DE4325602C1 - Verfahren zum taktilen Vermessen von Werkstücken - Google Patents
Verfahren zum taktilen Vermessen von WerkstückenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum taktilen
Vermessen von Werkstücken, bei dem die Meßpunkte des
Werkstückes in vorherbestimmter Reihenfolge mit den den
Meßpunkten zugeordneten Tastern eines Tastkopfes einer
Koordinatenmeßmaschine CNC-gesteuert angefahren werden. Bei
sogenannten schaltenden Tastköpfen wird im Augenblick der
Berührung des Tasters mit dem Werkstück oder kurz danach
ein Signal erzeugt, das die Antastung anzeigt. Dieses
Signal löst eine Ablesung der Maßstäbe in der
Koordinatenmeßmaschine aus. Die Lage des Antastpunktes im
Koordinatensystem der Maschine ist nunmehr bekannt. Da die
Koordinatenmeßmaschine einen endlichen Bremsweg besitzt,
ist der Taster zu seinem Schutz fest in einer Aufnahme
angeordnet, die mittels eines kinematischen Gelenkes nach
der Berührung mit dem Werkstück aus ihrer Ruhelage
ausweichen kann, wobei alle sechs kinematischen
Freiheitsgrade (Längsbewegungen in den drei
Koordinatenrichtungen und Drehungen um diese
Koordinatenrichtungen) durch eine geeignete Lagergeometrie
statisch bestimmt sind. Dadurch ist gewährleistet, daß die
Tasteraufnahme und damit der Taster selbst nach einer
Antastung wieder in die vorbestimmte Ruhelage zurückkehrt.
Je nach dem physikalischen Prinzip der Antasterkennung
ergeben sich jedoch unterschiedliche Verzögerungszeiten
zwischen der eigentlichen Antastung und der durch das
Antastsignal ausgelösten Maßstabsablesung. Da die Achsen
der Koordinatenmeßmaschine sich zu diesem Zeitpunkt noch in
Bewegung befinden, wird das Meßergebnis mit einem Offset
(Fehler) belegt, der je nach Antastrichtung des Meßpunktes
und der Geometrie der Tasteranordnung üblicherweise
unterschiedliche Werte annimmt.
In der Literatur sind verschiedene Methoden
beschrieben, wie man systematischen Fehlern dieser und
anderer Art begegnen kann. So beschreibt beispielsweise die
Patentschrift DD 2 39 854 A1 ein Verfahren, bei dem durch
Messung eines rotationssymmetrischen Prüfkörpers (Zylinder,
Kegel) in mehreren Schnittebenen senkrecht zur
Symmetrieachse dieser Prüfkörper die Z-Abhängigkeit der
X-Y-Stabilität der Z-Achse bestimmt und wie die so
gewonnenen Werte zur Korrektur bei Werkstückmessungen
herangezogen werden können.
In der Druckschrift "Technische Rundschau" Heft 50,
1992, wird auf Seite 20 ff. im Artikel "Messende Taster mit
mehreren Freiheitsgraden" von W. Lotze diskutiert, wie die
bei messenden Tastern bei endlicher Meßkraft
unvermeidlichen Tasterbiegungen durch individuelle
Kalibrierung eines Tasters an einem Kalibriernormal
berücksichtigt werden können. Dabei wird ein streng
linearer Zusammenhang zwischen der Meßkraft und der
Tasterbiegung vorausgesetzt und bei der Kalibrierung der
Proportionalitätsfaktor bestimmt. Mit Hilfe dieses Faktors
kann dann bei der Werkstückantastung mit bekannter Meßkraft
die Biegung berechnet und berücksichtigt werden.
In der Druckschrift "Industrie-Anzeiger" 97. Jahrgang
Nr. 65, 1975, werden auf Seite 1404 ff. im Artikel "Prinzip
eines Meßtasters für die automatische schnelle Abtastung
räumlicher Konturen mittels Koordinaten-Meßmaschinen" von
H. Janocha verschiedene Fehlermöglichkeiten beim Messen mit
schaltenden Tastern aufgezeigt, unter anderem auch der hier
beschriebene Offsetfehler, der dadurch zustande kommt, daß
die Ruhelage des Tasters vor der Antastung nicht mit seiner
Nullage übereinstimmt, sondern eine Vorauslenkung,
verursacht durch Reibung in seiner kinematischen Aufnahme,
besitzt. Verfahren, die diese Fehler beseitigen könnten,
werden in dem Artikel nicht aufgezeigt.
Üblicherweise versucht man diesem Nachteil zu
begegnen, daß man vor dem eigentlichen Meßlauf einen
Kalibrierlauf durchführt, der an einem Werkstück bekannter
Geometrie (üblicherweise eine Kugel bekannten Durchmessers)
die Offsets anhand einiger ausgewählter Antastrichtungen
(üblicherweise in Richtung der Koordinatenachsen der
Koordinatenmeßmaschine) bestimmt. Die so bestimmten Offsets
werden dann von dem während des Meßlaufes gewonnenen
Meßergebnis vorzeichenrichtig abgezogen.
Der Nachteil dieses Verfahrens nach dem Stand der
Technik liegt darin, daß die Offsetbestimmung nur für
diejenige Antastrichtung gültig ist, bei der sie
durchgeführt wurde. Auch läßt sich der Offset für
Antastrichtungen, die eine Linearkombination aus den
Richtungen der Koordinatenachsen darstellen, im allgemeinen
nicht durch eine entsprechende Linearkombination der
orthogonalen Offsetkomponenten gewinnen. Die Ursache ist
bei den Tastköpfen zu suchen, die eine Antastung durch
Ausheben aus dem kinematischen Gelenk erkennen, denn dieses
Gelenk weist keine kartesische Geometrie auf. Bei
Tastköpfen, die eine Antastung durch Auswertung eines
Körperschallimpulses bei der Berührung erkennen, liegt die
Ursache darin, daß die Steilheit des Anstieges des
Körperschallsignales je nach Antastrichtung und
Tastergeometrie sehr unterschiedlich für die einzelnen
Antastrichtungen ist. Da üblicherweise das überschreiten
einer vorbestimmten Schwelle (zum Beispiel eines
vorgegebenen Spannungswertes) dieses Körperschallsignales
als Kriterium für den Antastzeitpunkt herangezogen wird,
sorgt die unterschiedliche Steilheit des Anstieges dieser
Signalkurve für die unterschiedlichen Offsets im
Meßergebnis.
Nach dem Stand der Technik werden deshalb beim
Antasten der Meßpunkte eines Werkstückes die ermittelten
Koordinaten jedes Meßpunktes mit einem Korrekturwert
(Offset) versehen, wobei die Offsetwerte durch Antastung
einer Kalibrierkugel bekannten Durchmessers in den
Koordinatenrichtungen gewonnen werden. Weicht die
Antastrichtung von diesen Koordinatenrichtungen ab, werden
die Offsets mit Hilfe der bekannten Offsets in den
Koordinatenrichtungen interpoliert.
Da darüber hinaus bei der taktilen Vermessung eines
Werkstückes für bestimmte Meßpunkte unterschiedliche Taster
gebraucht werden, stellt ein Tasterwechsel eine zusätzliche
Fehlerquelle dar.
Aufgabe der Erfindung ist es, den Meßlauf bei der
Koordinatenbestimmung eines Werkstückes durch Festlegung
von Offsetwerten für jede in Frage kommende Antastrichtung
eines Meßpunktes und den zugehörigen Taster auf dem
Werkstück genauer zu gestalten als bisher, ohne den Aufwand
für die Offsetbestimmung für die einzelnen Meßpunkte
wesentlich zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren des Anspruches
1 gelöst.
Dadurch, daß jetzt zunächst eine Kalibrierkugel
bekannten Durchmessers in derselben Richtung wie für die
Antastung des entsprechenden Punktes auf dem Werkstück,
bezogen auf den Mittelpunkt der Kalibrierkugel, angetastet
wird, kann zunächst ein sogenannter Kalibrierlauf mit den
zu verwendenden Tastern in der Reihenfolge des Meßlaufes
bei der Werkstückausmessung durchgeführt werden, der
aufgrund der bekannten Geometrie der Kugel leicht die
Offsetwerte, bezogen auf die Kugel, ermitteln läßt. Diese
richtungsabhängigen Offsetwerte können bei der Antastung
des entsprechenden Meßpunktes auf dem Werkstück in Ansatz
gebracht werden.
Diese Offsetwert-Ermittlung setzt jedoch voraus, daß
die Lage des Mittelpunktes der Kalibrierkugel bekannt ist.
Die exakte Lage des Mittelpunktes der Kalibrierkugel ist
aber üblicherweise nicht bekannt. Deshalb wird zunächst die
Kalibrierkugel in wenigstens drei auf den Mittelpunkt der
Kugel gerichteten Richtungen mit einem Referenztaster
angetastet, um aus diesen wenigstens drei erhaltenen
Punktlagen auf der Oberfläche der Kalibrierkugel und den
dazugehörigen Koordinatenwerten rechnerisch die Lage des
Mittelpunktes der Kugel zu bestimmen.
Für jeden verwendeten Meßtaster ergibt sich nun jedoch
rechnerisch eine andere Mittelpunktslage der
Kalibrierkugel. Die Differenz der Mittelpunktslagen,
bezogen auf jeden Taster und den Referenztaster, bezeichnet
man als "Ablage", welche bei der Offsetwert-Ermittlung zu
berücksichtigen ist.
Ausgehend von den Antastpunkten des Meßlaufes werden
nunmehr mit jedem Taster die ihm zugeordneten
korrespondierenden Antastpunkte auf der Kalibrierkugel
angetastet, und zwar in der Reihenfolge, in der
der Meßlauf am Werkstück erfolgt. Da nunmehr die wahre Lage
der Punkte auf der Oberfläche der Kugel koordinatenmäßig
bekannt ist, kann aus den erhaltenen Meßwerten beim
Antasten dieses Punktes mit Hilfe des dem Meßwert auf dem
Werkstück zugeordneten Tasters ein Offset ermittelt werden,
der auch dem entsprechenden Meßpunkt auf dem Werkstück
zuzuordnen ist. Mit anderen Worten, die auf der Kugel
gewonnenen Offsetwerte für die einzelnen Meßpunkte werden
bei der Antastung der entsprechenden Punkte auf dem
Werkstück als Korrekturwerte bei der Koordinatenbestimmung
zur Anwendung gebracht.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeigt bereits bei der
Ausmessung eines Werkstückes erhebliche Vorteile
hinsichtlich Genauigkeit der Messung, indem die sonst mit
starken Fehlern behaftete Interpolation mit Bezug auf eine
abweichende Antastrichtung entfällt. Der Vorteil des
erfindungsgemäßen Verfahrens vervielfacht sich bei
Serienmessungen von Werkstücken, weil dann, wenn ein neues
Werkstück in der Lage des vorherigen Werkstückes angeordnet
wird, was ohne Schwierigkeiten möglich ist, die
entsprechenden Meßpunkte in derselben Richtung angetastet
werden können, so daß die bereits ermittelten Offsets
erneut verwendet werden können.
Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung dargestellt, und zwar zeigen:
Fig. 1 die Kalibrierkugel in einem räumlichen
Koordinatensystem mit den x-, y- und z-Achsen
in perspektivischer Darstellung;
Fig. 2 das auszumessende Werkstück;
Fig. 3 die Kalibrierkugel mit den anzutastenden und
auf diese Kugel zu übertragenden Meßpunkten.
In Fig. 1 ist der Mittelpunkt der Kalibrierkugel (K)
mit (O) bezeichnet. Die x-Achse schneidet die Oberfläche
der Kugel in den Punkten (A1 und A2). Die y-Achse schneidet
die Oberfläche der Kugel in den Punkten (B1 und B2). Die z-
Achse schneidet die Oberfläche der Kugel in den Punkten
(C1) und (C2). Fünf dieser Punkte, zum Beispiel die Punkte
(A1, A2, B1, B2 und C1) werden jeweils in Richtung der
Pfeile (10, 11, 12, 13 und 14) angetastet, das heißt
jeweils zum Mittelpunkt (O) der Kugel (K) hin gerichtet,
und zwar mit einem Referenztaster (R).
Aufgrund dieser Antastung kann die Mittelpunktslage
(O) der Kugel, bezogen auf den Referenztaster, ermittelt
werden.
In Fig. 2 ist ein Werkstück (20) dargestellt, das im
wesentlichen einen Quader mit einer abgeschnittenen Ecke
(21) bildet.
Liegt die Aufgabe vor, zum Beispiel die
Lagekoordinaten der Meßpunkte (1, 2, 3 und 4) auf der
Oberfläche des Werkstückes (20) zu bestimmen, das heißt
einerseits an den Quaderflächen und andererseits an der
abgeschnittenen Ecke (21), und zwar jeweils senkrecht zu
diesen Flächen, dann werden zunächst die Antastrichtungen
(1a, 2a, 3a, 4a) in diesen Punkten (1, 2, 3, 4) ermittelt.
Mit diesen Antastrichtungen wird die Kalibrierkugel (K) in
den Punkten (P1, P2, P3, P4) zum Beispiel mit dem Meßtaster
(30) angetastet (Fig. 3). Aus den gemessenen
Koordinatenwerten in den Punkten (P1, P2, P3, P4) auf der
Kalibrierkugel (K), welche bei Antastung mit dem Taster
(30) erhalten werden, und den wahren, bekannten Werten
dieser Punkte auf der Kalibrierkugel (K) wird bei dieser
Tastung in jedem Punkt (P1, P2, P3, P4) ein Offset (K1, K2,
K3, K4) erhalten, mit dem die ermittelten Koordinatenwerte
der Meßpunkte (1, 2, 3, 4) bei der Antastung des
Werkstückes (20) zu korrigieren sind.
Gemäß dem soeben beschriebenen Ausführungsbeispiel
wurde für sämtliche vier Antastungen derselbe Taster (30)
verwendet.
Grundsätzlich kann es notwendig werden, für die
Ausmessung verschiedener Meßpunkte auf ein und demselben
Werkstück (20) unterschiedliche Meßtaster zu verwenden,
beispielsweise in der Richtung (1a) den Meßtaster (30), in
der Richtung (2a) einen Meßtaster (35) und in der Richtung
(3a) einen Meßtaster (36).
Unterschiedliche Meßtaster haben beispielsweise
unterschiedliche Antastkugeldurchmesser an ihrer Spitze.
Bei leicht zugänglichen Flächen werden Taster mit größeren
Kugeldurchmessern verwendet, um Unebenheiten in der
anzutastenden Fläche, zum Beispiel Kratzer, zu kompensieren.
An schwer zugänglichen Stellen muß man dagegen Taster mit
kleineren Tastkugeln verwenden.
Für unterschiedliche Meßtaster ergeben sich in den
einzelnen Punkten der Kalibrierkugel (K) unterschiedliche
Offsets. Um diese Abweichungen zu erfassen, werden die
Meßpunkte (P1, P2, P3, P4) sowohl auf der Kalibrierkugel
(K) als auch auf dem Werkstück (20) in
derselben Reihenfolge angetastet, wie es der Meßlauf
vorsieht, und zwar mit dem jeweils einem bestimmten
Meßpunkt zugeordneten Taster.
Die Verwendung unterschiedlicher Meßtaster (35, 36)
ist in Fig. 2 durch hinter die Bezugszahlen (30) in
Klammern gesetzte Bezugszahlen (35, 36) kenntlich gemacht.
Für die Bestimmung der Offsets ist weiterhin zu
berücksichtigen, daß jeder Taster (30, 35, 36) bei der
Antastung der Kalibrierkugel (K) von einer anderen
Mittelpunktslage (O′) der Kalibrierkugel (K) auszugehen
hat. Denn bestimmt man den Mittelpunkt der Kalibrierkugel
(K) mit einem Meßtaster (30, 35 oder 36), zum Beispiel
durch Antasten der Oberfläche der Kalibrierkugel (K) in den
Punkten (A1, A2, B1, B2 und C2) mit den einzelnen Tastern,
erhält man jeweils rechnerisch für jeden Taster eine andere
Mittelpunktslage (O′) in Fig. 1.
Zur Bestimmung der Koordinaten des Mittelpunktes der
Kugel wird zunächst die Antastung der Punkte (A1, A2, B1,
B2, C1), insgesamt von mindestens drei Punkten auf der
Oberfläche der Kugel, mit Hilfe der einzelnen Taster (30,
35, 36) vorgenommen. Aus den erhaltenen Werten wird
rechnerisch die Mittelpunktslage der Kugel für jeden Taster
(30, 35, 36) ermittelt und daraus weiter die als "Ablage"
bezeichneten koordinatenmäßigen Abstände der
Tastkugelmittelpunkte der einzelnen Taster (30, 35, 36),
bezogen auf die jeweilige Ruhelage der einzelnen Taster im
genannten kinematischen Gelenk.
Liegt somit der dieser Kugel zugrunde liegende
Mittelpunkt (O′) für jeden Taster (30, 35, 36) fest, wird
in der Reihenfolge des Meßlaufes die Kalibrierkugel (K)
angetastet, und zwar in den Punkten (P1, P2, P3, P4),
welche den Meßpunkten (1, 2, 3, 4) auf dem Werkstück
entsprechen. Aus den gemessenen Koordinatenwerten in den
Punkten (P1, P2, P3, P4) und den wahren Koordinatenwerten
dieser Punkte auf der Oberfläche der Kalibrierkugel (K)
werden die Offsets für die Punkte (P1, P2, P3, P4)
ermittelt. Diese Werte werden als Offsets bei der
eigentlichen Antastung des Werkstückes (20) in den Punkten
(1, 2, 3, 4) jeweils in Anrechnung gebracht.
Liegen somit für jeden Punkt auf der Oberfläche der
Kalibrierkugel (K) die Offsetwerte für jeden Meßpunkt und
für jeden Taster fest, kann dieser Offsetwert bei Antastung
eines entsprechenden Punktes auf irgendeinem Werkstück
(20), jedoch in derselben Antastrichtung und dem
zugeordneten Taster verwendet werden.
Da im allgemeinen die Zahl unterschiedlicher
Antastrichtungen für einen spezifischen Taster nicht sehr
groß ist und auch die Zahl der Taster gering ist, ist der
Aufwand für das beschriebene Verfahren im Vergleich zu dem
konventionellen Vorgehen klein, der Genauigkeitsgewinn bei
Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens dagegen sehr
groß.
Bezugszeichenliste
K Kalibrierkugel
O Mittelpunkt der Kalibrierkugel
O′ verlagerter Mittelpunkt der Kalibrierkugel
A1, A2 Antastpunkte auf der Oberfläche der Kalibrierkugel in der x-Richtung
B1, B2 Antastpunkte auf der Oberfläche der Kalibrierkugel in der y-Richtung
C1, C2 Antastpunkte auf der Oberfläche der Kalibrierkugel in der z-Richtung
R Referenztaster
x, y, z Koordinatenachsen
P1, P2, P3, P4 auf die Kalibrierkugel übertragene Meßpunkte
K1, K2, K3, K4 Offsets
1, 2, 3, 4 Meßpunkte auf dem Werkstück
1a, 2a, 3a, 4a Pfeile (Antastrichtungen der Meßpunkte 1 bis 4)
10, 11 Pfeile in x-Richtung
12, 13 Pfeile in y-Richtung
14 Pfeil in z-Richtung
20 Werkstück
21 Ecke
30 Meßtaster
35 Meßtaster
36 Meßtaster
O Mittelpunkt der Kalibrierkugel
O′ verlagerter Mittelpunkt der Kalibrierkugel
A1, A2 Antastpunkte auf der Oberfläche der Kalibrierkugel in der x-Richtung
B1, B2 Antastpunkte auf der Oberfläche der Kalibrierkugel in der y-Richtung
C1, C2 Antastpunkte auf der Oberfläche der Kalibrierkugel in der z-Richtung
R Referenztaster
x, y, z Koordinatenachsen
P1, P2, P3, P4 auf die Kalibrierkugel übertragene Meßpunkte
K1, K2, K3, K4 Offsets
1, 2, 3, 4 Meßpunkte auf dem Werkstück
1a, 2a, 3a, 4a Pfeile (Antastrichtungen der Meßpunkte 1 bis 4)
10, 11 Pfeile in x-Richtung
12, 13 Pfeile in y-Richtung
14 Pfeil in z-Richtung
20 Werkstück
21 Ecke
30 Meßtaster
35 Meßtaster
36 Meßtaster
Claims (1)
1. Verfahren zum taktilen Vermessen von Werkstücken,
bei dem die Meßpunkte auf dem Werkstück in bestimmter
Reihenfolge mit den einzelnen Meßpunkten zugeordneten
Tastern CNC-gesteuert angefahren werden, und bei dem die
gemessenen, mit maschinenbedingten systematischen Fehlern
behafteten Koordinatenwerte eines jeden Meßpunktes mit
einem Korrekturwert (Offset) belegt werden,
dadurch gekennzeichnet,
- a) daß die Meßpunkte (1, 2, 3, 4) auf dem Werkstück (20) mit ihren Antastrichtungen (1a, 2a, 3a, 4a) auf die Oberfläche einer Kalibrierkugel (K) übertragen werden, derart, daß die Antastrichtungen (1a, 2a, 3a, 4a) wenigstens näherungsweise auf den Mittelpunkt (O) der Kalibrierkugel (K) weisen,
- b) daß die diesen Richtungen auf der Oberfläche der Kalibrierkugel (K) zugeordneten Meßpunkte (P11, P2, P3, P4) des Werkstückes (20) mit dem jedem Meßpunkt (1, 2, 3, 4) auf dem Werkstück (20) zugeordneten Taster (30, 35, 36) in der Reihenfolge des vorgegebenen Meßlaufes angetastet und ihre Koordinaten bestimmt werden,
- c) daß aus der Differenz der auf der Oberfläche der Kalibrierkugel (K) gemessenen Koordinatenwerte und der wahren Koordinatenwerte der Meßpunkte (P1, P2, P3, P4) auf der Oberfläche der Kalibrierkugel (K) für jeden Meßpunkt (P1, P2, P3, P4) ein Offset (K11, K2, K3, K4) ermittelt und abgespeichert wird,
- d) daß die Meßpunkte (1, 2, 3, 4) auf dem Werkstück (20) mit den ihnen zugeordneten Tastern (30, 35, 36) im vorgegebenen Meßlauf angetastet werden und die sich hierbei ergebenden Koordinatenwerte in der Koordinatenmeßmaschine mit den auf der Kalibrierkugel (K) für die Meßpunkte (P1, P2, P3, P4) gewonnenen entsprechenden Offsetwerten korrigiert werden.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19934325602 DE4325602C1 (de) | 1993-07-30 | 1993-07-30 | Verfahren zum taktilen Vermessen von Werkstücken |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19934325602 DE4325602C1 (de) | 1993-07-30 | 1993-07-30 | Verfahren zum taktilen Vermessen von Werkstücken |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4325602C1 true DE4325602C1 (de) | 1994-09-29 |
Family
ID=6494072
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19934325602 Expired - Lifetime DE4325602C1 (de) | 1993-07-30 | 1993-07-30 | Verfahren zum taktilen Vermessen von Werkstücken |
Country Status (1)
Country | Link |
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