DE10138138A1

DE10138138A1 - Korrektur des Temperaturfehlers bei einer Messung mit einem Koordinatenmessgerät

Info

Publication number: DE10138138A1
Application number: DE10138138A
Authority: DE
Inventors: Karl Schepperle; Wolfgang Wiedmann
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2001-08-09
Filing date: 2001-08-09
Publication date: 2003-02-20
Also published as: US7188432B2; WO2003014655A1; US20050000105A1; DE50206827D1; EP1415124A1; EP1415124B1

Abstract

Regelmäßig wird die vorgefundene Temperatur des Tatstifts bestimmt und zusammen mit den zugehörigen Kalibrierdaten bei dieser Temperatur aufgezeichnet. Aus dieser historischen Sammlung von Temperaturwerten und Kalibrierdaten werden Temperatur-Korrekturdaten für den Taststift ermittelt. Diese können bei der jeweiligen Temperatur während einer Messung genutzt werden. Dieses Verfahren vermeidet eine gesonderte und aufwendige Einstellung der Temperatur des Taststifts oder des gesamten Koordinatenmessgeräts für die Kalibrierung.

Description

Koordinatenmessgeräte (KMG) spielen eine zentrale Rolle bei der Qualitätskontrolle von gefertigten Bauteilen.
Wenn mit einem Koordinatenmessgerät außerhalb von klimatisierten Räumen oder Kabinen gemessen wird, dann müssen die Taster des Koordinatenmessgeräts in relativ kurzen Zeitabständen immer wieder neu kalibriert werden. Denn schon geringe Abweichungen von der Bezugstemperatur, für die eine einmal durchgeführte Kalibrierung vorgenommen wurde, führen aufgrund der thermischen Längenausdehnung der Taster zu Messfehlern. Ein Aluminiumtaster mit einer Länge von 100 mm dehnt sich beispielsweise bei einer Temperaturerhöhung von 1,1°C um 2,5 µm aus. Dieser Fehler kann die zulässige Messunsicherheit des verwendeten Koordinatenmessgerätes bereits übersteigen.
Da bei einem Messvorgang für ein komplettes Werkstück in der Regel mehrere unterschiedliche Taster nacheinander eingewechselt werden und diese Taster entweder aus einem Ablageschrank oder einem am Rande des Messbereiches aufgebauten Magazin entnommen werden, kann sich deren Temperatur zwischenzeitlich geändert haben. Entsprechend müsste nach jedem Tasterwechsel wieder neu kalibriert werden, um genaue Messungen zu erhalten. Dies verlangsamt den gesamten Messablauf und ist insbesondere im Fertigungsbereich nachteilig, wo schnelle Messergebnisse gefordert werden.
Die vorstehend genannten Schwierigkeiten lassen sich dadurch umgehen, dass die Taster aus Materialien mit geringem thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie z. B. Invar gefertigt werden. Es sind auch Taststifte bekannt (siehe DE 297 04 636), die aus mindestens zwei Materialien bestehen, von denen eines einen positiven und eines einen negativen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat. Die effektive Länge des Taststifts und die thermischen Ausdehnungskoeffizienten bzw. die Materialien werden derart gewählt, dass die Länge des Taststifts sich mit der Temperatur kaum ändert. Eine mögliche Materialkombination ist kohlefaser-verstärkter Kunststoff (CFK) mit einem negativen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zusammen mit Stahl, Aluminium und/oder eventuell keramischem Material. Taststifte aus diesen Materialien sind jedoch in der Herstellung aufwendig. Eine Umstellung der Taster auf diese Materialen ist deshalb nicht ohne weiteres möglich.
Ein weiteres Verfahren zur Reduzierung von Temperatureinflüssen bei Koordinatenmessgeräten ist in der DE 36 31 825 beschrieben. Bei dem beschriebenen Verfahren werden die benötigten Temperaturen bzw. Korrekturdatensätze bei mehreren unterschiedlichen Temperaturen ermittelt und im Rechner des Koordinatenmessgeräts gespeichert. Das Koordinatenmessgerät wird zur Temperierung mit einer wärmeisolierenden Kabine umgeben. In die Kabine wird temperierte Luft eingeblasen. Die Temperatur der eingeblasenen Luft wird gemessen und zur Auswahl des aktuell benötigten Korrekturdatensatzes verwendet.
Am einfachsten ist es, wenn die thermische Längenausdehnung zugelassen wird und eine nachträgliche Korrektur der Messergebnisse anhand der Temperaturwerte und entsprechend ermittelter Korrekturdaten erfolgt.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Temperatur-Korrektur von Messungen mit Koordinatenmessgeräten weiter zu vereinfachen.
Diese Aufgabe wird durch die Erfindungen gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Erfindungsgemäß erfolgen zunächst eine Bestimmung und Aufzeichnung der vorgefundenen Temperatur von wenigstens einem Teil des Koordinatenmessgeräts und eine zugehörige Bestimmung und Aufzeichnung von Kalibrierdaten des wenigstens einen Teils des Koordinatenmessgeräts bei der vorgefundenen Temperatur. Die vorgefundene Temperatur ist dabei eine Temperatur, die ohne eine gezielte Einstellung etwa in einer Temperierungskabine angetroffen wurde. Beispielsweise wird eine derartige Temperatur morgens früh zu Arbeitsbeginn oder im weiteren Verlauf des Tages vorgefunden. Ein KMG ist natürlicherweise auf die Temperatur des Raums temperiert, in dem es sich befindet.
Unter Kalibrierdaten werden Daten über die Länge oder Drehung, allgemein die Geometrie eines Teils des Koordinatenmessgeräts verstanden. Die Kalibrierdaten geben die Abweichung vom Bezugspunkt in Form eines Vektors wieder. Sie können aus den aufgenommenen Maschinenkoordinaten berechnet werden.
Die betrachteten Teile des KMG können beispielsweise die Ständer, die Arme, die Pinole oder das Dreh-Schwenk-Gelenk, der Tastkopf oder die Taststifte, jeweils allein oder in Kombination, sein.
Der vorgenannte Schritt wird mindestens einmal wiederholt. Bei der zu einem späteren Zeitpunkt durchgeführten Wiederholung werden die zu dem späteren Zeitpunkt vorgefundene neue Temperatur und die zugehörigen Kalibrierdaten aufgezeichnet. Es entsteht so eine quasi historische Sammlung von unterschiedlichen Temperaturen und zugehörigen Kalibrierdaten. Beispielsweise werden Temperaturen und Kalibrierdaten jeden Morgen bei der initialen Kalibrierung des Koordinatenmessgeräts bestimmt.
Aus den aufgezeichneten Temperaturen und zugehörigen Kalibrierdaten werden Temperatur-Korrekturdaten für das wenigstens eine Teil des Koordinatenmessgeräts ermittelt. Dabei kann es sich um eine einfache lineare Kompensation mit Hilfe des aus den ermittelten Daten bestimmten thermischen Ausdehnungskoeffizienten handeln. Ebenso gut ist eine nichtlineare Kompensation möglich, etwa durch Anpassung von Polynomen. Auch denkbar ist eine mehrdimensionale Anpassung, etwa zur Beschreibung von Verwindungen, die durch Asymmetrien im Tastkopf hervorgerufen werden können. Derartige Verwindungen können durch eine Kombination von Drehmatrizen und Dehnungsoperatoren (Multiplikationen, ggf. i. V. m. Translationen) beschrieben werden. Mit Hilfe dieser Daten können z. B. die Längenmaßstäbe des KMG, die Länge der Arme eines KMG, z. B. eines Ständer-KMG, oder die Abmessungen des Tastkopfes oder Taststifts korrigiert werden.
Bei der tatsächlichen Durchführung einer Messung mit Hilfe eines Koordinatenmessgeräts wird die bei der Messung angetroffene Temperatur des wenigstens einen Teils des Koordinatenmessgeräts bestimmt. Die Messung der Temperatur kann während des Vorgangs unmittelbar vor oder unmittelbar danach erfolgen, jedenfalls in so enger zeitlicher Nähe, dass auf die Temperatur des Teils des Koordinatenmessgeräts zum Zeitpunkt der Längenmessung geschlossen werden kann.
Die Temperatur kann dabei auf mindestens drei Weisen gemessen werden. Sie kann erstens am Werkstück gemessen werden. Da eigentlich die Temperatur eines Teils des Koordinatenmessgeräts bestimmt werden soll, ist eine Bestimmung der Temperatur des Werkstücks, aus der auf die Temperatur des Teils des Koordinatenmessgeräts geschlossen werden soll, eher ungenau. Die Temperatur des Werkstücks und die Temperatur des Teils des Koordinatenmessgeräts müssen nicht übereinstimmen. Zweitens kann die Temperatur in der Nähe des Teils des Koordinatenmessgeräts gemessen werden, und drittens kann die Temperatur an dem Teil des Koordinatenmessgeräts selbst gemessen werden. Letzteres ist klarerweise die exakteste Methode.
Aufgrund der bei der Messung bestimmten Temperatur des wenigstens einen Teils des Koordinatenmessgeräts können geeignete Temperatur-Korrekturdaten für das wenigstens eine Teil des Koordinatenmessgeräts aus den gespeicherten Korrekturdaten ermittelt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist allgemein für Temperaturkorrekturen einsetzbar. Es ist in seiner Einfachheit kaum zu überbieten. Insbesondere bedarf es keiner gesonderten Temperierung des KMG etwa in einer Kabine. Aus der empirisch beobachteten und aufgezeichneten Messhistorie wird der Zusammenhang für die Temperaturkorrektur abgeleitet. Dabei werden die natürlichen Temperaturschwankungen in einem Labor zwischen Sommer und Winter und aufgrund sonstiger Einflüsse wie Wetter, Heizung, etc. ausgenutzt und protokolliert.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise auf einen Taststift angewandt, bzw. auf eine Taststiftkombination. Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein Koordinatenmessgerät verwendet wird, das bis zum Nullpunkt bzw. Referenzpunkt des Taststifts vollständig thermisch korrigiert ist. Dann verbleibt nur noch die Temperaturkorrektur des Taststifts, die erfindungsgemäß durchgeführt werden kann.
Um die Genauigkeit weiter zu erhöhen, können die Temperatur- Korrekturdaten für jeden individuellen Taststift einzeln bestimmt und gezielt nur für diesen Taststift verwendet werden.
Bei einer Taststiftkombination kann das erfindungsgemäße Verfahren auf jeden Taststift der Taststiftkombination einzeln angewandt werden.
Die Temperatur eines Taststifts kann auf einfache Weise durch Bestimmen der Temperatur am Aufnahmeteller des Taststifts erfolgen (s. u.). Optimal wäre es, die Temperatur in der Nähe der Mitte des Taststifts zu messen.
Beispielsweise nach jedem Tasterwechsel wird die Temperatur der eingewechselten Taststiftkombination gemessen. Aus der Differenz zu der Temperatur, bei der die betreffende Taststiftkombination kalibriert worden ist (Referenztemperatur, s. u.), und unter Berücksichtigung der Taststiftlängen (LX bzw. LZ, d. h. der Länge in x- oder z-Richtung) sowie dem aus der Messhistorie erschlossenen Ausdehnungskoeffizienten des Tastermaterials (Temperatur-Korrekturdaten) wird die zu korrigierende Längenausdehnung berechnet. Dies gilt für den linearen Fall, dass sich die eingewechselte Taststiftkombination in allen Achsrichtungen homogen und ohne Verwindungen ausdehnt.
Die Korrektur der thermischen Längenausdehnung des Taststifts erfolgt, indem die Entfernung des Mittelpunkts der Tastkugel am Taststift von dem für die Korrektur in Betracht zu ziehenden Referenzpunkt am Aufnahmeteller mit dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten und der Differenz zwischen der gemessenen Temperatur und derjenigen Temperatur, bei der diese Tasterkonfiguration kalibriert wurde, d. h. der Referenztemperatur, multipliziert wird.
In mathematischen Formeln ausgedrückt ergibt sich folgendes:
Bei L_T die Entfernung des Mittelpunkts der Tastkugel am Taststift von dem für die Korrektur in Betracht zu ziehenden Referenzpunkt am Aufnahmeteller bei der Temperatur T und L₀ dieselbe Länge bei einer Referenztemperatur T₀ von z. B. 20°C. Dann ist - in linearer Näherung - die Länge L_T gegeben durch:

L_T = L₀.(1 + α.ΔT)
Dabei ist α der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient. Er ergibt sich im einfachsten Fall aus zwei Messungen 1 und 2, die bei zwei Temperaturen T₁ und T₂ durchgeführt wurden und zwei Längen L₁ und L₂ ergaben zu:

ΔT ist die Differenz der gemessenen Temperatur T von der Referenztemperatur T₀:

ΔT = T - T₀
Für die Korrektur ΔL der Länge erhält man dann

ΔL = L_T - L₀ =.L₀.(1 + α.ΔT) - L₀ = L₀.α.ΔT

also genau das Beschriebene.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die aus der Messhistorie gewonnenen Temperaturen und Kalibrierdaten zur Bestimmung der Temperatur-Korrekturdaten bzw. des thermischen Ausdehnungskoeffizienten entsprechend der Differenz der zu den Kalibrierdaten gehörigen Temperatur zu einer Referenztemperatur gewichtet werden. Je größer die Temperaturdifferenz ist, desto größer soll das Gewicht sein. Dadurch wird schnell eine hohe Präzision bei der Bestimmung der thermischen Verformung bzw. des thermischen Ausdehnungskoeffizienten erreicht.
Werden bei jeder neuen Kalibrierung die Temperatur und die Kalibrierdaten ermittelt, so können die Temperatur-Korrekturdaten adaptiv verbessert werden. Auf diese Weise können über einen relativ kurzen Zeitraum für die Praxis ausreichend genaue Temperatur-Korrekturdaten ermittelt werden. Bei kontinuierlicher Aufzeichnung, etwa jeden Morgen, ist es auch möglich, schleichende Veränderungen des Taststifts oder eines anderen beobachteten Teils des KMG zu berücksichtigen, indem z. B. nur Temperatur- und Kalibrierdaten des letzen Jahres (oder eines anderen sinnvollen Zeitraums) zur Bestimmung der Korrekturdaten herangezogen werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhaft in bestehende Koordinatenmessgeräte integriert werden, vorzugsweise in Form eines Steuerungsprogramms, dass auf demjenigen Rechner läuft, der ohnehin das Koordinatenmessgerät steuert.
Im Folgenden wird das bevorzugte Ausführungsbeispiel in seinen technischen Details näher erläutert.
Der Temperatursensor zum Bestimmen der Temperatur des Taststifts sollte in gutem thermischen Kontakt mit dem Taststift stehen. Er kann beispielsweise in den Taststift integriert sein (siehe DE 88 13 875 U1). In einem solchen Falle enthält der Aufnahmeteller für den Taststift vorzugsweise elektrische Kontakte für die Anschlüsse des Temperatursensors. Im Tastkopf sind korrespondierende elektrische Kontakte vorgesehen, um den Temperatursensor auszulesen. Grundsätzlich sind in Aufnahmetellern und einem Tastkopf heutzutage elektrische Kontakte vorgesehen. Der in den Taststift integrierte Temperatursensor meldet die aktuelle Temperatur des Taststifts über die Kontakte an eine entsprechende Auswerteelektronik im Koordinatenmessgerät. Dadurch ist es möglich, einmal vorkalibrierte Taststifte unter wechselnden Umgebungstemperaturen einzusetzen. Da die Sensoren ständig in thermischem Kontakt mit dem Taster sind, nehmen sie dessen Temperatur hochgenau auf. Die Abfrage der Tastertemperatur kann deshalb ohne Zeitverzögerung in Bruchteilen einer Sekunde erfolgen.
Wenn der Tastkopf und der Taststift aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit wie z. B. Stahl oder Aluminium bestehen, kann es ausreichend sein, den Sensor in den Aufnahmeteller einzusetzen, der zur Befestigung des Taststifts dient. Aufgrund der Wärmeleitfähigkeit nimmt die komplette einzuwechselnde Einheit, bestehend aus Halter und Taststift, schnell die Temperatur des Tastkopfs an bzw. es kommt schnell zu einem Temperaturausgleich.
Die Temperatursensoren sind vorzugsweise Messwiderstände, die vorzugsweise in Vierleitertechnik angeschlossen werden. Mit solchen Sensoren werden bereits die Temperaturen anderer Komponenten eines Koordinatenmessgerätes, wie z. B. die der Maßstäbe erfasst. Der schaltungstechnische Aufwand lässt sich dann gering halten, da die Temperaturen der verschiedenen Messstellen (Maßstab, Werkstück, Taststift) im Multiplex- Betrieb von einem Prozessor abgefragt und ausgewertet werden können. Als Widerstände werden bevorzugt Platinwiderstände eingesetzt. Die Enden des Messwiderstands werden an Kontaktstifte an der Oberseite des Aufnahmetellers gelegt. Auf diese Weise wird die am Messwiderstand abfallende Spannung an entsprechende Gegenkontakte im Tastkopf übertragen. Sie können von einer nachgeschalteten Messelektronik ausgewertet werden.

Claims

1. Verfahren zur Korrektur des Temperaturfehlers bei einer Messung mit einem Koordinatenmessgerät mit folgenden Schritten:

a) Bestimmung und Aufzeichnung der vorgefundenen Temperatur von wenigstens einem Teil des Koordinatenmessgeräts und Bestimmung und Aufzeichnung von Kalibrierdaten des wenigstens einen Teils des Koordinatenmessgeräts bei der vorgefundenen Temperatur;

b) mindestens einmalige Wiederholung von Schritt a) zu einem späteren Zeitpunkt und Aufzeichnung der zu dem späteren Zeitpunkt vorgefundenen neuen Temperatur und zugehörigen Kalibrierdaten;

c) Ermittlung von Temperatur-Korrekturdaten für das wenigstens eine Teil des Koordinatenmessgeräts aus den aufgezeichneten Temperaturen und zugehörigen Kalibrierdaten;

d) Bestimmen der Temperatur des wenigstens einen Teils des Koordinatenmessgeräts bei der Messung; und

e) Auswahl geeigneter Temperatur-Korrekturdaten für das wenigstens eine Teil des Koordinatenmessgeräts aufgrund der bei der Messung bestimmten Temperatur des wenigstens einen Teils des Koordinatenmessgeräts.

2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass als Teil des Koordinatenmessgeräts wenigstens ein Taststift gewählt wird.

3. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur-Korrekturdaten für jeden individuellen Taststift einzeln bestimmt werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bestimmten Kalibrierdaten bei der Ermittlung der Temperatur-Korrekturdaten entsprechend der Differenz der zu den Kalibrierdaten gehörigen Temperatur zu einer Referenztemperatur gewichtet werden.

5. Koordinatenmessgerät

a) mit Mitteln zum Bestimmen und Aufzeichnen der vorgefundenen Temperatur von wenigstens einem Teil des Koordinatenmessgeräts und mit Mitteln zum Bestimmen und Aufzeichnen von Kalibrierdaten des wenigstens einen Teils des Koordinatenmessgeräts bei der vorgefundenen Temperatur;

b) mit Mitteln zum mindestens einmaligen Wiederholen der Bestimmung von Temperatur und Kalibrierdaten zu einem späteren Zeitpunkt und mit Mitteln zum Aufzeichnen der zu dem späteren Zeitpunkt vorgefundenen neuen Temperatur und zugehörigen Kalibrierdaten;

c) mit Mitteln zum Ermitteln von Temperatur-Korrekturdaten für das wenigstens eine Teil des Koordinatenmessgeräts aus den aufgezeichneten Temperaturen und zugehörigen Kalibrierdaten;

d) mit Mitteln zum Bestimmen der Temperatur des wenigstens einen Teils des Koordinatenmessgeräts bei einer Messung; und

e) mit Mitteln zum Auswählen geeigneter Temperatur- Korrekturdaten für das wenigstens eine Teil des Koordinatenmessgeräts aufgrund der bei der Messung bestimmten Temperatur des wenigstens einen Teils des Koordinatenmessgeräts.