DE10126753B4 - Method for increasing the accuracy of coordinate measuring machines and machine tools - Google Patents

Method for increasing the accuracy of coordinate measuring machines and machine tools Download PDF

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DE10126753B4 DE2001126753 DE10126753A DE10126753B4 DE 10126753 B4 DE10126753 B4 DE 10126753B4 DE 2001126753 DE2001126753 DE 2001126753 DE 10126753 A DE10126753 A DE 10126753A DE 10126753 B4 DE10126753 B4 DE 10126753B4
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Abstract

Verfahren zur Steigerung der Genauigkeit von Koordinatenmessgeräten und Werkzeugmaschinen bei dem,
a) ergänzend zu den Messsystemen der Verfahrachsenmindestens ein zusätzliches Messsystem in das Koordinatenmessgerät oder die Werkzeugmaschine integriert wird,
b)aus diesem zusätzlichen Messsystem mindestens eine zusätzliche geometrische Information über die Ist-Position oder den Ist-Verfahrweg eines Koordinatenmessgeräts oder einer Werkzeugmaschine gewonnen wird,
c) eine oder mehrere zusätzliche geometrische Informationen zusammen mit den Maßstabssignalen und/oder Tastersignalen des Koordinatenmessgeräts oder der Werkzeugmaschine ausgewertet und in einem überbestimmten Gleichungssystem formuliert werden,
d) die zusätzlichen geometrischen Informationen entsprechend der angenommenen oder errechneten Unsicherheit dieser Informationen in der mathematischen Lösung des Gleichungssystems gewichtet werden,
e) bei der Lösung des überbestimmten Gleichungssystems die Residuen aller Gleichungen mathematisch minimiert werden.
Method for increasing the accuracy of coordinate measuring machines and machine tools in the,
a) at least one additional measuring system is integrated into the coordinate measuring machine or the machine tool in addition to the measuring systems of the track axes,
b) at least one additional geometric information about the actual position or the actual travel distance of a coordinate measuring machine or a machine tool is obtained from this additional measuring system,
c) evaluating one or more additional geometric information together with the scale signals and / or probe signals of the coordinate measuring machine or the machine tool and formulating them in an overdetermined system of equations,
d) the additional geometric information is weighted according to the assumed or calculated uncertainty of this information in the mathematical solution of the equation system,
e) in solving the overdetermined system of equations, the residuals of all equations are mathematically minimized.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steigerung der Messgenauigkeit von Koordinatenmessgeräten und der Fertigungsgenauigkeit von Werkzeugmaschinen.The The invention relates to a method for increasing the measurement accuracy of coordinate measuring machines and the manufacturing accuracy of machine tools.

Koordinatenmessgeräte und Werkzeugmaschinen sind in der Industrie in großer Anzahl im Einsatz. Sie bestehen meist aus drei Verschiebeachsen, die so aufeinander aufgebaut sind, dass sie ein kartesisches Koordinatensystem aufspannen. Sie können aber auch eine Kinematik haben, die auf Drehachsen aufbaut: In der Automobilindustrie werden z. B. auch Industrieroboter als Werkzeugmaschinen für die Bearbeitung bzw. Messgeräte für die Messung von Bauteilen verwendet. Die Position der einzelnen Achsen wird im Allgemeinen durch jeweils ein Messsystem bestimmt. Diese Messsysteme können Maßstäbe mit Leseköpfen oder Winkelencoder sein, in Sonderfällen werden auch interferometrische Längenmesssysteme eingesetzt. Die Genauigkeit dieser Messsysteme bestimmt die Grundgenauigkeit der Koordinatenmessgeräte bzw. der Werkzeugmaschinen. Weitere Fehlereinflüsse kommen jedoch hinzu, da Koordinatenmessgeräte und Werkzeugmaschinen zwangsläufig das so genannte Abbe'sche Prinzip verletzen, wonach das zu messende bzw. zu fertigende Objekt in einer Achse mit dem Messsystem liegen soll. Dadurch führen Geometriefehler der Verfahrschlitten, insbesondere Verkippungen, zu weiteren Mess- bzw. Fertigungsabweichungen. Diese Einflüsse werden naturgemäß umso größer, je größer der Versatz zwischen Messsystem und Messobjekt ist.Coordinate measuring machines and machine tools are in big in the industry Number in use. They usually consist of three displacement axes, which are built on each other so that they are a Cartesian coordinate system span. You can but also have a kinematics that builds on rotary axes: In the Automotive industry are z. B. also industrial robots as machine tools for the Machining or measuring devices for the Measurement of components used. The position of the individual axes is generally determined by a measuring system. These Measuring systems can Standards with reading heads or Angular encoder, in special cases are also interferometric length measuring systems used. The accuracy of these measuring systems determines the basic accuracy the coordinate measuring machines or the machine tools. Further error influences come however, since coordinate Measuring Machines and machine tools inevitably the so-called Abbe'sche Violate principle, according to which the object to be measured or to be manufactured should lie in one axis with the measuring system. This causes geometry errors the carriage, in particular tilting, to other measuring or production deviations. Naturally, these influences are ever greater bigger the Offset between measuring system and measuring object is.

Obwohl Koordinatenmessgeräte heute bereits eine beachtliche Genauigkeit besitzen können, gibt es Anwendungen, bei denen diese nicht ausreicht. Dies ist z. B. der Fall bei der Kalibrierung von Bezugsnormalen wie Stufenendmaßen oder Formnormalen [1]. Hier wird nach dem Stand der Technik meist ein Lasermesssystem nahe am Messobjekt so angeordnet, dass es parallel zu einer Verfahrachse des Koordinatenmessgeräts eingesetzt wird. Dabei werden nur die Messwerte des Lasermesssystems ausgewertet, nicht aber die der eingebauten Messsysteme. Das Koordinatenmessgerät fungiert also nur als Verschiebeinstrument, nicht mehr als Messgerät. Das Lasermesssystem ist also alleiniges und nicht zusätzliches Messsystem, eine Integration des Lasermesssystems findet nicht statt. Diese Anordnung erfordert einen hohen apparativen Aufwand sowie langwierige Justierungen des Lasermesssystems und des Messobjektes. Außerdem ist diese Lösung auf die Anwendung bei nur wenigen, eindimensionalen Messaufgaben beschränkt.Even though coordinate Measuring Machines already have a considerable accuracy today applications where this is not enough. This is z. B. the case when calibrating reference standards such as step dimensions or Form normals [1]. Here is the state of the art usually a Laser measuring system arranged close to the measuring object so that it is parallel is used to a travel axis of the coordinate measuring machine. It will be only the measured values of the laser measuring system were evaluated, but not the the built-in measuring systems. The coordinate measuring machine functions So only as a displacement instrument, not more as a measuring device. The laser measuring system is therefore the sole and not additional measuring system, an integration The laser measuring system does not take place. This arrangement requires a high expenditure on equipment and lengthy adjustments of the Laser measuring system and the measurement object. Besides, this solution is up the application is limited to only a few, one-dimensional measurement tasks.

In der DE 19752290 A1 sind Verfahren beschrieben, mit deren Hilfe Sensoren für Position und Winkel für die Positions- und Lagebestimmung unabhängig von den Verfahrachsen eingesetzt werden können. Dabei werden die Kombinationen der verschiedenen Sensorklassen beschrieben, die durch parallelen Einsatz eine von den Verfahrachsen unabhängige Bestimmung von Position bzw. Rotation ermöglichen. Der erfindungsgemäße Ansatz, die vorhandene Information aus den Messsystemen in den Verfahrachsen zum Zwecke der Genauigkeitssteigerung mit Informationen aus zusätzlichen Messmitteln mathematisch zu optimieren, wird in DE 19752290 A1 nicht beschrieben. Vielmehr werden die Sensorkombinationen explizit herausgearbeitet, die zu einer Positions- bzw. Winkelbestimmung notwendig sind, die unabhängig von den Messsystemen in den Maschinenachsen ist. Die Messwerte der Werkzeugmaschine bleiben nur für solche Punkt-zu-Punkt-Beziehungen erhalten, die mit Hilfe der zusätzlichen Messsysteme nicht gemessen werden können.In the DE 19752290 A1 Methods are described by means of which position and angle sensors can be used for position and position determination independently of the travel axes. The combinations of the different sensor classes are described, which allow parallel use of an independent of the movement axes determination of position or rotation. The inventive approach to mathematically optimize existing information from the measuring systems in the axes for the purpose of accuracy increase with information from additional measuring means, is in DE 19752290 A1 not described. Rather, the sensor combinations are explicitly worked out, which are necessary for a position or angle determination, which is independent of the measuring systems in the machine axes. The measured values of the machine tool are retained only for those point-to-point relationships that can not be measured with the aid of the additional measuring systems.

In der DE 3941144 A1 wird ein Koordinatenmessgerät dargestellt, bei dem mit mehreren schwenkbaren Videokameras die Geometrie eines Bauteils erfasst werden kann, ohne dass eine Kamera durch das Messvolumen bewegt wird.In the DE 3941144 A1 a coordinate measuring machine is shown, in which the geometry of a component can be detected with a plurality of pivoting video cameras, without a camera is moved through the measuring volume.

Räumliche Positionen werden aus der paarweisen photogrammetrischen Auswertung der Messwerte von zwei Videokameras ermittelt. Es wird nicht ausgeführt, wie eine dritte oder vierte Videokamera als zusätzliches Messmittel zur Verringerung der Unsicherheit der Positionsbestimmung genutzt werden kann. Die dritte und vierte Kamera dienen der vollständigen Erfassung der Bauteilgeometrie, da bei einem Messsystem mit nur zwei Kameras aufgrund von Verdeckungen im Allgemeinen nicht alle Punkte auf dem Bauteil gemessen werden können.spatial Positions become from the pairwise photogrammetric evaluation measured values from two video cameras. It will not run, like a third or fourth video camera as an additional measuring means for reduction the uncertainty of the position determination can be used. The third and fourth camera are used to fully capture the component geometry, there with a measuring system with only two cameras due to occlusions In general, not all points on the component are measured can.

Seit den frühen 80er Jahren wird in vielen Forschungsinstituten an der Entwicklung von Koordinatenmesssystemen für den Einsatz bei beliebigen Messaufgaben gearbeitet, bei der die messtechnische Information wiederum nur aus separaten Messsystemen entnommen wird. Diese Messsysteme arbeiten nach dem Prinzip der Multilateration [2 JP 07239209 A ]. Bei dieser Lösung kommen mindestens drei (meistens vier) laserinterferometrische Messsysteme zum Einsatz. Diese werden alle automatisch einem Reflektor nachgeführt, der von dem „Koordinatenmessgerät" um das Messobjekt bewegt wird. Die Positionen des Reflektors – und damit die Koordinaten des Messobjektes – werden also ausschließlich durch die Signale der Interferometer bestimmt, das Koordinatenmessgerät fungiert also wieder nur als Verschiebeinstrument. Bei der Realisierung dieser Lösung treten jedoch große konstruktive Schwierigkeiten auf. Insbesondere der Reflektor, der im Idealfall die Reflektion aller Messsysteme aus einem Punkt unabhängig von der Richtung der Messstrahlen gewährleisten soll, kann derzeit noch nicht zufriedenstellend technisch verwirklicht werden.Since the early 1980s, many research institutes have been working on the development of coordinate measuring systems for use in arbitrary measuring tasks, in which the metrological information is again taken from separate measuring systems. These measuring systems work according to the principle of multilateration [2 JP 07239209 A ]. At least three (usually four) laser interferometric measuring systems are used in this solution. These are all automatically tracked to a reflector that is moved around the measuring object by the "coordinate measuring machine." The positions of the reflector - and Thus, the coordinates of the measurement object - are thus determined exclusively by the signals of the interferometer, so the coordinate measuring machine acts again only as a displacement instrument. In the realization of this solution, however, great structural difficulties occur. In particular, the reflector, which should ideally ensure the reflection of all measuring systems from one point independently of the direction of the measuring beams, can not yet be realized satisfactorily technically.

Eine weitere Entwicklung, bei der schwenkbare Längenmesssysteme in Verbindung mit Koordinatenmessgeräten bzw. Werkzeugmaschinen eingesetzt werden, wird in einer deutschen Patentanmeldung [3] beschrieben. Dabei wird durch ein einzelnes Längenmesssystem ein Netz von Punkten erzeugt, das zur Bestimmung von Geometrieabweichungen bei Koordinatenmessgeräten bzw. Werkzeugmaschinen verwendet werden kann. Anders als bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Messsystem allerdings nicht online während der Messung bzw. Fertigung in Verbindung mit den Messsystemen des Koordinatenmessgeräts bzw. der Werkzeugmaschine eingesetzt. Es dient also nicht zur Genauigkeitssteigerung, sondern zur Ermittlung der Genauigkeit des untersuchten Koordinatenmessgeräts bzw. der untersuchten Werkzeugmaschine.A Further development in connection with the swiveling length measuring systems with coordinate measuring machines or machine tools used is in a German Patent application [3] described. It is characterized by a single Length measuring system creates a network of points that is used to determine geometry deviations for coordinate measuring machines or machine tools can be used. Unlike that inventive method However, the measuring system is not online during the measurement or production in conjunction with the measuring systems of the coordinate measuring machine or the machine tool used. So it does not increase the accuracy, but to determine the accuracy of the examined coordinate measuring machine or the examined machine tool.

Verfahren der Ausgleichungsrechnung werden seit langem in der Koordinatenmesstechnik zur Besteinpassung von gemessenen Punkten auf geometrische Standardformelemente wie Kreis, Kugel, Ebene, Zylinder usw. verwendet. Sie sind Bestandteil der Auswertesoftware vieler Hersteller von Koordinatenmessgeräten. In der DE 19600002 A1 wird ein spezielles Verfahren ausgeführt. Dieses integrale Verfahren für die Online-Geometrieprüfung von Werkstücken aus mehreren Formelementen dient lediglich dazu, eine zuverlässigere Aussage darüber zu erhalten, ob alle gemessenen Punkte einer Werkstückgeometrie mit einer vorgegebenen Sollgeometrie unter Berücksichtigung von Toleranzzonen übereinstimmen.Methods of balance calculation have long been used in coordinate metrology to best fit measured points to standard geometric shape elements such as circle, sphere, plane, cylinder, and so on. They are part of the evaluation software of many coordinate measuring machine manufacturers. In the DE 19600002 A1 a special procedure is carried out. This integral method for on-line geometry testing of multi-form workpieces is merely to provide a more reliable indication as to whether all measured points of a workpiece geometry match a given target geometry, taking tolerance zones into account.

Entwicklung eines allgemeinen Verfahrens zur aufgabenspezifischen Steigerung der Messgenauigkeit von Koordinatenmessgeräten und der Fertigungsgenauigkeit von Werkzeugmaschinen, das ohne langwierige Justierung eines zusätzlichen Messsystems und Ausrichtung des Messobjektes auskommt.development a general procedure for task-specific increase the measuring accuracy of coordinate measuring machines and the manufacturing accuracy of machine tools, without tedious adjustment of an additional Measuring system and alignment of the measurement object gets along.

Lösungsolution

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,

  • a) dass ergänzend zu den Messsystemen der Verfahrachsen mindestens ein zusätzliches Messsystem (4) in das Koordinatenmessgerät oder die Werkzeugmaschine integriert wird,
  • b) dass aus diesem zusätzlichen Messsystem (4) mindestens eine zusätzliche geometrische Information über die Ist-Position oder den Ist-Verfahrweg eines Koordinatenmessgeräts oder einer Werkzeugmaschine (1) gewonnen wird;
  • c) dass eine oder mehrere zusätzliche geometrische Informationen zusammen mit den Maßstabssignalen und/oder Tastersignalen des Koordinatenmessgeräts oder der Werkzeugmaschine (1) ausgewertet und in einem überbestimmten Gleichungssystem formuliert werden,
  • d) dass die zusätzlichen geometrischen Informationen entsprechend der angenommenen oder errechneten Unsicherheit dieser Informationen in der mathematischen Lösung des Gleichungssystems gewichtet werden,
  • e) dass bei der Lösung des überbestimmten Gleichungssystems die Residuen aller Gleichungen mathematisch minimiert werden.
The object is achieved according to the invention
  • a) that, in addition to the measuring systems of the track axes, at least one additional measuring system ( 4 ) is integrated into the coordinate measuring machine or the machine tool,
  • b) that from this additional measuring system ( 4 ) at least one additional geometric information about the actual position or the actual travel of a coordinate measuring machine or a machine tool ( 1 ) is won;
  • c) that one or more additional geometric information is evaluated together with the scale signals and / or probe signals of the coordinate measuring machine or the machine tool (1) and formulated in an overdetermined system of equations,
  • d) that the additional geometric information is weighted according to the assumed or calculated uncertainty of this information in the mathematical solution of the equation system,
  • e) that in solving the overdetermined system of equations the residuals of all equations are mathematically minimized.

Offenbarungepiphany

Erfindungsgemäß wird ergänzend zu den vorhandenen Messsystemen der Verfahrachsen mindestens ein zusätzliches Messsystem (4) in das Koordinatenmessgerät bzw. die Werkzeugmaschine (1) integriert. Als zusätzliche Messsysteme (4) kommen z. B. Längenmesssysteme wie Laserinterferometer und auch Winkelmesssysteme wie inkrementelle Encoder in Frage.According to the invention, in addition to the existing measuring systems of the track axes, at least one additional measuring system ( 4 ) in the coordinate measuring machine or the machine tool ( 1 ) integrated. As additional measuring systems ( 4 ) come z. As length measuring systems such as laser interferometer and angle measuring systems such as incremental encoder in question.

Durch die Integration mindestens eines zusätzlichen Messsystems wird die Messgenauigkeit des Koordinatenmessgeräts bzw. der Werkzeugmaschine in einer oder in mehreren Achsen gesteigert. Die Steigerung der Messgenauigkeit wird erzielt, indem sowohl die Messwerte der vorhandenen Messsysteme als auch die Messwerte der weiteren Messsysteme gemeinsam zur Bearbeitung der Messaufgabe genutzt werden; Messwerte vorhandener Messsysteme werden somit nicht einfach durch Messwerte anderer Messsysteme ersetzt. Erfindungsgemäß ist es vielmehr so, dass alle Messwerte der vorhandenen Messsysteme genutzt werden, um die Messung durchzuführen.By the integration of at least one additional measuring system becomes the Measuring accuracy of the coordinate measuring machine or the machine tool increased in one or more axes. The increase of Measurement accuracy is achieved by both the readings of existing Measuring systems and the measured values of other measuring systems together be used to process the measurement task; Readings available Measuring systems are thus not easily measured by other measuring systems replaced. It is according to the invention rather, so that all measured values of the existing measuring systems are used to perform the measurement.

Die hardwaremäßige Integration der zusätzlichen Messsysteme (4) geschieht in der Weise, dass diese im Regelfall ortsfest zu dem Messobjekt bzw. zum Werkstück (5) auf der jeweiligen Maschine befestigt werden, so dass die Messsysteme die Relativbewegung zwischen dem Messobjekt bzw. dem Werkstück (5) und dem Tastkopf (2) am Koordinatenmessgerät bzw. dem Werkzeug an der Werkzeugmaschine erfassen können (Anmerkung: Die Befestigung der zusätzlichen Messsysteme muss so durchgeführt werden, dass sich zwischen zusätzlichem Messsystem und Tastkopf bzw. Werkzeug (2) mindestens ein Glied der kinematischen Kette befindet). Vorzugsweise wird das mindestens eine zusätzliche Messsystem elektronisch sowie informationstechnisch in die Steuerung und EDV des Koordinatenmessgeräts bzw. der Werkzeugmaschine eingebunden.The hardware integration of the additional measuring systems ( 4 ) takes place in such a way that these are usually stationary to the measurement object or workpiece ( 5 ) are mounted on the respective machine, so that the measuring systems, the relative movement between the measuring object or the workpiece ( 5 ) and the probe ( 2 ) on the coordinate measuring machine or the tool on the machine tool (Note: The attachment of the additional measuring systems must be carried out so that between additional measuring system and probe or tool ( 2 ) is at least one member of the kinematic chain). Preferably, the at least one additional measuring system is integrated electronically and in terms of information technology in the control and EDP of the coordinate measuring machine or the machine tool.

Die hardwaremäßige Integration des Messsystems bedarf keiner besonderen Ausrichtung. Sie ist somit ohne großen Aufwand durchführbar. Außerdem beschränkt nur die Baugröße des zusätzlichen Messsystems die Bewegungsfreiheit des Koordinatenmessgeräts bzw. der Werkzeugmaschine.The hardware integration of the measuring system requires no special orientation. It is thus without big ones Effort feasible. Furthermore limited only the size of the additional Measuring system, the freedom of movement of the coordinate measuring machine or the machine tool.

Zusammen mit der nachfolgend beschriebenen mathematischen Einbindung in die EDV eignet sich dieses Verfahren für die Genauigkeitssteigerung bei beliebigen Mess- bzw. Fertigungsaufgaben und ist somit nicht nur anwendbar für spezielle Aufgaben. Außerdem ist der bauliche Aufwand so gering, dass neben der Neuausrüstung von Geräten auch die Nachrüstung bestehender Einrichtungen wirtschaftlich und technisch sinnvoll ist.Together with the following mathematical integration into the Computerized this method is suitable for increasing the accuracy in any measurement or manufacturing tasks and is therefore not only applicable for special tasks. Furthermore the construction effort is so low that in addition to the re-equipment of devices also the retrofitting existing facilities economically and technically sensible is.

Durch die informationstechnische Integration des mindestens einen zusätzlichen Messsystems (4) wird bei dem Koordinatenmessgerät bzw. der Werkzeugmaschine (1) die Lage des Messtasters/Werkzeugs (2) p nicht nur durch die Messsysteme in den Achsen (3), sondern auch durch einen weiteren Messwert eines zusätzlichen Messsystems (4) abgeleitet. Ist dieses Messsystem z. B. ein Längenmesssystem, das die Entfernung e zwischen zwei Bezugspunkten misst, wovon ein Referenzpunkt r = (xr, yr, zr) ortsfest zum Messobjekt (5) und der andere ortsfest zum Messtaster/Werkzeug (2) p ist, ergibt sich bei einem absolut messenden Längenmesssystem als zusätzliche Bestimmungsgleichung |p – r| = e. Handelt es sich bei dem Messsystem um ein relativ messendes System, kann ein zusätzlicher, konstanter Offset Δe für alle gemessenen Längen berücksichtigt werden. Es ergibt sich dann |p – r| = e + Δe als zusätzliche Bestimmungsgleichung.Due to the information technology integration of the at least one additional measuring system ( 4 ) is in the coordinate measuring machine or the machine tool ( 1 ) the position of the probe / tool ( 2 ) p not only by the measuring systems in the axes ( 3 ), but also by another measured value of an additional measuring system ( 4 ) derived. Is this measuring system z. B. a length measuring system that measures the distance e between two reference points, of which a reference point r = (x r , y r , z r ) fixed to the measurement object ( 5 ) and the other stationary to the probe / tool ( 2 ) p, results in an absolutely measuring length measuring system as additional determination equation | p - r | = e. If the measuring system is a relatively measuring system, an additional, constant offset Δe can be taken into account for all measured lengths. This then yields | p - r | = e + Δe as additional equation of determination.

Voraussetzung für den bestimmungsgemäßen Einsatz des mindestens einen zusätzlichen Messsystems (4) ist es, dass dessen geometrische Lage im Koordinatensystem des Koordinatenmessgeräts bzw. der Werkzeugmaschine (1) hinreichend genau bekannt ist. Dies wird dadurch realisiert, dass die Position und Ausrichtung des zusätzlichen Messsystems (4) vor der Lösung der eigentlichen Messaufgabe/Fertigungsaufgabe bestimmt wird. Dazu gibt es zwei Möglichkeiten:

  • A) Die Position r wird durch Antastung von Referenzpositionen an dem zusätzlichen Messsystem (4) bestimmt. Die Antastung erfolgt durch das Koordinatenmessgerät bzw. die Werkzeugmaschine (1), wodurch sowohl zufällige als auch systematische Messfehler bzw. Positionsfehler des Koordinatenmessgeräts bzw. der Werkzeugmaschine (1) in die Bestimmung von r eingehen (Anmerkung: Bei der Werkzeugmaschine wird zur Bestimmung dieser Referenzposition das Werkzeug (2) gegen einen Messtaster ausgewechselt).
  • B) Die Position r wird aus den Messwerten des Koordinatenmessgeräts bzw. der Werkzeugmaschine (1) und aus den Messwerten des zusätzlichen Messsystems (4) durch mathematische Verfahren bestimmt. Der Einfluss zufälliger und systematischer Messfehler bzw. Positionierfehler des Koordinatenmessgeräts bzw. der Werkzeugmaschine (1) auf die Bestimmung von r lässt sich dadurch erheblich reduzieren.
Prerequisite for the intended use of the at least one additional measuring system ( 4 ) is that its geometric position in the coordinate system of the coordinate measuring machine or the machine tool ( 1 ) is known with sufficient accuracy. This is realized by the position and orientation of the additional measuring system ( 4 ) before the solution of the actual measurement task / production task is determined. There are two possibilities:
  • A) The position r is determined by probing reference positions on the additional measuring system ( 4 ) certainly. The probing is done by the coordinate measuring machine or the machine tool ( 1 ), whereby both random and systematic measurement errors or position errors of the coordinate measuring machine or of the machine tool ( 1 ) are included in the determination of r (Note: For the machine tool, to determine this reference position, the tool ( 2 ) replaced by a probe).
  • B) The position r is calculated from the measured values of the coordinate measuring machine or of the machine tool ( 1 ) and from the measured values of the additional measuring system ( 4 ) determined by mathematical methods. The influence of random and systematic measurement errors or positioning errors of the coordinate measuring machine or of the machine tool ( 1 ) to the determination of r can thereby be considerably reduced.

Im Fall A) kann die Position r des zusätzlichen Messsystems (4) dadurch bestimmt werden, dass Referenzelemente am Messsystem (z. B. Drehachsen oder Bezugspunkte) durch das Koordinatenmessgerät bzw. die Werkzeugmaschine (1) angetastet werden und dadurch die Lage der Referenzelemente im Koordinatensystem des Koordinatenmessgeräts bzw. der Werkzeugmaschine (1) ermittelt wird. Ist die Lage der Referenzelemente bezogen auf r bekannt, kann dadurch wiederum die Position r des zusätzlichen Messsystems (4) im Koordinatensystem des Koordinatenmessgeräts bzw. der Werkzeugmaschine (1) nach klassischen Verfahren der Koordinatenmesstechnik ermittelt werden.In case A), the position r of the additional measuring system ( 4 ) can be determined by reference elements on the measuring system (eg rotary axes or reference points) by the coordinate measuring machine or the machine tool ( 1 ) and thereby the position of the reference elements in the coordinate system of the coordinate measuring machine or the machine tool ( 1 ) is determined. If the position of the reference elements with respect to r is known, this in turn can change the position r of the additional measuring system ( 4 ) in the coordinate system of the coordinate measuring machine or the machine tool ( 1 ) are determined by conventional methods of coordinate metrology.

Im Fall B) ist die Position r des zusätzlichen Messsystems (4) durch das Koordinatenmessgerät bzw. die Werkzeugmaschine (1) alleine nicht hinreichend genau bestimmbar, weder über Referenzelemente noch durch direkte Antastung. Statt dessen werden mittels des Koordinatenmessgeräts bzw. der Werkzeugmaschine (1) eine Reihe von räumlich verteilten Positionen pi angefahren und mit dem zusätzlichen Messsystem (4) die dazugehörigen Messwerte registriert. Ist das zusätzliche Messsystem (4) ein absolut messendes System, sind mindestens 3 Positionen pi anzufahren. Ist das zusätzliche Messsystem (4) ein relativ messendes System, sind mindestens 4 Positionen pi anzufahren. Aus den Messwerten des Koordinatenmessgeräts bzw. der Werkzeugmaschine (4), d. h. den in den Positionen pi gemessenen Koordinaten

Figure 00090001
und
Figure 00090002
, sowie den dazugehörigen Messwerten des zusätzlichen Messsystems kann dann die Position r des Messsystems durch Verfahren der analytischen Geometrie bestimmt werden (s. unten). Bei relativ messenden Systemen kann zusätzlich auch ein konstanter Offset Δe der Messwerte des zusätzlichen Messsystems (4) ermittelt werden. Um den Einfluss zufälliger und systematischer Fehler des Koordinatenmessgeräts bzw. der Werkzeugmaschine (1) bei der Ermittlung von r und Δe zu reduzieren, werden im Allgemeinen mehr als die notwendige Minimalanzahl von Positionen angefahren.In case B) the position r of the additional measuring system ( 4 ) by the coordinate measuring machine or the machine tool ( 1 ) alone can not be determined with sufficient accuracy, neither by reference elements nor by direct probing. Instead, by means of the coordinate measuring machine or the machine tool ( 1 ) a number of spatially distributed positions p i approached and with the additional measuring system ( 4 ) registers the corresponding measured values. Is the additional measuring system ( 4 ) an absolutely measuring system, at least 3 positions p i are to be approached. Is the additional measuring system ( 4 ) a relatively measuring system, at least 4 positions p i are to be approached. From the measured values of the coordinate measuring machine or of the machine tool ( 4 ), ie the coordinates measured in the positions p i
Figure 00090001
and
Figure 00090002
, as well as that The measured values of the additional measuring system can then be used to determine the position r of the measuring system by analytical geometry (see below). In the case of relatively measuring systems, a constant offset Δe of the measured values of the additional measuring system ( 4 ) be determined. In order to avoid the influence of random and systematic errors of the coordinate measuring machine or of the machine tool ( 1 ) in determining r and Δe, more than the necessary minimum number of positions are generally approached.

Mathematische Ermittlung der Lage des zusätzlichen Messsystems (e) für den Fall B):Mathematical determination the location of the extra Measuring system (s) for Case B):

a) Relativ messendes Messsystema) Relatively measuring measuring system

Zur Bestimmung der Lage r des zusätzlichen, relativ messenden Messsystems (4) wird von der allgemeinen geometrischen Modellgleichung 1 ausgegangen: ei + Δe + wi = f(pi, r) Gleichung 1 To determine the position r of the additional, relatively measuring measuring system ( 4 ) is based on the general geometric model equation 1: e i + Δe + w i = f (p i , r) Equation 1

Für den speziellen Fall, dass das zusätzliche Messsystem (4) ein relativ messendes Längenmesssystem ist, kann in Gleichung 1 die Funktion f(pi, r) direkt angegeben werden. Die allgemeine Modellgleichung 1 geht für diesen speziellen Fall dann in Gleichung 2 über:

Figure 00100001
For the special case that the additional measuring system ( 4 ) is a relatively measuring length measuring system, in equation 1 the function f (p i , r) can be specified directly. The general model equation 1 then goes into Equation 2 for this particular case:
Figure 00100001

In dieser Modellgleichung sind die

Figure 00100002
und
Figure 00100003
Messwerte des Koordinatenmessgeräts bzw. der Werkzeugmaschine für die angefahrenen Positionen pi, die ei relative Abstandsmessungen mit einem a priori unbekannten Offset Δe und r = (xr, yr, zr) die zu bestimmende Position des zusätzlichen Messsystems (4). Aufgrund von unvermeidlichen, kleinen Messabweichung in ei,
Figure 00100004
und
Figure 00100005
und weil für r zunächst nur grobe Näherungswerte vorliegen, gibt es zwischen der linken und rechten Seite der Gleichung 1 bzw. Gleichung 2 Widersprüche wi. Die Quadratsumme dieser Widersprüche lässt sich nach Gauß durch Variation der Parameter (xr, yr, zr) und Δe minimieren. Einen entsprechenden numerischen Algorithmus beschreiben Nelder und Mead in [4]. Damit können dann die Position des zusätzlichen Messsystems r = (xr, yr, zr) sowie der Offset Δe bestimmt werden.In this model equation are the
Figure 00100002
and
Figure 00100003
Measured values of the coordinate measuring machine or of the machine tool for the approached positions p i , the e i relative distance measurements with an a priori unknown offset Δe and r = (x r , y r , z r ) the position of the additional measuring system ( 4 ). Due to unavoidable, small measurement deviation in e i ,
Figure 00100004
and
Figure 00100005
and because there are only approximate values for r, there are contradictions w i between the left and right side of Equation 1 and Equation 2, respectively. The sum of squares of these contradictions can be minimized according to Gauss by varying the parameters (x r , y r , z r ) and Δe. A corresponding numerical algorithm is described by Nelder and Mead in [4]. Thus, it is the position of the additional measurement system r = (x r, y r, z r), and the offset can be determined .DELTA.e.

b) Absolut messendes Messsystemb) Absolutely measuring system

Wird ein absolut messendes Messsystem als zusätzliches Messsystem (e) eingesetzt, wird in Gleichung 1 bzw. Gleichung 2 Δe = 0. Bei der Minimierung der Quadratsumme der Widersprüche wi wird somit nur der Parameter r = (xr, yr, zr) variiert und man erhält daraus dann die Position r des zusätzlichen Messsystems (4).If an absolutely measuring measuring system is used as an additional measuring system (e), then Δe = 0 in Equation 1 or Equation 2. In minimizing the sum of squares of the contradictions w i , only the parameter r = (x r , y r , z r ) and one then obtains the position r of the additional measuring system ( 4 ).

Mathematische Ermittlung der verbesserten Messpunkte:Mathematical determination the improved measuring points:

Ziel der mathematischen Auswertung der Messdaten ist es, für die mit dem Koordinatenmessgerät bzw. der Werkzeugmaschine (1) ermittelten Koordinaten

Figure 00110001
und
Figure 00110002
der Positionen pi eine Verbesserung (im Sinne einer Genauigkeitssteigerung) zu ermitteln, indem die Messwerte des zusätzlichen Messsystems (4) in geeigneter Weise mit den Messwerten der vorhandenen Messsysteme verknüpft werden. Auf der Grundlage der Modellgleichung 2 erhält man dann die optimierten Messpunkte pi' mit den Koordinaten
Figure 00110003
und
Figure 00110004
(siehe Gleichung 4).The aim of the mathematical evaluation of the measured data is to use for the coordinate measuring machine or the machine tool ( 1 ) determined coordinates
Figure 00110001
and
Figure 00110002
the positions p i to determine an improvement (in the sense of an increase in accuracy) by the measured values of the additional measuring system ( 4 ) are suitably linked to the measured values of the existing measuring systems. Based on the model equation 2 one then obtains the optimized measuring points p i 'with the coordinates
Figure 00110003
and
Figure 00110004
(see Equation 4).

Wurden optimale Werte für die Position r = (xr, yr, zr) bzw. für Δe gefunden, können anschließend die Koordinaten für die Lage p des Messtasters/Werkzeugs (2) mit Hilfe des zusätzlichen Messsystems (4) korrigiert werden.If optimal values have been found for the position r = (x r , y r , z r ) or for Δe, then the coordinates for the position p of the probe / tool ( 2 ) with the help of the additional measuring system ( 4 ) Getting corrected.

Zur Berechnung korrigierter Positionen wird von den allgemeinen geometrischen Modellgleichungen 3a und 3b ausgegangen: ei + vej = f(pi, r) – Δe Gleichung 3a

Figure 00110005
For the calculation of corrected positions, the general geometric model equations 3a and 3b are assumed: e i + v ej = f (p i , r) - Δe equation 3a
Figure 00110005

Die Funktion f(pi, r) wird von der Art des eingesetzten zusätzlichen Messsystems (4) bestimmt. Ist dieses Messsystems z. B. ein Längenmesssystem, ist

Figure 00120001
The function f (p i , r) depends on the type of additional measuring system ( 4 ) certainly. Is this measuring system z. B. a length measuring system is
Figure 00120001

Eingesetzt in Gleichung 3a ergibt sich daraus die Gleichung 4a. Für den speziellen Fall eines relativ messenden Längenmesssystems gehen somit die Gleichungen 3a und 3b in die speziellen Modellgleichungen 4a und 4b über:

Figure 00120002
Substituted in equation 3a, this results in equation 4a. For the special case of a relatively measuring length measuring system, equations 3a and 3b thus go into the special model equations 4a and 4b:
Figure 00120002

In diesen Modellgleichungen sind die Koordinaten

Figure 00120003
und
Figure 00120004
die Werte des Koordinatenmessgeräts bzw. der Werkzeugmaschine (1) für die angefahrenen Positionen pi, die ei-Messwerte des zusätzlichen Messsystems (4) nach pi, die bei relativ messenden Systemen gegebenenfalls mit dem bekannten Offset Δe korrigiert werden, und r = (xr, yr, zr) die Position des zusätzlichen Messsystems (4). Messabweichungen des zusätzlichen Messsystems (4) sind mit
Figure 00120005
Abweichungen des Messtasters/Werkzeugs (2) von der korrigierten Position p'i mit den Koordinaten
Figure 00120006
und
Figure 00120007
mit
Figure 00120008
für jede der drei Koordinaten bezeichnet.In these model equations are the coordinates
Figure 00120003
and
Figure 00120004
the values of the coordinate measuring machine or of the machine tool ( 1 ) for the approached positions p i , the e i values of the additional measuring system ( 4 ) to p i , which are corrected in relatively measuring systems optionally with the known offset Δe, and r = (x r , y r , z r ) the position of the additional measuring system ( 4 ). Measuring deviations of the additional measuring system ( 4 ) are with
Figure 00120005
Deviations of the measuring probe / tool ( 2 ) from the corrected position p ' i with the coordinates
Figure 00120006
and
Figure 00120007
With
Figure 00120008
for each of the three coordinates.

Korrigierte Positionen p'i können berechnet werden, indem die Abweichungen vi unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Genauigkeit von Koordinatenmessgerät bzw. Werkzeugmaschine (1) und zusätzlichem Messsystem (4) minimiert werden. Den Modellgleichungen 3a und 3b bzw. 4a und 4b werden dazu entsprechend der Genauigkeit der Geräte Unsicherheiten beigeordnet; für die Koordinaten des Koordinatenmessgeräts bzw. der Werkzeugmaschine (1) die Unsicherheit uKGM und für die Messwerte des zusätzlichen Messsystems (4) die Unsicherheit uM. Um die Koordinaten für p'i berechnen zu kön nen, wird schließlich nach Gauß die gewichtete Quadratsumme der Abweichungen

Figure 00130001
minimiert. Zur Lösung des Minimierungsproblems ist die Gleichung 3a bzw. Gleichung 4a zu linearisieren, wobei die verbesserten Koordinaten
Figure 00130002
näherungsweise gleich den gemessenen Koordinaten gesetzt werden können, da der Unterschied hinreichend klein ist. In linearisierter Form kann dann die Gleichung 2 wie folgt in Matrizenschreibweise angegeben werden
Figure 00130003
wobei E die Einheitsmatrix und a = (a1, a2, a3) ein Zeilenvektor ist, der die partielle Ableitung
Figure 00130004
nach den gesuchten Koordinaten
Figure 00130005
beinhaltet. Unter Beachtung der Minimierungsfunktion ergibt sich dann die Lösung [5].
Figure 00130006
mit v'ej = f(pi, r) – Δe – e. Gleichung 6b Corrected positions p ' i can be calculated by calculating the deviations v i taking into account the different accuracy of coordinate measuring machine or machine tool ( 1 ) and additional measuring system ( 4 ) are minimized. The model equations 3a and 3b or 4a and 4b are assigned thereto according to the accuracy of the devices uncertainties; for the coordinates of the coordinate measuring machine or of the machine tool ( 1 ) the uncertainty u KGM and for the measured values of the additional measuring system ( 4 ) the uncertainty u M. In order to be able to calculate the coordinates for p ' i , finally, according to Gauss, the weighted sum of the squares of the deviations becomes
Figure 00130001
minimized. To solve the minimization problem, the equation 3a or equation 4a is to be linearized, wherein the improved coordinates
Figure 00130002
can be set approximately equal to the measured coordinates, since the difference is sufficiently small. In linearized form, equation 2 can then be given in matrix notation as follows
Figure 00130003
where E is the unit matrix and a = (a 1 , a 2 , a 3 ) is a row vector representing the partial derivative
Figure 00130004
according to the coordinates you are looking for
Figure 00130005
includes. Considering the minimization function then results in the solution [5].
Figure 00130006
With v ' ej = f (p i , r) - Δe - e. Equation 6b

Ist das zusätzliche Messsystem (4) z. B. ein Längenmesssystem, ist wie oben

Figure 00130007
und aus den allgemeinen Gleichungen 6a und 6b ergeben sich die speziellen Gleichungen 7:
Figure 00140001
mit
Figure 00140002
(Anmerkung: Im Fall des absolut messenden Messsystems gilt Δe = 0.)Is the additional measuring system ( 4 ) z. As a length measuring system is as above
Figure 00130007
and from the general equations 6a and 6b, the specific equations 7 result:
Figure 00140001
With
Figure 00140002
(Note: In the case of the absolute measuring system, Δe = 0.)

Die Gewichtsfaktoren gi sind abhängig von der Messunsicherheit des Koordinatenmessgeräts bzw. von der Bearbeitungsgenauigkeit der Werkzeugmaschine und der Messunsicherheit des zusätzlichen Messsystems (Gleichungen 6a und 6b bzw. 7a und 7b). Mit uKMG als Messunsicherheit des Koordinatenmessgeräts bzw. Bearbeitungsgenauigkeit der Werkzeugmaschine und mit uM als Messunsicherheit des zusätzlichen Messsystems folgt allgemein für gi

Figure 00140003
The weighting factors g i are dependent on the measurement uncertainty of the coordinate measuring machine or on the machining accuracy of the machine tool and the measurement uncertainty of the additional measuring system (equations 6a and 6b or 7a and 7b). With μ CMM as measurement uncertainty of the coordinate measuring machine or machining accuracy of the machine tool and with μ M as measurement uncertainty of the additional measuring system follows generally for g i
Figure 00140003

Ist z. B. die Messunsicherheit des zusätzlichen Messsystems (4) sehr viel kleiner als die Messunsicherheit des Koordinatenmessgeräts bzw. die Bearbeitungsgenauigkeit der Werkzeugmaschine, ist gi ≈ 1. Ist die Messunsicherheit des zusätzlichen Messsystems (4) gleich der Messunsicherheit des Koordinatenmessgeräts bzw. der Bearbeitungsgenauigkeit der Werkzeugmaschine ist gi = 0,5, d. h. die Widersprüche werden zu gleichen Teilen dem Koordinatenmessgerät bzw. der Werkzeugmaschine (1) und dem zusätzlichen Messsystem (4) zugeteilt.Is z. B. the measurement uncertainty of the additional measuring system ( 4 ) is much smaller than the measurement uncertainty of the coordinate measuring machine or the machining accuracy of the machine tool, g i ≈ 1. Is the measurement uncertainty of the additional measuring system ( 4 ) equal to the measurement uncertainty of the coordinate measuring machine or the machining accuracy of the machine tool is g i = 0.5, ie the contradictions are in equal parts the coordinate measuring machine or the machine tool ( 1 ) and the additional measuring system ( 4 ).

Nach dem beschriebenen Verfahren kann auch mehr als ein zusätzliches Messsystem (4) eingebunden werden. Die Zahl der Gleichungen erhöht sich dann entsprechend. Außerdem können mit dem beschriebenen Verfahren auch mehr als nur drei Verschiebeachsen und auch Drehachsen (Drehtische) behandelt werden.According to the method described, more than one additional measuring system ( 4 ). The number of equations then increases accordingly. In addition, more than just three displacement axes and also rotary axes (turntables) can be treated with the described method.

Eine weitere Variante ergibt sich bei Verwendung von messenden Tastköpfen. (Anmerkung: Messende Tastköpfe besitzen eigene Messsysteme, mit denen die Position des Antastelements relativ zu einem Referenzpunkt am Tastkopf gemessen wird. Im Gegensatz dazu geben schaltende Tastköpfe nur einen Triggerimpuls ab.) In diesem Fall nehmen die Messsysteme des Tastkopfes die Auslenkung des Antastelements t = (xt, yt, zt) auf. Für die Position des Antastelements ergibt sich dann p* = p + t. Wird ein Referenzelement des zusätzlichen Messsystems (4) ortsfest zum Antastelement angebracht, wird bei dieser Variante die zusätzliche Bestimmungsgleichung |p + t – r| = e bzw. |p + t – r| = e + Δe zur Ermittlung der verbesserten Messpunktkoordinaten genutzt. Dies besitzt den Vorteil, dass in diesem Fall die Messunsicherheit des Tastsystems nicht vollständig in das Messergebnis eingeht. Die verbesserten Messpunktkoordinaten lassen sich wie oben beschrieben berechnen, wenn formal p durch p* ersetzt wird.Another variant results when using measuring probes. (Note: Measuring probes have their own measuring systems that measure the position of the probe relative to a reference point on the probe, whereas switching probes emit only one trigger pulse.) In this case, the probing probes take the displacement of the probe t = (x t , y t , z t ). For the position of the probe then p * = p + t. If a reference element of the additional measuring system ( 4 ) fixed to the probe element, in this variant the additional equation of determination | p + t - r | = e or | p + t - r | = e + Δe used to determine the improved measuring point coordinates. This has the advantage that in this case the measurement uncertainty of the probe system is not fully reflected in the measurement result. The improved measurement point coordinates can be calculated as described above if formally p is replaced by p *.

Bevorzugte Ausführungsformpreferred embodiment

Bevorzugte Ausführungsform ist ein auf dem Maschinenbett des Koordinatenmessgeräts bzw. der Werkzeugmaschine (1) befestigtes schwenkbares Laserinterferometer mit einem mechanisch oder optisch definierten Drehpunkt. Dieses Interferometer folgt automatisch einem Tripelspiegel oder einem so genannten „Katzenauge", das in der Nähe des Tastsystems/Werkzeugs von Koordinatenmessgerät bzw. Werkzeugmaschine (1) angebracht ist. Das interferometrische Messsystem wird so in die Software des Koordinatenmessgeräts bzw. der Werkzeugmaschine (1) integriert, dass der Abstand vom interferometrischen Messsystem zum Tastsystem/Werkzeug (2) zusätzlich zu den Längenmesssystemen in den Achsen (3) ausgewertet wird. Während dies bei Werkzeugmaschinen mit Bahnsteuerung im Allgemeinen in Echtzeit erfolgen muss, kann bei einem Koordinatenmessgerät das zusätzliche Messsystem (4) durch einen Triggerimpuls zum Zeitpunkt der Antastung mit der Auslesung der anderen Messsysteme synchronisiert werden. Die Gewichtung der Messbedingungen (s. Gleichung 4) in dem überbestimmten Gleichungssystem kann bei einem solchen Systemaufbau deutlich zugunsten des interferometrischen Längenmesssystems durchgeführt werden, da dieses zum einen eine sehr geringe Messunsicherheit hat, zum anderen dessen Messlinie bei geeigneter Orientierung nur einen geringen Versatz zum Messobjekt hat. Damit kann das Abbeprinzip annähernd eingehalten werden.Preferred embodiment is a on the machine bed of the coordinate measuring machine or the machine tool ( 1 ) fixed pivoting laser interferometer with a mechanically or optically defined pivot point. This interferometer automatically follows a triple mirror or a so-called "cat's eye", which is located near the touch probe / tool of coordinate measuring machine or machine tool ( 1 ) is attached. The interferometric measuring system is thus incorporated into the software of the coordinate measuring machine or of the machine tool ( 1 ), that the distance from the interferometric measuring system to the touch probe / tool ( 2 ) in addition to the length measuring systems in the axles ( 3 ) is evaluated. While this generally has to be done in real-time in the case of machine tools with path control, in the case of a coordinate measuring machine the additional measuring system ( 4 ) are synchronized by a trigger pulse at the time of probing with the reading of the other measuring systems. The weighting of the measurement conditions (see Equation 4) in the overdetermined system of equations can be carried out clearly in favor of the interferometric length measuring system in such a system construction, since this has a very low measurement uncertainty, on the other hand the measuring line with a suitable orientation only a small offset to the measurement object Has. Thus, the Abbeprinzip can be approximately maintained.

Beispiele für Anwendungsgebiete einer solchen Messanordnung sind:

  • – Messung der Form von Flächen auf Koordinatenmessgeräten. Hierbei sollte das Längenmesssystem ungefähr senkrecht zu der gemessenen Fläche orientiert sein. Anwendungen sind die Formmessung von Lehrringen auf Drehtischen oder die Profil- bzw. Flankenlinienmessung bei Zahnrädern.
  • – Kalibrierung von langen Endmaßen, Stufenendmaßen oder Maßstäben mit Koordinatenmessgeräten. Entgegen den bekannten Lösungen kann hier die genaue und sehr zeitraubende Ausrichtung zwischen Maschinenachse, Werkstück und Interferometer entfallen.
  • – Fertigung großer Werkstücke auf Werkzeugmaschinen. Dabei kann das Interferometer in einer Achse eingesetzt werden, in der eine besonders enge Positionstoleranz eingehalten werden muss, die die Möglichkeiten der Werkzeugmaschine im normalen Betrieb überschreitet.
Examples of application areas of such a measuring arrangement are:
  • - Measurement of the shape of surfaces on coordinate measuring machines. Here, the length measuring system should be oriented approximately perpendicular to the measured surface. Applications include the form measurement of teaching rings on turntables or the profile or flank line measurement for gears.
  • - Calibration of long gauges, step gauges or scales with CMMs. Contrary to the known solutions can account for the exact and very time-consuming alignment between the machine axis, workpiece and interferometer here.
  • - Production of large workpieces on machine tools. In this case, the interferometer can be used in an axis in which a particularly tight position tolerance must be maintained, which exceeds the capabilities of the machine tool during normal operation.

Vorteile der erfindungsgemäßen LösungAdvantages of solution according to the invention

Obwohl Koordinatenmessgeräte bzw. Werkzeugmaschinen heute bereits eine beachtliche Genauigkeit besitzen, gibt es Anwendungen, bei denen diese nicht ausreicht. Dies ist z. B. der Fall bei der Herstellung hochgenauer Flächen (z. B. Sphären und Asphären) oder bei der Kalibrierung von Bezugsnormalen wie Stufenendmaßen oder auch mehrdimensionalen Prüfkörpern. Durch die erfindungsgemäße Lösung wird die Steigerung der Messgenauigkeit in einer oder in mehreren Achsen möglich.Even though coordinate Measuring Machines or machine tools today already a considerable accuracy there are applications where this is not enough. This is z. As is the case in the production of high-precision surfaces (z. B. spheres and aspheres) or when calibrating reference standards such as step dimensions or also multi-dimensional specimens. By the solution according to the invention is the increase of measuring accuracy in one or more axes possible.

Bei Industrierobotern, die z. B. in einer Fertigungslinie für die Fertigung oder Messung eingesetzt werden, kann die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Fertigungs- oder Messgenauigkeit beträchtlich steigern und so den Einsatz von Roboterkinematiken für bestimmte Einsatzfälle erst möglich machen.at Industrial robots, the z. B. in a production line for manufacturing or measurement can be used, the application of the method according to the invention the manufacturing or Measurement accuracy considerably increase the use of robotic kinematics for certain applications only possible do.

Dazu ist keine exakte Ausrichtung zwischen der Messrichtung des zusätzlichen Messsystems, der Maschinenachse und des Werkstücks notwendig. Der Grad der Mess- bzw. Steuergenauigkeitssteigerung kann dabei durch eine auf die jeweilige Mess- bzw. Fertigungsaufgabe optimierte Anordnung des zusätzlichen Messsystems beeinflusst werden. Eine optimale Anordnung dieses Messsystems ist dann erreicht, wenn das Abbeprinzip eingehalten wird, d. h. die Messlinie des zusätzlichen Messsystems in einer Achse mit dem Messobjekt liegt.To is not an exact alignment between the measuring direction of the additional Measuring system, the machine axis and the workpiece necessary. The degree of Measuring or Steuergenauigkeitssteigerung can thereby by a the respective measurement or production task optimized arrangement of the additional measuring system to be influenced. An optimal arrangement of this measuring system is then achieved if the Abbeprinzip is met, d. H. the Measuring line of the additional Measuring system is in one axis with the measurement object.

Allgemein zeichnet sich dieses Verfahren dadurch aus, dass quasi beliebige Mess- und Fertigungsaufgaben mit den so ausgestatteten Einrichtungen bearbeitet werden können. Das bedeutet allerdings auch, dass durch die Integration von zusätzlichen Messsystemen nach diesem Verfahren Koordinatenmessgeräte und Werkzeugmaschinen in manchen Bereichen hochgenaue Sondereinrichtungen (z. B. Abbe-Komparatoren, Präzisionsfertigungsmaschinen) ersetzen können.In general, this method is characterized by the fact that virtually any measurement and manufacturing tasks can be processed with the so-equipped facilities. However, that also means that By integrating additional measuring systems according to this method, coordinate measuring machines and machine tools can in some areas replace highly accurate special equipment (eg Abbe comparators, precision manufacturing machines).

Besonders bei großen (und deshalb meist weniger genauen) Koordinatenmessgeräten/Werkzeugmaschinen kann die Genauigkeit bei kritischen Aufgaben extrem gesteigert werden, ohne dass der Bediener über besondere metrologische Kenntnisse verfügen muss. Dies wird z. B. auch dadurch erreicht, dass denjenigen Messsystemen ein höheres Gewicht zugeordnet wird, die eine bessere Messgenauigkeit aufweisen.Especially at big (and therefore usually less accurate) coordinate measuring machines / machine tools the accuracy in critical tasks can be increased extremely, without the operator having special have metrological knowledge got to. This is z. B. also achieved by those measuring systems a higher one Weight is assigned, which have a better measurement accuracy.

Wenn Laserinterferometer als zusätzliche Messsysteme in Koordinatenmessgeräten eingesetzt werden, ist außerdem die direkte Rückführbarkeit von Längenmessungen gewährleistet.If Laser interferometer as additional Measuring systems used in coordinate measuring machines, is Furthermore direct traceability of length measurements guaranteed.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass diese zusätzlichen Messsysteme bei, bestehenden Einrichtungen nachgerüstet werden können.One Another advantage is that these additional measuring systems at, existing Equipment retrofitted can be.

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  • [7] DE 19752290 A1 „Verfahren und Vorrichtung zur Messung von Lage und/oder Orientierung zusammenwirkender Maschineneinheiten"[7] DE 19752290 A1 "Method and device for measuring position and / or orientation of cooperating machine units"
  • [8] DE 3941144 A1 „Koordinatenmessgerät für das berührungslose Messen von Objekten"[8th] DE 3941144 A1 "Coordinate measuring machine for the non-contact measurement of objects"
  • [9] DE 196 00 002 A1 , DE 195001877 „Integrales Verfahren für on-line Geometrieprüfung von Werkstücken aus mehreren Formflächen"[9] DE 196 00 002 A1 . DE 195001877 "Integral process for on-line geometry testing of workpieces from multiple forming surfaces"

Claims (3)

Verfahren zur Steigerung der Genauigkeit von Koordinatenmessgeräten und Werkzeugmaschinen bei dem, a) ergänzend zu den Messsystemen der Verfahrachsenmindestens ein zusätzliches Messsystem in das Koordinatenmessgerät oder die Werkzeugmaschine integriert wird, b)aus diesem zusätzlichen Messsystem mindestens eine zusätzliche geometrische Information über die Ist-Position oder den Ist-Verfahrweg eines Koordinatenmessgeräts oder einer Werkzeugmaschine gewonnen wird, c) eine oder mehrere zusätzliche geometrische Informationen zusammen mit den Maßstabssignalen und/oder Tastersignalen des Koordinatenmessgeräts oder der Werkzeugmaschine ausgewertet und in einem überbestimmten Gleichungssystem formuliert werden, d) die zusätzlichen geometrischen Informationen entsprechend der angenommenen oder errechneten Unsicherheit dieser Informationen in der mathematischen Lösung des Gleichungssystems gewichtet werden, e) bei der Lösung des überbestimmten Gleichungssystems die Residuen aller Gleichungen mathematisch minimiert werden.Method for increasing the accuracy of CMMs and machine tools in the, a) in addition to the measuring systems of At least one additional axle Measuring system in the coordinate measuring machine or the machine tool is integrated, b) from this additional measuring system at least an additional geometric information about the actual position or the actual travel of a coordinate measuring machine or a machine tool is obtained, c) one or more additional geometric information together with the scale signals and / or probe signals of the coordinate measuring machine or the machine tool evaluated and in an overdetermined Equation system be formulated d) the additional geometric information corresponding to the assumed or calculated Uncertainty of this information in the mathematical solution of Be weighted equation system, e) in the solution of the overdetermined Equation system minimizes the residuals of all equations mathematically become. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche geometrische Information aus einer interferometrischen Längenmessung zwischen zwei Referenzelementen erzeugt wird.Method according to claim 1, characterized that extra geometric information from an interferometric length measurement is generated between two reference elements. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein berührungsloses schwenkbares Längenmesssystem automatisch nachgeführt wird.Method according to claim 1, characterized that a non-contact swiveling length measuring system automatically tracked becomes.
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