DE102006019623B4

DE102006019623B4 - Verfahren zur Rundheitsmessung an einem Werkstück sowie Koordinatenmessgerät zur Durchführung einer Rundheitsmessung an einem Werkstück

Info

Publication number: DE102006019623B4
Application number: DE102006019623A
Authority: DE
Inventors: Hartwig Dr. Weber
Original assignee: Hexagon Metrology GmbH
Current assignee: Hexagon Metrology GmbH
Priority date: 2005-04-30
Filing date: 2006-04-25
Publication date: 2007-05-03
Anticipated expiration: 2026-04-26
Also published as: DE102006019623A1

Abstract

Verfahren zur Rundheitsmessung an zylindrischen oder hohlzylindrischen Oberflächenabschnitten eines Werkstückes mit einer Rundheitsmessvorrichtung eines Koordinatenmessgerätes mit einem optischen Taster, der eine um eine Drehachse drehbare Vorrichtung aufweist, mit folgenden Verfahrensschritten:
– es wird wenigstens ein Beleuchtungsstrahl (5) in wenigstens zwei Beleuchtungsstrahlteile (6, 7) aufgeteilt,
– der erste Beleuchtungsstrahlteil (6) wird so durch die drehbare Vorrichtung des optischen Tasters auf das Werkstück (11, 21) gerichtet und die drehbare Vorrichtung des optischen Tasters wird so um ihre Drehachse gedreht, dass der erste Beleuchtungsstrahlteil eine Ebene aufspannt, die die werkstückoberfläche unter einem Winkel von annähernd 90° schneidet, und von dort als Messstrahl (12) reflektiert wird,
– der zweite Beleuchtungsstrahlteil (7) wird auf einen als Ringspiegel ausgebildeten Referenzlehrring (8) gerichtet und von dem Referenzlehrring (8) als Referenzstrahl (9) reflektiert, wobei der als Ringspiegel ausgebildete Referenzlehrring (8) relativ zu einer Werkstückhaltevorrichtung und damit zum Werkstück (11, 21) ortsfest gehalten wird, und wobei...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rundheitsmessung an einem Werkstück sowie ein Koordinatenmessgerät zur Durchführung einer Rundheitsmessung an einem Werkstück.

In der dimensionellen Messtechnik sind gemäß dem Stand der Technik verschiedene Verfahren zur Rundheitsmessung bekannt. So ist es beispielsweise üblich, ein Werkstück mit einer Bohrung, deren Rundheit gemessen werden soll, auf einem Drehtisch so aufzuspannen, dass die Drehachse des Drehtisches mit der Symmetrieachse der Bohrung fluchtet. Anschließend wird ein Taster (optisch oder taktil) in die Bohrung eingeführt und mit der Bohrungsinnenwand in Wechselwirkung gebracht, während der Drehtisch das Werkstück unter dem Taster hindurchdreht. Die dabei gemessene drehwinkelabhängige Änderung der Tasterauslenkung beziehungsweise die Änderung des Abstandes der Bohrungsinnenwand zum optischen Taster stellt ein Maß für die Rundheit der Bohrung dar. Im Falle des idealen Zylinders beziehungsweise Kreises in der Ebene der Tasterberührungslinie ist keinerlei Änderung der oben genannten Messgrößen zu beobachten.

Es ist weiterhin in einer anderen Ausbildung gemäß dem Stand der Technik üblich, statt des Werkstückes den Taster (optisch oder taktil) auf eine Drehachse zu setzen, die mit der Symmetrieachse der Bohrung fluchtet. Nachdem der Taster mit der Bohrungsinnenwand in Wechselwirkung gebracht wurde, wird er um diese Drehachse gedreht und die Rundheit der Bohrung in der oben beschriebenen Art und Weise gemessen. Beide Methoden lassen sich in analoger Weise auch auf Außenkonturen anwenden.

Taktile Taster sind üblicherweise an einer Schnittstelle eines taktilen Tastkopfes lösbar fest befestigt, der seinerseits fest oder lösbar fest mit einem Träger verbunden ist, der mit Hilfe von beweglichen Achsen jeden Teil des Messvolumens erreichen kann. Der taktile Tastkopf hat seinerseits mindestens eine bewegliche Achse, die eine Bewegung des Tasters relativ zum Tastkopfträger ermöglicht. Sowohl die beweglichen Achsen des Tastkopfträgers wie die des Tastkopfes selbst sind mit Längenmesseinrichtungen versehen, so dass der Ort der Tasterschnittstelle im Messvolumen jederzeit bekannt ist.

Der Nachteil der zum Stand der Technik gehörenden Verfahren liegt in der Notwendigkeit einer hochgenauen oder zumindest hochreproduzierbaren Drehachse, deren Rundlaufeigenschaften dann bekannt sein müssen. Unbekannte Rundlauffehler dieser Drehachse lassen sich bei den bekannten Verfahren nach dem Stand der Technik nicht von Rundheitsabweichungen des Prüflings unterscheiden. Die zum Stand der Technik gehörenden Rundheitsmessgeräte sind deshalb aufwändig und teuer, um die oben genannten Anforderungen an die Drehachse zu erfüllen.

Ein weiterer Nachteil liegt in der Notwendigkeit, die Drehachse der Rundheitsmessvorrichtung und die Symmetrieachse des Werkstückes zueinander auszurichten. Geschieht dies nicht, ist das Ergebnis der Rundheitsmessung bei idealem Werkstück kein Kreis, sondern eine Ellipse, deren Exzentrizität vom Kippwinkel der fraglichen Achsen (Drehachse der Rundheitsmessvorrichtung und Symmetrieachse der Bohrung) zueinander abhängt. Bei einem realen Werkstück lässt sich nicht entscheiden, ob eine gemessene Ellipse ein Mangel in der Rundheit des Werkstückes darstellt oder auf eine Fehlausrichtung der Achsen (Drehachse des Rundheitsmessgerätes und/oder Symmetrieachse des Werkstückes) zurückzuführen ist.

Zum Stand der Technik (JP 7-190734 A) gehören ein Verfahren und eine Vorrichtung zur interferometrischen Rundheitsmessung. Hierbei wird die Oberfläche eines Innenzylinders relativ zur Innenmantelfläche eines Außenringes vermessen. Gemäß diesem Stand der Technik wird lediglich ein Beleuchtungsstrahl vom Primärlichtstrahl abgezweigt, der dann an der Innenmantelfläche zur Innenzylinderoberfläche und von dieser zur Interferenzstelle mit dem Primärlicht reflektiert wird. Dieses zum Stand der Technik gehörende Verfahren und die zum Stand der Technik gehörende Vorrichtung ha ben den Nachteil, dass das Verfahren und die Vorrichtung relativ aufwändig sind.

Weiterhin gehört zum Stand der Technik ( DE 197 21 843 C1 und DE 103 01 607 A1 ) jeweils eine Messvorrichtung, bei der bei einer interferometrischen Rundheitsmessung ein Primärlichtstrahl in zwei Beleuchtungslichtstrahlen aufgeteilt wird. Bei diesem Stand der Technik sind jedoch lediglich zwei Messlichtstrahlen vorgesehen. Hier ist es erforderlich, dass zusätzliche Referenzlichtstrahlen vorgesehen sind, wodurch diese zum Stand der Technik gehörenden Vorrichtungen relativ aufwändig aufgebaut sind.

Das der Erfindung zugrunde liegende technische Problem besteht darin, ein Verfahren zur Rundheitsmessung und ein Koordinatenmessgerät anzugeben, das den Nachteil der Notwendigkeit einer hochgenauen Drehachse vermeidet, wobei das Verfahren einfach durchführbar und der Aufbau des Koordinatenmessgerätes einfach sein soll.

Dieses technische Problem wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 und mit einem Koordinatenmessgerät mit den Merkmalen gemäß Anspruch 7 gelöst.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Rundheitsmessung an zylindrischen oder hohlzylindrischen Werkstücken mit einer Rundheitsmessvorrichtung eines Koordinatenmessgerätes mit einem optischen Taster, der eine um eine Drehachse drehbare Vorrichtung aufweist, werden folgende Verfahrensschritte durchgeführt:

1. Es wird ein Beleuchtungsstrahl in wenigstens zwei Beleuchtungsstrahlteile aufgeteilt,
2. der erste Beleuchtungsstrahlteil wird so durch die drehbare Vorrichtung des optischen Tasters auf das Werkstück gerichtet und die drehbare Vorrichtung des optischen Tasters wird so um ihre Drehachse gedreht, dass der erste Beleuchtungsstrahlteil eine Ebene aufspannt, die die Werkstückoberfläche unter einem Winkel von annähernd 90° schneidet, und von dort als Messstrahl reflektiert wird,
3. der zweite Beleuchtungsstrahlteil wird auf einen als Ringspiegel ausgebildeten Referenzlehrring gerichtet und von dem Referenzlehrring als Referenzstrahl reflektiert, wobei der als Ringspiegel ausgebildete Referenzlehrring relativ zu einer Werkstückhaltevorrichtung und damit zum Werkstück ortsfest gehalten wird, und wobei eine Zylinderachse des Referenzlehrringes mit einer Drehachse einer drehbaren Vorrichtung des optischen Tasters wenigstens annähernd zusammenfällt,
4. dabei wird eine Änderung der Differenz der optischen Weglängen des Referenzstrahles und des Messstrahles erfasst.

Dadurch, dass ein ringförmig ausgebildeter Referenzkörper, beispielsweise ein Lehrring (im Folgenden als Referenzlehrring bezeichnet), vorgesehen ist, der relativ zur werkstückhaltevorrichtung des Koordinatenmessgerätes und damit zum Werkstück ortsfest angeordnet ist, und dadurch, dass die Zylinderachse des Referenzlehrringes mit der Drehachse des Tasters wenigstens annähernd zusammenfällt, wirken sich mögliche Rundlaufabweichungen der Drehachse der drehbaren Vorrichtung des optischen Tasters in gleichem Maße auf den Messstrahl und den Referenzstrahl aus, das heißt Rundlaufabweichungen der Drehachse der drehbaren Vorrichtung des optischen Tasters fallen bei der Bestimmung der Änderung der Differenz der optischen Weglängen von Referenz- und Messstrahl heraus, so dass es nur noch auf die relative Orientierung der Symmetrieachsen von Werkstück und Referenzlehrring ankommt.

Die ortsfeste Anordnung des Referenzkörpers relativ zur Werkstückhaltevorrichtung und damit relativ zum Werkstück wird dadurch erreicht, dass der Referenzkörper zusammen mit den anderen Komponenten des optischen Tasters eine bauliche Einheit bildet, die fest oder lösbar fest an der Stelle des Koordinatenmessgerätes befestigt ist, an der normalerweise der taktile Tastkopf befestigt ist, wobei der optische Taster weiter über einen beweglichen Teil verfügt, der um eine Achse drehbar gelagert ist, die annähernd mit einer Zylinderachse des Referenzkörpers zusammenfällt. Dadurch, dass der Tastkopfträger über die Antriebsmotore zwar im Messvolumen der Koordinatenmessmaschine beweglich ist, aber während der erfindungsgemäßen Rundheitsmessung durch die Antriebsregelung im Messvolumen ortsfest gehalten wird, ist der Referenzkörper während der Rundheitsmessung ortsfest mit der Werkstückhaltevorrichtung und damit mit dem Werkstück verbunden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass der optische Taster statt eines taktilen Tasters in die tasterseitige Schnittstelle des taktilen Tastkopfes eingewechselt wird. Eine ortsfeste Verbindung des Referenzkörpers zum Werkstück kann dann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die beweglichen Achsen des taktilen Tastkopfes während der Rundheitsmessung geklemmt werden.

Da die beweglichen Achsen des taktilen Tastkopfs genau wie die verfahrbaren Achsen des Koordinatenmessgerätes über eigene Längenmesseinrichtungen verfügen, über die die Lage der Tasterschnittstelle, an der der optische Taster befestigt ist, im Messvolumen zu jedem Zeitpunkt genau bekannt ist, kann der ortsfeste Bezug des Referenzkörpers zum Werkstück auch virtuell über Software hergestellt werden.

Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Referenzlehrring als Antastelement ausgebildet, mit dem das Werkstück angetastet wird und die Lage und Orientierung einer Symmetrieachse des Werkstückes im maschineneigenen Koordinatensystem des Koordinatenmessgerätes bestimmt wird.

Dadurch, dass durch ein weiter unten beschriebenes Kalibrierverfahren Lage und Orientierung der Zylinderachse des Referenzlehrringes in der Rundheitsmessvorrichtung im maschineneigenen Koordinatensystem der Koordinatenmessmaschine bekannt sind, lässt sich die Fehlausrichtung der fraglichen Achsen (Zylinderachse des Referenzlehrringes in der Rundheitsmessvorrichtung und Symmetrieachse des Werkstückes) aus dem Messergebnis herausrechnen. Die Ausrichtung der Achsen, das heißt die Fluchtung der Achsen zueinander findet vorteilhaft virtuell durch eine Software statt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es auch möglich, einen Taster anstelle der Rundheitsmessvorrichtung in den Tastkopf einzutauschen. Mit dem Taster wird ebenfalls das Werkstück angetastet und die Lage und Orientierung der Symmetrieachse des Werkstückes im maschineneigenen Koordinatensystem des Koordinatenmessgerätes bestimmt. Auch hierdurch ist es möglich, eine Ausrichtung der Achsen zueinander, beispielsweise virtuell durch Software durchzuführen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, einen Kalibriervorgang durchzu führen, bei dem die Lage und die Orientierung der Zylinderachse des Referenzlehrringes der Rundheitsmessvorrichtung im Koordinatensystem des Koordinatenmessgerätes bestimmt werden.

Vorteilhaft wird anstelle des Werkstückes in diesem Fall ein weiterer Lehrring verwendet, dessen Rundheit und Zylindrizität genau bekannt sind.

Das Kalibrierverfahren läuft dann vorteilhaft folgendermaßen ab:

1. Aufspannen eines Lehrringes mit bekannter Rundheit auf die Koordinatenmessmaschine, so dass seine Symmetrieachse im Wesentlichen parallel zur Zylinderachse des Referenzlehrringes der Rundheitsmessvorrichtung orientiert ist,
2. Einmessen der Symmetrieachse des bekannten Lehrringes durch taktile Antastungen unter Verwendung der in den taktilen Tastkopf eingewechselten Rundheitsmessvorrichtung oder eines separat eingewechselten Tasters, wobei im Falle der Antastung mit eingewechselter Rundheitsmessvorrichtung die Antastungen vorteilhaft mit dem als Antastelement ausgebildeten Referenzlehrring der Rundheitsmessvorrichtung ausgeführt werden,
3. Berechnung von Lage und Orientierung der Symmetrieachse des bekannten Lehrringes im Koordinatensystem des Koordinatenmessgerätes mit Hilfe der in der Koordinatenmesstechnik bekannten Algorithmen,
4. Messung der Rundheit des bekannten Lehrringes mit Hilfe der Rundheitsmessvorrichtung,
5. Herausrechnen einer durch die Differenz von Lage und Orientierung der beiden Achsen (Zylinderachse des Referenzlehrringes der Rundheitsmessvorrichtung und Symmetrieachse des bekannten Lehrringes) verursachte Ellipti zität des Rundheitsmessergebnisses, wobei für die Lage und Orientierung der Zylinderachse des Referenzlehrringes der Rundheitsmessvorrichtung ein Ausgangswert angenommen wird, der sich aus dem mechanischen Aufbau der Rundheitsmessvorrichtung ergibt,
6. Kalibrierung beziehungsweise Korrektur der Orientierung und Lage der Zylinderachse des Referenzlehrringes der Rundheitsmessvorrichtung des Koordinatenmessgerätes mit Hilfe der verbliebenen Restelliptizität des Rundheitsmessergebnisses.

Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Koordinatenmessgerät zur Durchführung einer Rundheitsmessung an einem Werkstück mit einem optischen Taster mit wenigstens einer Lichtquelle zur Erzeugung wenigstens eines Beleuchtungsstrahles mit wenigstens einer Vorrichtung zur Aufteilung des Beleuchtungsstrahles in wenigstens zwei Beleuchtungsstrahlteile, von denen einer als ein von dem Werkstück zu reflektierender Messstrahl ausgesendet wird, wobei eine um eine Drehachse drehbare Vorrichtung des optischen Tasters vorgesehen ist, die einen Beleuchtungsstrahlteil bei Drehung um seine Drehachse so führt, dass von ihm eine Ebene aufgespannt wird, die die Werkstückoberfläche unter einem Winkel von annähernd 90° schneidet und mit einem einen anderen Beleuchtungsstrahlteil als Referenzstrahl reflektierenden Referenzkörper, der als Ringspiegel ausgebildet und relativ zur Werkstückhaltevorrichtung und damit zum Werkstück ortsfest angeordnet ist, und dessen Zylinderachse mit der Drehachse der drehbaren Vorrichtung des optischen Tasters wenigstens annähernd zusammenfällt, und mit wenigstens einer Vorrichtung zur Erfassung der Änderung der Differenz der optischen Weglängen des Referenzstrahles und des Messstrahles.

Dadurch, dass der Referenzkörper ringförmig ausgebildet und relativ zum Werkstück ortsfest angeordnet ist, fallen Rundlaufabweichungen der Drehachse der Rundheitsmessvorrichtung, die auf Referenz- und Messstrahl die gleichen Auswirkungen haben, bei der Detektion der Änderung der Differenz der optischen Weglängen von Referenz- und Messstrahl heraus.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Referenzkörper als Lehrring ausgebildet (im Folgenden als Referenzlehrring bezeichnet). Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat dieser Referenzlehrring eine als Ringspiegel ausgebildete Innenseite, damit bei feststehendem Referenzlehrring und drehender Optik der Referenzstrahl bei Drehungen über den gesamten Umfang von 360° reflektiert wird.

Vorteilhaft ist ein Strahlteiler zur Aufteilung des Beleuchtungsstrahles in einen ersten den Referenzlehrring abtastenden Beleuchtungsstrahlteil und einen zweiten Beleuchtungsstrahlteil, der über wenigstens einen Umlenkspiegel auf das Werkstück gerichtet wird, vorgesehen, und der Strahlteiler und der wenigstens eine Umlenkspiegel sind relativ zueinander ortsfest auf einer gemeinsamen Drehachse angeordnet.

Um auch Außenkonturen eines Werkstückes abtasten zu können, sind vorteilhaft weitere Umlenkspiegel vorgesehen.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Referenzlehrring selbst als Antastelement ausgebildet. Hierdurch ist es möglich, mit dem Referenzlehrring die Kontur des Werkstückes abzutasten. Über diese Abtastung kann rechnerisch die Fluchtung der Symmetrieach sen von Referenzlehrring und Werkstück bestimmt werden. Bei dem Werkstück werden beispielsweise zwei Kreise angetastet. Über die Bestimmung der zwei Mittelpunkte der Kreise kann die Symmetrieachse des Werkstückes ermittelt werden.

Die Lage und Orientierung der Zylinderachse des Referenzlehrringes im Koordinatensystem des Koordinatenmessgerätes kann ebenfalls bestimmt werden, indem anstelle des Werkstückes als Prüfling ein Lehrring verwendet wird und das oben beschriebene Kalibrierverfahren angewendet wird.

Der als Antastelement ausgeführte Referenzlehrring ist mit einer innen verspiegelten Oberfläche versehen. Der Referenzlehrring ist, wie schon ausgeführt, relativ zum Werkstück ortsfest angeordnet, während sich die innen angeordnete Optik dreht. Eine mögliche Ausführungsform besteht hierbei in ineinander greifenden Rohren, die drehbar zueinander angeordnet sind. An einem ersten Rohr kann die Optik angeordnet sein, während an einem zweiten Rohr der Lehrring angeordnet ist. Das zweite die Optik tragende Rohr ist in diesem Falle drehbar in dem ersten Rohr angeordnet.

Der als Antastelement ausgebildete Referenzlehrring kann beispielsweise als Kugel oder Kugelausschnitt, beispielsweise in Form eines Scheibentasters ausgebildet sein.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist es möglich, statt der Umlenkspiegel eine Strahlführung mittels geeigneter Lichtleitfaseroptiken durchzuführen.

Es ist auch möglich, weitere optische Elemente vorzusehen. Zum Beispiel können Abbildungsoptiken in den Strahlengang eingebaut werden, um den Beleuchtungsstrahl in bekannter Weise zu konditionieren. Es ist auch möglich, eine Fokussierungsoptik im Beleuchtungsstrahlengang vorzusehen, damit der Messfleck auf dem Werkstück einen vorbestimmten Durchmesser erhält. Es ist weiterhin möglich, polarisationsoptische Maßnahmen zur besseren Strahlaufteilung in den Strahlteilern vorzusehen und damit eine Erhöhung der Lichtausbeute zu erzielen.

Die gesamte Vorrichtung, das heißt die Rundheitsmessvorrichtung ist vorteilhaft an einer so genannten Taststiftaufnahme angeordnet und kann in bekannter Weise in einen Tastkopf eines Koordinatenmessgerätes eingewechselt werden.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich anhand der zugehörigen Zeichnung, in der mehrere Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Rundheitsmessung nur beispielhaft dargestellt sind. In der Zeichnung zeigen:
1 eine Prinzipskizze einer Rundheitsmessvorrichtung zur Antastung einer Innenkontur eines Werkstückes im Längsschnitt;
2 eine Prinzipskizze einer Rundheitsmessvorrichtung zur Antastung einer Außenkontur im Längsschnitt;
3 einen Tastkopf mit Rundheitsmessvorrichtung und als Antastelement ausgeführter Referenzlehrring im Längsschnitt.
1 zeigt eine Rundheitsmessvorrichtung (1) mit einer Lichtquelle (2), deren Lichtstrahl – im Folgenden Be leuchtungsstrahl (5) genannt – über einen ersten Strahlteiler (3) auf einen zweiten Strahlteiler (4) gelangt und dort aufgespalten wird. Ein Beleuchtungsteilstrahl (6) des Beleuchtungsstrahles (5) geht gerade durch den zweiten Strahlteiler (4) hindurch. Ein zweiter Beleuchtungsteilstrahl (7) wird um 90° abgelenkt und trifft auf einen Referenzlehrring (8), von dem er reflektiert und als Referenzstrahl (9) vom zweiten Strahlteiler (4) wieder zum ersten Strahlteiler (3) zurückgeworfen wird. Der erste Beleuchtungsteilstrahl (6), der gerade durch den zweiten Strahlteiler (4) hindurchgeht, wird über einen Umlenkspiegel (10) auf ein Werkstück (11) gerichtet und von dort als Messstrahl (12) reflektiert. Referenzstrahl (9) und Messstrahl (12) werden am ersten Strahlteiler (3) ausgekoppelt und interferieren an einem Fotodetektor (13).
Der zweite Strahlteiler (4) und der Umlenkspiegel (10) – und gegebenenfalls weitere Umlenkspiegel – sind relativ zueinander ortsfest auf einer Drehachse (14) angeordnet, die im Wesentlichen in Richtung des Beleuchtungsstrahles (5) orientiert ist und mit einer Symmetrieachse (16) des Merkmales des Werkstückes (11), dessen Rundheit gemessen werden soll, im Wesentlichen zusammenfällt.
Statt des Umlenkspiegels (10) ist auch eine Strahlführung mittels geeigneter Lichtleitfaseroptiken möglich.
Der Referenzlehrring (8), dessen Zylinderachse (16) mit der Drehachse (14) zusammenfällt, ist relativ zum Werkstück (11) ortsfest angeordnet.
Während der Rundheitsmessung bewegt sich nur die Drehachse (14), so dass der Messstrahl (12) eine Ebene auf spannt, die eine Oberfläche (17) des Werkstückes (11) schneidet.
Dadurch, dass am Fotodetektor (13) die Änderung der Differenz der optischen Weglängen von Referenzstrahl (9) und Messstrahl (12) gemessen werden, fallen Rundlaufabweichungen der Drehachse (14), die auf den Referenzstrahl (9) und den Messstrahl (12) die gleichen Auswirkungen haben, heraus.
Der zweite Strahlteiler (4) und der Umlenkspiegel (10) sind in einem Gehäuse (22) angeordnet.
2 zeigt die Rundheitsmessvorrichtung (1) mit der Lichtquelle (2), dem ersten Strahlteiler (3), dem zweiten Strahlteiler (4) sowie dem relativ zu dem Werkstück (21) ortsfest angeordneten Referenzlehrring (8) und dem Fotodetektor (13). Der Beleuchtungsteilstrahl (6) wird von dem Umlenkspiegel (10) auf einen weiteren Umlenkspiegel (18) gelenkt, von dort auf einen weiteren Umlenkspiegel (19) und auf eine Außenkontur (20) des Werkstückes (21). Für die Anordnung der Umlenkspiegel (10, 18, 19) und den Strahlteiler (4) ist ein Gehäuse (22) vorgesehen. Durch die Umlenkung des Beleuchtungsstrahles (6) und im gleichen Maße des Messstrahles (12) ist es möglich, die Außenkontur (20) des Werkstückes (21) anzutasten. Das Gehäuse (22) dreht sich mit der Drehachse (14) der Rundheitsmessvorrichtung (1) entsprechend mit.
3 zeigt einen taktilen Tastkopf (23), der als schaltender oder messender Tastkopf (23) ausgebildet ist. An dem Tastkopf (23) ist die Rundheitsmessvorrichtung (1) über eine Tasterwechselschnittstelle (24) auswechselbar angeordnet. Der Lichtstrahl der Lichtquelle (2) gelangt, wie in 1 beschrieben, über den ersten Strahlteiler (3) auf den zweiten Strahlteiler (4) und wird dort aufgespalten. Der Beleuchtungsteilstrahl (6) geht gerade durch den Strahlteiler (4) hindurch, der zweite Beleuchtungsteilstrahl (7) wird um 90° abgelenkt und trifft auf den als Antastelement (25) ausgebildeten Referenzlehrring (8) mit innen verspiegelter Oberfläche (26). von der Oberfläche (26) des Referenzlehrringes (8) wird der Beleuchtungsteilstrahl (7) als Referenzstrahl reflektiert und vom zweiten Strahlteiler (4) wieder zum ersten Strahlteiler (3) zurückgeworfen. Der erste Beleuchtungsteilstrahl (6), der gerade durch den zweiten Strahlteiler (4) hindurchgeht, wird über den Umlenkspiegel (10) auf das Werkstück (11) gerichtet und von dort als Messstrahl (12) reflektiert. Der Referenzstrahl (9) und der Messstrahl (12) werden am ersten Strahlteiler (3) ausgekoppelt und interferieren an dem Fotodetektor (13).
Der zweite Strahlteiler (4) und der Umlenkspiegel (10) sind relativ zueinander ortsfest auf der Drehachse (14) angeordnet, die im Wesentlichen in Richtung des Beleuchtungsstrahles (5) orientiert ist und mit der Symmetrieachse (16) des Merkmales des Werkstückes (11), dessen Rundheit gemessen werden soll, im Wesentlichen zusammenfällt.
Während der Rundheitsmessung bewegt sich nur die Drehachse (14), so dass der Messstrahl (12) eine Ebene aufspannt, die die Oberfläche (17) des Werkstückes (11) schneidet.
In 3 ist die feste Anordnung des Antastelementes (25) an dem Gehäuse (22), das als Tasterschaft ausgebildet sein kann, dargestellt. Die drehbare Anordnung der Optik, beispielsweise über ein zweites Rohr, ist nicht dargestellt.
Dadurch, dass am Fotodetektor (13) die Änderung der Differenz der optischen Weglängen von Referenzstrahl (9) und Messstrahl (12) gemessen werden, fallen Rundlaufabweichungen der Drehachse (14), die auf den Referenzstrahl (9) und den Messstrahl (12) die gleichen Auswirkungen haben, heraus.
Die Rundheitsmessvorrichtung (1) ist an der Tasterwechselschnittstelle (24) in bekannter Weise an den Tastkopf (23) eines Koordinatenmessgerätes (nicht dargestellt) angeordnet. Vor der Rundheitsmessung wird die Lage und Orientierung der Zylinderachse des Referenzlehrringes (8) im Koordinatensystem des Koordinatenmessgerätes mittels der oben angegebenen Kalibriervorschrift ermittelt.

1: Rundheitsmessvorrichtung
2: Lichtquelle
3: erster Strahlteiler
4: zweiter Strahlteiler
5: Beleuchtungsstrahl
6: Beleuchtungsteilstrahl
7: Beleuchtungsteilstrahl
8: Referenzlehrring
9: Referenzstrahl
10: Umlenkspiegel
11: Werkstück
12: Messstrahl
13: Fotodetektor
14: Drehachse
15: Symmetrieachse des Werkstückes (11)
16: Zylinderachse des Lehrringes (8)
17: Oberfläche des Werkstückes
18: Umlenkspiegel
19: Umlenkspiegel
20: Außenkontur des Werkstückes (21)
21: Werkstück
22: Gehäuse
23: Tastkopf
24: Tasterwechselschnittstelle
25: Antastelement
26: verspiegelte Oberfläche des Referenzlehrringes (8)

Claims

Verfahren zur Rundheitsmessung an zylindrischen oder hohlzylindrischen Oberflächenabschnitten eines Werkstückes mit einer Rundheitsmessvorrichtung eines Koordinatenmessgerätes mit einem optischen Taster, der eine um eine Drehachse drehbare Vorrichtung aufweist, mit folgenden Verfahrensschritten: – es wird wenigstens ein Beleuchtungsstrahl (5) in wenigstens zwei Beleuchtungsstrahlteile (6, 7) aufgeteilt, – der erste Beleuchtungsstrahlteil (6) wird so durch die drehbare Vorrichtung des optischen Tasters auf das Werkstück (11, 21) gerichtet und die drehbare Vorrichtung des optischen Tasters wird so um ihre Drehachse gedreht, dass der erste Beleuchtungsstrahlteil eine Ebene aufspannt, die die werkstückoberfläche unter einem Winkel von annähernd 90° schneidet, und von dort als Messstrahl (12) reflektiert wird, – der zweite Beleuchtungsstrahlteil (7) wird auf einen als Ringspiegel ausgebildeten Referenzlehrring (8) gerichtet und von dem Referenzlehrring (8) als Referenzstrahl (9) reflektiert, wobei der als Ringspiegel ausgebildete Referenzlehrring (8) relativ zu einer Werkstückhaltevorrichtung und damit zum Werkstück (11, 21) ortsfest gehalten wird, und wobei eine Zylinderachse (16) des Referenzlehrringes (8) mit der Drehachse (14) der drehbaren Vorrichtung des optischen Tasters wenigstens annähernd zusammenfällt, – und es wird eine Änderung der Differenz der optischen Weglängen des Referenzstrahles (9) und des Messstrahles (12) erfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem als Antastelement (25) ausgebildeten Refe renzlehrring (8) das Werkstück (11, 21) angetastet und die Lage und Orientierung einer Symmetrieachse (15) des Werkstückes (11) im maschineneigenen Koordinatensystem des Koordinatenmessgerätes bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem eingewechselten Taster das Werkstück (11, 21) angetastet und die Lage und Orientierung einer Symmetrieachse (15) des Werkstückes (11) im maschineneigenen Koordinatensystem des Koordinatenmessgerätes bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kalibriervorgang durchgeführt wird, bei dem die Lage und die Orientierung der Zylinderachse des Referenzlehrringes (8) der Rundheitsmessvorrichtung (1) im maschineneigenen Koordinatensystem des Koordinatenmessgerätes bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: a) Aufspannen eines Lehrringes mit bekannter Rundheit auf das Koordinatenmessgerät, so dass seine Symmetrieachse im Wesentlichen parallel zur Zylinderachse des Referenzlehrringes (8) der Rundheitsmessvorrichtung (1) orientiert ist, b) Einmessen der Symmetrieachse des bekannten Lehrringes durch taktile Antastungen unter Verwendung der in den taktilen Tastkopf eingewechselten Rundheitsmessvorrichtung (1) oder eines separat eingewechselten Tasters, c) Berechnung von Lage und Orientierung der Symmetrieachse des bekannten Lehrringes im Koordinatensystem des Koordinatenmessgerätes mit Hilfe der in der Koordinatenmesstechnik bekannten Algorithmen, d) Messung der Rundheit des bekannten Lehrringes mit Hilfe der Rundheitsmessvorrichtung, e) Herausrechnen einer durch die Differenz von Lage und Orientierung der beiden Achsen (Zylinderachse des Referenzlehrringes (8) der Rundheitsmessvorrichtung (1) und Symmetrieachse des bekannten Lehrringes) verursachte Elliptizität des Rundheitsmessergebnisses, wobei für die Lage und Orientierung der Zylinderachse des Referenzlehrringes (8) der Rundheitsmessvorrichtung (1) ein Ausgangswert angenommen wird, der sich aus dem mechanischen Aufbau der Rundheitsmessvorrichtung (1) ergibt, f) Kalibrierung und/oder Korrektur der Orientierung und Lage der Zylinderachse des Referenzlehrringes (8) der Rundheitsmessvorrichtung (1) des Koordinatenmessgerätes mit Hilfe der verbliebenen Restelliptizität des Rundheitsmessergebnisses.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle der Antastung mit eingewechselter Rundheitsmessvorrichtung (1) die Antastungen mit dem als Antastelement ausgebildeten Referenzlehrring (8) der Rundheitsmessvorrichtung (1) ausgeführt werden.
Koordinatenmessgerät zur Durchführung einer Rundheitsmessung an einem Werkstück (11, 21) mit einem optischen Taster mit einer um eine Drehachse drehbaren Vorrichtung, bestehend aus – wenigstens einer Lichtquelle (2) zur Erzeugung wenigstens eines Beleuchtungsstrahles (5), – wenigstens einer Vorrichtung (3, 4) zur Aufteilung des Beleuchtungsstrahles (5) in wenigstens zwei Beleuchtungsstrahlteile (6, 7), von denen einer (6) von der drehbaren Vorrichtung des optischen Tasters geführt als ein von dem Werkstück (11, 21) zu reflektierender Messstrahl (12) ausgesendet wird, – einem einen anderen Beleuchtungsstrahlteil (7) als Referenzstrahl (9) reflektierenden Referenzlehrring (8), der als Ringspiegel ausgebildet und relativ zur Werkstückhaltevorrichtung ortsfest gehalten werden kann, und dessen Zylinderachse (16) mit der Drehachse (14) der drehbaren Vorrichtung des optischen Tasters wenigstens annähernd zusammenfällt, – und wenigstens einer Vorrichtung (13) zur Erfassung der Änderung der Differenz der optischen Weglängen des Referenzstrahles (9) und des Messstrahles (12).
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzlehrring (8) als hochgenauer Prüfkörper ausgebildet ist.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strahlteiler (4) zur Aufteilung des Beleuchtungsstrahles (5) in einen ersten den Referenzlehrring (8) abtastenden Beleuchtungsstrahlteil (7) und einen zweiten Beleuchtungsstrahlteil (6), der über wenigstens einen Umlenkspiegel (10, 18, 19) auf das Werkstück (11, 21) gerichtet wird, vorgesehen ist, und dass der Strahlteiler (4) und der wenigstens eine Umlenkspiegel (10, 18, 19) relativ zueinander ortsfest so an der drehbaren Vorrichtung des optischen Tasters angeordnet sind, dass sie eine gemeinsame Drehachse (14) aufweisen.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abtastung einer Außenkontur (20) des Werkstückes (21) weitere Umlenkspiegel (18, 19) vorgesehen sind.
Koordinatenmessgerät nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzlehrring (8) als Antastelement (25) ausgebildet ist.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkontur des Referenzlehrringes (8) als Tastkugel oder Tastkugelabschnitt ausgebildet ist.
Koordinatenmessgerät nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Umlenkung des Beleuchtungsstrahlteiles (6) Lichtleitfaseroptiken vorgesehen sind.
Koordinatenmessgerät nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass weitere optische Elemente vorgesehen sind.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass als optische Elemente Abbildungsoptiken und/oder polarisationsoptische Elemente vorgesehen sind.