CH695165A5 - Eindimensionales Kalibriernormal. - Google Patents

Description

  



   Die Erfindung betrifft ein eindimensionales Kalib-riernormal für  Koordinaten-Messgeräte, insbesondere optische Koordinaten-Messgeräte  mit einem stabförmigen Kalibriermittel. 



   Bei optischen oder auch mechanischen Koordinaten-Messmaschinen ist  es notwendig, von Zeit zu Zeit die Messgenauigkeit des Koordinaten-Messplatzes  zu überprüfen. 



   Für die Überprüfung gibt es in der Koordinaten-Messtechnik verschiedene  Arten von Kalibriernormalen. Die gängigsten eindimensionalen Kalibriernormale  sind zum Beispiel Stufenendmasse. Zweidimensionale Kalibriernormale  sind beispielsweise Kugelplatten, dreidimensionale Kalibriernormal  für optische Koordinaten-Messgeräte, insbesondere Laser-Tracker,  sind beispielsweise Tetraeder. 



   Für eine schnelle Überprüfung der Messgenauigkeit sind daher eindimensionale  Kalibriernormale besonders geeignet. Der Nachteil der derzeit erhältlichen  eindimensionalen Kalibriernormale, beispielsweise der Stufenendmasse  oder eines eindimensionalen Invar-Stabes, der verschraubt ist und  an seinen zwei Enden Aufnehmer für die Reflektoren aufweist, liegt  darin, dass diese Aufbauten aufgrund ihrer Materialkombination sehr  umgebungssensitiv sind, insbesondere Messfehler aufgrund von Längen-änderungen  bei Änderungen der Umgebungstemperatur auftreten. 



   Optische Koordinaten-Messgeräte, insbesondere Laser-Tracker, funktionieren  nach dem folgenden Prinzip: 



   Die Messstation des Koordinaten-Messgerätes erzeugt einen Laserstrahl,  der auf ein bewegliches Ziel gelenkt wird. Dieses Ziel ist beispielsweise  ein    Trippel-Spiegel, der in einem genau gefertigten Stahlgehäuse,  beispielsweise einer Stahlkugel, eingebaut ist. Eine derartige Anordnung  wird nachfolgend als Reflektionsmittel bzw. als Reflektor bezeichnet  Der Durchmesser des kugelförmigen Reflektors beträgt in einer bevorzugten  Ausführungsform 38,1 mm. 



   Der auf den Reflektor auftreffende Laserstrahl des Koordinaten-Messgerätes  wird vom Reflektor zur Messstation zurückgeworfen. Die Messstation  des Koordinaten-Messgerätes registriert die exakte Position des Trippel-Spiegels,  der genau in der Mitte der Stahlkugel liegt. Aus dem Abstand sowie  zwei Winkelwerten kann das optische Koordinaten-Messinstrument bzw.  der Laser-Tracker die Position des Reflektors auf 10  mu m genau  bestimmen. 



   Aufgabe der Erfindung ist es, ein eindimensionales Kalibriernormal  zur Verfügung zu stellen, das wenig umgebungssensitiv und besonders  für Laser-Tracker geeignet ist. 



   Die erfindungsgemässe Aufgabe, ein eindimensionales Kalibriermodul  insbesondere für optische Koordinaten-Messgeräte zur Verfügung zu  stellen, wird dadurch gelöst, dass das eindimensionale Kalibriernormal  mit stabförmigen Kalibriermittel derart ausgestaltet ist, dass das  stabförmige Kalibriermittel aus einem einzigen Material besteht,  das eine Wärmeausdehnung <5 x 10<-6>K<-1> aufweist und das stabförmige  Kalibriermittel mindestens zwei Bohrungen in einem vorbestimmten  kalibrierten Abstand aufweist, in den die Reflektionsmittel des optischen  Koordinaten-Messgerätes und/oder Kugeln zur Kalibrierung antastender  Koordinaten-Messgeräte exakt und reproduzierbar eingebracht und herausgenommen  werden können, um das Messgerät zu kalibrieren. 



     Die Wärmeausdehnung des Materiales für das stabförmige Kalibriermittel  kann eine Wärmeausdehnung <5 x 10<-6>K<-1>, besonders bevorzugt  <0,1 x 10<-6>K<-1> aufweisen. 



   Besonders bevorzugt ist das Material eine Glaskeramik, insbesondere  Zerodur (Markenbezeichnung der Firma Schott Glas, Mainz). 



   Das stabförmige Kalibriermittel weist als Bohrungen bevorzugt Konusbohrungen  auf. Um die Kugeln bzw. die kugelförmigen Reflektoren auch bei grossen  Schieflagen des Kalibriernormal in den Konusbohrungen zu halten,  ist in einer besonderen Ausführungsform der Erfindung vorgesehen,  einen Magnet unter jeder Konusbohrung anzuordnen. Diese Magnete können  mit einer speziellen Klemmtechnik befestigt und bei Bedarf auch wieder  demontiert werden. 



   Als Reflektionsmittel wird bevorzugt ein kugelförmiger Reflektor  eingesetzt, der einen Trippel-Spiegel in einem genau gefertigten  Stahlgehäuse umfasst. 



   Zur Erhöhung der Messgenauigkeit können die Kugeln zur Kalibrierung  antastender Systeme aus einem Material mit geringer Wärmeausdehnung,  beispielsweise aus Invar, gefertigt sein. 



   Neben dem eindimensionalen Kalibriernormal stellt die Erfindung auch  ein Verfahren zur Kalibrierung eines optischen Koordinaten-Messgerätes,  insbesondere Laser-Tracker mit einem erfindungsgemässen eindimensionalen  Kalibriermodul, zur Verfügung. Das erfindungsgemässe Verfahren zeichnet  sich dadurch aus, dass der kugelförmige Reflektor in einer ersten  Bohrung des Kalibriernormals abgelegt wird, eine erste Position bestimmt  wird und danach der Reflektor aus der ersten Bohrung entfernt wird.  Sodann wird der Reflektor in eine zweite Bohrung eingebracht, wiederum  die Position bestimmt und aus der zweiten Bohrung entfernt. Aus erster  und zweiter    Position wird der gemessene Abstand der Bohrungen  ermittelt und mit dem zertifizierten Abstand verglichen.

   Aufgrund  dieses Vergleiches wird das optische Koordinaten-Messgerät, insbesondere  der Laser-Tracker, dann entsprechend kalibriert. 



   Des Weiteren gibt die Erfindung auch ein Verfahren zur Kalibrierung  eines antastenden Koordinaten-Messgerätes zur Verfügung. 



   Bei einem derartigen Verfahren werden die Kugeln zur Kalibrierung  antastender Koordinaten-Messgeräte in die Bohrungen gelegt, das Koordinaten-Messgerät  tastet eine erste Kugel an, sodann wird deren Position bestimmt,  in einem zweiten Schritt tastet das Koordinaten-Messgerät eine zweite  Kugel an; es wird eine zweite Position bestimmt. Aus erster und zweiter  Position wird der gemessene Abstand der Bohrungen ermittelt und mit  dem zertifizierten Abstand verglichen. Aufgrund dieses Vergleiches  wird das antastende Koordinaten-Messgerät dann entsprechend kalibriert.                                                        



   Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Figuren beispielhaft beschrieben  werden. 



   Es zeigen: 



   Fig. 1 ein erfindungsgemässes eindimensionales Kalibriernormal in  dreidimensionaler Ansicht. 



   In Fig. 1 ist ein erfindungsgemässes Kalibriernormal schematisch  dargestellt. Das Kalibriernormal besteht aus einem Zerodur-Stab 1  mit quadratischem Profil 3. In den Zerodur-Stab 1 sind in der Fig.  1 dargestellten Ausführungsform insgesamt drei konusförmige Bohrungen  5 eingelassen. Die Bohrungen sind so ausgelegt, dass eine Kugel oder  ein    kugelförmiger Reflektor mit 38,1 mm Durchmesser exakt und  reproduziert platziert werden kann. 



   Die Kugel oder der kugelförmige Reflektor 7 für optische Koordinaten-Messgeräte,  insbesondere Laser-Tacker, besteht vorteilhafterweise aus rostfreiem  Edelstahl und hat eine Durchmesser- und Rundheitsgenauigkeit von  besser als 0,001 mm. Um die Messgenauigkeit zu erhöhen, ist es besonders  vorteilhaft, wenn die Kugeln 7 zur Kalibrierung antastender Koordinaten-Massgeräte  aus Invar hergestellt sind, da dieses Material sich durch einen sehr  geringen Temperaturausdehnungskoeffizienten auszeichnet. Um auch  bei grosser Schieflage des Kalibriernormals 1 die Kugeln bzw. kugelförmigen  Reflektoren 7 in den Konusbohrungen 5 zu halten, sind unterhalb jeder  Konusbohrung 5 Magnete 9 vorgesehen. Die Magnete sind mit einer speziellen  Klemmtechnik befestigt und können bei Bedarf auch wieder demontiert  werden. 



   In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die  vorliegend nicht dargestellt ist, hat das Kalibriernormal 1 eine  Länge von 110 mm und eine Breite von 60 mm, wobei in ein derartiges  Kalibriernormal insgesamt sechs konusförmige Bohrungen anstelle der  in Fig. 1 dargestellten drei Bohrungen eingelassen sind. Auch diese  Bohrungen sind so ausgelegt, dass eine Kugel oder ein kugelförmiger  Reflektor in den Bohrungen exakt und reproduzierbar platziert werden  kann. 



   Um das Kalibriernormal zur Kalibrierung bzw. Eichung von Koordinaten-Messgeräten  einsetzen zu können, müssen zunächst die Abstände zwischen den Bohrungen  genau bestimmt und zertifiziert werden. Dies geschieht beispielsweise  durch den Einsatz der Kugeln 7 für antastende Koordinaten-Messgeräte  in die einzelnen Bohrungen und deren Abtasten. Aufgrund dieser Messungen  wird dann das Kalibriernormal beispielsweise durch die PTB, Braunschweig,  zertifiziert Um nun eine Genauigkeitsüberprüfung eines    optischen  Koordinaten-Messsystemes, beispielsweise eines Laser-Trackers, vornehmen  zu können, wird das Kalibriernormal in einer definierten Entfernung  und Lage zum optischen Koordinaten-Messgerät, beispielsweise dem  Laser-Tracker, aufgebaut.

   Der kugelförmige Reflektor wird zunächst  in die erste der beispielsweise sechs Messpositionen, die durch die  Konusbohrungen repräsentiert werden, gesetzt und mit Hilfe des optischen  Koordinaten-Messsystems die Position vermessen. Genauso wird mit  den weiteren Messpositionen bzw. Bohrungen verfahren. Am Ende dieses  Messzyklus werden die Abstände der Messpositionen ermittelt und mit  den zertifizierten Werten verglichen. Auf diese Art und Weise lässt  sich die Genauigkeit des jeweiligen Koordinaten-Messgerätes, insbesondere  des Laser-Trackers, überprüfen. 



   Durch die Verwendung von Zerodur als Material für das stabförmige  Element 1 und die Festlegung der Messpositionen für die Reflektoren  durch Einbringen von Bohrungen in das Vollmaterial Zerodur wird eine  hohe Temperaturstabilität erreicht, insbesondere werden Messfehler  durch Längenänderungen aufgrund des sehr geringen Ausdehnungskoeffizienten  von Zerodur (Markenname der Firma Schott Glas) vermieden. Dadurch,  dass der kugelförmige Reflektor oder die Kugel 7 direkt mit dem Zerodur  in Kontakt steht, wird der Einfluss anderer Materialien vermieden.

    Das erfindungsgemässe Kalibriernormal zeichnet sich des Weiteren  durch eine sehr einfache Handhabung aus, indem beim vorliegenden  Kalibriernormal der Reflektor in die jeweiligen Konusbohrungen gesetzt  wird, sodann die Position des Reflektors mit hoher Reproduzierbarkeit  bestimmt wird und anschliessend der kugelförmige Reflektor aus der  Konusbohrung entnommen wird. 



   Selbstverständlich wäre es möglich, ohne von der Erfindung abzuweichen,  das Kalibriernormal mit anderen geometrischen Abmessungen oder einer  anderen Anzahl von Konusbohrungen auszuführen. Des Weiteren sind  die    Konusbohrungen selbstverständlich immer auf die jeweiligen  Reflektortypen abzustellen, beispielsweise wenn diese keine runde  Form aufweisen.

Claims (10)

1. Eindimensionales Kalibriernormal für Koordinaten-Messgeräte, insbesondere optische Koordinaten-Messgeräte, sogenannte Laser-Tracker, mit a. einem stabförmigen Kalibriermittel (1), dadurch gekennzeichnet, dass b. das stabförmige Kalibriermittel (1) aus einem einzigen Material besteht, das eine Wärmeausdehnung <5 x 10<-6>K<-1> umfasst und, c. dass das stabförmige Kalibriermittel (1) mindestens zwei Bohrungen (5) in einem vorbestimmten kalibrierten Abstand umfasst, in die die Reflektionsmittel des optischen Messgerätes oder die Kugeln zur Kalibrierung antastender Koordinaten-Messsysteme exakt und reproduzierbar eingebracht und wieder herausgenommen werden können, um das Koordinaten-Messgerät zu kalibieren.

2. Eindimensionales Kalibriernormal gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material eine Wärmeausdehnung <2 x 10<-6>K<-1> umfasst.

3. Eindimensionales Kalibriernormal gemäss Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material eine Wärmeausdehnung <0,1 x 10<-6>K<-1> umfasst.

4. Eindimensionales Kalibriernormal gemäss einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Material eine Glaskeramik ist.

5. Eindimensionales Kalibriernormal gemäss einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen Konusbohrungen (5) sind.

6. Eindimensionales Kalibriernormal gemäss einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb der einzelnen Bohrungen Magneteinrichtungen (9) angeordnet sind.

7. Eindimensionales Kalibriernormal gemäss einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektionsmittel für die optischen Koordinaten-Messgeräte kugelförmige Gestalt aufweisen.

8.

Verfahren zur Kalibrierung eines optischen Koordinaten-Messgerätes, insbesondere Laser-Tracker, mit einem eindimensionalen Kalibriernormal gemäss einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend nachfolgende Schritte: a. die Reflektionsmittel werden in einer ersten Bohrung des Kalibriernormals abgelegt, eine erste Position mit Hilfe des optischen Koordinaten-Messgerätes bestimmt und sodann aus der ersten Bohrung entfernt; b. die Reflektionsmittel werden in einer zweiten Bohrung des Kalibriernormals abgelegt, eine zweite Position mit Hilfe des optischen Koordinaten-Messgerätes bestimmt und aus der Bohrung entfernt; c. aus der ersten bestimmten Position und der zweiten bestimmten Position wird der Abstand der Bohrungen ermittelt, mit dem zertifizierten Abstand verglichen und das optische Koordinaten-Messgerät aufgrund dieses Vergleiches kalibriert.

9.

Verfahren zur Kalibrierung eines antastenden Koordinaten-Messgerätes mit einem eindimensionalen Kalibriernormal gemäss einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend nachfolgende Schritte: a. die Kugeln (7) werden in die Bohrungen (5) gelegt; b. das Koordinaten-Messgerät tastet eine erste Kugel an, sodann wird eine erste Position bestimmt; c. das Koordinaten-Messgerät tastet eine zweite Kugel an, sodann wird eine zweite Position bestimmt; d. aus erster und zweiter Position wird der Abstand der Bohrungen ermittelt, mit dem zertifizierten Abstand verglichen und das abtastende Koordinaten-Messgerät aufgrund dieses Vergleiches kalibriert.

10. Verwendung eines eindimensionalen Kalibriernormals gemäss einem der Ansprüche 1 bis 7 als Kalibriernormal für optische Koordinaten-Messgeräte, insbesondere Laser-Tracker.