DE19739674B4

DE19739674B4 - Verfahren zur Radiuskorrektur bei Koordinatenmeßgeräten sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE19739674B4
Application number: DE1997139674
Authority: DE
Inventors: Heinz Dipl.-Math. Röhr
Original assignee: Leitz Messtecknik GmbH
Current assignee: Hexagon Metrology GmbH
Priority date: 1997-09-10
Filing date: 1997-09-10
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2017-09-11
Also published as: DE19739674A1

Abstract

Verfahren zur Radiuskorrektur bei Koordinatenmeßgeräten bei scannenden Antastverfahren mit im wesentlichen entlang einer Meßlinie angeordneten Meßpunkten, wobei vom Tastermittelpunkt in Richtung einer lokalen Flächennormalen mit einem Tasterradius auf einen Oberflächenpunkt geschlossen wird, mit folgenden Verfahrensschritten:
1. Eingabe von Vorgaben für den Scanlauf,
2. Ausführen des Scanlauf es, wobei der Hauptscanrichtung Querbewegungen überlagert werden und eine kontinuierliche Aufnahme von Achsen- und Tastkopfdaten erfolgt,
3. Berechnung der lokalen Oberflächennormalen mit Hilfe lokaler Abweichungen der Meßpunkte von der Hauptscanrichtung,
4. ausgehend vom Tastkugelmittelpunkt Berechnung des Berührpunktes auf der Oberfläche des Werkstückes mit dem Tastkugelradius in Richtung der unter Punkt 3 berechneten lokalen Oberflächennormalen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Radiuskorrektur bei Koordinatenmeßgeräten, wobei vom Tastermittelpunkt in Richtung der lokalen Flächennormalen mit dem Tasterradius auf den Oberflächenpunkt geschlossen wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Gemäß dem Stand der Technik (VDI-Berichte Nr. 751/1989) können mit den heute verwendeten Koordinatenmeßgeräten beliebige Profilschnitte durch Freiformflächen oder Schnitte und Steigungslinien an allgemeinen Schraubflächen gemessen werden. Das Ergebnis einer solchen Messung sind zunächst die Koordinaten der Tastermittelpunkte, so daß eine Rückrechnung auf die Werkstückoberfläche durchgeführt werden muß. Zur Rückrechnung vom Tastermittelpunkt auf den Berührpunkt kann man bei einem passiv messenden Tastkopf, bei dem die Antastkraft durch Federn erzeugt wird, die Tasterauslenkung verwenden, die im wesentlichen senkrecht zur Werkstückoberfläche steht. Tritt jedoch Reibung zwischen Taster und Werkstückoberfläche auf, was beim Scannen immer der Fall ist, so ist dieses Verfahren oft zu ungenau. Bei einem aktiven Tastkopf, bei dem die Antastkraft erst durch elektromotorische Stellelemente erzeugt wird, ist dieses Verfahren zur Rückrechnung auf den Berührpunkt grundsätzlich nicht anwendbar.

Liegt eine mathematische Beschreibung der zu scannenden Fläche vor, entweder in geschlossener Form oder als Punktmenge oder sogar als Punktmenge mit Normalenvektoren, so kann diese zur Rückrechnung vom Tastermittelpunkt auf den Antastpunkt benutzt werden. Liegt eine solche Soll-Information nicht vor, so werden nach dem Stand der Technik mehrere benachbarte Linien gescannt, um daraus die Fläche und damit die lokale Normalenrichtung zu bestimmen.

Bei der Messung entlang einer Schnittlinie wird der Tastermittelpunkt auf einer Steuerfläche geführt, zum Beispiel auf einer Ebene für einen ebenen Profilschnitt oder auf einem Zylinder für die Steigung einer Schraubfläche. Der Tastermittelpunkt liegt in diesem Fall auf der Steuerfläche oder zumindest in der Nähe der Steuerfläche. Der Berührpunkt des Tastelementes liegt aber im allgemeinen nicht in der Steuerfläche, sondern abhängig vom Winkel zwischen der Steuerfläche und der Werkstückoberfläche mehr oder weniger weit von der Steuerfläche entfernt.

Gemäß dem Stand der Technik wird mit Hilfe einer zweiten parallelen Meßlinie die Normalenrichtung bestimmt und damit die räumliche Radiuskorrektur ausgeführt. Den eigentlichen Meßpunkt auf der gesuchten Linie erhält man durch Extrapolation oder Interpolation.

Die Genauigkeit des gefundenen Profilpunktes hängt dabei stark vom Linienabstand, der Punktdichte, der Flächenkrümmung, dem Winkel zwischen Flächennormalen und Steuerfläche und dem Tasterradius ab.

Dieses zum Stand der Technik gehörende Verfahren hat neben der relativ großen Ungenauigkeit den Nachteil, daß entlang zweier paralleler Meßlinien gemessen werden muß, wodurch sich die Meßzeit deutlich erhöht.

Zum Stand der Technik gehört ein Verfahren, bei dem bei einem scannenden Verfahren die Berührpunkte in eine vorgegebene Schnittebene gezwungen werden, indem die Tastkugel entsprechend der Neigung δ der Normalen (n) zur Meßebene um den Betrag r_t·sinδ außerhalb der definierten Schnittebene oder mittels Vektorsteuerung direkt auf der Normalen (n) entlang bis zur Antastung geführt wird. Bei diesem Verfahren erhält man jedoch einen Parallelversatz der Scannlinie, so daß sie außerhalb der Schnittebene liegt. Die Meßpunkte einer Scannlinie sind jedoch nach wie vor derart angeordnet, daß sie nicht zur Bestimmung einer Flächennormalen herangezogen werden können.

Gemäß dem Stand der Technik (CH-Z: Technische Rundschau Heft 50, 1992, Seiten 20 bis 25) ist ein messender Taster mit mehreren Freiheitsgraden bekannt. Gemäß diesem Stand der Technik werden die Meßpunkte (P) mit Hilfe einer empirisch ermittelten (beispielsweise aus drei benachbarten Meßpunkten) oder der aus dem Sollprofil abgeleiteten Normalenrichtung (n) auf den mutmaßlichen Berührpunkt (B) zurückgerechnet: Diese drei benachbarten Meßpunkte müssen flächig verteilt sein und dürfen nicht auf einer Geraden liegen, wenn sie zur Bestimmung einer Flächennormalen herangezogen werden sollen. Wie diese flächige Verteilung erreicht wird und über die Art der Gewinnung dieser benachbarten Meßpunkte, ob durch Einzelpunktantastung oder scannend, ist in der Schrift nichts ausgesagt. Wenn die Punkte nach dem Stand der Technik scannend erzeugt werden, benötigt man zwei oder mehrere seitlich voneinander beabstandete Meßlinien, um eine flächige Verteilung zu erreichen, aus denen aus drei benachbarten Meßpunkten auf die Normalenrichtung und auf den mutmaßlichen Berührpunkt zu rückgerechnet wird. Das Aufnehmen von zwei oder mehreren Meßlinien hat unter anderem den Nachteil, daß das zum Stand der Technik gehörende Verfahren relativ zeitaufwendig ist.

Aus dem Stand der Technik ( DE 43 05 842 A1 ) ist darüber hinaus ein Verfahren zum dreidimensionalen Erfassen einer Oberfläche bekannt. Gemäß diesem Stand der Technik wird in der Umgebung jedes Meßpunktes in zwei linear unabhängigen Richtungen die Z-Komponente jeweils mindestens eines weiteren Punktes gemessen. Die Meßpunkte sind hierzu vorteilhafterweise auf einer spiralförmigen oder mäanderförmigen Bahn angeordnet, wobei die zwei linear unabhängigen Richtungen zum einen in Bahnrichtung und zum anderen senkrecht dazu verlaufen. Das bedeutet, daß die Bestimmung der lokalen Flächennormalen so erfolgt, daß in zwei linear unabhängigen Richtungen die Z-Komponenten jeweils mindestens eines weiteren Punktes gemessen wird. Dieses zum Stand der Technik gehörende Verfahren hat den Nachteil, daß diese Messung zu dem jeweiligen Meßpunkt mindestens eine weitere genau definierte Messung erfordert.

Auch das zum Stand der Technik (Sonderdruck aus "Werkstatt und Betrieb", 1989/10, Seiten 849 bis 854) gehörende Verfahren zum Messen gekrümmter Flächen weist den Nachteil auf, daß die Messung benachbarter Punkte zu den eigentlichen Meßwerten erforderlich ist, um auf die Flächennormale zu schließen.

Zum Stand der Technik ("Werkstatt und Betrieb", 126(1993)11, Seiten 687 bis 690) gehört weiterhin ein Verfahren, bei dem mit 3D-Tastsystemen ein Digitalisieren erfolgt. Bei diesem zum Stand der Technik gehörenden Ver fahren erfolgt keine Bestimmung der lokalen Oberflächennormalen.

Das der Erfindung zugrunde liegende technische Problem besteht darin, ein Verfahren zur genauen Radiuskorrektur, insbesondere beim Scannen, anzugeben, für das nur eine einzige Meßlinie erforderlich ist. Darüber hinaus soll ein Verfahren zum Scannen angegeben werden, bei dem die tatsächlichen Berührpunkte genauer als bei bekannten Verfahren in der Steuerfläche liegen. Weiterhin soll eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens angegeben werden.

Dieses technische Problem wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie durch ein Koordinatenmeßgerät mit den Merkmalen des Anspruches 13 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, zufällige oder planmäßig herbeigeführte Abweichungen des Tastermittelpunkts aus der Steuerfläche heraus zu benutzen, um die lokale Flächennormale auszurechnen.

Dadurch, daß lokale Abweichungen der Meßpunkte von der Meßlinie benutzt werden, um die lokale Flächennormale zu bestimmen, ist es ausreichend, entlang nur einer Meßlinie das Werkstück abzufahren.

Das Verfahren läuft vorteilhaft in folgenden Schritten ab:

1. Eingabe von Vorgaben für den Scanlauf. Bei geregeltem Scannen sind dies insbesondere Scan-Startpunkt, Scan-Geschwindigkeit und Scan-Richtung und die Steuerfläche. Der Scan-Startpunkt kann bereits so bestimmt sein, daß der Berührpunkt möglichst nahe an der Steuerfläche liegt.
2. Veränderung der Hauptscanrichtung, so daß ihr Querbewegungen überlagert werden.
3. Ausführung der Scanbewegung. Es erfolgt eine kontinuierliche Aufnahme von Achsen- und Tastkopfdaten.
4. On-line-Berechnung der lokalen Oberflächennormalen und hieraus der von der Tastkugel berührten Oberflächenpunkte, das heißt der Tasterradius-korrigierten Berührpunkte.
5. Steuerung des Tastermittelpunktes, derart, daß der Berührpunkt möglichst nahe an der vorgegebenen Steuerfläche liegt.
6. Wiederholung der Schritte 3, 4 und 5 bis zur Beendigung des Scans.

Erfindungsgemäß kann das Verfahren folgendermaßen variiert werden:

a) Schritt 2 kann entfallen, und die Querbewegung kann durch entsprechende Ansteuerung der Achsen ausgelöst werden, ohne Vorgabedaten zu verändern.
b) Schritt 2 kann auch dann entfallen, wenn die zufälligen oder durch Systemschwingungen erzeugten Abweichungen des Tasters aus der Steuerfläche heraus ausreichen, um die lokale Flächennormale auszurechnen. Es kann auch zu Beginn offenbleiben, ob nur zufällige oder auch planmäßige Querbewegungen stattfinden sollen, oder ob nur bei nicht ausreichenden zufälligen Querbewegungen zusätzliche Querbewegungen erzeugt werden.
c) Die Berechnungen (Schritt 4) können off-line erfolgen. Dann entfällt Schritt 5. In diesem Fall können die Berechnungen auch anstelle vom Maschinenrechner vom Auswerterechner vorgenommen werden.
d) Das Verfahren kann sowohl mit einem passiven als auch mit einem aktiven messenden Tastkopf, dessen Antastkraft nicht durch Rückstellelemente wie Federn erzeugt wird, sondern durch ansteuerbare Kraftgeneratoren, durchgeführt werden. Bei einem aktiven Tastkopf ist es vorteilhaft, die lokalen Oberflächennormalen nicht nur zur Tasterradiuskorrektur zu verwenden, sondern auch zur Ansteuerung des Tastkopfes zur Erzeugung der Antastkraft.

An den Meßpunkten können on-line oder off-line weitere Korrekturen angebracht werden, wie Biegungs-, Thermo-, Linearitäts-, Geometriekorrekturen oder dynamische Korrekturen. Es ist auch eine Filterung, Mittelung oder Glättung sowohl der Meßpunkte als auch der Oberflächennormalen möglich.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann allgemein auf alle Schnitte mit geometrisch bestimmten Flächen, wie Ebene, Zylinder-, Kegel- oder Polynomflächen angewendet werden, bei denen der Meßtaster in dieser Steuerfläche geführt werden soll.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat folgende Vorteile:

a) es ist nur eine Meßlinie erforderlich, das heißt die Meßzeit ist reduziert,
b) es ist eine stabilere und genauere Berechnung der lokalen Normalenrichtung möglich durch die Punktewolke in der Nähe des gewünschten Meßortes,
c) es kann eine on-line Korrektur durchgeführt werden, das heißt, es ist nur eine minimale Extrapolation bei sich ändernder Oberflächenrichtung notwendig.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Erhöhung der Auflösung, wenn beispielsweise bei nahezu achsenparallelen Geradenscans durch ungenügende Auflösung von Tastkopf oder Achsenwegmeßsystemen in der Meßlinie "Stufen" entstehen. Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die gemessene Meßlinie auch bei höherer Auflösung, als die Wegmeßsysteme liefern, glatt.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, und zwar zeigen:
1 eine Antastung mit einem Kugeltaster an einer geneigten Fläche;
2 eine Antastung nach dem Stand der Technik;
3 eine Einzelheit X der 2;
4 eine Antastung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Gemäß 1 ist eine Tastkugel (1) mit einem Tastkugelmittelpunkt (M) gezeigt. Wenn an einer um α = 45° geneigten Werkstückoberfläche (2) der Tastkugelmittelpunkt (M) in einer Steuerfläche (S), beispielsweise einer Soll-Schnittebene, geführt wird, so ist bei einem Tastkugelradius (r) von beispielsweise vier Millimetern der tatsächliche Berührpunkt (B) auf der Werkstückoberfläche (2) um einen Abstand (d) von vier Millimetern gegenüber der Schnittlinie (L) mit der Steuerfläche (S) versetzt.
Gemäß 2 wird, um eine Flächennormale n auszurechnen, gemäß dem Stand der Technik eine zweite Scanlinie abgefahren. Die erste Scanlinie ist durch einen Tastkugelmittelpunkt (M) gekennzeichnet und die zweite Scanlinie durch einen Tastkugelmittelpunkt (M'). Die Verbindungslinie (M-M') zwischen den Tastkugelmittelpunkten (M, M') definiert eine lokale Oberflächennormale (n'). Dann kann durch Inter- beziehungsweise Extrapolation auf die Schnittlinie (L') zwischen Oberfläche (2) und Steuerfläche (S) geschlossen werden, doch es entstehen je nach Krümmung und Oberfläche Meßfehler δ (siehe 3). Ist der Krümmungsradius beispielsweise 20 mm und der Abstand der Scanlinien 0,4 mm, so wird die Oberfläche an der Schnittlinie (L) mit der Steuerfläche (S) um circa ein μm falsch gemessen.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird gemäß 4 aus der Querbewegung der Tastkugel (1) auf die lokale Ober flächennormale n geschlossen, die senkrecht zur Verbindungslinie (M'M'') steht. Mit der Normalen n und dem Tastkugelradius (r) wird vom Mittelpunkt (M) ausgehend der Berührpunkt (B) berechnet.
Bei einer On-line-Tasterradiuskorrektur nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der mittlere Tastkugelmittelpunkt (M) so gesteuert, daß der mittlere Berührpunkt (B) in der Steuerfläche (S) liegt und damit mit der zu messenden Schnittlinie (L) zwischen Werkstückoberfläche (2) und Steuerfläche (S) zusammenfällt, wie in 4 dargestellt. Die beschriebenen Meßfehler entstehen dann nicht mehr, da dann keine Inter- oder Extrapolation mehr notwendig ist.
Wenn die beschriebene Berechnung der räumlichen Normalen on-line während der Messung durchgeführt wird, ist es somit möglich, die Lage und Richtung der aktuellen Steuerfläche so zu korrigieren, daß der Berührpunkt (B) der Tastkugel (1) stets auf der zu messenden Linie bewegt wird, beziehungsweise nur gering um diese Linie schwankt. Das erfindungsgemäße Verfahren hat zum einen den Vorteil, daß nur eine Linie gemessen werden muß. Zum anderen hat es den Vorteil, daß nicht mehr oder kaum extrapoliert werden muß.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren entsteht bei einer off-line Berechnung der Tasterradiuskorrektur (nicht dargestellt) im Prinzip der oben beschriebene Fehler δ, doch ist nur eine einzige Scanlinie erforderlich. Die Länge der Scanlinie wird durch die Querbewegung nicht wesentlich vergrößert, denn die Erfahrung zeigt, daß bereits bei einer Amplitude von 20 μm bis 100 μm die Basis für die Normalenberechnung ausreichend ist.
Die Normaleninformation kann, wie im Falle zweier Meßlinien, für die Extrapolation in den gewünschten Profilschnitt verwendet werden.

1: Tastkugel
2: Werkstückoberfläche
M, M', M'': Tastkugelmittelpunkte
S: Steuerfläche
B, B', B'': Berührpunkte (Meßpunkte)
d: Versatz
L, L': Schnittlinien
n, n': Flächennormalen
δ: Meßfehler
r: Radius
α: Neigungswinkel

Claims

Verfahren zur Radiuskorrektur bei Koordinatenmeßgeräten bei scannenden Antastverfahren mit im wesentlichen entlang einer Meßlinie angeordneten Meßpunkten, wobei vom Tastermittelpunkt in Richtung einer lokalen Flächennormalen mit einem Tasterradius auf einen Oberflächenpunkt geschlossen wird, mit folgenden Verfahrensschritten: 1. Eingabe von Vorgaben für den Scanlauf, 2. Ausführen des Scanlauf es, wobei der Hauptscanrichtung Querbewegungen überlagert werden und eine kontinuierliche Aufnahme von Achsen- und Tastkopfdaten erfolgt, 3. Berechnung der lokalen Oberflächennormalen mit Hilfe lokaler Abweichungen der Meßpunkte von der Hauptscanrichtung, 4. ausgehend vom Tastkugelmittelpunkt Berechnung des Berührpunktes auf der Oberfläche des Werkstückes mit dem Tastkugelradius in Richtung der unter Punkt 3 berechneten lokalen Oberflächennormalen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lokalen Abweichungen der Meßpunkte von der Meßlinie in vor dem Meßlauf nicht festgelegter Weise durch das Meßsystem erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lokalen Abweichungen der Meßpunkte von der Meßlinie vorgegeben sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßlinie, entlang derer die Meßpunkte im wesentlichen angeordnet sind, durch den Schnitt der Werkstückoberfläche (2) mit einer vorgegebenen Steuerfläche (S) definiert ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die lokalen Abweichungen der Meßpunkte von der Meßlinie durch Veränderung der Steuerfläche (S) erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tasterradiuskorrektur off-line durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tasterradiuskorrektur on-line durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4 und Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Tasterradiuskorrektur on-line durchgeführt wird und der Tastkopf so gesteuert wird, daß die Berührpunkte auf der Steuerfläche liegen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßlinie durch Solldaten vorgegeben ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die lokalen Abweichungen von der Meßlinie eine vorgegebene Raum- oder Zeitfrequenz haben.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßdaten mit der vorgegebenen Raum- oder Zeitfrequenz gefiltert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren entlang wenigstens zweier Meßlinien durchgeführt wird.
Koordinatenmeßgerät mit einem Tastkopf, der einen Taster trägt, und einer Steuerung, die folgende Hardware- und/oder Software-Module enthält: – ein Normalen-Berechnungs-Modul, mit dem die lokale Oberflächennormale mit Hilfe lokaler Abweichungen der Meßpunkte von der Hauptscanrichtung berechnet wird nach Ausführen des Scanlaufes, wobei der Hauptscanrichtung Querbewegungen überlagert werden und eine kontinuierliche Aufnahme von Achsen- und Tastkopfdaten erfolgt, – ein Radiuskorrektur-Modul, das ausgehend vom Tastkugelmittelpunkt den Berührpunkt auf der Oberfläche des Werkstückes mit dem Tastkugelradius in Richtung der berechneten lokalen Oberflächennormalen berechnet.
Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 13, bei dem die Steuerung ein Modul zur Erzeugung lokaler Abweichungen der Meßpunkte von der Hauptscanrichtung enthält.
Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 13, bei dem der Tastkopf so gesteuert wird, daß die tatsächlichen Berührpunkte einer vorgegebenen Steuerfläche liegen.