DE102020208567A1 - Calibration of a reference body for determining the guidance error of a machine axis - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft Verfahren zum Kalibrieren eines Referenzkörpers (14), der ein Referenzkörper (14) für eine Führungsfehlerermittlung einer Maschinenachse (X, Y, Z) ist, aufweisend:- Bereitstellen eines Koordinatenmessgeräts (100), das wenigstens eine lineare Maschinenachse (X) zum Bewegen entlang einer Koordinatenachse (x) aufweist und wenigstens eine von dieser Maschinenachse (X) bewegbare Sensoranordnung (12) mit wenigstens zwei Abstandssensoren (S0, S1);- Bereitstellen des Referenzkörpers (14), wobei der Referenzkörper (14) zwei sich entlang der Maschinenachse (X) erstreckende Bereiche (B0, B1) aufweist;- Anordnen der Sensoranordnung (12) mit einer ersten Relativausrichtung zu dem Referenzkörper (14) an einer ersten Position (x0) und an wenigstens einer zweiten Position (x1) entlang der Koordinatenachse (x) und Erfassen von Abstandsmesswerten (a(x0)S0-B0, a(x0)S1-B1; a(x1)S0-B0, a(x1)S1-B1) mit den beiden Abstandssensoren (S0, S1) an jeder der Positionen (x0, x1);- Anordnen der Sensoranordnung (12) mit einer zweiten Relativausrichtung zu dem Referenzkörper (14) an einer ersten Position (x0) und an der wenigstens einen zweiten Position (x1) und Erfassen von Abstandsmesswerten (a(x0)S0-B1; a(x1)S0-B1) mit einem der Abstandssensoren (S0, S1) an jeder der Positionen (x0, x1);- Bestimmen einer Winkelfehlergröße (Δβ) des Referenzkörpers (14) anhand der ermittelten Abstandsmesswerte (a(x0)S0-B0, a(x0)S1-B1; a(x1)S0-B0, a(x1)S1-B1; a(x0)S0-B1; a(x1)S0-B1). Ferner betrifft die Erfindung ein Koordinatenmessgerät (100).The invention relates to a method for calibrating a reference body (14), which is a reference body (14) for determining guidance errors on a machine axis (X, Y, Z), comprising: - providing a coordinate measuring device (100) which has at least one linear machine axis (X) for moving along a coordinate axis (x) and at least one of this machine axis (X) movable sensor arrangement (12) with at least two distance sensors (S0, S1); - providing the reference body (14), the reference body (14) two along each other the machine axis (X) has regions (B0, B1) extending; - arranging the sensor arrangement (12) with a first relative orientation to the reference body (14) at a first position (x0) and at at least one second position (x1) along the coordinate axis (x) and acquisition of distance measured values (a (x0) S0-B0, a (x0) S1-B1; a (x1) S0-B0, a (x1) S1-B1) with the two distance sensors (S0, S1) each of the positions (x0, x1); - arrange the r sensor arrangement (12) with a second relative orientation to the reference body (14) at a first position (x0) and at the at least one second position (x1) and acquisition of measured distance values (a (x0) S0-B1; a (x1) S0-B1) with one of the distance sensors (S0, S1) at each of the positions (x0, x1); - Determination of an angular error size (Δβ) of the reference body (14) on the basis of the determined distance measurement values (a (x0) S0- B0, a (x0) S1-B1; a (x1) S0-B0, a (x1) S1-B1; a (x0) S0-B1; a (x1) S0-B1). The invention also relates to a coordinate measuring machine (100).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kalibrieren eines Referenzkörpers für die Führungsfehlerermittlung einer Maschinenachse eines Koordinatenmessgeräts.The invention relates to a method and a device for calibrating a reference body for determining guidance errors of a machine axis of a coordinate measuring device.
Koordinatenmessgeräte, Werkzeugmaschinen, Maschinenkinematiken oder allgemeine technische Systeme können in an sich bekannter Weise ansteuerbare Maschinenachsen umfassen, um vorgegebene Bewegungen auszuführen. Hierbei kann es sich z.B. um Translations- oder Rotationsachsen handeln. Die Bewegungen können durch einen der Maschinenachse vorzugsweise individuell zugeordneten Antrieb erzeugt werden, der z.B. einen Elektromotor umfassen kann. Dieser kann zum Ausführen gewünschter Bewegungen in an sich bekannter Weise angesteuert werden, beispielsweise mittels einer elektronisch und/oder digital betreibbaren Steuereinrichtung. Die für das Ansteuern verwendeten Steuersignale können die Achse dazu veranlassen, eine gewünschte Bewegung auszuführen und z.B. eine hierfür vom Antrieb aufzubringende Antriebsleistung angeben.Coordinate measuring devices, machine tools, machine kinematics or general technical systems can include controllable machine axes in a manner known per se in order to carry out predetermined movements. This can e.g. be translation or rotation axes. The movements can be generated by a drive, preferably individually assigned to the machine axis, which e.g. may include an electric motor. This can be controlled in a manner known per se to carry out desired movements, for example by means of an electronically and / or digitally operable control device. The control signals used for actuation can cause the axis to perform a desired movement and e.g. specify a drive power to be provided by the drive for this purpose.
Ein Koordinatenmessgerät, mit dem in bekannter Weise Objektkoordinaten bspw. von einem industriell gefertigten Werkstück erfasst werden können, umfasst typischerweise wenigstens drei ansteuerbare Maschinenachsen. Diese sind vorzugsweise derart angeordnet, dass eine hiervon bewegte Messeinrichtung (z.B. ein das Objekt taktil oder berührungslos erfassender Messsensor) an beliebige Positionen in einem kartesischen Koordinatensystem bewegbar ist. Hierfür können die Maschinenachsen entlang der entsprechenden Achsen des Koordinatensystems ausgerichtet sein und/oder jeweils eine Bewegung entlang einer dieser Achsen ermöglichen (d.h. jeweils eine Maschinenachse kann jeweils einer Koordinatenachse zugeordnet sein). Folglich weist ein Koordinatenmessgerät typischerweise zwei sich in der Horizontalen erstreckende sowie rechtwinklig zueinander verlaufende Maschinenachsen auf (typischerweise als X- und Y-Achse bezeichnet). Ferner ist oftmals eine sich vertikal erstreckende Maschinenachse vorgesehen, welche auch als Z-Achse bezeichnet werden kann. Ein entsprechender Aufbau eines Koordinatenmessgeräts ist z.B. in der nachfolgend erläuterten
Es ist ferner bekannt, dass derartige Maschinenachsen sogenannte Führungsfehler aufweisen können. Hierbei handelt es sich z.B. um Translations- oder Rotationsfehler, die bei einem Bewegen entlang der Maschinenachse die eigentlich gewünschte Bewegung überlagern. Insbesondere können sie in Bewegungskomponenten resultieren, die entlang oder um von der Maschinenachse abweichenden Koordinatenachsen vorliegen (d.h. in von einer Soll-Bewegungsrichtung der Maschinenachse abweichenden Richtung vorliegen). Zusätzlich können beim Bewegen entlang einer Maschinenachse auch Torsionsfehler auftreten, welche eine Verdrehung der Maschinenachse um sich selbst bzw. um ihre eigene Längsachse betreffen.It is also known that such machine axes can have so-called guidance errors. These are e.g. about translation or rotation errors that overlay the actually desired movement when moving along the machine axis. In particular, they can result in movement components that are present along or around coordinate axes deviating from the machine axis (i.e. in a direction deviating from a target direction of movement of the machine axis). In addition, when moving along a machine axis, torsional errors can also occur, which relate to a rotation of the machine axis about itself or about its own longitudinal axis.
Derartige Führungsfehler können verschiedene Ursachen haben und z.B. aus Fertigungsungenauigkeiten der Führungen, der Maßstäbe und/oder der Lager einer Maschinenachse resultieren. Nachstehend sind die bei einem Bewegen einer mit X bezeichneten Maschinenachse möglichen Führungsfehler aufgelistet. Die X-Maschinenachse (bzw. ihre Bewegungsachse) erstreckt sich dabei entlang (bzw. parallel zu) der x-Achse eines kartesischen Koordinatensystems, welches ferner eine y- und eine z-Achse umfasst. Die möglichen Führungsfehler, die bei einem Bewegen der X-Maschinenachse entlang der x-Koordinatenachse auftreten, lauten wie folgt:
- - Ein Positionsfehler xTx(xi) betrifft die Verschiebung der Maschinenachse X in Richtung der x-Achse am Ort xi;
- - Ein Translationsfehler xTy(xi) betrifft die Verschiebung der Maschinenachse X in Richtung der y-Achse am Ort xi;
- - Ein Translationsfehler xTz(xi) betrifft die Verschiebung der Maschinenachse X in Richtung der z- Achse am Ort xi;
- - Ein Torsionsfehler xRx(xi) betrifft die Verdrehung der Maschinenachse X um die x-Achse am Ort xi;
- - Ein Rotationsfehler xRy(xi) betrifft die Verdrehung der Maschinenachse X um die y-Achse am Ort xi;
- - Ein Rotationsfehler xRz(xi) betrifft die Verdrehung der Maschinenachse X um die z-Achse am Ort xi.
- - A position error xTx (xi) relates to the displacement of the machine axis X in the direction of the x-axis at location xi;
- A translation error xTy (xi) relates to the displacement of the machine axis X in the direction of the y-axis at location xi;
- - A translation error xTz (xi) relates to the displacement of the machine axis X in the direction of the z axis at location xi;
- - A torsion error xRx (xi) concerns the rotation of the machine axis X about the x-axis at location xi;
- - A rotation error xRy (xi) concerns the rotation of the machine axis X about the y-axis at the location xi;
- - A rotation error xRz (xi) concerns the rotation of the machine axis X about the z-axis at location xi.
Die Orte xi können dabei über die gesamte von der X-Maschinenachse abfahrbare Bewegungsstrecke verteilt sein.The locations xi can be distributed over the entire movement path that can be traversed by the X machine axis.
Es versteht sich, dass die Nomenklatur in analoger Weise auch auf eine sich entlang (bzw. parallel zu) der z-Achse erstreckende Z-Maschinenachse und eine sich entlang (bzw. parallel zu) der y-Achse erstreckende Y-Maschinenachse übertragen werden kann. Es würde statt xi dann jeweils ein Ort zi bzw. yi betrachtet werden. Ferner betrifft der Torsionsfehler dann jeweils eine Verdrehung der Y, Z- Maschinenachse um die hierzu parallelen Koordinatenachsen oder, mit anderen Worten, um sich selbst. Rotationsfehler liegen jeweils um die verbleibenden Koordinatenachsen vor. Dem Fachmann ist die entsprechende Nomenklatur geläufig, weshalb von einer vollständigen Wiedergabe aller 18 möglicher Führungsfehler um sämtliche drei X, Y, Z- Maschinenachsen an dieser Stelle abgesehen wird. It goes without saying that the nomenclature can also be transferred analogously to a Z machine axis extending along (or parallel to) the z axis and a Y machine axis extending along (or parallel to) the y axis . Instead of xi, a location zi or yi would then be considered. Furthermore, the torsion error then relates to a rotation of the Y, Z machine axis about the coordinate axes parallel to it or, in other words, about itself. Rotation errors exist about the remaining coordinate axes. The person skilled in the art is familiar with the corresponding nomenclature, which is why a complete reproduction of all 18 possible guide errors about all three X, Y, Z machine axes is not provided at this point.
Es ist ferner bekannt, derartige Führungsfehler in Form konkreter Führungsfehlerwerte an den einzelnen xi, yi und zi-Positionen zu erfassen und in einer Maschinensteuerung zu hinterlegen. Die Führungsfehler können verwendet werden, um Positionswerte und/oder Steuersignale der Maschinenachse(n) im Sinne von Kalibrierwerten rechnerisch zu korrigieren. Werden beispielsweise Positionswerte der Maschinenachse(n) verwendet, um daraus Messwerte abzuleiten, wie dies z.B. bei einem Koordinatenmessgerät üblich ist, können die vorab ermittelten Führungsfehlerwerte verwendet werden, um die Messwerte entsprechend zu bereinigen (d.h. die Führungsfehler aus den ermittelten Werten herauszurechnen). Weitere Hintergründe zum Ermitteln von Führungsfehlern und einem darauf basierten Kalibrieren von Koordinatenmessgeräten finden sich in der
Für das Bestimmen von Führungsfehlern sind verschiedene Ansätze aus dem Stand der Technik bekannt. In der
Nachteilig ist in diesem Zusammenhang aber, dass zum Kalibrieren des Referenzkörpers ein kalibriertes Koordinatenmessgerät zu verwenden ist. Dieses Koordinatenmessgerät kann sich, wenn es nicht unmittelbar vor dem Vermessen des Referenzobjektes kalibriert wurde, aufgrund von sich ändernden Umgebungseinflüssen oder Alterungseffekten verändert haben. Zwar werden aus diesem Grund Koordinatenmessgeräte regelmäßig nachkalibriert. Zwischen dem letztmaligen Kalibrieren und dem Vermessen des Referenzkörpers kann aber ein Zeitraum liegen, in dem sich derartige Veränderungen bereits nachteilig ausgewirkt haben.In this context, however, it is disadvantageous that a calibrated coordinate measuring machine must be used to calibrate the reference body. If it was not calibrated immediately before measuring the reference object, this coordinate measuring machine can have changed due to changing environmental influences or aging effects. For this reason, coordinate measuring machines are regularly recalibrated. However, there may be a period of time between the last calibration and the measurement of the reference body in which such changes have already had a disadvantageous effect.
Ferner ist für das Vermessen des Referenzkörpers grundsätzlich ein hochgenaues Koordinatenmessgerät zu verwenden, dass nicht bei jedem Benutzer verfügbar ist und sich allgemein durch hohe Kosten auszeichnen kann. Weiter kommen beim Kalibrieren der hochgenauen Koordinatenmessgeräte oft sogenannte Neigungswaagen zum Einsatz. Deren Messungen sind insbesondere beim Vermessen des vorstehend geschilderten xRx-Torsionsfehlers oftmals durch eine geringe Reproduzierbarkeit gekennzeichnet, sodass Restfehler verbleiben, die das Kalibrierergebnis des Referenzkörpers negativ beeinflussen können.Furthermore, a high-precision coordinate measuring machine is to be used for measuring the reference body, which is not available to every user and can generally be characterized by high costs. In addition, so-called inclination scales are often used when calibrating the high-precision coordinate measuring machines. Their measurements, especially when measuring the xRx torsion error described above, are often characterized by poor reproducibility, so that residual errors remain which can negatively influence the calibration result of the reference body.
Es besteht daher ein Bedarf dafür, das Kalibrieren eines Referenzkörpers zu verbessern, der für die Führungsfehlerermittlung einer Maschinenachse verwendet wird, die bevorzugt Bestandteil eines Koordinatenmessgeräts ist. Insbesondere soll eine hohe Kalibriergenauigkeit mit einem begrenzten Aufwand erzielbar sein.There is therefore a need to improve the calibration of a reference body that is used to determine the guidance error of a machine axis, which is preferably part of a coordinate measuring machine. In particular, it should be possible to achieve high calibration accuracy with limited effort.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der beigefügten unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Die vorstehenden Erläuterungen und Merkmale des Standes der Technik können auch bei der vorliegenden Lösung vorgesehen sein bzw. auf diese zutreffen, sofern nicht anders angegeben oder ersichtlich.This object is achieved by the subject matter of the attached independent claims. Advantageous further developments are given in the dependent claims. The above explanations and features of the prior art can also be provided in the present solution or apply to it, unless otherwise stated or evident.
Gemäß einer allgemeinen Lösungsidee erfolgt das Kalibrieren durch Ermitteln einer Winkelfehlergröße (beispielsweise eines absoluten Winkelfehlers, bevorzugt aber einer Winkelfehlerdifferenz und/oder eines positionsabhängigen Winkelfehlerverlaufs) des Referenzkörpers unter bevorzugt ausschließlicher Verwendung von Abstandsmesswerten. Die Abstandsmesswerte können mit Abstandssensoren erfasst werden, die nicht zwingend zu kalibrieren oder zumindest aufwandsarm kalibrierbar sind. Auf Koordinatenmesswerte, die in herkömmlicher Weise von einem Messsystem des Koordinatenmessgeräts ermittelt werden, kann jedoch für das Kalibrieren des Referenzkörpers teilweise oder vollständig verzichtet werden. Dies bedeutet auch, dass eine Kalibriergüte des Koordinatenmessgerätes einen weniger starken Einfluss auf die Genauigkeit hat als bisher. Es muss folglich kein hochgenaues Koordinatenmessgerät zum Einsatz kommen.According to a general solution idea, the calibration takes place by determining an angular error variable (for example an absolute angular error, but preferably an angular error difference and / or a position-dependent angular error profile) of the reference body, preferably using only distance measurement values. The measured distance values can be recorded with distance sensors that do not necessarily have to be calibrated or at least can be calibrated with little effort. Coordinate measurement values that are conventionally determined by a measurement system of the coordinate measurement machine can, however, be partially or completely dispensed with for calibrating the reference body. This also means that the calibration quality of the coordinate measuring machine has less of an influence on the accuracy than before. Consequently, there is no need to use a high-precision coordinate measuring machine.
Stattdessen wird vorgeschlagen, eine Sensoranordnung in unterschiedlichen definierten Relativausrichtungen zu dem Referenzkörper anzuordnen und dort jeweils Abstandswerte mit den Abstandssensoren zu erfassen. Anhand der erhaltenen Abstandsmesswerte wird eine Winkelfehlergröße des Referenzkörpers bestimmt. Diese Winkelfehlergröße kann als ein Kalibrierwert gespeichert werden. Zukünftige anhand des Referenzkörpers erfasste Messwerte zur Führungsfehlermittlung können in herkömmlicher Weise anhand derartiger Kalibrierwerte korrigiert werden. Wie noch erläutert, werden Winkelfehlergrößen des Referenzkörpers und/oder Kalibrierwerte bevorzugt in Abhängigkeit von Achspositionen der Maschinenachse ermittelt und gespeichert. Instead, it is proposed to arrange a sensor arrangement in different defined relative alignments to the reference body and to detect distance values there with the distance sensors. An angle error magnitude of the reference body is determined on the basis of the distance measured values obtained. This angle error quantity can be stored as a calibration value. Future measured values acquired using the reference body for determining guidance errors can be corrected in a conventional manner using such calibration values. As explained below, angular error variables of the reference body and / or calibration values are preferably determined and stored as a function of the axis positions of the machine axis.
Bevorzugt betrifft die Winkelfehlergröße des Referenzkörpers einen Winkel, der entsteht, wenn man eine einem Messsensor des Koordinatenmessgeräts zugewandte Oberfläche des Referenzkörpers und/oder eine hierzu parallele Ebene um die bzw. relativ zu der Koordinatenachse verkippt, entlang derer die Maschinenachse bewegt wird. Insbesondere kann es sich um den Winkel zwischen der Horizontalen und/oder einer zu einer Messtischoberfläche des Koordinatenmessgeräts parallelen Ebene und der vorstehend genannten Oberfläche des Referenzkörpers handeln.The angle error variable of the reference body preferably relates to an angle that occurs when a surface of the reference body facing a measuring sensor of the coordinate measuring machine and / or a plane parallel to it is tilted about or relative to the coordinate axis along which the machine axis is moved. In particular, it can be the angle between the horizontal and / or a plane parallel to a measuring table surface of the coordinate measuring machine and the aforementioned surface of the reference body.
Insbesondere wird ein Verfahren zum Kalibrieren eines Referenzkörpers vorgeschlagen, der ein Referenzkörper für eine Führungsfehlerermittlung (insbesondere Torsionsfehlerermittlung) einer Maschinenachse (eines Koordinatenmessgeräts) ist, aufweisend:
- - Bereitstellen eines Koordinatenmessgeräts, das wenigstens eine lineare Maschinenachse zum Bewegen entlang einer Koordinatenachse aufweist und wenigstens eine von dieser Maschinenachse bewegbare Sensoranordnung mit wenigstens zwei Abstandssensoren;
- - Bereitstellen des Referenzkörpers, wobei der Referenzkörper zwei sich entlang der Maschinenachse erstreckende Bereiche aufweist;
- - Anordnen der Sensoranordnung mit (oder in) einer ersten Relativausrichtung zu dem Referenzkörper an einer ersten Position und an wenigstens einer zweiten Position entlang der Koordinatenachse und Erfassen von Abstandsmesswerten mit den beiden Abstandssensoren an jeder der Positionen;
- - Anordnen der Sensoranordnung mit einer zweiten Relativausrichtung zu dem Referenzkörper an einer ersten Position und an wenigstens einer zweiten Position und Erfassen von Abstandsmesswerten mit einem der Abstandssensoren an jeder der Positionen;
- - Bestimmen einer Winkelfehlergröße des Referenzkörpers anhand der ermittelten Abstandsmesswerte.
- Provision of a coordinate measuring device which has at least one linear machine axis for moving along a coordinate axis and at least one sensor arrangement which can be moved from this machine axis and has at least two distance sensors;
- Providing the reference body, the reference body having two regions extending along the machine axis;
- - Arranging the sensor arrangement with (or in) a first relative orientation to the reference body at a first position and at at least one second position along the coordinate axis and acquiring distance measurement values with the two distance sensors at each of the positions;
- Arranging the sensor arrangement with a second relative orientation to the reference body at a first position and at at least one second position and detecting distance measured values with one of the distance sensors at each of the positions;
- - Determination of an angular error size of the reference body on the basis of the determined distance measurement values.
Die Maschinenachse kann beispielsweise eine Pinole bewegen, an der die Sensoranordnung angeordnet ist. Allgemein kann die Sensoranordnung analog zu einem Messsensor (z.B. einem taktilen Taster oder einem optischen Koordinatenmesssensor) an dem Koordinatenmessgerät angeordnet sein und/oder von diesem bewegt werden. Bei der Maschinenachse kann es sich insbesondere um eine Horizontalachse und insbesondere um eine üblicherweise mit X bezeichnete Maschinenachse handeln. Prinzipiell ist das Verfahren aber auf jegliche Maschinenachsen bzw. hierfür vorgesehene Referenzkörper anwendbar.The machine axis can, for example, move a quill on which the sensor arrangement is arranged. In general, the sensor arrangement can be arranged on and / or moved by the coordinate measuring device in a manner analogous to a measuring sensor (e.g. a tactile button or an optical coordinate measuring sensor). The machine axis can in particular be a horizontal axis and in particular a machine axis usually designated by X. In principle, however, the method can be applied to any machine axes or reference bodies provided for this purpose.
Der Referenzkörper kann allgemein langgestreckt sein. Er kann sich mit einer entsprechend ausgeprägten Längenerstreckung entlang der Koordinatenachse und/oder der Maschinenachse erstrecken. Die beiden Bereiche des Referenzkörpers können hervorstehende und/oder vorsprungartige Bereiche aber auch langgestreckte Ausnehmungen sein. Insbesondere können diese ebenfalls langgestreckt und z.B. bahnförmig ausgebildet sein.The reference body can generally be elongated. It can extend with a correspondingly pronounced longitudinal extension along the coordinate axis and / or the machine axis. The two areas of the reference body can be protruding and / or projection-like areas but also elongated recesses. In particular, these can also be elongated and e.g. be formed in the form of a web.
Bei der ersten Relativausrichtung können die Abstandssensoren jeweils einem der Bereiche des Referenzkörpers unmittelbar gegenüberliegen. Bei der zweiten Relativausrichtung kann hingegen bevorzugt lediglich einer der Abstandssensoren einem der Bereiche gegenüberliegen. Dabei handelt es sich bevorzugt um den Bereich, dem dieser Abstandssensor bei der ersten Relativausrichtung nicht unmittelbar gegenüberlag. Anders ausgedrückt kann also wenigstens einer der Abstandssensoren bei der ersten Relativausrichtung einen ersten Bereich vermessen, der diesem Abstandssensor bevorzugt gegenüberliegt. Bei der zweiten Relativausrichtung kann der Abstandssensor aber derart angeordnet sein, dass ihm ein anderer Bereich gegenüberliegt. Der dann noch verbleibende weitere Abstandssensor kann hingegen bei der zweiten Relativausrichtung keine Abstandsmessungen vornehmen und/oder keinem der Bereiche gegenüberliegen.During the first relative alignment, the distance sensors can each be directly opposite one of the areas of the reference body. In the second relative alignment, on the other hand, only one of the distance sensors can preferably lie opposite one of the areas. This is preferably the area which this distance sensor was not directly opposite in the first relative alignment. In other words, in the first relative alignment, at least one of the distance sensors can measure a first area which is preferably opposite this distance sensor. In the second relative alignment, however, the distance sensor can be arranged in such a way that another area is opposite it. The further distance sensor then still remaining, on the other hand, cannot take any distance measurements during the second relative alignment and / or cannot face any of the areas.
Zum Anordnen der Sensoranordnung mit der ersten oder zweiten Relativausrichtung können die Maschinenachsen des Koordinatenmessgeräts entsprechend bewegt werden. Wie noch erläutert, erfolgt diese Bewegung bevorzugt in einem Winkel und insbesondere orthogonal (d.h. in einem rechten Winkel) zu der Koordinatenachse. Beispielsweise kann diese Bewegung von einer allgemein anderen Maschinenachse und bevorzugt einer anderen horizontalen Maschinenachse des Koordinatenmessgeräts ausgeführt werden.To arrange the sensor arrangement with the first or second relative alignment, the machine axes of the coordinate measuring device can be moved accordingly. As will be explained, this movement is preferably carried out at an angle and in particular orthogonally (ie at a right angle) to the Coordinate axis. For example, this movement can be carried out by a generally different machine axis and preferably a different horizontal machine axis of the coordinate measuring device.
Statt von einer Relativausrichtung könnte auch von einer Relativstellung, Relativpositionierung oder Relativorientierung gesprochen werden. Vorzugsweise liegt dieser in einer senkrecht zu der Maschinenachse und/oder Koordinatenachse definierten Ebene vor.Instead of a relative alignment, one could also speak of a relative position, relative positioning or relative orientation. This is preferably present in a plane defined perpendicular to the machine axis and / or coordinate axis.
Die Winkelfehlergröße des Referenzkörpers kann ein Absolutwert des Winkelfehlers sein. Bevorzugt handelt es sich aber um eine Differenz des in der zweiten Position gemessenen Winkelfehlers im Vergleich zu dem Winkelfehler in der ersten Position.The angular error magnitude of the reference body can be an absolute value of the angular error. However, it is preferably a difference between the angular error measured in the second position and the angular error in the first position.
Diese Winkelfehlergröße des Referenzkörpers kann in an sich bekannter Weise als ein Kalibrierwert hinterlegt werden, um darauf basierend beim Vermessen des Referenzkörpers zukünftig gewonnene Messwerte und insbesondere nachstehend erläuterte Gesamtwinkel-Werte korrigieren zu können.This angle error variable of the reference body can be stored in a manner known per se as a calibration value in order to be able to correct measurement values obtained in the future when measuring the reference body and in particular total angle values explained below.
Vorteilhafterweise ermöglicht die vorgestellte Lösung, dass für das Kalibrieren des Referenzkörpers und die Führungsfehlerermittlung des Koordinatenmessgeräts der gleiche Aufbau, d.h. der gleiche Referenzkörper und insbesondere auch die gleiche Sensoranordnung verwendet werden kann.Advantageously, the solution presented enables the same structure, i.e. the same structure, to be used for the calibration of the reference body and the determination of the guide errors of the coordinate measuring machine. the same reference body and in particular also the same sensor arrangement can be used.
Eine Weiterbildung der vorgestellten Lösung (d.h. des Verfahrens und/oder der Vorrichtung) sieht vor, dass bei der ersten Relativausrichtung ein erster Abstandssensor den ersten Bereich und ein weiterer Abstandssensor den zweiten Bereich erfasst. Wie erwähnt, können diese Bereiche den Abstandssensoren jeweils unmittelbar gegenüberliegen, insbesondere bei horizontaler Lage des Referenzkörpers vertikal gegenüberliegen.A further development of the solution presented (i.e. the method and / or the device) provides that, in the first relative alignment, a first distance sensor detects the first area and a further distance sensor detects the second area. As mentioned, these areas can each be directly opposite the distance sensors, especially when the reference body is in a horizontal position, vertically opposite.
Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass bei der zweiten Relativausrichtung der erste Abstandssensor den zweiten Bereich erfasst oder der weitere Abstandssensor den ersten Bereich erfasst. Anders ausgedrückt wechseln also die Abstandssensoren zu dem Bereich, den sie vormals nicht erfasst haben. Bevorzugt gilt dies aber nur für einen der Abstandssensoren, wohingegen der andere Abstandssensor keinem der Bereiche zugeordnet ist bzw. keinen der Bereiche vermisst.Additionally or alternatively, it can be provided that in the second relative alignment the first distance sensor detects the second area or the further distance sensor detects the first area. In other words, the distance sensors switch to the area that they did not previously detect. Preferably, however, this only applies to one of the distance sensors, whereas the other distance sensor is not assigned to any of the areas or does not measure any of the areas.
Diese Varianten der ersten und zweiten Relativausrichtung ermöglichen ein Erfassen der benötigten Abstandsmesswerte mit wenigen Achsbewegungen und mit einer kurzen Messdauer.These variants of the first and second relative alignment enable the required distance measurement values to be recorded with a few axis movements and with a short measurement duration.
Dabei kann, wie erwähnt, gemäß einer weiteren allgemeinen Ausführungsform der vorgestellten Lösung vorgesehen sein, dass bei der zweiten Relativausrichtung nur einer der Abstandssensoren Abstandsmessungen vornimmt und/oder nur einen der genannten Bereiche vermisst.As mentioned, according to a further general embodiment of the solution presented, it can be provided that, during the second relative alignment, only one of the distance sensors takes distance measurements and / or measures only one of the areas mentioned.
Gemäß einer Weiterbildung der vorgestellten Lösung wird bei der ersten Relativausrichtung anhand zumindest eines Teils der Abstandsmesswerte ein Gesamtwinkelwert an jeder der Positionen bestimmt. Insbesondere können dabei die Abstandsmesswerte der Sensoren verwendet werden, wenn diese einen ihnen jeweils gegenüberliegenden Bereich in jeder der Positionen vermessen. Bei dem Gesamtwinkelwert kann es sich um einen Winkel handeln, der zwischen einer Ebene, die parallel zu den beiden vermessenen Bereichen verläuft und/oder diese umfasst (bzw. die von den Abstandssensoren erfassten Messpunkte dieser Bereiche umfasst) und einer bevorzugt horizontalen Ebene liegt. Beispielsweise kann diese horizontale Ebene die Koordinatenachse und eine hierzu orthogonale weitere Koordinatenachse (insbesondere die Y-Achse) aufweisen und/oder allgemein parallel zu einer Messtischoberfläche des Koordinatenmessgeräts ausgerichtet sein.According to a further development of the solution presented, a total angle value at each of the positions is determined in the first relative alignment based on at least some of the measured distance values. In particular, the measured distance values of the sensors can be used if they measure an area opposite them in each of the positions. The total angle value can be an angle that lies between a plane that runs parallel to the two measured areas and / or includes them (or includes the measuring points of these areas detected by the distance sensors) and a preferably horizontal plane. For example, this horizontal plane can have the coordinate axis and a further coordinate axis orthogonal thereto (in particular the Y axis) and / or can be oriented generally parallel to a measuring table surface of the coordinate measuring device.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass anhand zumindest eines Teils der Abstandsmesswerte eine Torsionsfehlergröße und insbesondere eine Torsionsfehlerdifferenz der Maschinenachse um die Koordinatenachse ermittelt wird. Bei der Torsionsfehlerdifferenz kann es sich um die Differenz der Torsionsfehler in der ersten und in der zweiten Position handeln. Zur Definition des Torsionsfehlers wird auf die vorstehende Auflistung möglicher Führungsfehlergrößen verwiesen.Alternatively or additionally, it can be provided that a torsional error variable and in particular a torsional error difference of the machine axis about the coordinate axis is determined on the basis of at least some of the distance measured values. The torsional error difference can be the difference between the torsional errors in the first and in the second position. For the definition of the torsion error, reference is made to the list of possible control error variables above.
In diesem Fall können als Abstandsmesswerte insbesondere sämtliche Abstandsmesswerte berücksichtigt werden, die für einen der Bereiche sowohl bei der ersten als auch der zweiten Relativausrichtung ermittelt wurden, wobei dies bevorzugt für beide der betrachteten Positionen erfolgt. Dabei kann in der vorstehend geschilderten Weise vorgesehen sein, dass der entsprechende Bereich durch beide der Abstandssensoren vermessen wird.In this case, all distance measured values that were determined for one of the areas in both the first and the second relative alignment can be taken into account as distance measured values, this preferably being done for both of the positions under consideration. It can be provided in the manner described above that the corresponding area is measured by both of the distance sensors.
Insbesondere kann in diesem Zusammenhang ferner vorgesehen sein, dass die Winkelfehlergröße des Referenzkörpers anhand einer Differenz der Gesamtwinkelwerte sowie der Torsionsfehlergröße bestimmt wird. Beispielsweise kann die Torsionsfehlergröße, insbesondere eine vorstehend erläuterte Torsionsfehlerdifferenz, von der Differenz der Gesamtwinkelwerte subtrahiert werden, um auf diese Weise eine Winkelfehlerdifferenz des Winkelfehlers in der zweiten Position von dem Winkelfehler in der ersten Position zu erhalten. In particular, it can also be provided in this context that the angle error variable of the reference body is determined on the basis of a difference between the total angle values and the torsional error variable. For example, the torsional error magnitude, in particular a torsional error difference explained above, can be subtracted from the difference in the total angle values in order to obtain in this way an angle error difference between the angle error in the second position and the angle error in the first position.
Wie vorstehend erwähnt, zeichnet sich die hierin vorgestellte Lösung vorteilhafterweise dadurch aus, dass die von den Abstandssensoren ermittelten Abstandswerte zum Ermitteln der Winkelfehlergröße des Referenzkörpers verwendet werden. Bevorzugt ist allgemein vorgesehen, dass keine anderen Messwerte verwendet werden, insbesondere keine von einem Messsystem des Koordinatenmessgeräts ermittelten Koordinatenwerte. Bei einem solchen Messsystem kann es sich um die bekannten Systeme eines Koordinatenmessgeräts handeln, die aus Achsstellungen der Maschinenachsen eine Position von z.B. einer Pinole und/oder einem Messsensor des Koordinatenmessgeräts ermitteln. Hieraus kann dann wiederum auf die Koordinaten eines aktuell vermessenen Objekts geschlossen werden. Erfindungsgemäß werden derartige Messwerte bzw. wird das allgemeine Koordinatenmesssystem des Koordinatenmessgeräts jedoch nicht herangezogen und/oder berücksichtigt. Stattdessen werden bevorzugt ausschließlich von den Abstandssensoren ermittelte Messwerte und insbesondere Abstandsmesswerte verwendet. Damit einher geht der vorstehend erwähnte Vorteil, dass das Koordinatenmessgerät selbst nicht hochgenau kalibriert sein muss.As mentioned above, the solution presented here is advantageously characterized in that the distance values determined by the distance sensors are used to determine the angular error magnitude of the reference body. It is preferably generally provided that no other measured values are used, in particular no coordinate values determined by a measuring system of the coordinate measuring machine. Such a measuring system can be the known systems of a coordinate measuring machine, which from axis positions of the machine axes a position of e.g. a quill and / or a measuring sensor of the coordinate measuring machine. From this, in turn, conclusions can be drawn about the coordinates of a currently measured object. According to the invention, however, such measured values or the general coordinate measuring system of the coordinate measuring machine are not used and / or taken into account. Instead, measured values determined exclusively by the distance sensors and in particular distance measured values are preferably used. This is accompanied by the advantage mentioned above that the coordinate measuring machine itself does not have to be calibrated with high precision.
Eine Weiterbildung des Verfahrens umfasst:
- - Abspeichern von Werten der Winkelfehlergröße des Referenzkörpers in einer Kalibrierdatei, die dem Referenzkörper zugeordnet ist.
- - Storage of values of the angular error size of the reference body in a calibration file that is assigned to the reference body.
Auf diese Kalibrierdatei kann in späteren Stadien zurückgegriffen werden, insbesondere während zukünftigen Kalibrierungen des Koordinatenmessgeräts. Besonders vorteilhaft ist, dass auch andere Koordinatenmessgeräte, die anhand desselben Referenzkörpers kalibriert werden sollen, diese Kalibrierdatei nutzen können. Sie müssen also die Winkelfehlergröße nicht erneut selbst bestimmen.This calibration file can be used in later stages, in particular during future calibrations of the coordinate measuring machine. It is particularly advantageous that other coordinate measuring machines that are to be calibrated using the same reference body can also use this calibration file. You do not have to determine the angle error size yourself again.
Die Erfindung betrifft auch ein Koordinatenmessgerät, mit wenigstens einer linearen Maschinenachse zum Bewegen entlang einer Koordinatenachse und mit wenigstens einer von dieser Maschinenachse bewegbaren Sensoranordnung mit wenigstens zwei Abstandssensoren,
und mit einer Steuereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, die Maschinenachse und Sensoranordnung wie folgt zu steuern:
- - Anordnen der Sensoranordnung mit einer ersten Relativausrichtung zu einem Referenzkörper an einer ersten Position und an einer zweiten Position entlang der Koordinatenachse und Erfassen von Abstandsmesswerten mit den beiden Abstandssensoren an jeder der Positionen;
- - Anordnen der Sensoranordnung mit einer zweiten Relativausrichtung zu dem Referenzkörper an einer ersten Position und an einer zweiten Position entlang der Koordinatenachse und Erfassen von Abstandsmesswerten mit wenigstens einem der Abstandssensoren an jeder der Positionen;
- - Bestimmen einer Winkelfehlergröße des Referenzkörpers anhand der ermittelten Abstandsmesswerte.
and with a control device which is set up to control the machine axis and sensor arrangement as follows:
- Arranging the sensor arrangement with a first relative orientation to a reference body at a first position and at a second position along the coordinate axis and detecting distance measured values with the two distance sensors at each of the positions;
- Arranging the sensor arrangement with a second relative orientation to the reference body at a first position and at a second position along the coordinate axis and detecting distance measured values with at least one of the distance sensors at each of the positions;
- - Determination of an angular error size of the reference body on the basis of the determined distance measurement values.
Sowohl bei dem Verfahren als auch bei der Vorrichtung kann vorgesehen sein, dass eine noch größere Anzahl von Positionen zum Vermessen durch die Sensoranordnung angefahren wird, also dass die Sensoranordnung in der hierin geschilderten Weise in noch mehreren Positionen, beispielsweise einer dritten oder vierten Position, entlang der Koordinatenachse sowie mit der ersten und zweiten Relativausrichtung positioniert wird. Entsprechend können in einer Vielzahl von Positionen die hierin geschilderten Abstandsmesswerte ermittelt und darauf basierend Werte der Winkelfehlergröße des Referenzkörpers bestimmt werden. Wird dies für eine Vielzahl von Positionen entlang der betrachteten Koordinatenachse durchgeführt, kann ein Verlauf des Winkelfehlers und/oder der Winkelfehlergröße (z.B. der Winkelfehlerdifferenz) des Referenzkörpers entlang der Koordinatenachse bestimmt werden. Beispielsweise kann dann auch für eine Position, die zwischen zwei Positionen liegt, in denen im Rahmen des Kalibrierens Abstandswerte und insbesondere Werte der Winkelgröße bestimmt wurden, per Interpolation ein Wert der Winkelfehlergröße des Referenzkörpers ermittelt werden.Both in the method and in the device it can be provided that an even larger number of positions for measurement is approached by the sensor arrangement, that is, that the sensor arrangement is in a number of positions, for example a third or fourth position, in the manner described here the coordinate axis and with the first and second relative alignment. Correspondingly, the distance measurement values described herein can be determined in a multiplicity of positions and values of the angular error magnitude of the reference body can be determined based thereon. If this is carried out for a large number of positions along the observed coordinate axis, a course of the angular error and / or the angular error magnitude (e.g. the angular error difference) of the reference body can be determined along the coordinate axis. For example, a value of the angle error magnitude of the reference body can then also be determined by interpolation for a position that lies between two positions in which distance values and in particular values of the angular magnitude were determined within the scope of the calibration.
Zusammengefasst sieht eine Weiterbildung vor, dass das hierin geschilderte Erfassen von Abstandswerten in einer Vielzahl von Positionen entlang der Koordinatenachse erfolgt und beispielsweise in wenigstens 10 oder auch wenigstens 50 Positionen. Anhand der für jede der Positionen ermittelten Winkelfehlergrößen des Referenzkörpers kann dann z.B. der geschilderte Verlauf der Winkelfehlergröße ermittelt werden und/oder können Winkelfehlergrößen für weitere Positionen rechnerisch ermittelt werden.In summary, one development provides that the detection of distance values described here takes place in a large number of positions along the coordinate axis and, for example, in at least 10 or also at least 50 positions. On the basis of the angular error values of the reference body determined for each of the positions, e.g. the described course of the angular error magnitude can be determined and / or angular error magnitudes for further positions can be determined by calculation.
Insbesondere können die erste und zweite Position, in denen mit beiden Relativausrichtungen Abstandsmesswerte erfasst werden, übereinstimmen. Auch bei einer Vielzahl von Positionen stimmen bevorzugt möglichst viele hiervon überein. Dies ist aber nicht zwingend. Bei Positionsabweichungen können stattdessen die relevanten Messwerte und/oder Fehlergrößen interpoliert werden (d.h. für eine gemeinsame Position anhand an anderen Positionen erfasster Messwerte und/oder Fehlergrößen berechnet werden). In particular, the first and second positions in which measured distance values are recorded with both relative orientations can coincide. Even with a large number of positions, as many of them as possible preferably match. But this is not mandatory. In the case of position deviations, the relevant measured values and / or error variables can instead be interpolated (ie calculated for a common position using measured values and / or error variables recorded at other positions).
Allgemein kann die Vorrichtung dazu eingerichtet sein, ein Verfahren gemäß jeglichen der hierin geschilderten Aspekte auszuführen. Sämtliche der vorstehenden Erläuterungen zu und Weiterbildungen von Merkmalen des Verfahrens können auch auf die Vorrichtungsmerkmale zutreffen bzw. bei diesen vorgesehen sein. Allgemein kann die Vorrichtung (also das Koordinatenmessgerät) jegliches weitere Merkmal umfassen, um sämtliche der hierin geschilderten Verfahrensschritte auszuführen und/oder Funktionen bereitzustellen.In general, the device can be configured to carry out a method in accordance with any of the aspects described herein. All of the above explanations on and developments of features of the method can also apply to the device features or be provided for them. In general, the device (that is to say the coordinate measuring machine) can comprise any further feature in order to carry out all of the method steps described herein and / or to provide functions.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten schematischen Figuren erläutert.
-
1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Koordinatenmessgeräts mit einem Referenzkörper, wobei das Koordinatenmessgerät einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung entspricht und ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel ausführt. -
2 ,3 zeigen Detailansichten einer Sensoranordnung des Koordinatenmessgeräts aus1 beim Vermessen des Referenzkörpers bei einer ersten Relativausrichtung in einer ersten Position (2 ) und einer zweiten Position (3 ). -
4 ,5 zeigen das Vermessen des Referenzkörpers mit der Sensoranordnung bei einer zweiten Relativausrichtung in der ersten (4 ) und zweiten (5 ) Position.
-
1 shows a perspective view of a coordinate measuring machine with a reference body, the coordinate measuring machine corresponding to a device according to an embodiment of the invention and executing a method according to an embodiment. -
2 ,3 show detailed views of a sensor arrangement of the coordinate measuringmachine 1 when measuring the reference body with a first relative alignment in a first position (2 ) and a second position (3 ). -
4th ,5 show the measurement of the reference body with the sensor arrangement with a second relative alignment in the first (4th ) and second (5 ) Position.
In
Im Folgenden wird beispielhaft die X-Maschinenachse betrachtet. Das nachstehend geschilderte Vorgehen ist aber auch auf die anderen Maschinenachsen Y, Z übertragbar.In the following, the X machine axis is considered as an example. The procedure described below can also be transferred to the other machine axes Y, Z.
Bei einem Verfahren entlang der X-Maschinenachse werden auch die anderen Maschinenachsen Y, Z entsprechend entlang dieser Achse bzw. der parallel hierzu verlaufenden x-Koordinatenachse verfahren. An der Z-Maschinenachse, die eine Pinole ist, ist eine Sensoranordnung
In der nachstehend geschilderten Weise wird die Sensoranordnung
Gezeigt sind die Bereiche
Gezeigt ist auch, dass der Referenzkörper
Die in der gezeigten Position x0 von den Abstandssensoren
Beim bisherigen Kalibrieren des Referenzkörpers
Aus der Darstellung von
Der Winkel γ ist allgemein aus der Differenz der Abstandsmesswerte a(xi)S1-B1, a(xi)S0-B0 und dem Bereichsabstand d bestimmbar. Für kleine Winkel gilt die vereinfachte Gleichung:
In
Prinzipiell sieht das erfindungsgemäße Verfahren dennoch vor, in den gezeigten Positionen x0, x1 die jeweiligen Abstandswerte aus den
Weiter ist aber vorgesehen, durch Bewegen der Sensoranordnung
An bevorzugt denselben Positionen x0, x1 werden dann mit dem entsprechend ausgewählten Abstandssensor
Ein Grundgedanke dessen Messen mit zwei Relativasurichtungen ist, dass sich sowohl bei der ersten Relativausrichtung der
So können anhand der ersten Relativausrichtung aus den
Ebenso kann auch eine Gesamtwinkeldifferenz aus dem jeweiligen Messerergebnis der
Schließlich kann unter Berücksichtigung des vorstehend geschilderten Effekts auch eine Torsionsfehlerdifferenz für kleine Winkel als Torsionsfehlergröße ΔxRx(x1,x0) gemäß der nachstehenden Gleichung 4 bestimmt werden:
Ausgehend von der vorstehenden Gleichung (1) liegen somit sämtliche Größen vor, um die eigentlich interessierende Winkelfehlergröße des Referenzkörpers
Unter Berücksichtigung sämtlicher der vorstehenden Größen und insbesondere Gleichung 4 verdeutlicht sich dabei, dass zum Ermitteln dieser Winkelfehlergröße des Referenzkörpers
Im Kalibrierbetrieb des Koordinatenmessgeräts
Anders ausgedrückt kann also für jede Kalibrierung eines Koordinatenmessgeräts
Zur Reduzierung des Messaufwands kann aber angenommen werden, dass eine einmal ermittelte Winkelfehlergröße β des Referenzkörpers
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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