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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Koordinatenmessmaschine (CMM)
oder eine CNC-Maschine mit einer Messsonde und, insbesondere, eine Koordinatenmessmaschine
mit einer schnellen und intuitiven Programmierungsschnittstelle,
sowie ein Verfahren für
die Programmierung eines Messprogramms mit einer solchen Maschine.
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Stand der Technik
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Es
ist wohlbekannt, Koordinatenmessmaschinen (auch CMM, Coordinate
Measuring Machines, genannt) mit einem schwenkbaren Kopf und einer
Messsonde zur Messung einer Reihe von Koordinaten auf einer Fläche eines
Werkstücks
oder eines beliebigen Objektes zu verwenden. Bekannt sind insbesondere
Koordinatenmessmaschinen mit beweglichem Portal mit drei orthogonalen
Linearachsen, oder auch Maschinen mit einem Gelenkarm, in welchen
die Messsonde am Ende eines Gelenkarms mit mehreren Drehachsen befestigt
ist, oder auch Maschinen, in welchen Linearachsen und Drehachsen kombiniert
werden. Die CMM umfassen im Allgemeinen Kodierer zur Bestimmung
der Position des Messkopfes an einem bestimmten Augenblick entlang
jeder unabhängigen
Achse und zur Erzielung, mittels einer geeigneten Kalibrierung,
der Koordinaten des gemessenen Punkts.
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Die
Messsonde kann ein Berührungstaster, welcher
einen Stift mit einer Rubinkugel zur Berührung des Messstücks aufweist,
oder auch ein berührungsloser
Taster, beispielsweise eine optische Sonde, sein.
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Man
unterscheidet zudem zwischen handbetätigten Messmaschinen, in welchen
die Sonde von Hand durch eine Bedienungsperson bewegt wird, und
motorisierten Messmaschinen, welche zu autonomen Bewegungen fähig sind,
die beispielsweise durch die Bedienungsperson mittels einer geeigneten
Fernbedienung bestimmt werden, oder gemäß einem vorbestimmten Programm.
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Motorisierte
Messmaschinen werden vorzugsweise zur Dimensionskontrolle einer
Vielzahl von ähnlichen
oder nominell identischen Stücken
eingesetzt. In diesem Fall wird ein Messprogramm vorab erstellt
und auf immer gleiche Weise auf jedem Stück ausgeführt. Die Erstellung solcher
Programme ist relativ lange und für kleine Serien wenig geeignet.
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Handbetätigte Messmaschinen
werden hingegen vorzugsweise für
einmalige Messungen oder für
Messungen von kleinen Stückmengen,
für welche die
Erstellung eines spezifischen Messprogramms kaum lohnend wäre, verwendet.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Messmaschine ohne
die Einschränkungen
der bekannten Vorrichtungen vorzuschlagen.
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Es
ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine Messmaschine mit einer
vereinfachten und intuitiven Programmierungsschnittstelle vorzuschlagen,
welche die Vorteile der Programmierung der handbetätigten Maschine
mit den Steuerungsfähigkeiten
der motorisierten Maschine vereinigt.
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Erreicht
werden diese Ziele gemäß der Erfindung
insbesondere mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Beispiele
von Ausführungsformen
der Erfindung werden in der Beschreibung angegeben, welche durch
die beigelegten Zeichnungen veranschaulicht werden; es zeigen:
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die 1,
eine schematische Darstellung einer Messmaschine mit bewegbarem
Portal;
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die 2,
eine schematische Darstellung der Struktur einer Messmaschine gemäß einem
Aspekt der Erfindung;
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die 3, 4 und 5,
eine schematische Darstellung der Struktur einer Messmaschine gemäß Varianten
der Erfindung.
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Ausführungsform(en)
der Erfindung
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Die 1 stellt
eine Koordinatenmessmaschine konventioneller Machart mit einem beweglichen
Portal dar. Ein Messstück
wird auf die Platte 20 positioniert. Das Portal 40 ist
beweglich in Bezug auf die Platte 20 entlang einer horizontalen
Achse Y und der Wagen 50 kann auf dem Quersteg des Portals entlang
einer horizontalen Achse X gleiten, während der Messkopf 60 entlang
der senkrechten Achse Z bewegt werden kann, um den Messkopf in einer
beliebigen Position im dreidimensionalen Messraum der CMM zu positionieren.
Der Messkopf erlaubt es, den Taster in einer vorbestimmten Richtung
zu orientieren, was auch eine große Kontaktempfindlichkeit in
Bezug auf die Messfläche
ermöglicht.
Gelesen werden die Bewegungen des Portals 40, des Wagens 50 und
des Messkopfes 60 entlang der Achsen XYZ mittels Positionskodierer
(in dieser Figur nicht sichtbar) durch die Steuereinheit 120,
welche die Koordinaten XYZ des Messkopfes wieder bilden kann. Dessen
Orientierung sowie die Anfahrrichtung ermöglichen es anschließend, den
Kontaktpunkt mit dem Stück 200,
gemessen durch den Fühlstift 154 des
Tasters 150, zu bestimmen. Der Messkopf kann in der Machart
manuell verstellbar bzw. motorisiert sein, die Steuereinheit ermittelt
die Position des Kontaktpunkts aus vorbestimmten oder durch die
Kodierer des verstellbaren Kopfes gelieferten Winkelinformationen.
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Im
Fall einer motorisierten Maschine werden die Bewegungen entlang
der Achsen XYZ durch Motoren bewerkstelligt, beispielsweise durch
elektrische Motoren, gemäß eines
in der Steuereinheit 120 gespeicherten Programms oder gemäß eingegebenen Bewegungsbefehlen
oder gemäß einer
Steuerung in Echtzeit durch eine Bedienungsperson, beispielsweise
mittels der Tastatur 123 oder einer anderen Eingabevorrichtung.
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Die
CMM der 1 mit drei Linearachsen in einer
Portalstruktur wird in der Folge dieser Beschreibung verwendet.
Es muss jedoch betont werden, dass diese Struktur lediglich als
konkrete Basis für die
dargestellten Ausführungsformen
dient, jedoch keineswegs ein einschränkendes oder unentbehrliches
Merkmal der Erfindung darstellt, welche auch für Maschinen mit anderen Achsenkonfigurationen, insbesondere
mit einer größeren oder
niedrigeren Anzahl Linearachsen, sowie für CMM mit einem oder mehreren
Drehachsen Anwendung findet. Die Erfindung kann ebenfalls in Messmaschinen
mit anderen Arten von Sonden, wie beispielsweise Abtastsonden, optischen
Sonden, Lasersonden, Sonden mit Induktivsensoren oder Sonden mit
kapazitiven Sensoren, angewandt werden. Dies gilt auch für Maschinen, welche
Bewegungen des Messstücks
mit Bewegungen des Messsensors vereinen, wie beispielsweise CMM
mit beweglichen oder drehbaren Platten.
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Die 2 stellt
schematisch die Antriebs- und Steuersysteme einer Messmaschine gemäß einem
Aspekt der Erfindung dar. Bewegt wird die Messsonde 150 entlang
den drei Achsen X, Y, Z durch die drei Antriebselemente 170x, 170y, 170z, welche
durch drei Motoren 132x, 132y, 132z,
auch Aktuatoren genannt, angetrieben und durch die Steuereinheit 120 gesteuert
werden. Die Kodierer 136x, 136y, 136z lesen
die Positionen der Elemente 170x, 170y, 170z ab
und liefern diese an die Steuereinheit 120. Andere Elemente
können
Ereignisinformationen an die Steuereinheit liefern, wie beispielsweise Schalter,
Drucktasten oder analog Sensoren bzw. Auslösungssensoren.
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Es
kann im Rahmen der Erfindung jedes beliebige geeignete System verwendet
werden, das die Umwandlung der Drehbewegung der Motoren in eine translatorische
Bewegung (Verschiebung) der Antriebselemente 170x, 170y, 170z gewährleistet.
Verwendet werden können
beispielsweise biegsame Übertragungselemente,
beispielsweise Kabel oder Riemen, oder schraubenförmige Verbindungen
vom Typ Schraube-Mutter oder Spindelmutter. Es können ebenfalls Linearmotoren
verwendet werden, welche direkt eine translatorische Bewegung erzeugen,
beispielsweise Linearelektromotoren oder Piezoelektromotoren oder
Ultraschallmotoren.
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Im
Allgemeinen wird davon abgeraten, und ist es meistens unmöglich, den
Messkopf einer motorisierten CMM manuell zu bewegen, aufgrund der
erheblichen Belastungen, die im Übertragungssystem erzeugt
würden.
Das System der 2 umfasst Kupplungen 134x, 134y, 134z,
welche im aktiven Zustand die Elemente 170x, 170y, 170z von
den Aktuatoren zu entkoppeln vermögen, was somit die handbetätigten Bewegungen
des Messkopfes und der Messsonde erlaubt.
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Die
Kupplungen werden automatisch durch die Steuereinheit 120 gesteuert.
Ebenfalls denkbar wären
Systeme mit Reibungskupplungen, welche spontan die Aktuatoren 132x, 132y, 132z von
den Elementen 136x, 136y, 136z entkoppeln,
wenn das Drehmoment und/oder die übertragene Kraft ein vorbestimmtes
Grenze überschreiten,
oder Freilaufmechanismen, welche die Bewegung des Messkopfes 150 unter
Außenkräften erlauben,
ohne die Aktuatoren 132x, 132y, 132z anzutreiben.
Die Bedienungsperson hat auch die Möglichkeit, die Kupplungen nach
Belieben zu betätigen,
wobei eine oder mehrere Achsen bewegungsfrei gelassen werden. Die
Kupplungen können
elektrisch, mechanisch oder pneumatisch durch die Steuereinheit
aktiviert werden. Es werden auch Kupplungen mit sehr niedrigem Verschleiß und sehr
niedriger Erhitzung im Reibungsmodus vorgezogen.
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Die
erfinderische CMM umfasst einen Programmierungsmodus, in welchem
die Steuereinheit die Kupplungen 134x, 134y, 134z betätigt, um
die Aktuatoren 132x, 132y und 132z teilweise
oder ganz zu entkoppeln und die handbetätigte Bewegung des Messkopfes 150 zu
erlauben, um die durch die Kodierer 136x, 136y, 136z gelieferte
Momentanposition zu erfassen und, während des Kontakts des Fühlstifts 154 mit
einem Messstück,
um die Informationen über den
Messpunkt in einem Programm zu errechnen und speichern. Die erfinderische
CMM umfasst ebenfalls einen Messmodus, in welchem die Achsen XYZ durch
die Motoren 132x, 132y, 132z angetrieben werden,
welche durch die Steuereinheit 120 gesteuert werden, um
die während
des Programmierungsmodus erfassten Bewegungen und Kontakte wiederzugeben.
Die für
die Bewegungen nötige
mechanische Leistung wird ganz durch die Motoren 132x, 132y, 132z im
Messmodus und ganz oder teilweise durch die Bedienungsperson im
Programmierungsmodus erbracht.
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In
einer Variante dieser Erfindung werden die Aktuatoren teilweise
gekoppelt, d. h. dass sie nur während
eines kurzen Moments gekoppelt werden, damit die Motoren wirken,
so dass die Bedienungsperson das Messsystem manuell bewegen kann.
Die Kupplung wird so angeordnet, dass sie ein Drehmoment ausübt, um beim
Abbremsen oder beim Beschleunigen der Messvorrichtung unterstützend zu wirken,
und auch um die Messvorrichtung ohne kontinuierliche Kraftausübung seitens
der Bedienungsperson in ihrer Position zu halten. Dieser Modus unterstützt die
Bedienungsperson bei der Durchführung der
Bewegungen, lässt
der Bedienungsperson jedoch die Wahl, ob Beschleunigungen auszuüben sind,
um die Geschwindigkeit in die Höhe
oder nach unten innerhalb von festen Geschwindigkeitsgrenzwerten
zu variieren. Dieser Bewegungsmodus basiert auf der Beschleunigung
und Geschwindigkeit, welche aufgrund der Positionsmessung erlangt
werden.
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In
einer anderen Variante der Erfindung ist das von den Aktuatoren
im entkoppelten Modus übertragene
Reibmoment niedriger als das im gekoppelten Modus übertragene
Moment. Dies ermöglicht, dass
die Kopplung an der Kupplung einfacher gleitet, wenn der Messkopf
von Außen
gehandhabt wird. Der entkoppelte Modus wird durch die Bedienungsperson initiiert,
indem entweder eine genügende
Kraft auf dem Messkopf ausgeübt
wird, oder durch Betätigung eines
Auslösers,
z. B. eines Schalters, der dank der Steuereinheit erlaubt, von einem
gekoppelten Modus zu einem entkoppelten Modus zu wechseln, um die Programmierung
vorzunehmen und umgekehrt.
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Die 3 stelle
eine Ausführungsvariante der
Erfindung dar, in welcher die Aktuatoren 132x, 132y, 132z der
CMM immer mit den Achsen XYZ gekoppelt werden und die für die Bewegung
des Messkopfes 150 erforderliche mechanische Leistung sowohl
im Messmodus wie im Programmierungsmodus liefern. Die CMM umfasst
in dieser Variante Kraftsensoren (oder Drehmomentsensoren) 145x, 145y, 145z im
Betätigungssystem
der Achsen XYZ, welche empfindlich auf Außenkräfte sind, die auf dem Messkopf 150 wirken,
beispielsweise auf Kräfte,
die eine Bedienungsperson auf den Messkopf 150 manuell ausübt. Im Programmierungsmodus
empfängt
die Steuereinheit Kraftsignale von den Sensoren 145x, 145y, 145z und
steuert die Aktuatoren 132x, 132y, 132z,
um den Messkopf auf die gewünschte
Weise zu bewegen, beispielsweise proportional zur, und in Richtung
der, auf den Messkopf 150 manuell ausgeübten Kraft, was den Messkopf
auf ganz intuitive Weise zu bewegen erlaubt, indem eine kleine Kraft manuell
ausgeübt
wird, um eine große
Triebkraft auf die Aktuatoren zu erzielen. Dieser Modus kann auch Kraftverstärkungsmodus
genannt werden, da die angewandte Kraft durch die Motoren verstärkt wird.
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Die
Art und Anordnung der Sensoren 145x, 145y, 145z werden
vorzugsweise je nach Struktur des Übertragungs- und Antriebssystems
der CMM gewählt.
Es ist zum Beispiel denkbar, Dehnungsmessstreifen oder piezoelektrische
Kraftsensoren oder elastische System oder auch Sensoren mit integrierten
Positionssensoren 136x, 136y, 136z zu
benützen.
Vorzugsweise werden die Kraftsensoren 145x, 145y, 145z so
angeordnet, dass deren Benützung
die Genauigkeit zwischen den Koordinatenmesssensoren und dem Kontaktpunkt
der Sonde nicht beeinflusst.
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Vorzugsweise
wird die Ausübung
von sehr kleinen Außenkräften gemieden,
da sie leicht mit Störungen
verwechselt würden,
oder von übermäßig starken
Außenkräften, da
sie die Genauigkeit der Maschine ändern würden. Optimal wird die Maschine
so angeordnet, um auf von der Bedienungsperson ausgeübte Kräfte zu reagieren, welche ähnlich sind
mit denjenigen, denen man während
Messaufprallen begegnet, und genügend
sind, um die Bewegung der Maschine zu stoppen. Vorzugsweise wird
die Bewegungsgeschwindigkeit der erfinderischen Messmaschine unter
einem Obergrenzwert limitiert, so dass die CMM am Zeitpunkt des
Messaufpralls rasch zum Stehen gebracht werden kann. Die Geschwindigkeit kann
automatisch durch die Steuereinheit reguliert und gebremst werden,
wenn die von der Bedienungsperson angegebene Geschwindigkeit zu
hoch ist, oder wenn ein Aufprall plötzlich eintritt.
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Gemäß einer
anderen, in 4 dargestellten Ausführungsform
der Erfindung ist der Messkopf 150 mit einem Benutzeroberflächeelement 140 ausgestattet,
das auf die manuelle Betätigung
durch die Bedienungsperson empfindlich ist, beispielsweise ein Benutzeroberflächeelement,
das auf die von der Bedienungsperson manuell ausgeübten Kräfte empfindlich
ist. Im Programmierungsmodus empfängt die Steuereinheit 120 die
manuellen Betätigungen
der Bedienungsperson durch das Benutzeroberflächeelement 140 und
steuert die Aktuatoren 132x, 132y, 132z,
um den Messkopf auf die gewünschte
Weise zu bewegen, beispielsweise in Richtung der manuell auf das
Benutzeroberflächeelement 140 ausgeübten Kraft.
Das Benutzeroberflächeelement 140 ist
vorzugsweise mit dem Messkopf 150 solidarisch verbunden
und bewegt sich mit ihm. In der vereinfachten Variante, die in 5 dargestellt
ist, wird es durch eine stationäre
Vorrichtung 190 ersetzt.
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Gemäß einer
Variante der in 4 dargestellten Ausführungsform
wird die Sonde durch ein Betätigungselement
ersetzt, welches das Messsystem grob in die verschiedenen Messpositionen
zu richten erlaubt, ohne Messaufprall auszuführen. Die Messpunkte werden
anschließend
manuell durch Eingreifen der Bedienungsperson auf einen Auslöser gespeichert.
Die Positionierungsgenauigkeit jedes Messpunkts wird anschließend im
Validierungsmodus mit einem richtigen Taster und Schlußanfahrvorgang
bis zum Aufprall verfeinert. Dieser Modus hat den Vorteil, Maschinen
größerer Dimensionen
per Hand und visuell, jedoch mit viel weniger Risiken von Kollisionen
als mit einer Fernsteuerung steuern zu können.
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In
diesen verschiedenen Varianten kann der Programmierungsmodus auch
durch eine spezifische Betätigung
der Bedienungsperson auf die Steuereinheit eingeleitet werden. In
den meisten Modi, wie beispielsweise im Kraftverstärkungsmodus,
verhindert dies die Verstärkung
von Störungen
sowie unkontrollierte Bewegungen der Maschine als Reaktion auf unerwünschte Schocks
oder Vibrationen von Außen.
Die Maschine wird vorzugsweise programmiert, um als Bewegungsbefehl
nur manuelle Kräfte
zuzulassen, welche während
einer Dauer ausgeübt
werden, die über
einen vorbestimmten Zeitgrenzwert liegt, um die Vibrationen sowie
die aus ungewollten Kontakten oder aus dynamischen Kräften stammenden
Kräfte
zu filtrieren. Wenn abnormale oder nicht interpretierbare Befehle
vorliegen ist die Messmaschine vorzugsweise so programmiert, dass
sie aus Sicherheitsgründen
in den stationären
Zustand zurückkehrt.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung ist das System in der Lage, Durchgangspunkte,
Ausweichpunkte, Messpunkte und Punkte für Spezialvorgänge wie
Werkzeugwechsel zu erzeugen und zu speichern. Die Messpunkte unterscheiden
sich durch das Erfassen des Messstücks an der Sonde. Es ist oft vorteilhaft,
Zusatzpunkte zu speichern, die keinen Aufprallen mit dem Messstück entsprechen.
Das Speichern von Punkten kann somit durch Information aus der Sonde
im Aufprallaugenblick erfolgen, oder durch Eingreifen der Bedienungsperson
auf mindestens einen unabhängigen
Auslöser 340 (2)
wie Schalter oder Druckknopf oder Pedale, oder durch jedes andere
geeignete Befehleingabemittel, um einen Messpunkt für eine berührungslose
Sonde zu definieren, oder um Zusatzpunkte hinzufügen. Die gespeicherten Punkte
unterscheiden sich nach Art entweder direkt während des Programmierungsmodus oder
nachträglich
im Editiermodus.
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Unter
den Zusatzpunkten, die man finden kann, gibt es Ausweichpunkte,
welche Kollisionen mit dem Messstück zu verhindern vermögen, damit
der Messkopf sich während
einer Bewegung vom Stück entfernt.
Es gibt Vorgangspunkte, welche zur Ausführung von Spezialvorgängen dienen,
wie beispielsweise Kopf- oder Tasterwechsel, Kalibrierungen zur
Gewährleistung
der Korrelation von Punkten vor und nach dem Wechsel am Kopf oder
am Taster, Kopfumorientierungen. Es gibt zudem Durchgangspunkte, welche
erlauben, bestimmte Bedingungen zu definieren, wie beispielsweise
die Positionierung des Kopfes bevor in eine Richtung und mit einer
spezifischen Anfahrgeschwindigkeit gegangen wird, um eine genaue
Messung vorzunehmen, wohlwissend dass die Anfahrrichtung während der
Messung nahe zur Normalen an der Oberfläche sein soll. Das System erstrebt
auch die Optimierung der Bewegungen, um diese Kriterien auf optimale
Weise zu erfüllen
und die Wiederholbarkeit der Messungen im fertigen Messprogramm
zu gewährleisten.
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Um
auf die Anfahrrichtung schließen
zu können,
basiert das Messsystem auf mehreren Punkten, welche eine Elementarform
bilden; diese Information wird verwendet, um die Anfahrrichtung
zu korrigieren und die erforderlichen Durchgangspunkte zu bestimmen,
damit die Messungen von jedem, diese Form bildenden Punkt auf optimale
Weise angefahren wird. Diese Richtungsinformation erlaubt es anschließend, die
Position des Aufpralls auf die Tasterkugel am Ende der Sonde genau
zu bestimmen, zudem erlaubt die Qualität dieser Information, den Messfehler
und die Dispersion der gemessenen Werte zu verringern, was somit
die Anzahl erforderlicher Messungen reduziert.
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Für die Vorgangspunkte
wie Werkzeugwechsel können
beispielsweise eine Auswechslung des Messkopfes oder des Tasters
mittels eines Werkzeugracks oder eine Umorientierung des Messkopfes
mit einem motorisierten Kopf durchgeführt werden. Die Programmierung
dieser Vorgänge
wird für
die Bedienungsperson vereinfacht, Letztere kann beispielsweise manuelle
Eingriffe vornehmen und sie einfach in die Programmierung im Editiermodus übertragen. Punkte
können
somit entweder im Programmierungsmodus oder im Editiermodus programmiert werden.
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Die
CMM der Erfindung umfasst vorzugsweise einen Validierungsmodus,
um ein Messprogramm von identischer Qualität, wie ohne manuellen Eingriff oder
Einfluss der Bedienungsperson erzeugt geworden wäre, zu erzielen. Dieser Modus
umfasst beispielsweise Schritte zur Korrektur der Messpunkte, worin
die aus der Außenkraft
der Bedienungsperson stammenden Ablenkung abgezogen wird, und/oder Schritte
zur Korrektur der Anfahrvektoren, um sicherzustellen, dass die Anfahrrichtungen
und -geschwindigkeiten an den zu messenden Oberflächen zwischen
bestimmten Grenzwerten fallen, unter Berücksichtigung deren Orientierung,
und/oder Schritte zur Validierung der im Editiermodus hinzugefügten Zusatzpunkte.
Optional umfasst der Validierungsmodus die Ausführung bei niedriger Geschwindigkeit und/oder
schrittweise der gespeicherten Bewegungsreihenfolge, während der
die Bedienungsperson eingreifen kann, indem beispielsweise die Sequenz
gestoppt und in den Editier- oder Programmierungsmodus zurückgekehrt
wird, um Korrekturen vorzunehmen. Sobald die Validierung ausgeführt wurde,
ist das Messprogramm abgeschlossen und für den Messmodus optimiert.
Diese Validierung ist nicht unentbehrlich, jedoch vorzuziehen.
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Gemäß einem
optionalen Aspekt der Erfindung wird die Messmaschine programmiert,
um, wenn das Programm wieder gespielt wird, die Orientierung des
Messstücks
aufgrund der aus einer Vielzahl von Messpunkten resultierende Elementarform zu
bestimmen und somit das Bezugssystem des Messprogramms an die tatsächliche
Orientierung des Stücks
anzupassen.
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Zusammengefasst
ergibt sich eine multidimensionale Koordinatenmessmaschine mit einem Programmiermodus,
worin der Messkopf manuell von einer Bedienungsperson bewegbar ist,
und einem Messmodus, worin die Steuereinheit angeordnet ist, um
die während
des Programmierungsmodus gespeicherten Bewegungen des Messkopfes
automatisch zu optimieren und wiederzugeben.