DE3781674T2

DE3781674T2 - Positionsbestimmungsverfahren innerhalb des messraumes eines koordinatenmessgeraetes und dergleichen und system dafuer.

Info

Publication number: DE3781674T2
Application number: DE19873781674
Authority: DE
Inventors: Frederick K Bell; Gary E Brazier; Stephen N Brown
Original assignee: Warner and Swasey Co
Current assignee: Warner and Swasey Co
Priority date: 1987-01-20
Filing date: 1987-12-02
Publication date: 1993-04-15
Anticipated expiration: 2007-12-03
Also published as: CA1310092C; EP0279926A1; DE3781674D1; EP0279926B1; JPS63302310A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Bestimmen einer Position innerhalb des Meßvolumens einer Koordinatenmeßmaschine (CMM) und insbesondere ein Verfahren und eine Einrichtung zum Bestimmen der Position innerhalb des Meßvolumens einer CMM, bei denen die CMM so kalibriert wird, daß sie in der Lage ist, die Position für das gesamte Meßvolumen zu bestimmen.
Mit dem Auftreten numerisch gesteuerter Werkzeugmaschinen wuchs der Bedarf für Mittel zur Unterstützung dieser Einrichtung durch schnellere Erststückkontrolle und, in vielen Fällen, 100 % Abmessungskontrolle. Um diesen Bedarf zu befriedigen, wurde in den frühen 1960ern die CMM entwickelt. Eine CMM kann ebenso als Entwurfsmaschine vor der Bearbeitung als auch zum Überprüfen von Ausbildungsanordnungen nach dem Bearbeiten verwendet werden. In vielen Fällen spielt die CMM eine wesentliche Rolle bei der Automatisierung des Kontrollvorganges.
Seit ihrer Entwicklung wurde die CMM zunehmend in der gesamten Kraftfahrzeug- und Weltraumindustrie eingesetzt. Obwohl sie einst als exotisches Werkzeug zur Gewährleistung einer Qualitätskontrolle angesehen wurde, wird die CMM jetzt ein unverzichtbares Ausrüstungsstück sowohl für die Massenproduktionsfabrik als auch für die Werkstatt für Kleinserienfertigung. Das ist vorwiegend auf den Bedarf für ein genau arbeitendes Meßinstrument sowie für eine detaillierte Dokumentation der hergestellten Teile zurückzuführen.
Gegenwärtig wird die CMM jeweils auf eine von drei möglichen Arten bei der Fabrikation eingesetzt. Die einfachste Art besteht darin, die CMM ans Ende der Produktionslinie oder in einem Kontrollbereich anzuordnen. Bei diesem Einsatz wird die CMM dazu verwendet, das erste Teil einer Produktionsreihe zu kontrollieren und damit die Maschineneinstellung durchzuführen. Wenn diese Maschineneinstellung durchgeführt wird, mißt sie die Teile nur noch stichprobenartig. Für viele Anwendungen ist das die beste Art der Kontrolle.
Ein anderer Weg besteht darin, die CMM zwischen zwei Bearbeitungszentren anzuordnen und dann 100 % der im ersten Zentrum hergestellten Teil zu messen, bevor irgendwelche sekundären Operationen im zweiten Bearbeitungszentrum durchgeführt werden. Dieser Weg ist möglich, weil CMM's in der Lage sind, eine dreidimensionale Geometrie zu messen und viele unterschiedliche Messungen innerhalb einer kurzen Zeit durchzuführen. Wenn dieser Weg gegangen wird, dann steuert die CMM indirekt den Produktionsprozeß. Bei einer solchen Anordnung muß die CMM jedoch "für den harten Werkstattbetrieb" ausgebildet werden, um in der Werkstattumgebung eine Teilekontrolle durchführen zu können. Bei einem dritten Weg wird die CMM in die Produktionslinie integriert. Das ermöglicht es, daß die CMM den Produktionsprozeß direkt steuert. Im Betrieb wird das integrierte System das Werkstück messen, die Messungen mit vorgegebenen Abmessungen vergleichen und, wenn erforderlich, die Maschinensteuerung automatisch so justieren, daß das Teil innerhalb der geforderten Vorgaben gefertigt wird.
Eine Basis-CMM besteht aus vier Elementen:
1. der Maschinenstruktur, die im Grunde eine X-Y-Z-- Positioniereinrichtung ist;
2. dem Fühlersystem, welches dazu eingesetzt wird, Teileoberflächen zu erfassen und Eingabesignale für eine Steuerung zur Verfügung zu stellen;
3. dem Steuerungssystem einschließlich einer Maschinensteuerung und Computer-Hardware; und
4. der Software für eine dreidimensionale geometrische Analyse.
Der Meßbereich bzw. das Meßvolumen ist durch den X-, Y- und Z-Weg der Maschine bestimmt.
Obwohl eine Vielzahl von Maschinenkonstruktionen und -konfigurationen existiert, haben alle Konstruktionen das gleiche Grundkonzept mit drei Koordinatenachsen. Jede Achse ist im Idealfall rechtwinklig bezüglich ihrer eigenen Anordnung gegenüber der Referenzebene, die durch die beiden Achsen aufgespannt wird. Jede Achse ist mit einem Linear-Meßwandler für eine Positionsrückmeldung ausgestattet. Das ermöglicht eine Positionsanzeige innerhalb des Meßbereiches unabhängig von jeglichem festen Referenzpunkt.
Die am weitesten verbreiteten gegenwärtig verwendeten Referenzsysteme sind Stahl- und Glasmaßstäbe. Beide Systeme verwenden berührungslose elektrooptische Leseköpfe zum Bestimmen der exakten Position der Maschine. Stahl-Referenzsysteme werden vielfach in der Werkstattumgebung eingesetzt, da der Unterschied des Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Stahlmaßstab und dem Werkstück minimal ist. Glasmaßstab-Referenzsysteme werden im allgemeinen wegen des Unterschiedes beim Ausdehnungskoeffizienten zwischen Glas und dem metallischen Werkstück in klimatisierter Umgebung eingesetzt. Der Werkstücktisch der Maschine hat im allgemeinen Gewindebohrungen, um das Spannen und Positionieren der Teile zu ermöglichen. Er kann wegen deren Maßhaltigkeit in wechselnden Umgebungen aus Granit oder aus Stahl bestehen.
Elektronische oder massive Fühler werden in den Fühlerarm oder -schaft eingesetzt, der seinerseits von einer Maschine vom Ausleger-, Brückenportal-, Säulen- oder anderen CMM-Typ gehalten wird. Die Fühlerarmbewegung wird durch reibungslose Luftlager oder mechanische Lager geführt.
Die Koordinatenmessung ist typischerweise ein zweioder dreidimensionaler Vorgang, bei dem die Position von Löchern, Oberflächen, Mittellinien und Neigungen erfaßt wird. Bis zu sechs Seiten eines kubusförmigen Teils können ohne Neuausrichtung des Teils kontrolliert werden.
Bei einem typischen Meßvorgang wird das Teil an einem beliebigen Ort auf den Tisch der CMM aufgesetzt. Im allgemeinen ist dieser Ort annähernd zu den Maschinenachsen zentral gelegen, damit Zugang zu allen mit dem Fühler zu kontrollierenden Teileflächen gegeben ist. Abhängig von der Größe des Teils und dem verwendeten Fühlertyp kann es erforderlich sein, daß das Teil auf den Maschinentisch aufgespannt wird. Wenn mehrere Kontrollen ähnlicher Teile gefordert werden, kann ein Referenzpositionspunkt mit Hilfe eines Präzisions-Referenzwürfels oder einer Referenzkugel eingerichtet werden. Der Fühler wird dann manuell oder mit der Maschinensteuerung verfahren, bis ein Kontakt mit erwünschten Teileausbildungen erreicht ist. Leseköpfe, die in jeder Achse entlang eingebauten Achsenmaßstäben verfahren werden, übertragen die aktuelle Maschinenposition auf die Digitalanzeige und zur Rechnerschnittstelle. Die Abmessungs- und Geometriewerte können dann berechnet, verglichen und ausgewertet bzw. gespeichert oder ausgedruckt werden, je nach Bedarf.
Einige der Vorteile beim Gebrauch von CMM's gegenüber herkömmlichen Eichtechniken sind die Flexibilität, verringerte Einrichtzeiten, verbesserte Genauigkeit, Verringerung des Bedienereinflusses und erhöhte Produktivität.
CMM's müssen nicht auf eine einzelne oder bestimmte Meßaufgabe abgestellt sein. Sie können praktisch alle Dimensionsmerkmale von im wesentlichen jeder Teileform messen, einschließlich Nocken, Zahnrädern und Konturflächen.
Das Ausrichten der Teile und das Einrichten geeigneter Referenzpunkte sind sehr zeitaufwendig mit herkömmlichen Oberflächen-Kontrolltechniken. Diese Verfahren werden mittels der für computergestützte oder computergesteuerte CMM's erhältlichen Software stark vereinfacht bzw. im wesentlichen eliminiert.
Diese Software erlaubt es der Bedienungsperson, die Ausrichtung des Teiles auf der CMM zu bestimmen; alle Koordinatendaten werden sodann automatisch für jede Fehlausrichtung zwischen dem Teilereferenzsystem und den Maschinenkoordinaten korrigiert. Eine CMM mit einer hochentwickelten Software kann Teile mit einer einzigen Aufspannung kontrollieren ohne die Notwendigkeit, das Teil für den Zugang zu den einzelnen Meßpunkten auszurichten, und zwar auch wenn eine vierte Achse (Drehtisch) verwendet wird.
Alle Messungen auf einer CMM werden von einem gemeinsamen, geometrisch festen Meßsystem aufgenommen, so daß das Einbringen und Akkumulieren von Fehlern ausgeschlossen wird, das bei mechanischen Kontrollverfahren und Übertragungstechniken auftreten kann. Außerdem vermeidet das Messen aller wesentlichen Ausbildungen eines Teils in einer Aufspannung die Einführung von Fehlern infolge der Aufspannungsänderungen.
Die Verwendung digitaler Anzeigen eleminiert die subjektive Interpretation von Ablesungen, die bei Meßeinrichtungen vom Skalen- oder Noniustyp üblich sind. Das "Gefühl" der Bedienungsperson wird bei modernen elektronischen Fühlersystemen im wesentlichen ausgeschlossen. Alle CMM's haben vorprogrammierte Softwareroutinen für typische Teile und Merkmale, beispielsweise Bohrungen oder Mittenabstände. Im Modus mit Teileprogrammunterstützung positioniert die Bedienungsperson die Maschine; wenn die Anfangsposition einmal eingerichtet ist, steht die Maschine unter der Steuerung durch ein Programm, welches Wahlmöglichkeiten der Bedienungsperson ausschließt. Im Modus mit numerischer Rechnersteuerung (CNC) laufen motorgetriebene Maschinen vollkommen ohne jede Überwachung durch eine Bedienungsperson. Außerdem werden durch eine automatische Datenaufzeichnung, die auf den meisten Maschinen möglich ist, Fehler durch Übertragung von Ablesungen in den Prüfbericht vermieden. Das alles zusammen führt zu der Tatsache, daß weniger erfahrene Bedienungspersonen leicht eingewiesen werden können, verhältnismäßig komplizierte Kontrollverfahren durchzuführen.
Alle zuvor erwähnten Faktoren helfen dazu, CMM's produktiver als herkömmliche Kontrolltechniken zu machen. Weitere erhebliche Produktivitätsverbesserungen werden durch die Rechen- und Analysefähigkeiten zugeordneter Datenverarbeitungssysteme realisiert, beispielsweise Kalkulatoren und alle Arten von Computern.
Eine Reihe von Maschinenkonfigurationen werden von CMM- Herstellern angeboten. Jede Konfiguration hat Vorteile, die diese für bestimmte Anwendungen geeignet machen. Insgesamt existieren elf unterschiedliche Maschinenkonfigurationen; allerdings sind einige dieser Konfigurationen nur Modifikationen einer der fünf Primärkonfigurationen: Ausleger-, Brücken-, Säulen-, Portal- und Horizontalarmmaschinen.
Die Nützlichkeit einer CMM hängt wesentlich von der Art der Fühlereinrichtung ab. Drei Fühlertypen werden im allgemeinen verwendet:
1. mechanisch-körperlich;
2. elektronisch und
3. berührungslos.
Ein Fühler wird nach Abmessungs- und Geometrieerfordernissen des Kontrollvorganges ausgewählt.
Verschiedene Zubehöreinrichtungen, die in Verbindung mit den Fühlern verwendet werden, verbessern die Fähigkeiten von CMM's. Beispielsweise erlauben indexierbare Fühlerköpfe ein Ausrichten der Meßfühler in horizontalen und vertikalen Ebenen, um den Fühler senkrecht zur gewünschten Ebene einzustellen. Dieses Merkmal gibt der CMM die Fähigkeit, geometrische Elemente zu erreichen und zu kontrollieren, die nicht zu den Maschinenachsen ausgerichtet sind. Außerdem wird die Verwendung indexierbarer Köpfe im allgemeinen gefordert, wenn komplizierte Oberflächen kontrolliert und abgetastet werden müssen. Indexierbare Fühlerköpfe haben jedoch die Eigenschaft, das CMM-Meßvolumen einzuschränken.
Eine Mikroprozessor-Steuerung ist gewöhnlich mit indexierbaren Köpfen versehen, die mit Antriebseinrichtungen arbeiten, und mit intelligenter Schnittstelle zwischen Maschinensteuerung und indexierbaren Köpfen.
Drehtische sind insbesondere von Nutzen, wenn komplizierte, vielflächige Teile oder Werkstücke mit einer Drehachse kontrolliert werden, wie beispielsweise Nokken, Zahnräder und Rotoren. Eine Vielzahl von Größen ist erhältlich, die an unterschiedliche Werkstückabmessungen angepaßt sind. Drehtische erweitern das CMM-Meßvolumen.
Drehtische können manuell oder automatisch gesteuert werden. Wenn automatisch gesteuerte Tische verwendet werden, wirken spezielle Softwareprogramme mit der Maschinensteuerung so zusammen, daß die Maschinenbewegungen gesteuert und Fehlausrichtungen kompensiert werden.
Außer durch ihre physikalischen Konfigurationen können CMM's auch entsprechend ihrer Betriebsweise klassifiziert werden: manuell, manuell und rechnerunterstützt, motorbetrieben und rechnerunterstützt und direkt computergesteuert. Manuelle Maschinen haben einen frei beweglichen, festen oder elektronischen bzw. einen berührungslosen Fühler, den die Bedienungsperson entlang den Koordinatenachsen der Maschine bewegt, um eine Messung durchzuführen. Digitale Anzeigen, die jeder Achse zugeordnet sind, geben die Meßwerte an, die die Bedienungsperson manuell aufnimmt und auf zeichnet. In manchen Fällen kann eine einfache digitale Druckereinrichtung zum Auf zeichnen der Anzeigen verwendet werden.
Manuelle, rechnergestützte CMM's verwenden ein Datenverarbeitungssystem zum Handhaben der Messungen, die aber immer noch durch manuelles Verstellen des Fühlers über eine Reihe von Meßorten gewonnen werden. Massive oder elektronische bzw. berührungslose Fühler können bei diesem Maschinentyp verwendet werden. Die Datenverarbeitung kann durch eine spezielle, auf einem Mikroprozessor basierende digitale Anzeige, einen programmierbaren Kalkulator oder einen voll ausgebildeten Rechner durchgeführt werden.
Abhängig davon, wie hochentwickelt das Datenverarbeitungssystem und die zugeordnete Software sind, führen rechnergestützte CMM's Funktionen aus, die von einfacher Zoll-Millimeter-Umwandlung bis zur automatischen dreidimensionalen Kompensierung von Fehlausrichtungen und einer Fülle von geometrischen und analytischen Meßaufgaben reichen. Das Speichern vorbestimmter Programmsequenzen und Eingabeanforderungen an die Bedienungsperson sind ebenfalls für die Schaffung von Teileprogrammen möglich. Das Teileprogramm wird im Rechner generiert und gespeichert, welcher die Kontrollsequenzen bestimmt und gemessene Ergebnisse mit Vorgabewerten sowie Toleranzen vergleicht, um eine automatische Entscheidung für den Betrieb oder den Betriebsstop zu fällen.
Tatsächlich kann das Rechnersystem alle erforderlichen Kalkulationen und Analysen ausführen, um zu Abmessungsund Toleranzauswertungen zu kommen, und kann die Bedienungsperson durch eine vorgegebene Anzahl von Positionier- und Meßbewegungen führen. Datenaufzeichnung ist gewöhnlich bei rechnerunterstützen CMM's ebenfalls gegeben.
Eine motorbetriebene rechnergestützte CMM hat alle Merkmale einer rechnergestützten CMM, verwendet jedoch durch Stellantriebe bewirkte Verfahrbewegungen unter der Aufsicht der Bedienungsperson, die einen Steuerknüppel verwendet. Die meisten motorbetriebenen CMM's haben auch Mittel zum Abkuppeln des Motorantriebes, um auch eine manuelle Handhabung der Maschinenbewegungen zu ermöglichen. Einige Maschinen verwenden Gleichstrom- Servomotoren und Pneumatisch betätigte Reibungskupplungen, um Kollisionsfolgen zu mindern; die meisten ermöglichen eine Abkopplung des Antriebes für eine manuelle Verstellung.
CMM's mit direkter Computersteuerung (DCC) sind CNC- Werkzeugmaschinen äquivalent. Ein Rechner steuert alle Bewegungen einer motorbetriebenen CMM. Zusätzlich führt der Rechner auch alle Datenarbeitungsfunktionen der meisten hochentwickelten rechnergestützten CMM's aus. Sowohl die Steuer- als auch die Meßzyklen sind programmgesteuert. Die meisten DCC-Maschinen bieten unterschiedliche programmieroptionen an, einschließlich Programmspeicherung und in einigen Fällen die Fähigkeit für eine Offline-Programmierung.
Über die auf Mikroprozessoren basierenden digitalen Anzeigen, die anfangs entwickelt wurden, um Grundfähigkeiten der Meßdatenverarbeitung für manuelle Koordinatenmeßmaschinen zu schaffen, besteht auch eine Notwendigkeit zur Lösung komplizierter Meßprobleme bezüglich einer dreidimensionalen Geometrie und zur Schaffung flexiblerer Programmierfähigkeiten für allgemeine Aufgaben, um spezielle Meßprobleme zu lösen. Viele CMM-Hersteller bieten eine Reihe von Datenverarbeitungseinrichtungen für derartige Zwecke an, einschließlich einer vollen DCC-Fähigkeit.
Der Schlüssel zur Produktivität aller Formen rechnergestützter CMM's liegt in der hohen Entwicklung und in der Einfachheit bei der Verwendung der zugeordneten Software. Software ist das wichtigste Element bei jedem Koordinatenmeßsystem, da dessen Fähigkeiten bestimmen, wie viele Teileeigenschaften gemessen werden können, und da dessen Einfachheit beim Gebrauch bestimmt, inwieweit die Maschine eingesetzt wird.
Die funktionellen Fähigkeiten von CMM-Software hängt von der Anzahl und der Art der erhältlichen Anwendungsprogramme ab. Im wesentlichen alle CMM's bieten einige Einrichtungen zum Kompensieren von Fehlstellungen zwischen dem Teile-Referenzsystem und den Maschinenkoordinaten durch Antasten ausgesuchter Punkte. Einige Maschinen sind auf einer Ausrichtung in einer Ebene begrenzt, während die meisten Maschinen eine volle dreidimensionale Ausrichtung ermöglichen. Wenn die bezeichneten Punkte einmal ermittelt wurden, berechnet das Programm die Fehlausrichtung und berücksichtigt die passende Korrektur bei allen darauffolgenden Meßvorgängen.
Eine Umwandlung zwischen Kartesischen, Polaren und, in einigen Fällen, sphärischen Koordinatensystemen kann im allgemeinen ebenfalls durchgeführt werden. Die meisten Systeme berechnen auch die Abweichungen der Meßergebnisse von vorgegebenen, in einem Speicher abgelegten Abmessungen des Teils und geben eine Warnung aus, wenn der Toleranzbereich verlassen wird.
Von der CMM-Software verwendete geometrische Funktionen definieren geometrische Elemente - wie Punkte, Linien, Ebenen, Zylinder, Kugeln und Konen - aus einer Reihe von Punktmessungen und lösen Meßprobleme, die das Zusammenwirken derartiger geometrischer Elemente betreffen. Derartige Software kann beispielsweise die Schnittpunkte zweier Kreise bestimmen, die auf der Basis einer ausgesuchten Anzahl von Messungen ermittelt werden, oder sie kann den Schnittwinkel zweier Flächen bestimmen.
Viele Software-Pakete stellen auch eine Einrichtung zum Auswerten geometrischer Toleranzbedingungen durch Bestimmen unterschiedlicher Arten von Form- und Positionsverhältnissen (z .B. Ebenheit, Geradheit, Kreisgenauigkeit, Parallelität oder Rechtwinkligkeit) für einzelne Ausbildungen und voneinander abhängende Gruppen von Ausbildungen zur Verfügung. Optimal angepaßte Programme können die Lage eines auf seine Endabmessungen bearbeiteten Teils innerhalb eines Rohteils bestimmen, aus dem dieses hergestellt werden soll, um die Verteilung der Bearbeitungstoleranzen zu optimieren: Programme für sogenannte Maximum-Material-Bedingungen (MMC) werten Merkmale aus, die entsprechend MMC-Prinzipien dimensioniert wurden.
Andere Anwendungsprogramme schließen eine automatische Teileabtastung für digitalisierte Profile und eine Vielzahl von speziellen Programmen zur Handhabung der Kontrolle spezieller Formen ein, wie Zahnräder und Nokken. Ebenfalls erhältliche Software für eine statistische Analyse ermöglicht eine grafische Datendarstellung, einschließlich Histogrammen.
Bei der einfachsten Form von CMM ist ein einzelner, jeweils parallel zu einer Achse angeordneter Meßgeber in der Lage, die Position der Fühlerspitze relativ zu einem Nullpunkt zu bestimmen, der im allgemeinen der Punkt sein kann, in dem sich die Achsen schneiden, oder auch jeder andere geeignete Ort.
Es gibt mehrere mögliche Fehlerquellen, wenn eine derartige Technik verwendet wird. Fehlende Geradlinigkeit der Bewegung und fehlende Orthogonalität der Achsen sind Hauptquellen derartiger Fehler. Eine weitere Fehlerursache ist die Winkeldrehung der Schlitten um Achsen, die senkrecht auf deren Bewegungsrichtungen stehen. Derartige Fehler, die oft als Abbe-Fehler bezeichnet werden, hängen nicht nur von einer Drehung sondern auch von dem seitlichen Versatz zwischen der Fühlerspitze und dem in dieser Dimension messenden Meßwertgeber ab und sind offensichtlich mit diesem Versatz veränderlich. Es gibt noch weitere Fehlerquellen, wie Fehler der linearen Meßwertgeber selbst.
Es wurden bereits viele Versuche gemacht, Fehler zu kompensieren. Beispielsweise ist es bekannt, einen vorsätzlichen und bekannten Fehler auf verschiedene Weise in den Meßwertgeber einzugeben. Derartige Korrekturen passen jedoch nur für einen vorgegebenen Ort im Meßvolumen. Eine alternative Technik besteht darin, die Maschine zu "kalibrieren", d.h. die an den unterschiedlichen Punkten gegebenen Fehler zu messen, wenn die Maschine im Einsatz ist. Wie man sich vorstellen kann, kann ein derartiger Kalibriervorgang äußerst langwierig sein, insbesondere für eine große Maschine, und es ist ein enormer Speicherplatz erforderlich. Ein früheres Verfahren zum Bestimmen einer Achsenfehlausrichtung ist wie folgt:
a) Positionieren eines Granitwürfels auf dem CMM- Tisch, wobei eine erste Seite zur CMM-X-Achse ausgerichtet ist, und Messen der Änderung bei der CMM-erzeugten Y-Koordinate, wenn der CMM- Fühler über die erste Seite bewegt wird, und sodann Justieren der Würfelposition, bis keine Y-Änderung mehr gegeben ist.
b) Bewegen des CMM-Fühlers über eine zweite Seite (senkrecht zur X-Achse) und Messen der Änderung bei der CMM-erzeugten X-Koordinate. Das Verhältnis der X-Koordinatenänderung zur Y-Koordinatenänderung ist ein Maß für die Fehlausrichtung zwischen der X-Achse und der Y-Achse der CMM.
c) Messen der Fehlausrichtung der Y-Achse und der Z-Achse durch Wiederholen der Schritte a) und b) unter Verwendung der passenden Seiten des Granitblockes, wobei in den Schritten a) und b) für X = Y und für Y = Z eingesetzt wird.
d) Messen der X- bzw. Z-Fehlausrichtung durch Wiederholen der Schritte a) und b) unter Verwendung eines anderen Seitenpaares, wobei für X = Y und für Y = Z eingesetzt wird.
Außer daß es zeitraubend ist, ist dieses einen Granitwüfel verwendende Verfahren Anlaß für Fehler, die durch ungenaue Positionierung des Granitwürfels auf dem CMM- Tisch verursacht werden.
Ein anderes zeitraubendes Verfahren wird dazu verwendet, um Achsenskalenfehler zu messen; dieses geschieht unter Verwendung eines Lasers und folgender Verfahrensschritte:
a) ein Reflektor für ein Laser-Interferometer wird anstelle des CMM-Fühlers an der CMM montiert.
b) die Y- und Z-Achsen der CMM werden verriegelt, so daß nur eine Bewegung entlang der X-Achse möglich ist.
c) ein Laser-Interferometer wird so ausgerichtet, daß dessen Strahl parallel zur X-Achse verläuft und den Reflektor trifft.
d) der Reflektor wird sodann entlang der X-Achse der CMM bewegt, wobei man CMM-erzeugte X-Achsenmessungen und Interferometermessungen bekommt. Von diesen Messungen kann der Skalenfehler in der X-Achse der CMM bestimmt werden.
e) die Schritte a) bis d) werden sodann für die Y- und Z-Achsen wiederholt.
Es sind außerdem CMM-Kontrollverfahren bekannt, bei denen die Verwendung von Meßkörpern, wie beispielsweise das Barbell- und das Bryan-Eichmaß, vorgesehen ist. Die von der CMM während dieses Verfahrens erzeugten Daten werden auf einer Pass-Fail-Basis (Gut-Schlecht-Basis) verwendet. Wenn mit anderen Worten der Gebrauch der oben genannten Meßkörper zeigt, daß eine Justierung erforderlich ist, dann werden die zuvor beschriebenen Verfahren mit dem Granitblock oder dem Laser-Interferometer verwendet, um die erforderlichen Justierungen durchzuführen.
Ein anderes zum Kalibrieren einer CMM verwendetes Verfahren umfaßt die Schritte, auf einem CMM-Tisch einen CMM-Meßkörper zu installieren, den CMM-Fühler an den Meßkörper anzulegen und eine Vielzahl von CMM-erzeugten Datenpunkten kartesischer Koordinaten für eine Vielzahl von durch den Meßkörper definierten Positionen zu speichern. Ein Datenprozessor wird so programmiert, daß er einen Satz Abstandsgleichungen erzeugt, die die CMM- erzeugten kartesischen Koordinaten enthalten, ferner einen bekannten Durchmesser des Meßkörpers und eine Vielzahl von unbekannten CMM-Achsenausrichtungsfehlersowie Skalenfehlerfaktoren. Dieser Satz Gleichungen wird sodann nach den unbekannten Fehlerfaktoren aufgelöst, aus denen die erforderlichen CMM-Justierungen bestimmt werden können. Die CMM kann dann korrekt ausgerichtet werden, indem die angezeigten Justierungen ausgeführt werden. Bei einer Version dieses Verfahrens kann der Meßkörper eine Kugelstange (Ball bar) sein. Bei einer anderen Version kann der Meßkörper ein Bryan- Eichkörper sein. Ein Beispiel für dieses Verfahren findet man in US-Patent Nr. 4,437,151 vom 13.03.84 mit dem Titel "Koordinatenmeßmaschinenkontrol le und Justierverfahren".
Ein zum automatischen Kalibrieren einer Kontrolleinrichtung eingesetztes Verfahren besteht darin, Kalibriermessungen bekannter geometrischer Formen, beispielsweise Lochtiefen, durchzuführen. Sodann werden Korrekturfunktionen berechnet und gespeichert. Die Korrekturfunktionen werden sodann bei Echtzeitmessungen für das Versuchsstück angewendet. Das ist das gleiche, wie wenn eine CMM ein Urstück ausmißt, die Daten speichert und dann Abweichungen des Versuchsstückes im Verhältnis zum urstück berechnet. Ein Beispiel für dieses Verfahren findet man in US-Patent Nr. 4,462,082 vom 24.07.84 mit dem Titel "Automatisches Kalibriersystem für Ultraschall-Kontrolle".
Ein Verfahren gemäß dem aberbegriff des Anspruches 1 und einer Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 8 sind aus DE-B 27 39 527 bekannt.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren und ein verbessertes System zum Bestimmen der Absolutposition im Meßvolumen einer CMM auf genaue Weise und zu verhältnismäßig geringen Kosten zu schaffen.
Ein anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und ein System zum Bestimmen der Absolutposition im Meßvolumen einer CMM zu schaffen, bei denen für die einzelnen Bauteile der CMM größere Herstellungstoleranzen möglich sind und spezielle Einrichtungen zum mechanischen Justieren der CMM zur Korrektur von Geometriefehlern nicht erforderlich sind.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung, wie es im Anspruch 1 beschrieben ist, umfaßt die Schritte, Sätze von Achskorrekturdaten für den ganzen Verfahrweg einer Bewegungsachse zu speichern und ein Positionsrückmeldesignal der CMM zu verwenden, um den Subsatz der Achskorrekturdaten für eine gegebene Position eines Fühlerschaftes der CMM relativ zur Bewegungsachse zu bestimmen. Das Verfahren umfaßt weiter den Schritt, das Positionsrückmedelsignal mit dem subsatz von Achskorrekturdaten zu kombinieren, um ein korrigiertes Positionssignal in einem Standard-Koordinatensystem zu erhalten.
Die Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, wie sie im Anspruch 8 beschrieben ist, umfaßt Speichermittel, um Sätze von Achskorrekturdaten für den ganzen Verfahrweg der Bewegungsachse zu speichern, sowie auf ein Positionsrückmeldesignal reagierende Mittel zum Bestimmen eines Subsatzes der Achskorrekturdaten für eine gegebene Position eines Fühlers der CMM relativ zur Bewegungsachse. Die Einrichtung umfaßt auch Mittel zum Kombinieren des Positionsrückmeldesignals mit dem Subsatz von Achsekorrekturdaten, um ein korrigiertes Positionssignal in einem Standard-Koordinatensystem zu erhalten.
Der Fühlerschaft der CMM hat vorzugsweise drei Freiheitsgrade, die die Bewegungsachsen darstellen; die CMM umfaßt Rückmeldeeinrichtungen zum Erzeugen eines Positionsrückmeldesignals für jede der Bewegungsachsen im Koordinatensystem der CMM.
Das Verfahren und die Einrichtung kompensiert vorzugsweise 21 unterschiedliche Geometriefehler der CMM, schließt jedoch zusätzlich Geometriefehler für Vier-, Fünf- oder Sechsachsenmaschinen nicht aus.
Die mit dem oben genannten Verfahren bzw. der Einrichtung erzielbaren Vorteile sind vielfältig. Beispielsweise wird eine absolute Korrektur für alle Geometriefehler der CMM erreicht. Außerdem ist eine Fühlerversatzkompensation vorgesehen.
Die oben genannten Vorteile und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden, ins einzelne gehenden Beschreibung im Zusammenhang mit den zugehörigen Zeichnungen.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Figur 1 ist eine perspektivische Darstellung einer typischen CMM, mit der zusammen die vorliegende Erfindung verwendet wird;
Figur 2 ist eine Darstellung des dreidimensionalen Koordinatensystems der CMM in Figur 1;
Figur 3 ist ein Blockdiagramm des Systems für ein automatisches Kalibrieren der CMM;
Figuren 4A-4C sind ein Flußdiagramm, welches die verschiedenen vom System der Figur 4 durchgeführten Schritte zum Kalibrieren der CMM illustriert;
Figuren 5A-5C stellen zwei unterschiedliche Positionen eines Meßkörpers, beispielsweise einer Kugelstange, in jeder der Koordinatenebenen der CMM dar.
Figur 6 ist ein Flußdiagramm, welches die verschiedenen durchgeführten Betriebsschritte zum Bestimmen der Rechtwinkligkeit der CMM darstellt;
Figur 7A und 7B zeigen das dreidimensionale Koordinatensystem und Meßvolumen der CMM der Figur 1 zusammen mit einem Koordinatensystem für den Fühler;
Figur 8 ist ein Blockdiagramm, welches das Verfahren und die Einrichtung zum Bestimmen einer Position innerhalb des Meßvolumens der CMM darstell; und
Figur 9 ist ein Satz von zu lösenden Gleichungen für die Bestimmung der korrigierten Position innerhalb des Meßvolumens für eine in Figur 1 beschriebene Maschine, deren Achsenkoordinaten in den Figuren 7A und 7B definiert sind; ähnliche Gleichungen könnten für andere Arten von CMM-Konfigurationen entwickelt werden.
In der Figur 1 ist eine Koordinatenmeßmaschine (CMM) als ganzes mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Die CMM umfaßt ganz allgemein eine X-Y-Z- Positioniereinrichtung, allgemein mit 12 bezeichnet, einen Fühler 14 und ein Steuerungssystem, welches allgemein mit 16 bezeichnet ist. Das Steuerungssystem 16 umfaßt eine Maschinensteuerung, allgemein mit 18 bezeichnet, Rechner-Hardware, allgemein mit 20 bezeichnet und Software zum Programmieren der Rechner-Hardware 20.
Der Fühler 14 ist in einen Z-Achsen-Fühlerarm oder Fühlerschaft 22 der Einrichtung 12 eingesetzt. Die Einrichtung 12 umfaßt einen Basis- oder Arbeitstisch 26, welcher Gewindebohrungen aufweist, um das Aufspannen und Positionieren von Werkstücken zu ermöglichen.
Die Einrichtung 12 umfaßt außerdem eine Führungsrück wand 28, welche einen X-Achsen-Schlitten 30 über vorgespannte Luftlager verschiebbar trägt, die den schlitten 30 auch führen.
Ein Y-Achsen-Oberschlitten 32 ist relativ zum X-Achsenschlitten 30 verschiebbar und ist ebenso durch vorgespannte Luftlager in der X-Achse gehalten und geführt. Der Fühlerschaft 22 ist seinerseits relativ zum X-Achsenschlitten 32 verstellbar und ist auf diesem durch vorgespannte Luftlager gehalten und geführt.
Wenn hier auch eine herkömmliche Ausleger-CMM beschrieben wird, so versteht es sich jedoch, daß andere CMM- Typen zusammen mit der vorliegenden Erfindung, basierend auf einem Gleichungssatz, der für die spezielle, zu korrigierende CMM definiert wird, verwendet werden können.
Das in der Figur 2 dargestellte X-Y-Z-Koordinatensystem zeigt typische Fehler, die durch eine Winkeldrehung der Schlitten 30 und 32 und des schaftes 22 um die Achsen des Dreiachsensystems verursacht werden. Drei derartige Fehler gibt es für jede dieser Achsen. Infolgessenden gibt es neun derartige Fehler für das Koordinatensystem der Figur 2, auch wenn die mechanischen Komponenten der Einrichtung 12 hochgenau gefertigt und montiert werden. Wegen dieser Drehfehler und anderer Fehler ergibt sich ein Positionsfehler, wenn die Einrichtung 12 zu unterschiedlichen Orten innerhalb ihres Meßvolumens 102 verfahren wird, wie in Figur 7 dargestellt ist. Winkeldrehfehler um jede der Achsen sind wie folgt definiert: A(x) = X-Rollen; A(y) = Y-Nicken; A(z) = Z-Nicken; B(x) = X-Nicken; B(y) = Y-Rollen; B(z) = Z-Gieren; C(x) = X- Gieren; C(y) = Y-Gieren und C(z) = Z-Rollen.
Mangelnde Geradlinigkeit bei der Verstellung entlang der Achsen der Figur 2 ist ebenfalls eine Fehlerquelle. Für jede Achse gibt es typischerweise einen Mangel an Geradlinigkeit bezüglich der anderen beiden Achsen, woraus sich im Hinblick auf die Geradlinigkeit der Einrichtung 12 sechs Fehler ergeben. Geradlinigkeitsfehler sind wie folgt definiert: X(y) = Y-Geradlinigkeit in X- Richtung; X(z) = Z-Geradlinigkeit in X-Richtung; Y(x) = X-Geradlinigkeit in Y-Richtung; Y(z) = Z-Geradlinigkeit in Y-Richtung; Z(x) = X-Geradlinigkeit in Z-Richtung; und Z(y) = Y-Geradlinigkeit in Z-Richtung.
Achsenskalenfehler können ebenfalls bedeutend werden, wenn sie auch oft nur weniger ernste Fehlerquellen darstellen. Derartige Fehler sind wie folgt definiert: X(x) = Skalenfehler in X; Y(y) = Skalenfehler in Y; und Z(z) = Skalenfehler in Z.
Eine andere mögliche Fehlerquelle ist der Mangel der Orthogonalität der X-, Y- und Z-Achsen. Ein derartiger Fehler ist typischerweise als Winkelabweichung von 90º wie folgt definiert: Pyx = y-x-Rechtwinkligkeit; Pzx = z-x-Rechtwinkligkeit; und Pzy = z-y- Rechwinkligkeit.
Es ist demnach zu erkennen, daß es 21 unterschiedliche Geometriefehler bei der Einrichtung 12 gibt, von denen alle mit Ausnahme der Rechtwinkligkeitsfehler in Abhängigkeit von der Position der Einrichtung 12 innerhalb ihres Meßvolumens 102 variieren.
Schließlich sind eine weitere mögliche Fehlerquelle die Fühlerversatzfehler, die aus den Winkelfehlern und Fühlerversatzwerten Sx, Sy und Sz der Figur 7B bestimmt werden. Der Fühler 14 wird dazu verwendet, die Mittelpunktsposition einer Kugel 100 zu messen. Fühlerversatzwerte werden dann durch Vektorsubtraktion der Vektoren A und B (siehe Figur 7A) bestimmt.
In Figur 3 ist in Form eines Blockdiagramms ein System zum Kalibrieren der CMM 10 dargestellt. Das System 10 umfaßt eine Kalibrierausrüstung 32, beispielsweise ein Laserinterferometer mit Linear-, Winkel- und Geradlinigkeitsoptik. Der Laser umfaßt vorzugsweise einen HP 5528A-Laser. Die Kalibrierausrüstung 32 enthält außerdem elektronische Pegel mit einem Pegelmesser und einer HPIB-Schnittstelle von A nach D. Die Kalibrierausrüstung 32 enthält ferner eine Kugelstange sowie ein vertikales Kantenlineal und einen Fühler. Vorzugsweise umfassen die elektronischen Pegel elektronische Wyler- Pegel und umfaßt der Fühler einen Renishaw TP-2, PH-6- Fühler einschließlich einer 200 Millimeter Verlängerung. Schließlich enthält die Kalibrierausrüstung 32 Fühleradaptoren für die Laseroptik, die Pegel und den PH6-Fühler.
Die Kalibrierausrüstung 32 wird im allgemeinen von Werkspersonal verwendet, um die Geometrie- und Skalenfehler der CMM zu messen und diese Informationen automatisch über die HPIB-Schnittstelle an einen Rechner 34 zu geben. Vorzugsweise umfaßt der Rechner 34 einen HP-207-Rechner mit einem Drucker und einem Näherungsverbindungsglied (approximate communications link), welches es dem Rechner 34 ermöglicht, mit den anderen Komponenten des Systems zu kommunizieren. Im allgemeinen speichert der Rechner 34 die Kalibrierdaten und berechnet bzw. speichert Achsenkorrekturdaten. Darüberhinaus überträgt der Rechner 34 Daten zu einem Meßprozessor (MP) 36 des Steuerungssystems 60 und zu einem Plattenspeicher 38. Achspositionsdaten und Datenspeicherbefehle vom MP 36 werden während des Kalibriervorganges zum Rechner 34 übertragen.
Das System der Figur 3 enthält außerdem einen Datenspeicherschalter 37, welcher vorzugsweise aus einem handgehaltenen Schaltknopf besteht, der eine Schnittstelle zum MP 36 bildet und dem MP 36 signalisiert, Informationen, die der MP 36 vom Rest der CMM 10 erhält, zu speichern. Die sich ergebenden Achskorrekturdaten auf der Diskette 38 werden durch den Rechner 34 zu einem Speicher innerhalb des MP 36 übertragen für eine Verwendung während des Betriebes der CMM 10. Die Informationen des Plattenspeichers 38 können auch in einem Schlußbericht zum Aufbewahren in einer Qualitätskontrollakte 40 ausgedruckt werden.
Es wird jetzt auf die Figuren 4A bis 4C bezuggenommen; diese haben die Form eines Flußdiagramms und zeigen die verschiedenen vom System der Figur 3 durchgeführten Schritte zum Kalibrieren der CMM. Vor dem eigentlichen Kalibrierverfahren wird jedoch vorzugsweise eine Überprüfung der Maschinenfunktionen, Arbeitsbereiche, Achsenreibung und Wiederholgenauigkeit durchgeführt.
Im Block 42 gibt die die CMM 10 kalibrierende Bedienungsperson den Typ der CMM an, die kalibriert werden soll. Die in der Figur 1 dargestellte CMM 10 beispielsweise ist eine Auslegerkonstruktion. Typischerweise werden die Daten in das Kontrollsystem 16 durch die Bedienungsperson eingegeben, beispielsweise durch Eintippen dieser Informationen in eine Tastatur 44 des Rechners 20. Im Block 46 werden alle während des Kalibriervorganges verwendeten Variablen initialisiert, wie beispielsweise Meßintervalle und dergleichen.
Während des Initialisierungsprozesses der Blöcke 42 und 46 unterstützt das Computersystem 20 die Bedienungsperson bei der Eingabe der speziellen Modellnummer, Maschinenseriennummer und - datum in das System 20. Das Rechnersystem 20 weist die Bedienungsperson auch an, das Ende des Fühlerschaftes in die Maschinenposition 0,0,0 zu fahren. Der Bereich der Maschinenachsenbewegung ist mit Bezug auf die spezielle Modellnummer gespeichert. Im allgemeinen werden für jeden der folgenden, in den verbleibenden Blöcken in Figuren 4A bis 4C dargestellten Fehler-Kalibrierschritten Verfahrensanforderungen für die die Kalibrierung durchführende Bedienungsperson auf dem Bildschirm angezeigt, bevor die Daten übernommen werden. Solche Anforderungen enthalten typischerweise die erforderliche Kalibrierausrüstung, das spezielle Einrichtverfahren (setup) (was auch Hinweise auf ein Handbuch enthalten kann) und die Verfahrensschritte für die Bedienungsperson, die erforderlich sind, um die Daten zu gewinnen.
Im Block 48 wird der Betrag für X-Rollen, der durch das mathematische Symbol A(x) gegeben ist, bestimmt, indem die elektronischen Pegel in herkömmlicher Weise alle 50 Millimeter einer X-Achsenbewegung eingesetzt werden, wobei die Y- und Z-Achse der Einrichtung 12 verriegelt sind, so daß nur eine Bewegung entlang der X-Achse möglich ist. Im Beispiel der Figur 1 wird die Einrichtung 12 vorzugsweise automatisch unter der Kontrolle der Maschinensteuerung 18 in 50 Millimeter-Intervallen entlang der X-Achse verfahren. Dementsprechend gibt der MP 36 bei jedem 50 Millimeter-Schritt an den Rechner 34 den exakten Ort im Maschinenkoordinatensystem, bei welchem die Messung gemacht wurde. Auf diese Weise wird eine Tabelle mit X-Rolldaten als Funktion der X-Position erzeugt.
Im Block 50 wird der Fehler, nämlich Y-Nicken, welcher durch das mathematische Symbol A(y) gegeben ist, bestimmt, indem zuerst ein Winkelreflektor für das Laserinterferometer an die Einrichtung 12 anstelle des CMM- Fühlers 14 angebaut wird. Die X- und Z-Achse der Einrichtung 12 ist verriegelt, so daß nur eine Bewegung in der Y-Achse möglich ist. Das Laserinterferometer wird so ausgerichtet, daß der Strahl entlang der X-Achse verläuft und den Reflektor trifft. Der Reflektor bewegt sich entlang der Y-Achse der Einrichtung 12. CMM-erzeugte Y-Achsenmessungen und die Inteferometermessungen erhält man jeweils bei 50 Millimeter-Intervallen unter Kontrolle der Maschinensteuerung 18. Auf diese Weise wird eine ähnliche Datentafel für Y-Nicken für den gesamten Verstellweg der Y-Achse erstellt.
Im Block 52 werden Fehlerdaten für Z-Nicken, nämlich A(z) , in im wesentlichen gleicher Weise bestimmt, wie die Fehlerdaten für X-Rollen im Block 48 gewonnen wurden. Die elektronischen Pegel werden verwendet, um die Fehlerdaten jeweils in 50 Millimeter-Schritten des Z-- Achsenweges für den gesamten Bereich der Z-Achsenverstellung zu erhalten.
Im Block 54 werden Fehlerdaten für X-Rollen, nämlich P(x), jeweils alle 50 Millimeter entlang der X-Achse unter Verwendung des Laser-Winkelinterferometers bestimmt, um auf diese Weise die Fehlerdatentabelle zu erstellen.
Im Block 56 werden Fehlerdaten für Y-Rollen, nämlich B(y), mit Hilfe der elektronischen Pegel für alle 50 Millimeter der Y-Achsenbewegung bestimmt.
Im Block 58 werden Fehlerdaten für Z-Gieren, nämlich B(z) für alle 50 Millimeter der Z-Achsenbewegung mit Hilfe der elektronischen Pegel bestimmt.
Im Block 60 werden Fehlerdaten für X-Gieren, nämlich C(x) für alle 50 Millimeter der X-Achsenbewegung mittels des Laser-Winkelinterferometers bestimmt.
Im folgenden wird Bezug auf die Figur 4B genommen. Im Block 62 werden Fehlerdaten für Y-Gieren, nämlich C(y) für alle 50 Millimeter entlang der Y-Achse unter Verwendung des Laser-Interferometers bestimmt.
Im Block 64 werden Fehlerdaten für Z-Rollen, nämlich C(z), für alle 50 Millimeter der Z-Achsenbewegung unter Verwendung des vertikalen Kantenlineals, eines Berührungsfühlers und Fühlerverlängerungen bestimmt.
Die in den Blöcken 48 bis 64 gewonnenen Daten sind typischerweise in Bogensekunden gemessen und werden vorzugsweise in Bogenmaßwinkel (Radiant) umgewandelt, bevor sie in Tabellenform gespeichert werden, so daß die Daten bei Berechnungen verwendbar sind, wie nachfolgend klar wird.
Im Block 66 werden X-Skalenfehlerdaten, nämlich X(x) für alle 25 Millimeter des Verfahrweges entlang der X- Achse unter Verwendung des Laser-Linearinterferometers bei irgendeiner passenden Y, Z Position (vorzugsweise Tischhöhe) bestimmt. Die X-Laser-Xmp-Daten werden dann auf Z = 0, Y = 0-Positionen korrigiert, wie durch die unmittelbar beim Block 66 stehende Gleichung dargestellt ist. Auf diese Weise wird eine Tabelle mit X-- Skalendaten erstellt und gespeichert.
Im Block 68 wird eine Tabelle mit Y-Skalenfehlerdaten in gleicher Weise erzeugt, wie die X-Skalenfehlerdaten im Schritt 66 erzeugt wurden, und zwar unter Verwendung von Messungen des Laser-Linearinterferometers, die in 25 Millimeter-Intervallen entlang der gesamten Y-Achse durchgeführt wurden.
Im Block 70 werden die Z-Skalenfehlerdaten unter Verwendung von Messungen des Laser-Linearinterferometers und der von der CMM erzeugten Achsenmessungen berechnet, um für alle 25 Millimeter der Z-Achsenbewegung tabellarische Z-Skalenfehlerdaten zu bilden.
Im Block 72 werden Fehlerdaten für die X-Geradlingkeit in Y-Richtung, nämlich Y(x), bestimmt unter Verwendung des Laser-Geradlinigkeitsinterferometers, welches Messungen für alle 50 Millimeter entlang des X-Achsenweges bei irgendeiner geeigneten Z-Position (vorzugsweise Tischhöhe) zur Verfügung stellt. Die Y(x)Laser-Ymp- Daten werden sodann auf Z = 0 Positionen korrigiert, wie durch die unmittelbar neben Block 72 stehende Gleichung dargestellt ist. Nachdem die tabellarischen Daten für die X-Geradlinigkeit in Y durch Lösen der Gleichung beim Block 72 erstellt sind, wird eine Linie kleinster quadratischer Abweichung und bester Annäherung an die Datenpunkte gelegt und der Abstand der Datenpunkte von dieser Linie bestimmt, wodurch Y(x) über die Linie bester Anpassung normalisiert wird.
In den Blöcken 74, 76 und 78 werden Fehlerdaten für die X-Geradlinigkeit in Z, die Y-Geradlinigkeit in X und die Y-Geradlinigkeit in Z jeweils in der gleichen Weise erstellt oder berechnet, wie die Fehlerdaten der X-Geradlinigkeit in Y im Block 72 erstellt wurden.
Die Fehlerdaten in den Blöcken 74, 76 und 78 werden in ähnlicher Weise über die Linie bester Annäherung normalisiert, wie es beim Block 72 gehandhabt wurde.
Im folgenden wird Bezug auf die Figur 4C genommen. Im Block 80 werden Fehlerdaten der Z-Geradlinigkeit in X, X(x) in 50 Millimeter-Meßintervallen entlang der Z-- Achse bestimmt unter Verwendung des Kantenlineals und des Fühlers. Eine Verwendung des Laser- Geradlinigkeitsinterferometers führt zu begrenztem Z- Weg. Infolgedessen sind die Fehlerdaten der Z-Geradlinigkeit in X eine Funktion der X-Achsenmessungen vom Meßprozesser 36, nämlich Xmp, wobei ein Kantenlineal mit einem Berührungsfühler gemessen wird, und dem Produkt des Fühlerversatzes von der Z-Achse und der Fehlerdaten für Z-Gieren für die zugeordnete Z-Achsenmessung, nämlich Sz B(z) und Sy C(z). In ähnlicher Weise wird nach dem Lösen der Gleichung neben dem Block 80 eine Linie kleinster quadratischer Abweichung und bester Annäherung in die sich ergebenden Datenpunkte, gelegt und die Entfernung der Datenpunkte von der Linie bester Annäherung wird berechnet und danach in Tabellenform gespeichert. In gleicher Weise werden im Block 82 die Fehlerdaten der Z-Geradlinigkeit in Y, nämlich Y(z) ähnlich wie im Schritt 80 berechnet.
Im Block 84 werden die Fehlerdaten der X-Y-Rechtwinkligkeit, nämlich Pyx, aus der Lösung der in Figur 4C angezeigten quadratischen Gleichung bestimmt. Die Werte für A, B und C der quadratischen Gleichung erhält man durch den ersten Gleichungssatz für A, B und C und sie werden auf folgende Weise abgeleitet. Mit Bezug auf Figur 5A und Figur 6 wird im Schritt 86 die Kugelstange in der X-Y-Ebene in zwei zueinander um annähernd 90º versetzten Ausrichtungen plaziert. Während eines Meßschrittes 86 werden die Mittelpunkte der Kugeln an den Enden der Kugelstange berechnet, um die Länge der Kugelstange in jeder der Ausrichtungen zu bestimmen.
Im Block 88 werden die vier Kugelmittelpunkte kompensiert unter Verwendung der zuvor berechneten Kompensationsdaten.
Im Block 90 wird die Länge der Kugelstangen in jeder der Ausrichtungen einander gleichgesetzt. Wenn das geschehen ist, wird der X-Y-Rechtwinkligkeitsfaktor eine quadratische Gleichung, wie zuvor angegeben wurde. Die Lösung der quadratischen Gleichung bestimmt den X-Y- Rechtwinkligkeitsfaktor, nämlich Pyx, in Bogenmaßwinkeln, wie im Block 90 angezeigt ist.
Im Block 92 wird, wie in Figur 6 angegeben ist, nach der Bestimmung des X-Y-Rechtwinkligkeitsfaktors der X- Z-Rechtwinkligkeitsfaktor Pzx des Schrittes 94 berechnet. Der mittlere Satz der Gleichungen für A, B und C wird verwendet, um die qudratische Gleichung zu lösen und die X-Z-Rechtwinkligkeit zu bestimmen. Mit Bezug auf Figur 5B wird die Kugelstange in zwei unterschiedlichen Ausrichtungen in der X-Z-Ebene plaziert und die Blöcke 86, 88, 90 und 92 werden wiederholt.
Im Block 96 wird der Y-Z-Rechtwinkligkeitsfaktor, nämlich Pzy, auf die gleiche Weise berechnet, indem die Kugelstange in zwei unterschiedlichen Ausrichtungen in der Z-Y-Ebene plaziert wird, wie in Figur 5C dargestellt ist. Der untere Satz der Gleichungen für A, B und C wird verwendet, um die quadratische Gleichung zu lösen und den Y-Z-Rechtwinkligkeitsfaktor zu bestimmen.
Im Block 98 werden die Kalibrierkugelkoordinaten bestimmt, indem zuerst der Berührungsfühler 14 an einem bekannten distalen Ende des Fühlerschaftes 22 montiert wird. Eine Kalibrierkugel 100 wird auf den Arbeitstisch 26 an einem vorgewählten Ort innerhalb des Meßvolumens 102 der Einrichtung 12 aufgeschraubt. Die Positioniereinrichtung 12 wird sodann so verfahren, daß der Fühler 14 die Kugel 100 an einer Vielzahl unterschiedlicher Punkte berührt. Die Kugelkoordinaten werden durch Vektoraddition der Vektoren B und C bestimmt, wobei der Vektor A der Summe aus Vektor B + Vektor C gleich ist, wie in Figur 7A angezeigt ist.
Es wird nochmals auf Figur 4C bezuggenommen; im Block 104 werden alle der zuvor berechneten Kompensationsdaten in ein für die Verwendung durch den Meßprozessor 36 geeignetes Format umgewandelt.
Im Block 106 werden die Daten auf dem Sicherungsplattenspeicher 38 gespeichert.
Im Block 108 werden die Daten außerdem in den Speicher 110 im Meßprozessor 36 geladen, und sie werden vom Meßprozessor 36 während des Betriebes der CMM 10 zum Kompensieren der CMM 10 für deren gesamtes Meßvolumen 102 verwendet. Jemand mit üblichen Kenntnissen des Programmierens könnte ein Rechenprogramm vorbereiten, um die oben beschriebenen Kalibrierfunktionen aus der oben stehenden Beschreibung und den Zeichnungen ohne lästige Versuche zu erstellen.
In Figur 8 ist ein Verfahren und eine Einrichtung zur Verwendung der zuvor gespeicherten, im Herstellungswerk kalibrierten Maschinenmerkmale oder Fehlerdaten gezeigt, um die absolute Position eines Punktes im Meßvolumen 102 der Einrichtung 12 zu bestimmen. Im allgemeinen beschreiben die Merkmale der im Herstellerwerk kalibrierten Maschine, die im Meßprozessor 36 abgelegt sind, die Bewegung der X-, Y- und Z-Achsen mit deren Abweichung von einem theoretisch fehlerfreien Achsensystem. Wie zuvor erwähnt, gibt es 21 mögliche geometrische Fehler, die zuvor kalibriert wurden. Der relative Effekt jedes dieser Fehler auf die Systemleistung variiert mit unterschiedlichen Maschinenkonfigurationen und sogar bei unterschiedlichen Maschinen der gleichen Konfiguration.
Der Meßprozessor 36 ist über geeignete Software an die CMM 10 über eine Schnittstelle angeschlossen. Der Block 110 stellt den Speicher des MP 36 dar, in welchem die Merkmale oder die Achsenkorrekturdaten der im Herstellerwerk kalibrierten Maschine in Tabellenform abgelegt sind. Im Block 112 bestimmt der Meßprozessor 36 die Maschinenmerkmale für die jeweiligen Sensormessungen durch Aufnahme der aktuellen Positionsinformation von jedem Maschinenachsensensor und verwendet diese zum Auffinden der Information in den Tabellen, die die Maschineneigenschaften in dieser speziellen Position beschreiben.
Im Block 114 kombiniert der Meßprozesser 36 mathematisch Maschinenrückmeldungen oder positionssensorsignale mit den charakteristischen Achskorrekturdaten, um einen korrigierten Satz von Koordinatenwerten zu erzeugen, die die Position des Fühlers 14 in einem fehlerfreien kartesischen Koordinatensystem beschreiben.
Es wird im folgenden auf Figur 9 bezuggenommen; dort sind die verschiedenen mathematischen Gleichungen dargestellt, die zu lösen sind, um die korrigierten X-, Y- und Z-Positionen zu erhalten. Beispielsweise ist das korrigierte X-Anzeigesignal eine Funktion von: dem unkorrigierten Wert der X-Anzeige, nämlich Xmp; den X- Skalenfehlerdaten für den speziellen Wert von X, nämlich X(x); Fehlerdaten für die Z-Geradlinigkeit in X, nämlich X(z); Fehlerdaten für die Y-Geradlinigkeit in X, nämlich X(y); das Produkt des zugeordneten Wertes für Z und der Summe des X-Nickfehlers, des Y-Rollfehlers und des Z-Y-Rechtwinkligkeitsfaktors, nämlich Z[B(x) + B(y) + Pzx]; dem Produkt des unkorrigierten Y-Wertes und der Summe des Y-Gierfehlers und des X-Y- Rechtwinkligkeitsfaktors, nämlich Y[C(x) + Pyx]; vom Produkt der Z-Komponente des Fühlerversatzes und der Summe des X-Nickfehlers, des Y-Rollfehlers und des Z- Gierfehlers, Sz[B(x) + B(y) + B(z)]; und dem Produkt der Y-Komponente des Fühlerversatzes und der Summe des X-Gierfehlers, des Y-Gierfehlers und des Z-Rollfehlers, Sy[C(x) + C(y) + C(z)]. In gleicher Weise werden die korrigierten Y- und Z-Werte berechnet, wie durch die beiden verbleibenden Gleichungen in Figur 9 angezeigt ist.
Die Vorteile infolge einer Verwendung der vorliegenden Erfindung sind vielfältig. Beispielsweise kann eine genauere CMM mit geringeren Kosten hergestellt werden. Außerdem erübrigt das System viele Mannstunden bei der Maschinenendmontage für eine mechanische Genauigkeits- Feineinstellung, und es erlaubt größere Herstellungstoleranzen für viele Einzelkomponenten der CMM.

Claims

1. Verfahren zum Bestimmen der Absolutposition eines Punktes im Meßvolumen (102) einer CMM (10) (Koordinatenmeßmaschine) mit einem Fühlerschaft (22) und einem an einem distalen Ende dieses Fühlerschaftes gehaltenen Fühler (14), wobei der Fühler drei Bewegungsachsen (X, Y, Z) aufweist, und wobei die CMM Einrichtungen zum Liefern eines Positionssignals durch Feststellen der Position des Fühlers für jede der Bewegungsachsen im Koordinatensystem der CMM umfaßt sowie Steuerungsmittel (36) zum Aufnehmen der Positionssignale und zum Liefern eines Koordinatenmeßsignals, welches die Position des Fühlers angibt, wobei das Verfahren in einem Kalibriervorgang vor dem eigentlichen Einsatz der CMM die Schritte umfaßt, Geometriefehler der CMM zu messen und Fehlerdaten zum Kompensieren von CMM-Geometriefehlern für den Verfahrweg jeder der Achsen zu speichern, sowie die Schritte, gespeicherte Fehlerdaten für eine gegebene Position des Fühlerschaftes relativ zu jeder der Bewegungsachsen als Funktion der Positionssignale zu bestimmen, um korrigierte Positionsdaten zu berechnen, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßschritt das Messen von Fühlerfehlstellungsdaten (98) mittels eines auf einem Arbeitstisch der CMM montierten Meßkörpers umfaßt; daß der Speicherschritt das Berechnen von Achskorrekturdaten aus den Achsfehlerdaten und zugeordneten Positionssignalen umfaßt sowie das Speichern (108) von Sätzen von Achskorrekturdaten in Speichereinrichtungen eines in der Steuerung vorgesehenen Meßprozessors, sowie das speichern der Fühlerfehlstellungsdaten in der Speichereinrichtung des Meßprozessors; daß der Bestimmungsschritt das Bestimmen (112) eines Subsatzes der Achskorrekturdaten für eine gegebene Position des Fühlerschaftes relativ zu jeder der Bewegungsachsen als Funktion der Positionssignale sowie das Bestimmen von Fühlerfehlstellungsdaten umfaßt; und daß ein Schritt vorgesehen ist, die positionssignale mit dem Subsatz der Achskorrekturdaten zu kombinieren sowie die Fühlerfehlstellungsdaten mit den positionssignalen und dem Subsatz der Achskorrekturdaten zu kombinieren, um ein korrigiertes positionssignal im Standard-Koordinatensystem zu erhalten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bestimmungsschritt das Bestimmen kompensierter Rotationsdaten (48 - 64) umfaßt, welche den Betrag einer winkeldrehung um jede der Achsen für jede dieser Achsen repräsentieren; ferner das Bestimmen von Rechtwinkligkeitsdaten (84, 94, 96), welche die Orthogonalität dreier unterschiedlicher Achsenpaare repräsentieren; ferner das Bestimmen normalisierter Geradlinigkeitsdaten (72 - 82) für jede dieser Achsen in bezug auf jede der anderen Achsen; und Skalenfehlerdaten (66, 68, 70), welche Fehler in jeder der Einrichtungen repräsentieren und wobei das Verfahren ferner folgende Schritte umfaßt:

Messen der Position eines Meßkörpers mittels der CMM durch Verfahren des Fühlers der CMM derart, daß jede der Einrichtungen ein Meßkörper-Positionssignal liefert und der Meßprozessor ein entsprechendes Meßsignal als Funktion der Meßkörperpositionssignale liefert;

Berechnen von Fühlerfehlstellungsdaten (98) als Funktion der gemessenen Position des Meßkörpers, wobei die Fühlerfehlstellungsdaten die Fehlstellung des Fühlers gegenüber dem Fühlerschaft entlang jeder der Achsen repräsentiert;

Speichern der Fühlerfehlstellungsdaten in den Speichereinrichtungen des Meßprozessors;

Entnehmen der Fühlerfehlstellungsdaten aus der Speichereinrichtung;

Bestimmen kompensierter Fühlerfehlstellungsdaten als Funktion der Fühlerfehlstellungsdaten und ihrer jeweiligen kompensierten Rotationsdaten; und Modifizieren (114) der von den Einrichtungen gelieferten positionssignale als Funktion der kompensierten Fühlerfehlstellungsdaten und dem Subsatz von Achskorrekturdaten einschließlich der kompensierten Rotationsdaten, der Rechtwinkligkeitsdaten, der normalisierten Geradlinigkeitsdaten und der Skalenfehlerdaten, wobei der Modifizierschritt unmittelbar nach dem Bestimmen (112) des Subsatzes von Achskorrekturdaten durchgeführt wird, um ein korrigiertes Positionssignal in einem Standard-Koordinatensystem zu erhalten.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das korrigierte positionssignal eine Komponente hat, die eine korrigierte Position entlang jeder der Achsen repräsentiert und wobei jede dieser Komponenten eine Funktion (Figur 9) des Produktes aus den jeweiligen kompensierten Rotationsdaten und dem Positionssignal einer der anderen Achsen ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,daß wenigsten eine dieser Komponenten eine Funktion (Figur 9) des Produktes ihrer jeweiligen Rechtwinkligkeitsdaten und des positionssignals einer oder der anderen Achsen ist.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei wenigstens eine dieser Komponenten eine Funktion der normalisierten Geradlinigkeitsdaten ihrer jeweiligen Achse ist.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 3 bis 5, wobei wenigstens eine der Komponenten eine Funktion der Skalenfehlerdaten für ihre jeweilige Achse ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Meßkörper eine Kalibrierkugel (100) umfaßt und wobei der Meßschritt den Schritt umfaßt, den Fühler an mehrere Positionen der Kugel anzulegen.

8. Vorrichtung zum Bestimmen der absoluten Position eines Punktes in einem Meßvolumen (102) einer CMM (10) mit einem Fühlerschaft (22) und einer an einem distalen Ende des Fühlerschaftes gehaltenen Fühler (14), wobei der Fühler drei Bewegungsachsen (X, Y, Z) hat, wobei ferner die CMM Einrichtungen zum Liefern eines Positionssignals durch Bestimmen der Position des Fühlers für jede der Bewegungsachsen im Koordinatensystem der CMM hat sowie eine Steuerungseinrichtung (36) zum Aufnehmen jedes der Positionssignale und zum Liefern eines Koordinatenmeßsignals, welches die Position des Fühlers angibt, wobei die Einrichtung eine Speichereinrichtung (110) zum Speichern von Fehlerdaten für die Kompensierung von CMM-Geometriefehlern für den Verfahrweg entlang jeder der Achsen hat, ferner Mittel (36 und 112) zum Bestimmen gespeicherter Fehlerdaten für eine gegebene Position des Fühlerschaftes relativ zu jeder der Bewegungsachsen als Funktion der positionssignale, dadurch gekennzeichnet, daß

die speichereinrichtung (110) so ausgelegt ist, daß sie Sätze von Achskorrekturdaten speichern kann, die man aus den gemessenen Achsfehlerdaten und den jeweiligen Positionssignalen erhält, sowie von Fühlerfehlstellungsdaten, die man in einem Kalibiervorgang vor dem eigentlichen Einsatz der CMM ermittelt;

daß die Bestimmungsmittel (36, 112) so ausgelegt sind, daß sie einen Subsatz der Achskorrekturdaten für eine gegebene Position des Fühlerschaftes relativ zu jeder der Bewegungsachsen (X, Y, Z) als Funktion der Positionssignale bestimmen kann und daß sie die jeweiligen Fühlerfehlstellungsdaten bestimmen kann;

und daß die Steuerungseinrichtung (114, 36) so ausgelegt ist, daß sie die positionssignale mit dem Subsatz von Achsfehlerdaten und den Fühlerfehlstellungsdaten kombinieren kann, um ein korrigiertes positionssignal im Standard-Koordinaten system zu erhalten, die Korrekturdaten zu speichern und korrigierte positionssignale aus den gegebenen Positionsdaten und den zugeordneten, gespeicherten Korrekturdaten zu berechnen.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmungsmittel kompensierte Rotationsdaten (48 - 64) bestimmen, welche den Betrag einer Winkelverdrehung um jede der Achsen für jeder dieser Achsen repräsentieren; ferner Rechtwinkligkeitsdaten (84, 94, 96), welche die Orthogonalität der drei unterschiedlichen Achsenpaare repräsentieren; ferner normalisierte Geradlinigkeitsdaten (72 - 82) für jede dieser Achsen mit Bezug auf jede der anderen Achsen; und Skalenfehlerdaten (66, 68; 70), welche Fehler in jeder der Einrichtungen repräsentieren; daß jede der Einrichtungen ein Meßkörper-Positionssignal beim Verfahren des Fühlers der CMM zu dem Meßkörper liefert;

daß die Steuerungseinrichtung der CMM einen Meßprozessor umfaßt, welcher ein entsprechendes Meßsignal als Funktion der Meßkörper-Positionssignale liefert; und

daß ein Rechner zum Berechnen von Fühlerfehlstellungsdaten als Funktion der gemessenen Position des Neßkörpers vorgesehen ist, wobei die Fühlerfehlstellungsdaten die Fehlstellung des Fühlers gegenüber dem Fühlerschaft entlang jeder der Achsen repräsentieren; wobei die Speichereinrichtung die Fühlerfehlstellungsdaten speichert; und wobei der Meßprozessor kompensierte Fühlerfehlstellungs daten als Funktion der Fühlerfehlstellungsdaten und ihrer jeweiligen kompensierten Rotationsdaten bestimmt und der Meßprozessor die von den Einrichtungen kommenden Positionssignale als Funktion der kompensierten Fühlerfehlstellungsdaten und des Subsatzes von Achskorrekturdaten einschließlich der kompensierten Rotationsdaten, der Rechtwinkligkeitsdaten, der normalisierten Geradlinigkeitsdaten und der Skalenfehlerdaten modifiziert, um ein korrigiertes Positionssignal in einem Standard-Koordinatensystem zu erhalten.

10. Einrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Meßkörper eine Kalibrierkugel (100) umfaßt.