DE10159442A1 - Kalibrierkörper für ein Koordinatenmessgerät - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kalibrierkörper für ein Koordinatenmessgerät. Ist nach der Erfindung vorgesehen, dass Kugeln (10; 10.1 bis 10.4; 10.1 bis 10.8) mittels Abstandselementen (20; 20.1 bis 20.6; 20.1 bis 20.12) zu ein-, zwei- oder drei-diemsionalen Kalibriernormalien fest miteinander verbunden sind, wobei die Mittelpunkte (11) der Kugeln (10.1 bis 10.4; 10.1 bis 10.8) vorgegebene Kalibrierwerte bilden, die aus Umfangsvermsessungen der Kugeln (10.1 bis 10.4; 10.1 bis 10.12) berechenbar sind, dann können Kalibriernormalien hoher Kalibriergenauigkeit unter Verwendung von einfachen Bearbeitungsverfahren und kostengünstigen Materialien hergestellt werden.

Description

Die Erfindung betrifft Kalibrierkörper für Koordinatenmessgeräte.

Es sind Kalibrierkörper bekannt, bei denen Kugeln über lösbare Verbindungen an Abstandselementen angebracht sind, wobei die Abstände der Kugeln im Kali­ brierkörper die Kalibrierwerte definieren. Durch die lösbaren Verbindungen werden Fehler verursacht, die die Reproduzierbarkeit auf den Bereich von einigen µm begrenzen. Derartige Fehler treten durch Abnutzungen, Verunreini­ gungen, Fertigungstoleranzen und Positionierungsungenauigkeiten auf.

Es ist Aufgabe der Erfindung, Kalibrierkörper für Koordinatenmessgeräte zu schaffen, die als Kalibriernormalie mit hoher Kalibriergenauigkeit kostengünstig herstellbar sind. Solche Kalibrierkörper können auch als Einstell- und Überprüfungsnormalien für numerisch gesteuerte Bearbeitungsmaschinen ein­ gesetzt werden.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, dass Kugeln mittels Abstandselementen zu ein-, zwei- oder drei-dimensionalen Kalibriernormalien fest miteinander verbunden sind, wobei die Mittelpunkte der Kugeln vorgege­ bene Kalibrierwerte bilden, die aus Umfangsvermessungen der Kugeln berechen­ bar sind.

Die festen Verbindungen zwischen den Kugeln und den Abstandselementen ver­ meiden die Fehler der demontierbaren Kalibriernormalien und lassen eine Re­ produzierbarkeit im Bereich von einigen µm zu. Die eingestellten Abstände der Mittelpunkte der im Kalibrierkörper festgebundenen Kugeln definieren die Kali­ brierwerte und sind durch die Umfangsvermessung der Kugeln zu berechnen.

Die erreichbare Kalibriergenauigkeit ist an die Messgenauigkeit einfacher 3D-Koordinatenmessgeräte anpassbar und unterschreitet einen Wert von 10 µm.

Die Abstandselemente sind vorzugsweise als Stäbe oder Rohre ausgebildet und können mit den Kugeln zu ein-, zwei- oder drei-dimensionalen Messnormalien zusammengefügt werden. Vorteilhaft ist die Verwendung von Materialien mit einem niedrigen, möglichst einheitlichen Dehnungskoeffizienten, da dies die Korrekturberechnung der Wärmeausdehnung der Kalibriernormalie vereinfacht.

Abstandselemente und Kugeln bestehen vorzugsweise aus gleichen Materialien, wie Borosilikatglas (Duran), Quarz, Glaskeramik (Zerodur, Ceran, Robax), Kera­ mik. Auch Metallegierungen mit einem niedrigen Ausdehnungskoeffizienten (In­ var, Kovar) sind verwendbar.

Die Rundheitstoleranz der Kugeln ist an die geforderte Kalibriergenauigkeit an­ gepasst.

Zur Optimierung der Verbindungstechnik sind die Enden der Abstandselemente an die Oberfläche der Kugeln angepasst und vorzugsweise als Kugelpfannen ausgebildet.

Bei den Materialien Borosilikatglas, Quarz, Glaskeramik oder Keramik wird vor­ zugsweise ein Glaslot zur Verbindung verwendet, das als dünne Schicht ausge­ bildet werden kann und nahezu dieselben Ausdehnungseigenschaften wie die Kugeln und die Abstandselemente besitzt.

Ist dagegen vorgesehen, dass die Kugeln und die Abstandselemente aus Mate­ rialien mit niedrigem Ausdehnungskoeffizienten bestehen und dass die Kugeln und die Abstandselemente an ihren Kontaktstellen untereinander verklebt sind, wobei der Kleber einen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der höher ist als der Ausdehnungskoeffizient der für die Kugeln und die Abstandselemente verwen­ deten Materialien, dann wird auch bei dieser Ausgestaltung der Kalibriernorma­ lien eine feste Verbindung erreicht, die die Kalibriergenauigkeit nicht ver­ schlechtert.

Bei den Glaslotverbindungen wird eine Verarbeitungstemperatur gewählt, die niedriger ist als die Erweichungstemperatur der verwendeten Materialien für Kugeln und Abstandshalter. Die Verarbeitungstemperatur des Klebers liegt dagegen üblicherweise deutlich unterhalb der Verarbeitungstemperatur des Glaslotes.

Bei Klebeverbindungen wird ein Kleber verwendet, dessen Ausdehnungskoeffi­ zient deutlich höher ist als der Ausdehnungskoeffizient der verwendeten Ma­ terialien für die Kugeln und die Abstandselemente. In diesem Fall wird der Kleber vorzugsweise bei einer Temperatur ausgehärtet, die oberhalb der Be­ triebstemperatur der Kalibriernormalie im Anwendungsfall liegt. Die tempera­ turbedingte Schrumpfung des Klebers bewirkt dann bei der Betriebstemperatur eine Federkraft zwischen Kugel und Abstandselement, die diese fest zusammen­ fügt. Hierbei ist darauf zu achten, dass die abstandsdefinierende Kalibrierlänge durch den direkten Kontakt zwischen Abstandselement und Kugel gegeben ist, da sich kein Kleber an dieser Kontaktstelle befindet. Der Kleber wirkt also nur als Feder zwischen Kugel und Abstandselement, trägt in dieser Ausgestaltung unterhalb der Aushärtetemperatur aber nicht zur Wärmeausdehnung der Kalibriernormalie bei, wenn die Ausgestaltung so ausgeführt ist, dass die Abstandselemente an ihren Kontaktstellen mit einer Aufnahme für Kleber versehen sind, deren Querschnitt kleiner ist als die Fläche der Kontaktstelle.

Die Ausgestaltung der Kalibriernormalien kann je nach ein-, zwei- oder drei­ dimensionaler Ausbildung verschieden sein. Eine eindimensionale Kalibriernor­ malie kann mindestens zwei in einer Geraden angeordnete Kugeln umfassen.

Eine zweidimensionale Kalibriernormalie kann die Form eines Dreiecks, eines Quadrates, einer Raute, eines Parallelogrammes oder eines n-Eckes aufweisen, wobei n < 4 sein kann.

Eine dreidimensionale Kalibriernormalie ist vorzugsweise als Tetraeder, Quader oder Würfel ausgebildet. Alternativ ist auch ein sternförmiges Gebilde möglich.

Die Erfindung wird anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungs­ beispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in Seitenansicht eine als Tetraeder ausgebildetes Kalibriernormalie,

Fig. 2 die Kalibriernormalie nach Fig. 1 in Draufsicht,

Fig. 3 in perspektivischer Ansicht eine in der Form als Quader ausgebil­ dete Kalibriernormalie,

Fig. 4 eine Teilansicht zwischen einer Kugel und einem Abstandselement mit Glaslot-Verbindung und

Fig. 5 eine Teilansicht zwischen einer Kugel und einem Abstandselement mit Kleber-Verbindung.

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine dreidimensionale Kalibriernormalie in der Form eines Tetraeders. Dabei bilden die Kugeln 10.1, 10.2 und 10.3 die Eckpunkte eines gleichseitigen Dreiecks. Diese Kugeln 10.1, 10.2 und 10.3 sind über gleichlange Abstandselemente 20.1, 20.2 und 20.3 miteinander verbunden. Die Mittelpunk­ te 11 der Kugeln 10.1, 10.2 und 10.3 bilden die Kalibrierwerte der Basisfläche des Tetraeders. Durch Vermessung des Umfangs 12 der Kugeln 10.1 bis 10.4 werden alle Kalibrierwerte der Tetraeder-Kalibriernormalie errechnet. Die Kugel 10.4 an der Spitze des Tetraeders ist über die Abstandselemente 20.4, 20.5 und 20.6 mit den Kugeln 10.1, 10.2 und 10.3 verbunden. Wie die Draufsicht nach Fig. 2 zeigt, können die Abstandselemente 20.4 und 20.6 auch kürzer als das Abstandselement 20.5 sein, so dass die Kugel 10.4 nicht über die Mitte der dreieckförmigen Basisfläche zu liegen kommt. Selbstverständlich können alle Abstandselemente 20.1 bis 20.6 auch gleich lang sein, so dass alle vier Sei­ tenflächen der Tetraeder-Kalibriernormalie identisch sind. Auf die Verbindungen zwischen den Kugeln 10.1 bis 10.4 und den Abstandselementen 20.1 bis 20.6 wird später anhand der Fig. 4 und 5 näher eingegangen.

Die Quader-Kalibriernormalie nach Fig. 3 umfasst acht Kugeln 10.1 bis 10.8, die entlang der Umfangskanten des Quaders über die Abstandselemente 20.1 bis 20.12 untereinander verbunden sind. Sind alle Abstandselemente 20.1 bis 20.12 gleich lang, dann geht die Quader-Kalibriernormalie in eine Würfel- Kalibriernormalie über. Die Abstandselemente einer Quaderseite stehen an den Kugeln stets im rechten Winkel, wie z. B. die Abstandselemente 20.4 und 20.5 an der Kugel 10.5 und die Abstandselemente 20.8 und 20.9 an derselben Kugel 10.5 zeigen. Die Abstandselemente 20.1, 20.3, 20.5 und 20.7 bestimmen die Abmessung in der ersten Koordinate des Quaders und die Abstandselemente 20.9, 20.10, 20.11 und 20.12 in der zweiten Koordinate und die Abstandsele­ mente 20.2, 20.4, 20.6 und 20.8 in der dritten Koordinate.

Es ist leicht einzusehen, dass mit unterschiedlichen Längen der Abstands­ elemente und einem anderen Verbindungswinkel der Abstandselemente an den Kugeln auch Rauten-, Parallelogramm-Kalibriernormalien gebildet werden kön­ nen. Auch beliebige n-Ecke (n < 4) lassen sich so zusammenfügen. Dabei sorgt eine Glaslot- oder Kleberverbindung für den festen Halt der Kugeln und der Abstandselemente in der Kalibriernormalie.

Sind die Kugeln und die Abstandselemente aus Borosilikatglas, Quarz, Glas­ keramik oder Keramik, dann kann die Kontaktstelle 21 an die Außenkontur-Umfangskontur der Kugel angepasst werden, wie Fig. 4 zeigt. Die Kontaktstelle 21 ist als Kugelpfanne ausgebildet, wenn es sich um ein stabförmiges Ab­ standselement 20 handelt. Die Kugelpfanne ist an den Kugeldurchmesser ange­ passt, so dass eine Fläche flächige Kontaktstelle 21 erhalten wird. Ein Glaslot 22 verbindet die Kugel 10 im gesamten Bereich der Kontaktstelle 21 mit dem Abstandselement 20. Beide bestehen vorzugsweise aus demselben Material und haben einen niedrigen Ausdehnungskoeffizienten wie das Glaslot 22. Als Verar­ beitungstemperatur wird eine Temperatur gewählt, die kleiner ist als die Er­ weichungstemperatur der Kugel 10 und des Abstandselementes 20.

Wie anhand der Fig. 5 gezeigt ist, kann die Verbindung zwischen einer Kugel 10 und einem Abstandselement 20 einer Kalibriernormalie auch mittels Kleber vor­ genommen werden. Dabei wird der Kleber 24 in eine Aufnahme 23 am Ende des Abstandselementes 20 eingebracht, die sich nicht über die gesamte Kon­ taktstelle 21 zwischen beiden erstreckt. Der Kleber 24 härtet bei einer Tem­ peratur aus, die wesentlich höher ist als die Betriebstemperatur der Kali­ briernormalie. Damit wird erreicht, dass die temperaturbedingte Schrumpfung des Klebers eine Federkraft zwischen Kugel 10 und Abstandselement 20 er­ zeugt, die beide fest zusammenfügt. Außerhalb der Aufnahme 23 liegen Kugel 10 und Abstandselement 20 abstandsdefinierend aneinander, da hier eine di­ rekte Anlage erhalten wird. Der Kleber 24 wirkt im Bereich der Betriebstem­ peratur nur als Feder und trägt nicht zur Wärmedehnung der Kalibriernormalie bei. Diese Kleberverbindung ist für alle angegebenen Materialien für die Kugeln 10 und die Abstandselemente 20 verwendbar, wird jedoch bevorzugt bei Mate­ rialien mit niedrigem Erweichungspunkt oder temperaturschockempfindlichen Werkstoffen eingesetzt.

Beim Verkleben kann mit niedriger Temperatur gearbeitet werden. Außerdem lassen sich dabei für die Kugeln und die Abstandselemente auch unterschied­ liche Materialien verwenden.

Claims (10)

1. Kalibrierkörper für Koordinatenmessgeräte, dadurch gekennzeichnet, dass Kugeln (10; 10.1 bis 10.4; 10.1 bis 10.8) mittels Abstandselemen­ ten (20; 20.1 bis 20.6; 20.1 bis 20.12) zu ein-, zwei- oder dreidimen­ sionalen Kalibriernormalien fest miteinander verbunden sind, wobei die Mittelpunkte (11) der Kugeln (10.1 bis 10.4; 10.1 bis 10.8) vorgegebene Kalibrierwerte bilden, die aus Umfangsvermessungen der Kugeln (10.1 bis 10.4; 10.1 bis 10.12) berechenbar sind.

2. Kalibrierkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandselemente (20; 20.1 bis 20.6; 20.1 bis 20.12) als Stäbe oder Rohre ausgebildet sind.

3. Kalibrierkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden der Abstandselemente (20; 20.1 bis 20.6; 20.1 bis 20.12) als auf den Durchmesser der Kugeln (10; 10.1 bis 10.4; 10.1 bis 10.8) abgestimmte Kugelpfannen (21) ausgebildet sind.

4. Kalibrierkörper nach einem der Ansprüche 3, dadurch gekennzeichnet, dass die aus Borosilikatglas, Quarz, Glaskeramik der Keramik bestehen­ den Kugeln (10; 10.1 bis 10.4; 10.1 bis 10.8) mittels Glaslot (22) fest mit den aus denselben Materialien bestehenden Abstandselementen (2; 20.1 bis 20.6; 20.1 bis 20.12) verbunden sind.

5. Kalibrierkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
dass die Kugeln (10; 10.1 bis 10.4; 10.1 bis 10.8) und die Abstands­ elemente (20; 20.1 bis 20.6; 20.1 bis 20.12) aus Materialien mit nie­ drigem Ausdehnungskoeffizienten bestehen und
dass die Kugeln (10; 10.1 bis 10.4; 10.1 bis 10.8) und die Abstands­ elemente (20; 20.1 bis 20.6; 20.1 bis 20.12) an ihren Kontaktstellen (21) miteinander verklebt sind, wobei der Kleber (24) einen Ausdeh­ nungskoeffizienten aufweist, der höher ist als der Ausdehnungskoeffi­ zient der für die Kugeln (10; 10.1 bis 10.4; 10.1 bis 10.8) und die Abstandselemente (20; 20.1 bis 20.6; 20.1 bis 20.12) verwendeten Ma­ terialien.

6. Kalibrierkörper nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandselemente (20; 20.1 bis 20.4; 20.1 bis 20.8) an ihren Kontaktstellen (21) mit einer Aufnahme (23) für Kleber (24) versehen sind, deren Querschnitt kleiner ist als die Fläche der Kontaktstelle (21).

7. Kalibrierkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichent, dass eine eindimensionale Kalibriernormalie mindestens zwei in einer Geraden angeordnete Kugeln (10) umfasst.

8. Kalibrierkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweidimensionale Kalibriernormalie die Form eines Dreiecks, eines Quadrats, einer Raute, eines Parallelogrammes oder eines n-Eckes (n < 4) aufweist.

9. Kalibrierkörper nach einem der Ansprüch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine dreidimensionale Kalibriernormalie die Form eines Tetraeders, Quaders oder Würfels aufweist.

10. Kalibrierkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die dreidimensionale Kalibriernormalie als sternförmiges Gebilde mit einer im Zentrum angeordneten Kugel ausgebildet ist, an der sternförmig abgehende Abstandselemente mit Kugeln an ihren Enden angebracht sind.