DE29722450U1

DE29722450U1 - Vorrichtung zur Überprüfung der geometrischen Genauigkeit eines Koordinatenmeßgerätes

Info

Publication number: DE29722450U1
Application number: DE29722450U
Authority: DE
Original assignee: Leitz Brown and Sharpe Messtechnik GmbH
Current assignee: Hexagon Metrology GmbH
Priority date: 1997-12-19
Filing date: 1997-12-19
Publication date: 1998-03-26
Anticipated expiration: 2007-12-20

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überprüfung der geometrischen Genauigkeit eines Koordinatenmeßgerätes.

Eine wichtige Eigenschaft von Koordinatenmeßgeräten ist die spezifizierte Genauigkeit. Diese wird in der Regel mit Hilfe einer rechnerischen Korrektur der geometrischen Abweichungen erreicht und bei der Inbetriebnahme beziehungsweise Aufstellung überprüft. Korrektur und Überprüfung geschehen nach bekannten Verfahren.

Genau genommen ist damit die Genauigkeit des Koordinatenmeßgerätes nur zu diesem Zeitpunkt und unter den dabei bestehenden Bedingungen bekannt. Veränderliche Umwelteinflüsse, insbesondere Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen, und betriebsbedingte Einflüsse, wie Verschleiß oder interne Temperatureffekte, können die geometrische Genauigkeit des Koordinatenmeßgerätes beeinträchtigen. Zur langfristigen Sicherstellung der Genauigkeit im praktischen Betrieb muß daher das Koordinatenmeßgerät regelmäßig überprüft werden.

Hierfür sind verschiedene Prüfkörper bekannt:

- eindimensionale Prüfkörper, wie etwa Kugelstab, Parallel- oder Stufen-Endmaß,

- zweidimensionale Prüfkörper, wie etwa Kugelloch oder Kugelbuchsenplatte ,

- dreidimensionale Prüfkörper, wie etwa Kugelquader.

Bekannte dreidimensionale Prüfkörper, wie Endmaße und Kugelstäbe, definieren nur Abstände. Damit sind zwar im Prinzip auch alle einundzwanzig Komponenten der geometri-

sehen Abweichungen nachzuweisen, aber Rotations- und Geradheit sabweichungen lassen sich nur mit einem aufwendigen Meßprogramm und nur zusammen mit anderen Komponenten messen. Ein praktikables Verfahren zur Identifikation und Korrektur der geometrischen Abweichungen mit einem eindimensionalen Prüfkörper ist nicht bekannt.

Zweidimensionale Prüfkörper, wie etwa Kugelplatten, erlauben auch die direkte Identifikation von Rotations- und Geradheitsfehlern, sind aber relativ teuer und nur bis zu einer Größe verfügbar, die schon für mittelgroße Koordinatenmeßgeräte zu klein ist, um einzelne Achsen des Koordinatenmeßgerätes vollständig abzudecken.

Für dreidimensionale Prüfkörper gelten dieselben Einschränkungen.

Alle genannten zum Stand der Technik gehörenden Prüfkörper haben den Nachteil, daß sie dem Koordinatenmeßgerät nach Meßbereich und Auflösung nicht anpaßbar sind.

Das der Erfindung zugrunde liegende technische Problem besteht darin, einen Prüfkörper zur Überprüfung der geometrischen Genauigkeit eines Koordinatenmeßgerätes anzugeben, der sehr preiswert für die Achsenlänge des Koordinatenmeßgerätes passend herstellbar ist und problemlos während des normalen Meßbetriebes gemessen werden kann.

Dieses technische Problem wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Dadurch, daß der Prüfkörper aus einem Träger aus einem Material mit genügender mechanischer Stabilität, insbesondere Langzeitstabilität besteht, das mit antastbaren EIe-

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menten versehen wird, die direkt oder unter Zuhilfenahme weiterer Elemente eine Reihe von Meßachsen oder Meßpunkten im Raum ergeben, ist der Prüfkörper für die Achsenlänge des Koordinatenmeßgerätes passend herstellbar und kann auch während des normalen Meßbetriebes gemessen werden.

Der Prüfkörper wird im wesentlichen parallel zu einer Achse des Koordinatenmeßgerätes angeordnet, und die Achsen oder Punktreihe werden in wenigstens drei Positionen des Prüfkörpers im Meßvolumen gemessen. Die Steuerung berechnet vorzugsweise im Rahmen eines automatisch ablaufenden Meßprogrammes Abweichungswerte und daraus neue Korrekturwerte, die in das Koordinatenmeßgerät eingegeben und im weiteren Meßbetrieb verwendet werden.

Ein für einen erfindungsgemäßen Prüfkörper geeigneter Träger ist beispielsweise ein Doppel-T-Träger aus spannungsfrei geglühtem Grauguß. In diesen werden in die biegeneutrale Faser, etwa in die Mitte des mittleren Schenkels des Trägers, Edelstahlbuchsen eingesetzt, die Innenzylinder oder Innenkugelzonen definieren. Es können je nach gewünschter Genauigkeit aber auch direkt in den Grauguß Zylinder- oder Kugelbohrungen eingebracht werden. Der Abstand der Löcher sollte deutlich geringer sein als die zu erwartende Längenskala von Geometrieänderungen. Die Gesamtlänge der Lochreihe sollte ungefähr der Meßlänge der zu überprüfenden Achse des Koordinatenmeßgerätes entsprechen.

Der Prüfkörper wird im wesentlichen entlang einer Achse des Koordinatenmeßgerätes angeordnet. Bei einigen Bauarten von Koordinatenmeßgeraten wird eine Achse häufiger überprüft werden müssen als die anderen Achsen, in der Regel diejenige, bei der das Abbesche Prinzip maximal verletzt ist.

Das Abbesche Komparatorprinzip ist üblicherweise bei einer Achse eines Koordinatenmeßgerätes stärker verletzt als bei den anderen Achsen. Bei einer Achse, beispielsweise bei der Y-Achse, ist der Maßstab wesentlich weiter von der Achse entfernt als beispielsweise bei der X- oder der Z-Achse. Hierdurch wirken sich Krümmungen wesentlich stärker aus, so daß in diesem Fall die Y-Achse häufiger gemessen werden muß als die X- und die Z-Achse, bei denen die Krümmungen eine untergeordnete Rolle spielen.

Durch eine Messung der Zylinderbohrungen mit Einzelpunkten oder durch Scannen werden nun die Achsen der Zylinder bestimmt. Diese Messung geschieht an mehreren Positionen im Meßvolumen des Koordinatenmeßgerätes, vorzugsweise in einem automatisch ablaufenden Meßlauf. Durch Wiederholmessungen, gegebenenfalls nach Verschiebung um Bruchteile des Bohrungsabstandes, werden Genauigkeit und Auflösung gesteigert.

Die gemessenen Koordinaten der einzelnen Punkte werden nun mit den bei einer "Kalibrierung" des Prüfkörpers gemessenen Koordinaten verglichen. Diese Kalibrierung kann auf einem für Kalibrierungen zugelassenen Meßgerät erfolgt sein. Da eine solche externe Kalibrierung bei den bekannten Prüfkörpern wesentlich zu den hohen Kosten beiträgt, findet vorzugsweise eine "Kalibrierung" des Prüfkörpers bei der Inbetriebnahme des Koordinatenmeßgerätes auf diesem selbst statt. Die dabei gemessenen Koordinaten der einzelnen Punkte werden vorzugsweise in der Steuerung gespeichert.

Aus den bei der Überprüfungsmessung gewonnenen Meßdaten werden nun von der Steuerung für die betreffende Achse Maßstabsfehler, Geradheitsfehler und Rotationsfehler be-

rechnet. Diese sollen idealerweise durch die rechnerische Korrektur verschwinden. Durch Vergleich mit den "kalibrierten" Werten des Prüfkörpers werden die aufgetretenen Veränderungen der Geometrie berechnet und die Geometriekorrekturwerte entsprechend korrigiert. Die neuen Geometriekorrekturwerte werden dann in der Steuerung für alle weiteren Messungen verwendet.

Die entsprechenden geometrischen Abweichungen der anderen Achsen werden durch ein entsprechendes Verfahren mit parallel zu diesen Achsen angeordnetem Prüfkörper bestimmt und korrigiert. Die Winkelabweichungen können nach bekannten Verfahren oder in entsprechender Weise mit diagonal angeordnetem Prüfkörper gemessen und korrigiert werden.

Anstatt der Zylinder können auf dem Prüfkörper auch antastbare Elemente angeordnet sein, die eine Reihe von Punkten im Raum definieren, beispielsweise auch Zylinder, bei denen durch Schnitt mit einer jeweiligen Ebene eine Punktreihe im Raum ermittelt wird. Wenn die antastbaren Elemente eine Reihe von Punkten im Raum definieren, können alle geometrischen Abweichungen der betreffenden Achse bestimmt werden.

Es können Möglichkeiten zur Einflußnahme des Bedieners vorgesehen sein, um etwa bei geringfügigen Abweichungen eine Veränderung der Geometriekorrekturwerte zu verhindern, sowie Diagnosehilfen zur Rückführung der nachgewiesenen Veränderungen auf einzelne mechanische Komponenten des Koordinatenmeßgerätes und Möglichkeiten zur Darstellung des Langzeitverhaltens des Koordinatenmeßgerätes. Es spielt keine Rolle, ob die genannten Operationen vom Maschinenrechner oder vom Auswerterechner vorgenommen werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Prüfkörper kann ein Verfahren zur Überprüfung und Korrektur der geometrischen Genauigkeit eines Koordinatenmeßgerätes mit folgenden Schritten durchgeführt werden:

- Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird im Meßvolumen des Koordinatenmeßgerätes so angeordnet, daß die antastbaren Elemente im wesentlichen parallel zu einer Achse liegen;

- die antastbaren Elemente werden mit dem Koordinatenmeßgerät gemessen;

- diese beiden Schritte werden für mehrere Positionen der Vorrichtung und/oder mit mehreren Tastern wiederholt;

- aus den Abweichungen der Meßdaten gegenüber vorgegebenen Daten werden Veränderungen der geometrischen Abweichungen berechnet, und

- die Geometriekorrekturwerte des Koordinatenmeßgerätes werden zur Verwendung im weiteren Betrieb des Koordinatenmeßgerätes entsprechend den Veränderungen der geometrischen Abweichungen korrigiert.

Es können bei diesem Verfahren auch nur einige geometrische Abweichungen der betreffenden Achse, insbesondere nur einige Geradheitsabweichungen, bestimmt werden. Es ist auch möglich, alle geometrischen Abweichungen der betreffenden Achse zu bestimmen. Es ist hierbei möglich, daß die vorgegebenen Daten mit dem Koordinatenmeßgerät selbst bestimmt werden, insbesondere bei der Inbetriebnahme.

Dieses Verfahren mit dem erfindungsgemäßen Prüfkörper wird vorzugsweise mit einem Koordinatenmeßgerät mit einem Rechnersystem durchgeführt, das ein Software- oder ein Hardwaremodul enthält, das beim Betrieb des Koordinatenmeßgerätes die geometrischen Abweichungen nach einer vorgegebenen Tabelle korrigiert, wobei das Rechnersystem ein Software- oder Hardwaremodul enthält, in dem aus den Ergebnis-

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• &bgr;·· ·

sen der Messungen des Prüfkörpers neue Korrekturwerte für die geometrischen Abweichungen berechnet werden und die vorgegebene Tabelle entsprechend verändert wird.

Weitere Einzelheiten der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden.

Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, und zwar zeigen:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Prüfkörper in Ansicht;

Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Prüfkörper in verschiedenen Meßpositionen.

Fig. 1 zeigt einen Prüfkörper (1) , der als Doppel-T-Träger ausgebildet ist. Der Prüfkörper (1) weist in einer Reihe angeordnete, kreisförmige Bohrungen (2 bis 7) auf, die in einem Mittelschenkel (8) des Prüfkörpers angeordnet sind. Die kreisförmigen Bohrungen (2 bis 7) können durch in den Mittelschenkel eingelassene Stahlbuchsen ausgebildet sein. Die Bohrungen (2 bis 7) sind in gleichmäßigem Abstand in dem Mittelschenkel (8) angeordnet und auf die ganze Länge des Doppel-T-Trägers (1) verteilt. Die Gesamtlänge des Prüfkörpers (1) entspricht der Länge der zu korrigierenden. Achse. Das Material, aus dem der Prüfkörper (1) besteht, muß so beschaffen sein, daß die relative Lage der Kreismittelpunkte der Bohrungen (2 bis 7) langzeitstabil ist. Ein vorteilhaftes Material ist spannungsfrei geglühter Grauguß mit eingelassenen, geschliffenen Edelstahlbuchsen.

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Die Lage der Bohrungen (2 bis 7) wird direkt nach einer Korrektur der Maschinenfehler eingemessen. Durch Wiederholung der Messung in entsprechenden zeitlichen Abständen kann aus den ermittelten Abweichungen von den Ergebnissen der ersten Messung eine Nachkorrektur der Maschine erfolgen.

Fig. 2 zeigt ein Koordinatenmeßgerät (9) mit zwei Tastern (10, 11). Für die Nachkorrektur wird der Prüfkörper (1) in drei Positionen (A, B, C) angeordnet.

Die Nachkorrektur erstreckt sich auf fünf Freiheitsgrade.

Der Prüfkörper (1) wird so im Meßvolumen plaziert, daß die Reihe der Bohrungen (2 bis 7) längs der zu korrigierenden Achse (Y-Achse) ausgerichtet ist, wobei die erste Bohrung (2) so nahe wie möglich im Nullpunkt der Achse liegen muß. Die Reproduzierbarkeit der Position im Meßvolumen muß für alle Raumrichtungen besser als 0,1 mm sein. Dann wird in den drei Positionen (A, B, C) die Reihe der Bohrungen (2 bis 7) mit beispielsweise neun Punkten pro Bohrung jeweils beispielsweise fünfmal gemessen, die Mittelwerte pro Kreis gebildet und die Kreismittelpunkte in die XY-Ebene des Maschinenkorrdinatensystems projiziert. Die Auswertung der Meßergebnisse werden im Koordinatensystem der Maschine vorgenommen.

Die Nachkorrekturwerte werden wie folgt aus den Messungen bestimmt:

Nomenklatur:

AR¹¹^ bedeutet Rotationsabweichung der Y-Achse um X-Achse an der &eegr;-ten Stützstelle.

Y"_k bedeutet Y-Koordinate der &eegr;-ten Stützstelle in Position k des Prüfkörpers (1)(Fig. 2).

ARⁿ _yx = [(Yⁿ _c - Y\) - (Y\ - Y¹J] / &Dgr;&Zgr;

&Dgr;&Zgr; ist die Höhendifferenz der Meßlinien A und C. Die Nachkorrektur der Rotation ist dann

^R yx neu ~ ^R yx alt

Da die Stützstellendichte in der Vollfehlerkorrekturtabelle größer ist als auf dem Meßbalken, muß bei Zwischenwerten interpoliert werden.

ARⁿ _yi = [(Y\ - Yⁿ _B) - (Y\ - Y¹B)] / &Dgr;&KHgr; &Dgr;&KHgr; ist der Abstand der Taster (10, 11) in X-Richtung.

Nachkorrektur:

^R yz neu ~ ^R yz alt ' ^^R yz

^ = [(X^D _C - X\) - (X¹C - X¹J] / AZ Nachkorrektur:

Rⁿ = Rⁿ - ARⁿ

yy neu yy alt yy

Zur Nachkorrektur von T und T ist es notwendig, die

yy Y^

Meßdaten vorher mit den neu ermittelten Rotationswerten zu korrigieren:

+ X_t · ARⁿ _yz - Z_t · AR"

Z_t

Hierbei ist Z der Koordinatenwert der Z-Achse im Maschinensystem und Z_t die Tasterlänge in Z-Richtung.

Die Abweichungen von X_neu und Y_neu gegenüber den Sollwer_soll und Y_soll werden nun zur Na und der Position T_n verwendet.

ten X_soll und Y_soll werden nun zur Nachkorrektur der Geradheit

Tⁿ = Tⁿ - (&Dgr;&Ugr;^&eegr; - &Dgr;&Ugr;^&eegr; )

yy neu yy alt V-" _neu ^ul _soii'

- (&Dgr;&KHgr;" - &Dgr;&KHgr;° )

wobei

&Dgr;&KHgr;^&eegr; - (Xⁿ - X¹)

und

&Dgr;&Ugr;^&eegr; = (Yⁿ - Y¹)

&igr; /&igr;

•J J J

Bezugszahlen

1	7	Prüfkörper
2 bis		Bohrungen
8		Mittelschenkel
9		Koordinatenmeßgerät
10, 11	C	Taster
A, B,		Positionen
151297
CK/an

Ck

Claims

Patentanwälte

Dipl.-Math. Siegfried Knefel

Dipl.-Phys. Cordula Knefel

Wertherstr. 16, 35578 Wetzlar

Postfach 1924, 35529 Wetzlar

Telefon 06441/46330 - Telefax 06441/48256

L G 1003

Leitz-Brown & Sharpe Meßtechnik GmbH

Siegmund-Hiepe-Straße 2-12

35578 Wetzlar

Vorrichtung zur Überprüfung der geometrischen Genauigkeit eines Koordinatenmeßgerätes

Schutzansprüche

1. Vorrichtung zur Überprüfung der geometrischen Genauigkeit eines Koordinatenmeßgerätes, bestehend aus einem Träger aus einem langzeitstabilen Material, auf dem oder in dem antastbare Elemente angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet,

- daß jedes antastbare Element (3 bis 7) eine Achse oder einen Punkt im Raum definiert,

■» daß die antastbaren Elemente (3 bis 7) im wesentlichen entlang einer Geraden angeordnet sind,

- daß die Gesamtlänge der Vorrichtung (1) wenigstens annähernd der Länge der zu korrigierenden Achse des Koordinatenmeßgerätes entspricht, und

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- daß die Abstände der antastbaren Elemente (3 bis 7) kleiner sind, als die zu erwartende Längenskala von Geometrieänderungen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die antastbaren Elemente (3 bis 7) als Zylinder ausgebildet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die antastbaren Elemente (3 bis 7) als Kugeln, Kegel oder Zylinder mit je einer Basisfläche ausgebildet sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (1) als Doppel-T-Träger ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (1) aus spannungsfrei geglühtem Grauguß besteht.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die antastbaren Elemente (3 bis 7) in einer biegeneutralen Faser der Vorrichtung (1) angeordnet sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge zwischen dem ersten und dem letzten antastbaren Element (2, 7) ungefähr der Meßlänge der zu überprüfenden Achse des Koordinatenmeßgerätes entspricht.
8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die antastbaren Elemente (3 bis 7) in einem Mittelschenkel (8) des Doppel-T-Trägers angeordnet sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die antastbaren Elemente (3 bis 7) mit einem gleichmäßigen Abstand zueinander in der Vorrichtung (1) angeordnet sind.