DE3930223A1

DE3930223A1 - Pruefkoerper fuer koordinatenmessgeraete aus stabsegmenten

Info

Publication number: DE3930223A1
Application number: DE3930223A
Authority: DE
Inventors: Eugen Dr Ing Trapet; Franz Dr Ing Waeldele
Original assignee: Wild Leitz Messtechnik GmbH
Current assignee: Hexagon Metrology GmbH
Priority date: 1989-09-11
Filing date: 1989-09-11
Publication date: 1991-03-14
Also published as: DE59007579D1; EP0491734A1; EP0491734B1; WO1991003706A1; US5269067A

Description

In der industriellen Qualitätssicherung werden zunehmend Koordinaten meßgeräte fertigungsnah und auch bereits fertigungsintegriert eingesetzt. Ebenso wie in Meßräumen besteht für die Betreiber der Meßgeräte die Not wendigkeit, im Rahmen der Betriebsmittelüberwachung für die Einhaltung der zulässigen Meßunsicherheit zu sorgen. Nur durch regelmäßige Überwa chungsmessungen kann dies sichergestellt werden. Für die dazu erforderli chen Messungen hat sich der Einsatz von Prüfkörpern in den letzten Jahren durchgesetzt. Als Gründe hierfür können insbesondere die einfache und schnelle Durchführbarkeit der Überwachung mittels Prüfkörper angeführt werden: Gesichtspunkte, die im Fertigungsumfeld sehr wichtig sind.

Im Prinzip werden bei diesem Überwachungsverfahren die mit dem zu prü fenden Koordinatenmeßgerät ermittelten Abmessungen mit den entsprechen den kalibrierten Meßwerten verglichen. Dabei wird überprüft, ob die Meß abweichungen innerhalb der spezifizierten Genauigkeitsgrenzen liegen. Die Beschreibung eines Überwachungsverfahrens ist z. B. in dem Entwurf zur VDI/VDE-Richtlinie 2617 "Überwachung von Koordinatenmeßgeräten durch Prüfkörper" gegeben.

Prüfkörper, die ein-, zwei- oder dreidimensional aufgebaut sind, existieren be reits. Eine Übersicht in dem Beitrag "Prüfkörper für Koordinatenmeßgeräte, Werkzeugmaschinen und Meßroboter" von H.-H. Schüßler in Technisches Messen 51. Jahrgang 1984, Heft 3 stellt den derzeitigen Stand der Technik dar. Schwierigkeiten bei der Handhabung bei gleichzeitig großen Abmes sungen und bei der Kalibrierung der Prüfkörper wegen zu großer Massen beschränken ihren Einsatz auf Koordinatenmeßgeräte mit in der Regel Meßvolumina kleiner 1 m³. Die Grenzen der Abmessungen bei existierenden Prüfkörpern liegen für eindimensionale Bauweise bei 2500 mm und für zwei- oder dreidimensionale Bauweise bei etwa 800 mm für die größte Seitenlänge.

Es ist der Zweck der vorliegenden Erfindung, Prüfkörper vorzuschlagen, die sich auch für die Überwachung von Koordinatenmeßgeräten mit großen Meß volumina eignen und dabei gleichzeitig eine gute Handhabbarkeit und eine einfache und sichere Kalibrierung gewährleisten.

Diese Aufgabenstellung wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Prüf körper aus Segmenten modular zusammensetzbar sind. Hierbei sind solche Prüfkörper vorteilhaft, welche vom Anwender unter Beibehaltung der Genau igkeit demontiert und wieder zusammengefügt werden können. Die Prüfkör per bestehen aus Referenzelementen, welche durch Stabverbindungen in definiertem Abstand gehalten werden. Damit lassen sich ein-, zwei- und drei dimensionale Strukturen (Prüfkörper) aufbauen. Die Referenzelemente sind derart ausgeführt, daß deren Lage eindeutig vom zu prüfenden Koordinaten meßgerät erfaßt werden können.

Als Referenzelemente eignen sich vorzugsweise Kugeln, z. B. Präzisions kugeln aus Industriekeramik. Stäbe können z. B. aus Invar, Zerodur oder Kohlenstoffaserverbundwerkstoff gefertigt sein.

Erfindungsgemäß wird eine hochgenau reproduzierbare Verbindung von Stäben und Kugeln durch ein genaues Bearbeiten der Stabenden mit den Kugelradien (z. B. CNC-Bearbeitung und anschließendes Läppen mit Kugeln von gleichem Radius) erreicht. Kugeln und Stäbe werden mittels Federkraft zusammengedrückt; hierbei entsteht eine Maßhaltigkeit der Gesamtstruktur, welche vergleichbar mit der von aus einem Stück gefertigten Prüfkörpern ist. Der Vorteil sphärischer und damit großer Berührflächen liegt in der relativen Unempfindlichkeit des Übergangsmaßes gegenüber variierenden Andruck kräften. Solche variierenden Kräfte sind im Einsatz sowie bei der Kalibrierung unvermeidlich, falls der Prüfkörper für ein wiederholtes Demontieren und Zusammenfügen vorgesehen ist.

Unterschiedliche Ausführungen der federnden Elemente an den Verbin dungsstellen zwischen den Referenzelementen und den Stäben sind erfin dungsgemäß möglich, und zwar

- durch elastische Klammern, welche von außerhalb der Stäbe und Referenzelemente diese zusammendrücken (eine Klammer für jeden Übergang oder auch für mehrere möglich),
- durch Federn, die im Inneren der Stäbe und/oder der Refe renzelemente liegen und beide zusammenziehen,
- durch Federn, welche gegenüber einem Tragkörper wirken.

Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Realisierung eines eindimensionalen Prüf körpers. Dieser besteht aus einem segmentierten, demontierbaren Tragkör per (1), auf dem mit Hilfe von Blattfedern (2) Kugeln als Referenzelemente (3) befestigt sind sowie aus Kohlenstoffaserstäben (4), die zwischen den Kugeln eingeklemmt sind. Eine Kugel ist zur Festlegung des Bezugspunkts anstatt mit einer Blattfeder mit einem starren Stift (5) auf dem Tragkörper angebracht. Die Federn erlauben nur eine Verschiebung der Kugeln in Achsrichtung der Stäbe und sind so vorgespannt, daß näherungsweise die Andruckkräfte an allen Übergangsstellen gleich groß sind. Der Tragkörper ist modular auf gebaut. In Fig. 1 ist seine Ausführung aus Rohren (8) und Zwischenstücken (9) gezeigt. Die Zwischenstücke tragen die Referenzelemente und sind mit den Rohren über Klemmverbindungen zusammengefügt.

Die Kalibrierung der Stab-Kugel-Kombinationen kann einzeln erfolgen. Da Kugeln einer Fertigungscharge sehr eng toleriert den gleichen Durchmesser besitzen, darf die Kalibrierung aller Stäbe in Kombination mit dem gleichen Kugelpaar geschehen. Erfindungsgemäß ist die Genauigkeit und Stabilität des Tragkörpers von untergeordneter Bedeutung, da allein die Abstände zwi schen jeweils zwei benachbarten Kugeln ausgewertet werden, und die Stab achsen mit den Kugelmittelpunkten eine Linie bilden. Obwohl der eindimen sionale, segmentierte Prüfkörper in Teillängen kalibriert wird, entspricht der Gesamtfehler der Kalibrierung dem Fehler, der für einen unsegmentierten Prüfkörper entsprechender Gesamtlänge bei einer einzigen Längenmessung entstehen würde. Der Grund dafür ist, daß der Fehler bei der Bestimmung ei nes Kugelmittelpunktes sich für beide der Kugel benachbarte Teilstrecken betragsmäßig gleich, aber im Vorzeichen umgekehrt auswirkt. Eine Fehler akkumulation findet also nicht statt.

Fehler, die durch eine variierende bzw. nicht exakte Fluchtung der Kugel mittelpunkte entstehen, sind i. a. vernachlässigbar. Sie stellen jeweils den Cosinusfehler in der Längenbestimmung eines Segments dar, der durch den orthogonal zur Prüfkörperachse wirksamen Fehler des geprüften Koordina tenmeßgerätes entsteht.

Fig. 2 zeigt beispielhaft die Ausführung eines zweidimensionalen Prüfkörpers. Da die Oberflächen einzelner Referenzelemente durch die Anbringung der Stäbe zum großen Teil verdeckt sind, müssen bestimmte Stäbe eine Aus sparung (10) besitzen, die eine Antastung der Referenzelemente ermöglicht.

Fig. 3 stellt die erfindungsgemäße Ausführung eines dreidimensionalen Prüf körpers in Form eines Quaders dar. Die Kohlenstoffaserstäbe (4) bilden hier mit den Keramikkugeln (3) sowohl die maßbildende als auch die tragende Struktur, da die Eckpunkte eines Quaders durch 18 Strecken, welche hier 18 Stäben (4) entsprechen, eindeutig festliegen. Somit ist die direkte Anbrin gung der Andruckfedern (6) zwischen Kugeln und Stäben sinnvoll. Die An druckfedern sind hier in den Stäben angebracht. In die Kugeln eingeklebte Stifte (7) dienen zur Anbringung dieser Federn an den Kugeln und haben außerdem die Aufgabe, den Quader beim Handhaben und Montieren zu sta bilisieren. Im meßbereiten Zustand berühren die Stifte (7) die Bohrungswan dungen in den Stäben nicht.

Die wesentlichen Vorteile eines solchen Quaders liegen in dem vereinfachten Transport im demontierten Zustand sowie in der guten Kalibrierbarkeit der eindimensionalen Teilstrukturen. Quader bis ca. 2 m sind gut handhabbar. Möglicherweise müssen bei größeren zu prüfenden Meßvolumina Anschluß messungen mit mehrfach verschobenen Quadern durchgeführt werden.

Als Wirtschaftlichtkeitsaspekte können für die erfindungsgemäße Konstruktion eines Prüfkörpers in segmentierter Stabbauweise angeführt werden:

- kostengünstige Herstellung aus marktgängigen Komponenten,
- leichte Bauweise aufgrund der Verwendung von Stabstrukturen für die maßbestimmenden Komponenten,
- wirtschaftlicher Einsatz hochwertiger Werkstoffe, wegen des geringen Materialeinsatzes,
- sicheres Messen (und damit Reduktion von Ausschuß) durch die Ver wendung hochwertiger Werkstoffe, die in der Fertigungsumgebung temperaturstabil sind,
- vereinfachte Kalibrierung hoher Genauigkeit, da die Messungen sepa rat für die eindimensionalen Teilsegmente auf entsprechend kleinen, hochgenauen Referenzmeßgeräten (z. B. Komparator mit Laserinterfe rometer) durchgeführt werden können,
- einfacher Transport,
- gute Handhabbarkeit.

Diese Faktoren tragen dazu bei, daß die regelmäßig notwendigen Über wachungsmessungen mittels Prüfkörpern an Meßgeräten schnell und ein fach, d. h. kostengünstig, sowie sicher durchgeführt werden können, wobei auch Meßgeräte mit großen Meßvolumina mit einbezogen sind. Die erfin dungsgemäße Bauweise der Prüfkörper eröffnet nun ihren Einsatz auch bei fertigungsnah und fertigungsintegriert eingesetzten Meßgeräten.

Claims

1. Prüfkörper aus längenstabilen Stabsegmenten, welche durch anzuta stende Referenzelemente längendefinierend miteinander verbunden sind.

2. Prüfkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er demon tierbar ist.

3. Prüfkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Refe renzelemente Kugeln sind.

4. Prüfkörper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kon taktflächen der Stäbe (zu den Kugeln) mit dem gleichen Radius wie die Kugeln sphärisch ausgebildet sind.

5. Prüfkörper nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzelemente und Stabsegmente durch federnde Elemente mit definier ter Andruckkraft zusammengefügt werden.

6. Prüfkörper nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die federn den Elemente im Inneren der Stäbe eingelassen sind und einerseits an den Stäben und andererseits an den Referenzelementen fixiert sind.

7. Prüfkörper nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die federn den Elemente als Klammern ausgeführt sind und die Stabsegmente und Re ferenzelemente mit definierter Kraft verbinden.

8. Prüfkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die län genbestimmenden Segmente statisch bestimmt von einem meßtechnisch nicht unmittelbar wirksamen Tragkörper gehalten werden.

9. Prüfkörper nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder kräfte über den Tragkörper auf die Referenzelemente und Stabsegmente wirken.

10. Prüfkörper nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragkörper demontierbar in Segmenten ausgeführt ist.

11. Prüfkörper nach Anspruch 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß er ein dimensional ist.

12. Prüfkörper nach Anspruch 8-11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Referenzelement mit einem starren Verbindungselement an dem Tragkörper angebracht ist, und die restlichen Referenzelemente über in der Meßrichtung bzw. Stabachse federnde und in allen übrigen Freiheitsgraden starre Ele mente befestigt sind.

13. Prüfkörper nach Anspruch 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß er zweidimensional ist.

14. Prüfkörper nach Anspruch 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß er drei dimensional ist.