemäß der DE 195 29 574 A1 die Kante (18a) anfährt. In diesem Fall erfahren auch alle weiteren die Sollbahn definierenden Punkte eine Verschiebung.
  • Auch dieses zum Stand der Technik gehörende verfahren hat den Nachteil, daß eine Sollbahn jeweils vorgegeben sein muß.
  • Zum Stand der Technik ( DE 42 12 455 A1 ) gehört ein weiteres Verfahren zur Messung von Formelementen auf einem Koordinatenmeßgerät. Auch gemäß diesem Stand der Technik wird ausschließlich ein gesteuerter Scanvorgang vorgenommen mit den schon genannten Nachteilen.
  • Aufgabenstellung
  • Das der Erfindung zugrunde liegende technische Problem besteht darin, ein Scanverfahren anzugeben, das diese Nachteile nicht aufweist, das heißt, das einerseits nicht, wie das gesteuerte Scannen, die Vorgabe einer Sollkontur erfordert, andererseits aber eine höhere Stabilität besitzt und damit höhere Scangeschwindigkeiten erlaubt als das geregelte Scannen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmale im Anspruch 1 gelöst.
  • Erfindungsgemäß findet zwischen den beiden Scanarten ein ruckfreier Übergang statt. Der ruckfreie Übergang von geregeltem zu gesteuertem Scannen kann durch Zwischenschaltung einer Übergangsphase erreicht werden, innerhalb derer der Tastkopf auf die Tastkopf-Soll-Bahn geführt wird.
  • In einem Scanlauf werden die folgenden Schritte in der angegebenen oder in einer anderen Reihenfolge durchgeführt:
    • a) Es wird ein festgelegter Startpunkt angefahren;
    • b) es wird in einer festgelegten Richtung mit einer vorgegebenen Steuerfläche geregelt gescannt;
    • c) es werden aus den Ist-Daten der bereits gemessenen Kontur durch Extrapolation Soll-Daten für die zu messende Kontur berechnet;
    • d) es ist eine Übergangsphase zwischen dem geregelten und dem gesteuerten Scannen vorgesehen;
    • e) es wird gesteuert gescannt, indem der Tastkopf entlang einer Soll-Bahn, die aus den Soll-Daten für die Kontur berechnet wird, geführt wird;
    • f) die Ist-Daten der Kontur werden überwacht;
    • g) die Soll-Daten für die zu messende Kontur werden, falls notwendig, angepaßt;
    • h) der Scanlauf wird nach Vorliegen eines Abbruchkriteriums abgebrochen oder mit einem anderen Schritt fortgesetzt.
  • Im folgenden wird die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens an einem 3D-Koordinatenmeßgerät mit einer gegebenen Grundgenauigkeit und einer gegebenen Dynamik im Antriebs- und im Scanregelkreis beschrieben. Ausgegangen wird dabei von einem Meßobjekt mit einer nicht genauer bekannten Kontur, die mit einer gegebenen Genauigkeit möglichst rasch vermessen werden soll. Der Bediener wird sich daher für die Betriebsart "Scannen" entscheiden, wobei die abzufahrende Konturlinie gegeben sei als die Schnittlinie der Werkstückoberfläche mit einer Steuerfläche, beispielsweise einer Ebene.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren läuft nun in folgenden Schritten:
  • 1. Start:
  • Erfindungsgemäß braucht der Bediener keine weiteren Vorgaben zu machen als den Anfangspunkt, die Steuerfläche und die Startrichtung des Scans innerhalb der Steuerfläche. Die Tastkugel wird manuell oder automatisch am Startpunkt auf die Werkstückoberfläche aufgesetzt, und die Tasterauslenkung wird automatisch in die Nähe des Sollwertes, dies ist in der Regel die Mitte des Meßbereiches des Tastkopfes, eingestellt.
  • 2. Vorbeschleunigungsphase:
  • Das Koordinatenmeßgerät beginnt dann in der vorgegebenen Richtung die Werkstückkontur abzufahren. Dabei werden die Antriebe so geregelt, daß die Auslenkung des Tastkopfes stets innerhalb des Meßbereiches bleibt, das heißt, die Betriebsart ist das geregelte Scannen. Die Scangeschwindigkeit wird allmählich gesteigert in einem durch die Dynamik des Gesamtsystems vorgegebenen Maße bis zu einer ebenfalls vorgegebenen ersten Grenzgeschwindigkeit v1. Diese Geschwindigkeit v1 ist so bestimmt, daß mit allen gängigen Taststiftkombinationen und unter den in der Praxis vorkommenden Bedingungen geregeltes Scannen mit der spezifizierten Genauigkeit möglich ist. Damit ist v1 niedriger als die mit gesteuertem Scannen bei derselben Genauigkeitsforderung mögliche Geschwindigkeit und auch in der Regel niedriger als die unter den aktuellen Bedingungen maximal mögliche Geschwindigkeit beim geregelten Scannen.
  • 3. Regelphase:
  • Erfindungsgemäß wird die Scanlinie in der beschriebenen Weise nun solange abgefahren, bis ein genügend großes Stück der Werkstückkontur gemessen worden ist, um mit einer vorgegebenen Genauigkeit die Lage, die Richtung und die Krümmung der gescannten Kontur zu bestimmen. Hierfür werden bekannte Verfahren, wie etwa die Least-Squares-Methode, verwendet. Auch die in der Vorbeschleunigungsphase aufgenommenen Meßwerte können zur Bestimmung der genannten Größen benutzt werden. Die vorbestimmte Genauigkeit, mit der diese bestimmt werden müssen, hängt dabei von einer Vielzahl von Parametern ab, wie etwa der Dynamik des Gesamtsystems oder dem Meßbereich des Tastkopfes.
  • 4. Übergangsphase:
  • Aus der gemessenen Lage, Richtung und Krümmung der bisher gescannten Kontur wird ein Stück der zu scannenden Kontur als Soll-Scanlinie extrapoliert. Damit ist die Voraussetzung für gesteuertes Scannen erfüllt. Das Koordinatenmeßgerät stellt die Betriebsart automatisch auf gesteuertes Scannen um. Dabei sollte auf einen Übergang geachtet werden, der nicht zur Einkoppelung von Schwingungen führt. Dieser Anschluß kann nach dem unten beschriebenen Übergangsverfahren erfolgen. In der Praxis wird jedoch oft auch eine Filterung der Meßdaten ausreichen, um Übergangseffekte zu vermeiden.
  • 5. Steuerphase:
  • Der Tastkopf des Koordinatenmeßgerätes wird nun entlang der jetzt bekannten Sollkontur geführt, wobei die bekannten Korrekturen, wie etwa Tasterradius-, Auslenkungs-, Fliehkraft- und Biegungskorrektur, an der extrapolierten Scanlinie angebracht werden, um die Soll-Bahn des Tastkopfes festzulegen. Da gesteuertes Scannen in der Regel eine höhere Geschwindigkeit zuläßt als v1, wird zunächst in einer weiteren Beschleunigungsphase die Scangeschwindigkeit bis zu einer zweiten Grenzgeschwindigkeit v2 gesteigert, die dann bis zum Eintreten eines Abbruchkriteriums beibehalten wird. Der Vorgang der Berechnung der Sollkontur aus der bekannten Istkontur beziehungsweise aus einem Stück der Istkontur wird, sobald erstmals eine Sollkontur berechnet worden ist, kontinuierlich wiederholt, um die Soll-Bahn des Tastkopfes zu verlängern. Treten Abweichungen zwischen Ist- und Sollkontur auf, so kann nach ebenfalls bekannten Verfahren, zum Beispiel gemäß der DE 197 01 693.6-52 , die Sollkontur angepaßt werden, um ein Auswandern des Tasters aus dem Meßbereich des Tastkopfes zu verhindern.
  • Ein Abbruch oder eine Umschaltung zwischen Regel- und Steuerphase erfolgt, wenn eines der folgenden Abbruch- oder Umschaltkriterien, die kontinuierlich überwacht werden, erfüllt ist:
    • a) Der Anfangspunkt des Scans, gegebenenfalls ein vorgegebener Endpunkt oder beispielsweise der Rand des Meßbereichs des Koordinatenmeßgerätes sind erreicht. In diesem Fall wird der gesamte Scan beendet.
    • b) Die Schwingungsamplitude des Systems überschreitet ein vorbestimmtes Maß. Solche Schwingungen müssen sich noch nicht in den Meßwerten äußern, beispielsweise bei einer Regelkreisschwingung zwischen Achsen und Tastkopfwerten, können aber auf eine beginnende Instabilität hinweisen. In diesem Fall wird der Scan mit einer niedrigeren Geschwindigkeit fortgesetzt, oder es wird auch schon bei einer niedrigeren Geschwindigkeit als v1 auf gesteuertes Scannen umgeschaltet.
    • c) Es tritt eine Kollision ein, oder die Tastkopfauslenkung über- oder unterschreitet ein vorbestimmtes Maß. In diesem Fall kann der Scan abgebrochen werden oder an einem zurückliegenden Punkt der Scanlinie wieder mit der Vorbeschleunigungsphase neu angesetzt werden, gegebenenfalls mit veränderten Parametern oder verlängerter Regelphase.
    • d) Die notwendige Anpassung der Sollkontur durch Abweichung zwischen Ist- und Sollkontur überschreitet ein vorbestimmtes Maß. In diesem Fall wird der Scan mit der Geschwindigkeit v1 mit der Regelphase fortgesetzt, wobei wiederum auf einen ruckfreien Übergang zu achten ist.
  • Durch Vorgabe einer Vielzahl von Parametern, beispielsweise für die Geschwindigkeit oder das Verfahren der Bahn-Extrapolation, kann das erfindungsgemäße Verfahren an die Eigenschaften des Koordinatenmeßgerätes, gegebenenfalls auch an die jeweilige Meßaufgabe, angepaßt werden. Dementsprechend können auch noch weitere Abbruch- oder Umschaltkriterien definiert werden.
  • Weitere Einzelheiten der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden.
  • Ausführungsbeispiel
  • Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, und zwar zeigen:
  • 1 einen erfindungsgemäßen Verfahrensablauf mit einem Übergang vom geregelten zum gesteuerten Scannen;
  • 2 ein geändertes Ausführungsbeispiel;
  • 3 eine verwendete Vorrichtung.
  • Gemäß 1 ist das erfindungsgemäße Verfahren mit einem Übergang vom geregelten zum gesteuerten Scannen gezeigt.
  • Es wird angenommen, daß in vorherigen Scanphasen ein Teil der Istkontur I1 ermittelt worden ist. Hiervon wird aufgrund des Bereiches B1 der Istkontur durch bekannte Auswerteverfahren, zum Beispiel durch Mittelung, Glättung, Filterung, Spline-Einpassung und so weiter, eine gemittelte Istkontur IM ermittelt. Diese gemittelte Istkontur IM wird extrapoliert, ebenfalls mit Hilfe bekannter Verfahren, vorzugsweise durch stetigen und zweimal stetig differenzierbaren Anschluß bei konstanter räumlicher Krümmung, um zumindest in einem Bereich B2 eine Sollkontur S2 zu bestimmen. I1, IM und S2 beschreiben dabei die Koordinaten der Werkstückoberfläche in einem beliebigen, aber festen Koordinatensystem, wobei die üblichen Korrekturen, wie Tastkugelradius-, Geometrie-, Biegungs-, Linearitäts-, Temperatur- oder dynamische Korrekturen, bereits alle oder einige durchgeführt sein können, aber auch nachfolgenden Auswertungsschritten überlassen sein können. Aus S2 wird wiederum unter Rückrechnung der Soll-Auslenkung des Tastkopfes und gegebenenfalls der genannten Korrekturen die Soll-Bahn des Tastkopfes T2, zumindest im Bereich B2 berechnet.
  • Während die für die Extrapolation verwendeten Daten nur bis zum Punkt P1 reichen, wird sich die Tastkugel aktuell bereits im Punkt P2 befinden. In diesem Punkt wird, wenn die vorhergehende Phase die Regelphase war, aufgrund der Regelabweichung zwischen der Istkontur I und der Sollkontur S2 im allgemeinen auch eine Regelbewegung des Tastkopfes stattfinden, um die Soll-Auslenkung des Tastkopfes wieder einzustellen. Das bedeutet, daß die Tastkopfbahn T nach Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung in P2 nicht der Sollbahn T2 entspricht.
  • In der Übergangsphase wird daher eine geregelte Bewegung eingeschoben, die den Tastkopf über ein Bahnstück T' auf seine Soll-Bahn T2 führt. Diese Regelung kann analog zum geregelten Scannen aufgebaut sein, nur daß nicht die Abweichung der Ist-Auslenkung des Tastkopfes von der Soll-Auslenkung als Eingangsgröße des Reglers dient, sondern die Abweichung der Ist-Position des Tastkopfes von der Soll-Bahn T2. Wie beim gesteuerten Scannen spielt die Auslenkung des Tastkopfes keine Rolle, kann aber überwacht werden. Ebenso wie bei der eigentlichen Scanregelung kann bei dieser Regelung durch geeignete Parameter dafür gesorgt werden, daß die Schwingungseinkoppelung so gering wie möglich ist. Gegebenenfalls kann durch entsprechendes Verschieben der Soll-Bahn T2 des Tastkopfes für einen stetigen Übergang der Regler-Eingangsgrößen gesorgt werden (nicht dargestellt in 1). In Punkt P3 ist der Tastkopf genügend nahe an der Soll-Bahn T2, so daß die Steuerphase beginnen kann.
  • Anstatt durch rechnerische Verfahren im Bereich B1 eine gemittelte Istkontur zu bestimmen, kann auch im Bereich B1 der Regelkreis kontinuierlich verändert werden, beispielsweise durch Reduzieren der Regelkreisverstärkung, bis bei P1 der Tastkopf kaum noch auf die Tastkopfauslenkung reagiert, so daß nahezu ruckfrei auf die Steuerphase umgeschaltet werden kann (2).
  • Bei geeigneter Form der Regelkreisveränderung folgt der Tastkopf im Bereich B1 immer weniger den hochfrequenten Fluktuationen der Werkstückoberfläche und erzeugt damit automatisch eine Bahn, die stetig und zweimal stetig differenzierbar in die für die Steuerphase gewünschte Soll-Bahn für den Tastkopf übergeht und aus der durch Extrapolation die ab P1 gültigen Soll-Daten für die Tastkopfbahn berechnet werden.
  • Gemäß 3 sind die Bauteile einer verwendeten Vorrichtung dargestellt.
  • Der Tastkopf (1) wird durch Antriebsregler (4) und Antriebe (2) an einen festgelegten Startpunkt oder an einen zurückliegenden Punkt der Scanlinie gefahren.
  • Anschließend wird in einer festgelegten Richtung mit einer vorgegebenen Steuerfläche geregelt gescannt, wobei ein Meßwerterfassungssystem (3) die gelieferten Meßwerte erfaßt. Die Ist-Daten aus dem Meßwerterfassungssystem (3) werden dem Maschinenrechner (8) zugeführt, der aus den Ist-Daten der bereits gemessenen Kontur durch Extrapolation Soll-Daten für die zu messende Kontur berechnet.
  • Nach einer Übergangsphase wird gesteuert gescannt, indem der Tastkopf (1) entlang einer Soll-Bahn T2, die aus den Soll-Daten für die Kontur berechnet wird, geführt wird.
  • Eine Überwachungseinheit (5) überwacht die Ist-Daten der Kontur.
  • Die Soll-Daten werden für diese zu messende Kontur angepaßt. Diese Aufgabe wird von einem Rechner-Modul (6) übernommen.
  • Bei Vorliegen eines Abbruchkriteriums, welches von einer Überwachungseinheit (7) überwacht wird, wird der Scanlauf abgebrochen oder unterbrochen und mit einem anderen Schritt wieder aufgenommen.
  • Die eigentlichen Meßwerte werden an den Auswerterechner (9) weitergegeben. Über diesen erfolgt auch die Vorgabe von Scan-Parametern oder von Soll-Daten für einzelne Bahnstücke.
    • 1
    Tastkopf
    2
    Antriebe
    3
    Meßwerterfassungssystem für die Ist-Daten
    4
    Antriebsregler
    5
    Überwachungseinheit für die Ist-Daten
    6
    Einheit für die Anpassung der Soll-Daten
    7
    Überwachungseinrichtung für die Abbruchkriterien
    8
    Maschinenrechner
    9
    Auswerterechner
    I
    Istkontur
    I1
    Istkontur im Bereich B1
    IM
    gemittelte Istkontur
    B1
    Bereich des geregelten Scannens (Regelphase)
    B2
    Bereich der Übergangsphase und des gesteuerten Scannens
    B3
    Bereich mit reduzierter Regelkreisver stärkung
    S2
    Sollkontur im Bereich B2
    T2
    Soll-Bahn des Tastkopf es im Bereich B2
    T'
    Bahnstück mit geregelter Bewegung des Tastkopfes
    P1, P2, P3
    Punkte

Claims (7)

  1. Verfahren zum Scannen mit einem Tastkopf eines Koordinatenmeßgerätes, wobei zuerst geregeltes Scannen ohne vorgegebene Sollkontur mit einer vorgegebenen Fläche, die eine Werkstückoberfläche schneidet und in der eine Tastkugel geführt wird, und danach gesteuertes Scannen mit einer erzeugten Sollkontur in einem einzigen Scanlauf durchgeführt wird, dass das Umschalten zwischen beiden Scanarten automatisch durchgeführt wird und dass in einem Scanlauf die folgenden Schritte durchgeführt werden: a) es wird ein festgelegter Startpunkt angefahren; b) es wird in einer festgelegten Richtung mit einer vorgegebenen Steuerfläche geregelt gescannt; c) es werden aus den Ist-Daten (I1) der bereits gemessenen Kontur durch Extrapolation Soll-Daten (S2) für die zu messende Kontur berechnet; d) es findet eine Übergangsphase mit einer geregelten Bewegung des Tastkopfes (1) statt; e) es wird gesteuert gescannt, indem der Tastkopf (1) entlang einer Soll-Bahn (T2), die aus den Soll-Daten (S2) für die Kontur berechnet wird, geführt wird; f) die Ist-Daten der Kontur werden überwacht; g) die Soll-Daten für die zu messende Kontur werden, falls notwendig, angepasst; h) der Scanlauf wird nach Vorliegen eines Abbruchkriteriums abgebrochen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein ruckfreier Übergang zwischen beiden Scanarten durchgeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der ruckfreie Übergang von geregeltem zu gesteuertem Scannen durch Zwischenschalten einer Übergangsphase erfolgt, und daß in der Übergangsphase der Tastkopf (1) auf die Tastkopf-Soll-Bahn (T2) geführt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Übergangsphase eine geregelte Bewegung des Tastkopfes (1) stattfindet.
  5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die Extrapolation eine rechnerische Mittelung, Glättung, Filterung oder Spline-Einpassung der Istkontur (I1) durchgeführt wird, und daß wenigstens Lage, Richtung und Krümmung dieser gemittelten Istkontur (IM) am Übergang verwendet werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die Extrapolation die Projektion der extrapolierten Soll-Daten in die Steuerfläche verwendet wird, oder daß die Abweichung der Soll-Bahn aus der Steuerfläche heraus in Position, Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung begrenzt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Auftreten einer bestimmten Tastkopfauslenkung oder einer Kollision als Abbruchkriterium gilt.
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Auszug aus dem Buch "Koordinatenmesstechnik für die Qualitätssicherung" von Tilo Pfeifer, VDI-Verlag 1992, S. 50-68; *
Betriebsanleitung "MESCAL SCANNEN", Fa. Leitz Mess technik GmbH, 35578 Wetzlar; Auszug aus dem Buch " Koordinatenmesstechnik für die Qualitätssicherung" von Tilo Pfeifer, VDI-Verlag 1992, S. 50-68
Betriebsanleitung "MESCAL SCANNEN", Fa. Leitz Messtechnik GmbH, 35578 Wetzlar; *

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