DE3735075A1 - Pruefeinrichtung und verfahren zur bestimmung der messunsicherheit von koordinatenmessgeraeten - Google Patents

Description

Die Meßunsicherheit von Koordinatenmeßgeräten wird zur Zeit überwiegend mit Hilfe von sogenannten Stufenendmassen bestimmt, die in verschiedenen Stellungen im Meßbereich des Koordinatenmeßgerätes aufgebaut werden. Hierzu existiert die VDI/VDE Richtlinie 2617, in der die erforderlichen Aufbauten und Verfahrensschritte angegeben sind.

Es ist auch schon vorgeschlagen worden, zur Bestimmung der Meßunsicherheit von Koordinatenmeßgeräten sogenannte Kugelstabmessungen durchzuführen. Nach diesem in "Precision Engineering" Vol. 4 No. 2 (April 82) Seite 61-69 beschriebenen und in der Norm B 89 des Bureau of Standarts in den USA empfohlenen Verfahren wird ein Kugelstab bestehend aus zwei Stahlkugeln, die durch einen Stab einstellbarer Länge miteinander verbunden sind, mit einem Ende in eine magnetische Halterung auf dem Tisch des Koordinatenmeßgerätes festgehalten. Gleichzeitig wird das andere Ende des Kugelstabs in verschiedene Stellungen ausgerichtet oder dynamisch über eine ebensolche Kopplung vom Tastkopf des Koordinatenmeßgerätes durch den Meßbereich bewegt.

Das letztgenannte Verfahren ist aus mehreren Gründen zur Prüfung der Meßunsicherheit von Hochgenauigkeitsmeßmaschinen nicht geeignet: zum einen werden die Stahlkugeln im Laufe der Zeit magnetisiert und verschmutzen. Demzufolge läßt sich der Sitz der Kugel in der magnetischen Halterung nicht ausreichend sicher reproduzieren. Da die in der Halterung gelagerte Kugel vom Meßgerät nicht angetastet werden kann, wird die Länge des Kugelstabs, die ja die eigentliche Referenz bei der Bestimmung der Meßunsicherheit darstellt, nicht direkt gemessen. Außerdem erfordert auch der Aufbau des Kugelstabs in verschiedene Stellungen auf dem Meßtisch des Koordinatenmeßgerätes relativ viel Zeit.

Das dynamische Verfahren läßt sich ohnehin nicht universell auf allen Koordinatenmeßgeräten durchführen, da hierfür ein spezieller Tastkopf benötigt wird.

Aus der DE-OS 36 05 947 ist eine Prüfvorrichtung bestehend aus einem Träger und einem darauf in verschiedenen Orientierungen montierbaren Prüfnormal bekannt. Der Träger besitzt ein Drehlager, durch das er und damit das Prüfnormal schnell in verschiedene Winkelstellungen im Meßbereich des Koordinatenmeß­ gerätes gedreht werden kann. Hier wird jedoch ein Prüfkörper verwendet, der nicht der Norm B 89 des Bureau of Standarts entspricht. Außerdem ist der Umbau in verschiedene Orientierun­ gen des Prüfkörpers auf dem Träger sehr umständlich gelöst.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Prüfeinrichtung zur Durchführung von Kugelstabmessungen auf Koordinatenmeßgeräten zu schaffen, die der Norm B 89 des Büreau of Standarts entspricht und einen möglichst raschen Verfahrensablauf gewährleistet.

Diese Aufgabe wird gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches dadurch gelöst, daß das Prüfnormal ein Kugelstab bestehend aus zwei an den Enden eines langgestreckten Körpers befestigten Kugeln ist, und daß ein Ende des Kugelstabs auf dem Träger (1) in einem Dreh/Schwenklager befestigt ist, das ein freies Antasten der Kugel an diesem Ende erlaubt.

Da der Kugelstab gemäß der Erfindung in einem Dreh/Schwenklager auf dem Träger der Prüfeinrichtung befestigt ist, läßt er sich sehr schnell in die in der Norm B 89 geforderten Stellungen bringen und dort mit Hilfe der verschiedenen auf dem Träger angeordneten Befestigungseinrichtungen arretieren. Die Lagerung in dem Gelenk ermöglicht es außerdem die an diesem Ende des Stabes befindliche Kugel frei anzutasten, so daß die Prüfreferenz, das ist die Strecke zwischen den Mittelpunkten der beiden Kugeln des Kugelstabes, direkt durch Antastung beider Kugeln bestimmt werden kann.

Durch Verzicht auf eine magnetische Halterung können die Kugeln beispielsweise aus nicht-metallischem Material bestehen, so daß das Problem der Verschmutzung durch Metallpartikel gar nicht erst auftritt. Das Dreh/Schwenkgelenk ist zweckmäßig ein Kardangelenk, dessen Achsen im wesentlichen durch den Mittelpunkt der Kugel an einem Ende des Kugelstabs gehen. Hierdurch ist sichergestellt, daß sich dies Ende des Kugelstabs stets in der gleichen Position befindet.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Kugelstab bzw. der die beiden Kugeln verbindende, langgestreckte Körper von einem Trägerrohr umgeben ist. Dieses Trägerrohr kann einmal dazu dienen, Wärme vom Kugelstab fernzuhalten, die eine die Messung verfälschende Längenausdehnung bewirkt und ein wesentlicher Faktor für die nach dem Stand der Technik erforderlichen langen Meßzeiten ist. Außerdem kann das Trägerrohr dazu dienen, den Kugelstab zwangsfrei zu halten, beispielsweise durch Unterstützung in den Besselpunkten, so daß Deformationen des Kugelstabs während des Prüfvorganges minimiert sind.

Die gesamte Prüfeinrichtung bestehend aus dem Halter, dem Kugelstab, dem Dreh/Schwenkgelenk und den Befestigungselementen auf dem Träger wird zur Durchführung der Kugelstabmessungen zweckmäßig auf den Drehtisch des Koordinatenmeßgerätes aufgesetzt, was einen in Teilschritten automatischen, CNC­ gesteuerten Meßablauf ermöglicht. Besitzt das Koordinatenmeßgerät keinen eingebauten Drehtisch, so kann die Prüfeinrichtung auf einen transportablen Drehtisch aufgesetzt werden. Daneben ist es auch möglich, die Prüfeinrichtung selbst mit einem Drehlager und gegebenenfalls einem eigenen Antrieb und Winkelencoder auszustatten. Auch ein vollautomatischer Meßablauf ist möglich, wenn das Umsetzen des Kugelstabes in die geforderten Meßstellungen durch einen geeigneten motorischen Antrieb bzw. ein Handhabungsgerät vorgenommen wird.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Fig. 1-6 der beigefügten Zeichnungen.

Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Prüfeinrichtung;

Fig. 2 zeigt den Kugelstab (2) aus Fig. 1 in vergrößertem Maßstab teils im Schnitt, teils in Ansicht;

Fig. 3 ist eine Prinzipskizze, die die Prüfeinrichtung aus Fig. 1 in einer Seitenansicht zeigt, wobei sich der Kugelstab (2) in Vergleich zu Fig. 1 in einer anderen Stellung befindet;

Fig. 4 zeigt die Prüfeinrichtung aus Fig. 3 in Aufsicht;

Fig. 5 ist eine Seitenansicht der Prüfeinrichtung aus Fig. 1, in einem modifizierten Aufbau;

Fig. 6 zeigt die Prüfeinrichtung aus Fig. 5 in Aufsicht.

Die in Fig. 1 dargestellte Prüfeinrichtung besitzt eine Trägerplatte (1), die auf dem Meßtische eines Koordinatenmeßgerätes aufgesetzt werden kann. Vom Koordinatenmeßgerät selbst ist in Fig. 1 allein der Tastkopf (13) mit dem daran befestigten Taststift (23) dargestellt.

Auf der Trägerplatte (1) sind neben einem Dreh/Schwenkgelenk (5/16) eine Vielzahl von Befestigungselementen (3 a, 3 b und 3 c) sowie eine Vielzahl von Stützelementen (4 a-4 d) angeordnet. Die Anordnung der Befestigungselemente und Stützelemente ist so getroffen, daß der in das gabelförmige Teil (16) des Dreh/Schwenkgelenks eingesetzte Kugelstab (2) mit dem Ende, an dem sich die Kugel (12) befindet, in die verschiedenen Stellungen gebracht werden kann, die von der Norm B 89 des Bureau of Standart vorgeschrieben sind.

Das Teil (5) des Dreh/Schwenkgelenks und die Stütz- bzw. Befestigungselemente (4 und 3) sind alle auswechselbar auf der Trägerplatte (1) befestigt. Dies erlaubt, wie noch im weiteren beschrieben werden wird, die Prüfeinrichtung für bestimmte Zwecke umzubauen.

Der Aufbau des Kugelstabs (2) selbst ist in Fig. 2 detaillierter dargestellt: er besteht aus einem zylindrischen Stab (22), aus Invar, an dessen beide Enden je eine Kugel (11 bzw. 12) aus Aluminiumoxydkeramik angesetzt ist. An einem Ende ist der Stab (22) mit einer Ringnut (24) versehen. An dieser Stelle wird der Stab (22) von drei Schrauben (17 a-c), von denen eine angefedert ist, in einem ringförmigen Bund (21) des gabelförmigen Teils (16) des Dreh/Schwenkgelenks gehalten. Die Schwenkachse (S) des Dreh/Schwenkgelenks wird von zwei Kugeln (15 a und 15 b) gebildet, die in prismatischen Vertiefungen zwischen den einander umfassenden gabelförmigen Teilen (5 und 16) liegen. Die Drehachse (D) ist nur in Fig. 1 zu sehen und ist durch ein nicht näher dargestelltes Lager für das Teil (5) in der Platte (1) gebildet.

Um den Invarstab (22) ist ein Hüllrohr (6) gelegt. Dieses Hüllrohr ist ebenfalls in den Bund (21) des Teils (16) eingesetzt. Zwischen dem Invarstab (22) und dem Hüllrohr (6) ist ein Luftspalt gelassen. Hierdurch sind die beiden Teile thermisch entkoppelt. Der Kugelstab kann also am Hüllrohr (6) angefaßt werden, ohne daß sich die Handwärme in nennenswertem Umfange auf den Invarstab (22) überträgt und dort eine Längenänderung verursacht.

Am Ende der Kugel (12) ist das Hüllrohr (6) gegenüber dem Invarstab (22) mit Hilfe von drei Schrauben (27 a-c) in einem ringförmigen Bund (20) radial festgelegt, von denen auch wieder eine angefedert ist. Die Schrauben (27) gleiten deshalb frei entlang des Invarstabes (22), wenn sich das Hüllrohr (6) durch thermische Einwirkungen in seiner Länge ändert.

Am Hüllrohr (6) ist außerdem mittels einer Klammer (7) eine Stütze befestigt, die bei Bedarf ausgeklappt werden kann. Die Stütze besteht aus zwei in der gezeichneten Darstellung beiderseits des Hüllrohrs (6) angeordneten Stangen (9 a und 9 b), die durch zwei U-förmige Teile (29) an einem Ende und (39) am anderen Ende miteinander verbunden sind. Das Teil (29) ist um die Achse (st) drehbar an der Klammer (7) befestigt, während durch das Teil (39) am anderen Ende der Stangen (9 a und 9 b) eine durchgehende zylindrische Stützstange hindurchgesteckt ist, dessen beide Enden mit (19 a und 19 b) bezeichnet sind. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, greifen diese Enden (19 a,b) in die entsprechenden Nuten der Stützelemente (4 a-d) auf der Platte (1) ein, wenn die Stütze (9) ausgeklappt wird. Auf diese Weise läßt sich der Kugelstab (2) in unter Winkeln von z.B. 45° gegen die Ebene der Trägerplatte (1) geneigten Orientierungen ausrichten.

Zur Befestigung des Kugelstabs (2) in waagerechten Stellungen dient eine auf das Hüllrohr (6) aufgesetzte rechteckige Platte (30) in der Nähe der Kugel (12). Die Platte (30) greift dann in die Ausnehmungen der Halteelemente (3 a-c) ein und kann durch dort angebrachte Befestigungsschrauben festgeklemmt werden.

Aus den Fig. 3 und 4 ist ersichtlich, daß der beschriebene Prüfkörper es ermöglicht, den Kugelstab (2) in eine Vielzahl verschiedener, für die Bestimmung der Meßunsicherheit des Koordinatenmeßgerätes nach Norm B 89 vorgeschriebene Stellungen zu bringen: so kann der Kugelstab (2) waagerecht entlang den Begrenzungslinien der Platte (1) ausgerichtet werden, indem das freie Ende in die Befestigungselemente (3 a bzw. 3 c) eingespannt wird. Die waagerechte, diagonale Ausrichtung erfolgt durch Einspannen in das Befestigungselement (3 b). Weiterhin läßt sich der Kugelstab (2) nach Ausklappen der Stütze (9) und Einrasten in eines der beiden Stützelemente (4 a oder 4 c) in zwei zu den Seitenbegrenzung der Platte (1) parallelen Vertikalebenen, unter einem Winkel von 45° zur Fläche der Trägerplatte (1) geneigt ausrichten. Eine diagonale Ausrichtung unter einem Winkel von 35° zur Trägerplatte läßt sich erzielen, wenn die Stütze (9) ausgeklappt und in dem Stützelement (4 b) arretiert wird.

Schließlich ist noch eine vertikale Ausrichtung des Kugelstabs (2) möglich, wenn die Stütze (9) wie in Fig. 3 gestrichelt dargestellt, in das Stützelement (4 d) auf dem Ständer (14) eingesetzt wird.

Da die Trägerplatte (1) der Prüfeinrichtung mit einem Drehlager (31) mit senkrechter Drehachse versehen ist läßt sich der Kugelstab (2) noch in einer Vielzahl weiterer Stellungen im Meßbereich des Koordinatenmeßgerätes dadurch ausrichten, daß die Platte (1) beispielsweise in Winkelbeträgen von 90° gegenüber dem Tisch (40) des Koordinatenmeßgerätes gedreht wird. Wenn das Drehlager (31) einen eigenen Antrieb besitzt, und dieser mit dem Steuerrechner des Koordinatenmeßgerätes verbunden ist, dann läßt sich auch ein teilautomatisierter Meßablauf dadurch erzielen, daß nach einer Ausrichtung des Kugelstabs auf der Platte (1) die Messungen in verschiedenen Winkelstellungen des Drehtisches (31) CNC-gesteuert durchgeführt werden und dies nach dem Umsetzen des Kugelstabs in die verschiedenen Halteelemente auf der Platte (1) jeweils wiederholt wird.

Mit der beschriebenen Prüfeinrichtung läßt sich durch wenige zusätzliche Maßnahmen der Meßablauf sogar vollständig automatisieren. Beispielsweise kann entweder auf der Trägerplatte (1) selbst oder neben der Trägerplatte ein Handhabungsgerät (Roboter) aufgebaut werden, das nach entsprechender Programmierung selbstätig den Kugelstab in die verschiedenen Halteelemente umsetzt. Zur Arretierung des Kugelstabes in den Halteelementen sind dann entsprechend motorisch arbeitende Klemm- bzw. Verriegelungselemente vorzusehen. Geeignete Handhabungsgeräte sind mittlerweile preiswert im Handel erhältlich.

Eine andere mögliche Ausführungsform zur selbstätigen Umsetzung des Kugelstabes besteht aus einer Zugeinrichtung und zugehörigen Kurvenbahnen, auf denen das bewegliche Ende des Kugelstabes nacheinander in die verschiedenen Meßpositionen geführt wird. Auch hierbei sollten motorische Klemm- bzw. Verriegelungselemente für das sichere Arretieren des Kugelstabes in den Meßpositionen vorgesehen sein.

Die Norm B 89 verlangt, daß die beschriebenen Kugelstabmessun­ gen auch im oberen Teil des Meßbereiches eines Koordinatenmeß­ gerätes durchgeführt werden. Dazu kann die Prüfeinrichtung in der in Fig. 5 und 6 dargestellten, modifizierten Form verwendet werden. Hierbei ist das Dreh/Schwenkgelenk (5/16) mittels eines Ständers (35) auf der Trägerplatte (1) nach oben verlegt und an einem Halter (36) am Ständer (35) befestigt, der selbst drehbar im Ständer (35) gelagert ist.

Die Befestigungselemente (3 a und 3 c) aus Fig. 3/4 sind ebenfalls nach oben verlegt und auf zwei Ständern (33 a und 33 b) montiert. Auf diese Weise läßt sich der Kugelstab (2) waagerecht im oberen Teil des Meßbereichs des Koordinatenmeßgerätes entlang den vier Seiten eines Quaders ausrichten. Eine diagonale Ausrichtung in der zur Tischoberfläche (1) parallelen Ebene erhält man nach Ausklappen der Stütze (9) und Einrasten in das Stützelement (34 a), das zusammen mit einem Halteelement (39 c) auf einer Säule (34) befestigt ist. Die diagonal nach unten in die Mitte des Meßraumes gerichtete Stellung erfolgt durch Einlegen des vorderen Teils des Kugelstabs (2) in das Halteelement (39 c).

Mit den in Fig. 3/4 und 5/6 beschriebenen Varianten der Meßeinrichtung läßt sich der Kugelstab (2) in alle von der Norm B 89 geforderten Stellungen im Meßraum eines Koordinatenmeßgerätes bringen. Wenn ein Umbau der Einrichtung von der in Fig. 3/4 dargestellten Variante in die in Fig. 5/6 dargestellte Variante nicht gewünscht wird, so kann es zweckmäßig sein, beide Varianten als unabhängige und gegeneinander austauschbare Prüfeinrichtungen vorzusehen. In beiden Prüfeinrichtungen ist dann jeweils allein der Kugelstab auswechselbar, so daß beide Messungen mit demselben Kugelstab durchgeführt werden können.

Es soll nochmals betont werden, daß die Prüfeinrichtung ein freies Antasten beider Kugeln des Kugelstabes ermöglicht, so daß auch dann, wenn der Mittelpunkt der Kugel (11) des Kugelstabes nicht exakt auf den Achsen des Dreh/Schwenkgelenks (5/16) liegt, genaue Meßergebnisse zu erzielen sind.

Claims (10)

1. Prüfeinrichtung zur Bestimmung der Meßunsicherheit von Koordinatenmeßgeräten bestehend aus einem auf den Meßtisch (40) des Koordinatenmeßgerätes (13) aufsetzbaren Träger (1), der mehrere Befestigungselemente (3 a-c, 33 a-c) enthält, die ein Prüfnormal in verschiedenen Orientierungen im Meßbereich des Koordinatenmeßgerätes aufnehmen, dadurch gekennzeichnet, daß das Prüfnormal ein Kugelstab bestehend aus zwei an den Enden eines langgestreckten Körpers (22) befestigten Kugeln (11, 12) ist,
und daß ein Ende des Kugelstabs auf dem Träger (1) in einem Dreh/Schwenklager (5, 16) befestigt ist, das ein freies Antasten der Kugel (11) an diesem Ende erlaubt.

2. Prüfeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dreh/Schwenklager (5, 16) auswechselbar auf dem Träger (1) befestigt ist.

3. Prüfeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kugelstab (2) von einem Trägerrohr (6) umgeben ist.

4. Prüfeinrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß am Kugelstab (2) bzw. am Trägerrohr (6) eine Stütze (9) gelenkig befestigt ist, die sich bei verschiedenen Orientierungen des Kugelstabes jeweils gegen eines von mehreren Stützelementen (4 a-d) auf dem Träger (1) abstützt.

5. Prüfeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachsen (S, D) des Dreh/Schwenkgelenkes (5, 16) im wesentlichen durch den Mittelpunkt einer (11) der beiden Kugeln des Kugelstabs gehen.

6. Prüfeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugeln (11, 12) aus einem nicht-metallischen Material bestehen.

7. Prüfeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerrohr (6) nur an einer Stelle des Kugelstabes (2) befestigt ist und sich an einer zweiten Stelle so am Kugelstab (2) abstützt, daß eine Längenausdehnung des Kugelstabs (2) gegenüber dem Trägerrohr (6) ermöglicht ist.

8. Verfahren zur Durchführung von Kugelstabmessungen für die Prüfung der Meßunsicherheit von Koordinatenmeßgeräten unter Verwendung einer Prüfeinrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Prüfeinrichtung auf einen Drehtisch im Meßbereich des Koordinatenmeßgerätes aufgesetzt wird,
• - daß der Kugelstab auf dem Träger in eine erste Position ausgerichtet (orientiert) wird,
• - daß anschließend der Drehtisch den Träger in verschiedene Winkelstellungen dreht und in jeder Winkelstellung die Koordinaten beider Kugeln des Kugelstabes durch das Koordinatenmeßgerät bestimmt werden,
• - und daß anschließend der Kugelstab in eine weitere Position auf dem Träger ausgerichtet und der Vorgang wiederholt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausrichtung des Kugelstabes auf dem Träger durch ein Handhabungsgerät (Roboter) erfolgt.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausrichtung des Kugelstabes motorisch durch einen den Kugelstab entlang Kurvenbahnen in die Meßpositionen befördernden Antrieb erfolgt.