DE102007004934B4

DE102007004934B4 - Prüfverfahren für positionierende Maschinen

Info

Publication number: DE102007004934B4
Application number: DE200710004934
Authority: DE
Inventors: Heinrich Iven Dr. Schwenke; David Nabs
Original assignee: Bundesrepublik Deutschland; Etalon AG; Bundesministerium fuer Wirtschaft und Technologie
Current assignee: Bundesrepublik Deutschland; Etalon AG; Bundesministerium fuer Wirtschaft und Technologie
Priority date: 2007-01-26
Filing date: 2007-01-26
Publication date: 2010-12-23
Anticipated expiration: 2027-01-27
Also published as: DE102007004934A1

Abstract

Prüfverfahren zum Prüfen von positionierenden Maschinen (10), wobei die Maschine (10) einen Endeffektor (28) aufweist, unter Verwendung eines Längenmesssystems (22), das ausgebildet ist, um mit einem Laserstrahl dem Endeffektor (28) zu folgen, mit den Schritten:
– Ermitteln von Koordinaten (r →_M) eines Drehmittelpunkts (M) eines in einem Arbeitsraum der Maschine (10) positionierten drehbaren Längenmesssystems (22),
– Positionieren des Endeffektors (28) auf mindestens zwei Positionen (p_i), die im Wesentlichen auf einer Gerade (g_i) liegen, die durch den Drehmittelpunkt (M) des drehbaren Längenmesssystems (22) verläuft, und jeweils Erfassen von Koordinaten (p →_i) des Endeffektors (28),
– Messen mindestens einer Abstandsdifferenz (Δd'_i,LMS) zwischen Abständen (d'_i) von den mindestens zwei Positionen (p_i) jeweils zu dem Drehmittelpunkt (M) mittels des drehbaren Längenmesssystems (22),
– Errechnen der mindestens einen Abstandsdifferenz (Δd'_i) aus den jeweiligen Koordinaten (p →_i) des Endeffektors (28) und
– Vergleichen der mindestens einen gemessenen Abstandsdifferenz (Δd'_i,LMS) mit der mindestens einen errechneten...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen von positionierenden Maschinen auf geometrische Fehler und eine positionierende Maschine.
Positionierende Maschinen, wie beispielsweise Werkzeugmaschinen, Roboter oder Koordinatenmessmaschinen müssen in regelmäßigen Abständen darauf überprüft werden, ob sie vorgegebene Genauigkeiten einhalten. Bei bisherigen Verfahren werden dazu kalibrierte oder geeichte Längenendmaße in einem Arbeitsraum der positionierenden Maschine, beispielsweise der Koordinatenmessmaschine, eingebracht und angetastet, um so deren Länge mit der Koordinatenmessmaschine zu bestimmen. Das erhaltene Messergebnis wird anschließend mit dem Soll-Ergebnis verglichen. Wenn das gemessene Ergebnis zu stark von dem Soll-Ergebnis abweicht, muss die Koordinatenmessmaschine neu kalibriert werden. Um den Aufwand zum Prüfen von positionierenden Maschinen, wie Koordinatenmessmaschinen in vertretbaren Grenzen zu halten, werden lediglich Messungen entlang der Achsen der Maschinen und zusätzlich entlang ausgewählter Diagonalen durchgeführt.
Besonders bei Koordinatenmessmaschinen, die zum Vermessen von großen Objekten beispielsweise in der Automobilindustrie ausgebildet sind, bringt das Prüfen auf geometrische Fehler einen erheblichen Aufwand mit sich. Um Fehler beim Prüfen zu vermeiden, muss zudem speziell geschultes Personal eingesetzt werden, was teuer ist.
Aus der WO 93/084499 A1 ist ein Prüfverfahren bekannt, bei dem zunächst das Laser-Längenmesssystem in der positionierenden Maschine angeordnet wird. Anschließend wird der Laserstrahl über einen drehbaren Spiegel auf einer vorbestimmten Position fest eingestellt. Nachfolgend wird der Endeffektor von der positionierenden Maschine in der Nähe des Laserstrahls bewegt und dabei die Intensität des Laserstrahls gemessen, der von dem Endeffektor reflektiert wird. Aus den Lichtintensitätsänderungen und den zugehörigen Positionsdaten des Endeffektors wird das Maximum bestimmt. So wird ein Punkt erhalten, der auf dem Laserstrahl liegt. Diese Prozedur wird für mindestens zwei, bevorzugt aber mehrere Punkte wiederholt und nachfolgend wird eine Ausgleichsgerade berechnet, die die gemessenen Punkte bestmöglich interpoliert. Auf dieser Geraden muss der Drehmittelpunkt des Laser-Längenmesssystems liegen.
Das beschriebene Vorgehen wird für mehrere Geraden durchgeführt und es wird ein Punkt berechnet, der mit der besten Näherung den Schnittpunkt aller so berechneten Geraden angibt. Dieser Punkt wird als Drehmittelpunkt des Laser-Längenmesssystems angenommen. Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass beim Ermitteln derjenigen Punkte, in denen der Laserstrahl maximal reflektiert wird, die Intensitätsdaten mit den Lagedaten des Endeffektors synchronisiert werden müssen. Es muss nämlich für jede Position des Endeffektors, die in Maschinenkoordinaten gemessen wird, die Intensität ermittelt werden, die das vom Endeffektor reflektierte Licht besitzt. Das ist besonders dann nachteilig, wenn eine Vielzahl unterschiedlicher positionierender Maschinen nacheinander geprüft werden sollen. Bei jeder neuen positionierenden Maschine muss zunächst die Synchronität zwischen der Messung der Intensität des reflektierten Laserstrahls und der Messung der Position des Endeffektors sichergestellt werden, was aufwändig ist.
Aus der DE 103 19 711 A1 ist ein Verfahren zur hochgenauen dimensionalen Messung an Messobjekten bekannt. Bei diesem Verfahren wird das zu vermessende Messobjekt in einer Koordinatenmessmaschine angeordnet. Anschließend wird ein Taster, an dem ein Messreflektor angebracht ist, auf das Messobjekt zugestellt und so angetastet. Durch dieses Verfahren wird die Messgenauigkeit für Koordinatenmessmaschinen erhöht. Nachteilig an dem Verfahren ist, dass es die Existenz von zu prüfenden Messobjekten voraussetzt, was erfindungsgemäß gerade vermieden werden soll.
Aus der DE 44 10 267 A1 ist ein Verfahren zur Kalibrierung von Maschinen bekannt, bei dem ebenfalls ein Gebilde verwendet wird, um unter Verwendung eines Tastkopfes und eines Interferometers eine Kalibrierung durchzuführen. Nachteilig ist auch hier, dass ein Gebilde notwendig ist, was bei der Erfindung gerade vermieden werden soll.
Aus der US 2004/0153273 A1 ist ein Verfahren zum Kalibrieren einer Koordinatenmessmaschine bekannt. Bei diesem Verfahren wird mit einem Endeffektor eine Vielzahl von Positionen angefahren. Dabei wird der Endeffektor mit einem Laserstrahl eines Interferometers verfolgt. Anhand eines mathematischen Modells der Koordinatenmessmaschine kann so auf systematische Fehler geschlossen werden. Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass es zeitaufwändig ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Laser-Längenmesssystem und ein Verfahren zum Prüfen von positionierenden Maschinen anzugeben, die es erlauben, eine Vielzahl von unterschiedlichen positionierenden Maschinen in schneller Zeit und mit geringem apparativem Aufwand zu prüfen. Die Erfindung löst das Problem durch ein Prüfverfahren mit Merkmalen von Anspruch 1, gemäß einem zweiten Aspekt durch eine positionierende Maschine mit den Merkmalen von Anspruch 10.
Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass sie sehr schnell durchführbar ist. Bei gleichem Prüfaufwand kann daher häufiger auch ein Überschreiten der spezifizierten Messge nauigkeit überprüft werden, was die Fertigungssicherheit in Prozessen erhöht, die mit derartigen positionierenden Maschinen überwacht bzw. durchgeführt werden.
Ein weiterer Vorteil ist, dass das erfindungsgemäße Verfahren durch nur eine Person und damit kostengünstig und mit geringem personellen Aufwand durchführbar ist. Zudem erfordert die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine im Vergleich zu bisherigen Verfahren relativ geringe Qualifikation.
Ein weiterer Vorteil ist, dass sperrige Prüfkörper (z. B. Längenendmaße, Kugelstäbe) entbehrlich werden. Eine Prüfung umfasst Messung an Prüfkörpern in Richtungen, die nicht der Richtung einer Maschinenachse entsprechen, um beispielsweise eine Rechtwinkligkeitsabweichung bei einer positionierenden Maschine mit senkrecht aufeinander stehenden Achsen zu erkennen. Insbesondere bei Koordinatenmessmaschinen oder Werkzeugmaschinen mit einem großen Arbeitsraum ist die Bereitstellung von Prüfkörpern, die einen Großteil des Arbeitsraums der Maschine abdecken, aufwändig und teuer. Werden in einem Unternehmen Koordinatenmessmaschinen mit deutlich unterschiedlich großen Arbeitsräumen vorgehalten, so muss für jede der Koordinatenmessmaschine ein eigener Prüfkörper vorgehalten werden. Das ist aufwändig und damit kostenintensiv.
Vorteilhaft ist außerdem, dass als drehbares Längenmesssystem ein Laserinterferometer eingesetzt werden kann. Aufgrund der hohen erreichbaren Messgenauigkeit derartiger Laserinterferometer ist die Bestimmung der Messungenauigkeit selbst vor teilhafterweise mit einer nur geringen Unsicherheit behaftet ist. Aufgrund dieser geringen Unsicherheit können zulässige Genauigkeitsanforderungen für die positionierende Maschine voll ausgeschöpft werden, so dass überflüssige Kalibrierungen entfallen.
Es stellt einen weiteren Vorteil dar, dass zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens geringere Anforderungen an das Bedienpersonal gestellt werden können. Das erfindungsgemäße Verfahren ist daher auch ohne speziell für das Prüfen geschultes Personal möglich und kann beispielsweise von Bedienern der positionierenden Maschine selbst durchgeführt werden. Schließlich ist es ein Vorteil, dass das Verfahren weitgehend automatisch durchgeführt werden kann. Fehlbedienungen können so weitgehend ausgeschlossen werden.
Unter einem Verfahren zum Prüfen auf geometrische Fehler wird insbesondere ein Verfahren verstanden, was durchgeführt wird, um eine Aussage darüber zu erhalten, ob die positionierende Maschine eine vorgegebene Messgenauigkeit überschreitet und damit nachkalibriert werden muss. Ein Verfahren zum Prüfern auf geometrische Fehler kann daher als Ergebnis eine Messgenauigkeit der positionierenden Maschine liefern oder einfach die binäre Aussage, ob eine vorgegebene Messgenauigkeit eingehalten wird oder nicht.
Unter einer positionierenden Maschine wird insbesondere jede Maschine verstanden, mittels derer ein Endeffektor in einem Arbeitsraum an einer frei vorgegebenen Position positioniert werden kann. Unter einer positionierenden Maschine sind also sowohl Maschinen zu verstehen, die eine Position erfassen, wie beispielsweise Koordinatenmessmaschinen, als auch solche Maschinen, die eine vorgegebene Position aktiv anfahren, wie beispielsweise Werkzeugmaschinen oder Roboter. Unter einer positionierenden Maschine werden insbesondere nur solche Maschinen verstanden, die den Endeffektor an einer frei wählbaren Stelle im dreidimensionalen bzw. im zweidimensionalen Raum positionieren können. Maschinen, die den Endeffektor lediglich entlang einer Achse verschieben können, werden nicht als positionierende Maschine betrachtet.
Unter einem Endeffektor wird insbesondere diejenige Komponente einer positionierenden Maschine verstanden, die frei im Raum positioniert werden soll. Wenn die positionierende Maschine eine Koordinatenmessmaschine ist, ist der Endeffektor beispielsweise ein Antastsystem. Handelt es sich bei der positionierenden Maschine um eine Fräsmaschine, so ist der Endeffektor beispielsweise eine Werkzeugspindel.
Unter dem Drehmittelpunkt des drehbaren Längenmesssystems wird insbesondere der Schnittpunkt aller derjenigen Geraden verstanden, die in die Richtungen verlaufen, in die das Längemesssystem messen kann. Wenn es sich bei dem drehbaren Längenmesssystem um ein Laserinterferometer handelt, ist der Drehmittelpunkt insbesondere der Schnittpunkt aller Geraden durch mögliche Laserstrahlen.
Sofern nichts Abweichendes ausgesagt ist, werden unter den Koordinaten stets die durch die positionierende Maschine gemessenen bzw. angefahrenen Koordinaten verstanden.
Die Gerade, die durch den Drehmittelpunkt des drehbaren Längenmesssystems verläuft, ist insbesondere so gewählt, dass sie nicht parallel zu einer Vorschub- bzw. Messachse der positionierenden Maschine verläuft. Beispielsweise ist ein Winkel α, den diese Gerade mit einer Vorschub- bzw. Messachse bildet, größer als 5°. Alternativ ist aber auch die Messung entlang der Verfahrachse möglich.
Das Merkmal, dass die mindestens zwei Positionen und der Drehmittelpunkt des drehbaren Längenmesssystems im Wesentlichen auf der Geraden liegen, ist insbesondere dahingehend zu verstehen, dass es nicht notwendig ist, dass die Positionen streng mathematisch auf der Geraden liegen. Eine Lageabweichung führt zu einem Kosinusfehler, also einem Fehler, bei dessen Berechnung der Kosinus des Winkels zwischen der Geraden und einer Verbindungsgeraden durch die tatsächlichen Positionen eingeht. Dieser Fehler ist in der Regel klein, so dass er vernachlässigt werden kann. Die Positionen liegen insbesondere dann im Wesentlichen auf der Geraden, wenn der entstehende Fehler vernachlässigt werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zum Ermitteln der Koordinaten des Drehmittelpunkts des in dem Arbeitsraum der Maschine positionierten drehbaren Längenmesssystems (Schritt (a)) die folgenden Schritte: (a1) Positionieren des Endeffektors, anschließend (a2) Anpeilen des Endeffektors mit dem drehbaren Längenmesssystem, (a3) Erfassen der Koordinaten des Endeffektors durch die positionierende Maschine, (a4) Erfassen einer Winkellage, unter der der Endeffektor angepeilt wird, mit dem drehbaren Längenmesssystem, (a5) Wiederholen der Schritte (a1) bis (a4), bis die Koordinaten des Drehmittelpunkts des drehbaren Längenmesssystems ermittelbar sind, und (a6) Ermitteln der Koordinaten des Drehmittelpunkts des drehbaren Längenmesssystems.
Alternativ oder additiv umfasst der Schritt des Ermittelns der Koordinaten des Drehmittelpunkts des drehbaren Längenmesssystems die folgenden Schritte: (a1) Positionieren des Endeffektors auf mindestens drei Positionen, insbesondere auf vier Positionen, (a2) Messen von Abstandsdifferenzen zwischen den Abständen der mindestens drei Positionen jeweils zu dem Drehmittelpunkt mit dem drehbaren Längenmesssystem und (a3) Ermitteln der Koordinaten des Drehmittelpunkts des drehbaren Längenmesssystems aus den gemessenen Abständen.
Besonders vorteilhaft hieran ist, dass das drehbare Längenmesssystem nicht mit Winkelsensoren ausgestattet sein muss.
Bevorzugt wird ein relativ messendes Längenmesssystem in Form eines Interferometers, insbesondere eines Laserinterferometers eingesetzt. Alternativ wird als Längenmesssystem ein absolut messendes Längenmesssystem eingesetzt. Laserinterferometer weisen eine hohe Messgenauigkeit auf, so dass die Prüfung auf geometrische Fehler mit einer hohen Genauigkeit durchgeführt werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren zudem die Schritte: (g) Anordnen eines kalibrierten Endmaßes, das Antastflächen aufweist, in einer Nähe der Geraden, so dass eine Antastflächenverbindungsgerade, die senkrecht zu den Antastflächen verläuft, im Wesentlichen parallel zu der Geraden ist, (h) Antasten der Antastflächen mit einer Antastvorrichtung der Maschine, so dass An tastkoordinaten erhalten werden, (i) Ermitteln eines Abstands der beiden Antastflächen aus den Antastkoordinaten und (j) Vergleichen des ermittelten Abstands mit einem Soll-Abstand.
Durch diese zusätzlichen Schritte wird ein Verfahren zum Prüfen von Koordinaten-Messgeräten nach ISO 10360-2 erhalten, indem auch die Funktion eines Tastsystems entlang der Messlinie geprüft wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren den zusätzlichen Schritt: vor Schritt (b) Ausgeben einer grafischen Information an einen Benutzer der Maschine, die verschiedene mögliche Geraden, die durch den Drehmittelpunkt des drehbaren Längenmesssystems verlaufen, enthält. Diese Geraden können beispielsweise so gewählt sein, dass sie einer vorgegebenen Norm entsprechen oder dass es sich um die gleichen Geraden handelt, die bei einem vorhergehenden Prüfen der gleichen Maschine gewählt worden sind.
Ein bevorzugtes Verfahren umfasst zudem den Schritt des Ausgebens eines Signals, wenn der gemessene Abstand um ein vorgegebenes Maß von dem errechneten Abstand abweicht. Alternativ oder additiv wird auch dann ein Signal ausgegeben, wenn eine kumulierte Ungenauigkeit ein vorgegebenes Maß überschreitet. Dieses Signal kann, muss aber nicht vom Menschen wahrnehmbar sein. Insbesondere kann das Signal dazu führen, dass die positionierende Maschine ohne vorhergehende Neukalibrierung nicht mehr verwendet werden kann oder, in dem Fall, in dem es sich um eine Koordinatenmessmaschine handelt, alle im Folgenden und vor einer Neukalibrierung ausgegebenen Messergebnisse mit einer entsprechenden Warnmeldung versehen werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
1 eine Koordinatenmessmaschine, in deren Arbeitsraum ein drehbares Längenmesssystem positioniert ist, wobei schematisch verschiedene Positionen eines Endeffektors gezeigt sind, die zum Ermitteln von Ko ordinaten des Drehmittelspunkts angefahren werden.
2 zeigt die Koordinatenmessmaschine nach 1 und mehrere Geraden, die durch den Drehmittelpunkt des drehbaren Längenmesssystems verlaufen, sowie mögliche Positionen des Endeffektors und
3 zeigt schematisch den Datenaustausch zwischen einzelnen Komponenten der Koordinatenmessmaschine nach den 1 und 2 und des drehbaren Längenmesssystems.
1 zeigt eine Koordinatenmessmaschine 10, die eine Messplatte 12 aus Hartgestein und ein Portal 14 umfasst. Das Portal 14 umfasst eine Traverse 16, die entlang der Messplatte 12 verfahrbar ist, so dass eine y-Koordinate gemessen werden kann. An der Traverse 16 ist ein schematisch eingezeichneter Messarm 18 befestigt, um eine Bewegung in eine x-Richtung zu messen. An dem Messarm 18 ist wiederum eine Pinole 20 zum Messen einer Länge in eine z-Richtung befestigt.
In einem Arbeitsraum der Koordinatenmessmaschine 10 ist ein drehbares Längenmesssystem in Form eines Laserinterferometers 22 positioniert. Das drehbare Laserinterferometer 22, das auch als Lasertracker bezeichnet werden kann, ist auf die Messplatte 12 lediglich aufgesetzt, gemäß einer Alternative kann das Laserinterferometer 22 aber auch beispielsweise über Steckkoni mit der Messplatte 12 verbunden sein.
Die Koordinatenmessmaschine 10 umfasst zudem eine Steuerung 24, die über ein Kabel 26 Steuerbefehle absenden kann, woraufhin eine vorgegebene Position P mit einem Endeffektor 28 angefahren wird. Gleichzeitig empfängt die Steuerung 24 Signale, die diejenige Position codieren, auf der sich Endeffektor 28 gerade befindet. Die Verbindung zu der Steuerung 24 wird beispielsweise durch LAN, WLAN, USB oder RS232 aufgebaut. Die Steuerung 24 steuert die Koordinatenmessmaschine über eine Softwareschnittstelle wie beispielsweise G-CODE, I++ oder CMMOS. Der Steuerung 24 ist ein nicht eingezeichneter Datenspeicher zugeordnet, in dem Messergebnisse und ein erfindungsgemäßes Programm zur Steuerung der Koordinaten messmaschine 10 gespeichert werden.
Zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Endeffektor 28, der einen Reflektor 30 in Form eines Tripelreflektors oder eines Katzenauges umfasst, zum Ermitteln der Koordinaten eines Drehmittelpunkts M des Laserinterferometers auf mindestens vier unterschiedlichen Positionen positioniert, die in 1 schematisch als P₁, P₂, P₃ und P₄ bezeichnet sind. Die Positionen P₁, P₂, P₃ und P₄ liegen nicht alle auf einer Geraden und liegen auch nicht alle in einer Ebene. Das Positionieren kann manuell oder automatisch aufgrund eines vorgegebenen Programms erfolgen.
Zunächst wird die Position P₁ angefahren, die einen Abstand d₁ von einem Drehmittelpunkt M des drehbaren Laserinterferometers 22 aufweist. Nachfolgend wird der Endeffektor 28 mit dem Laserinterferometer 22 angepeilt, so dass ein Laserstrahl von dem Laserinterferometer 22 zu dem Reflektor 30 verläuft. Anschließend sendet die Steuerung 24 ein elektrisches Signal, aufgrund dessen die zweite Position P₂ angefahren wird, die einen Abstand d₂ von dem Drehmittelpunkt M hat. Während der Bewegung des Endeffektors 28 von der Position P₁ in die Position P₂ folgt das Laserinterferometer 22 der Position des Endeffektors und misst ständig den Abstand d von dem Drehmittelpunkt M zur jeweiligen Position des Endeffektors und übermittelt die Abstandsdifferenz Δd_1,LMS = d₂ – d₁ an die Steuerung 24, sobald der Endeffektor 28 die Position P₂ erreicht hat. Der Index LMS deutet an, dass es sich um einen von dem Längenmesssystem in Form des Laserinterferometers 22 gemessenen Wert handelt.
Nachfolgend werden die Positionen P3 und P4 angefahren und die jeweiligen Abstandsdifferenzen Δd_2,LMS = d₃ – d₂ und Δd_3,LMS = d₄ – d₃ zur jeweils vorherigen Position durch das Laserinterferometer 22 gemessen und an die Steuerung 24 gesendet.
Durch das Anfahren der vier Positionen P₁ bis P₄ ergeben sich drei Abstandsdifferenzen Δd₁, Δd₂ und Δd₃. Die Koordinaten
des Drehmittelpunkts M des Laserinterferometers 22 ergeben sich anhand der folgenden dargelegten Berechnung. Es bezeichnet
Der Abstand zwischen der Position P₁ von dem Drehmittelpunkt M ergibt sich allgemein zu
Analog ergibt sich für den Abstand von der Position P₂ von dem Mittelpunkt M
Die erste Abstandsdifferenz Δd₁ = d₂ – d₁ ergibt sich zu
Entsprechend ergeben sich die Gleichungen für die Abstände Δd₂ und Δd₃.
Unter der Annahme, dass die Koordinatenmessmaschine 10 in guter Näherung genau misst, können aus den drei Gleichungen für die drei Abstandsdifferenzen Δd₁, Δd₂ und Δd₃ durch Variieren von x_M, y_M und z_M die Koordinaten r →_M des Drehmittelpunkts M des Laserinterferometers 22 bestimmt werden. Je mehr Messungen aufgenommen werden, desto genauer können x_M, y_M und z_M bestimmt werden. Günstig sind vier bis zehn Messungen. Sofern der Endeffektor nur in zwei Dimensionen be wegbar ist, genügen es, drei Positionen P₁ bis P₃ anzufahren. In der Regel ist es ausreichend, nur die minimal notwendige Anzahl an Positionen anzufahren, die notwendig ist, um die Koordinaten r →_M des Drehmittelpunkts M des Laserinterferometers 22 zu bestimmen.
In einem alternativen Verfahren weist das Laserinterferometer 22 Antastpunkte auf, deren Lage relativ zu dem Drehmittelpunkt M mit hoher Genauigkeit bekannt sind. Aus den von der Koordinatenmessmaschine 10 ermittelten Koordinaten der Antastpunkte des Laserinterferometers 22 wird dann der Drehmittelpunkt M berechnet.
Alternativ sendet das Laserinterferometer 22 für jede Position P_i die Winkellage, das heißt die Winkel, unter denen der Endeffektor angepeilt wird.
Die Steuerung 24 führt anhand der oben dargelegten Gleichungen eine Berechnung der Koordinaten des Mittelspunkts M des Laserinterferometers 22 durch und errechnet anschließend Geraden g₁, g₂, ... g₅, die allesamt durch den Drehmittelpunkt M des Laserinterferometers 22 verlaufen (vgl. 2). Diese Geraden g₁, g₂, ... g₅ werden graphisch auf einem Bildschirm angezeigt, so dass ein Bediener eine der Geraden auswählen kann. Alternativ wird eine der Geraden automatisch ausgewählt.
Anschließend wird der Endeffektor 28 auf vorgegebene Messpositionen p₁, p₂, p₃ und p₄ gefahren, die auf der ausgewählten Gerade liegen, hier auf der Geraden g₃. Nachfolgend werden die Abstände d'₁, d'₂ zwischen den einzelnen Messpositionen p₂ und p₁, p₃ und p₁ sowie p₄ und p₁ einerseits wie im Folgenden beschrieben ermittelt. Andererseits werden die Abstandsdifferenzen zwischen den Abständen der Messpositionen zum Laserinterferometer 22 durch das Laserinterferometer 22 gemessen. Die Messpositionen, die nach dem Ermitteln der Koordinaten des Drehmittelpunkts M angefahren werden, werden im Folgenden mit Kleinbuchstaben bezeichnet. Abstände, die nach dem Ermitteln der Koordinaten des Drehmittelpunkts M berechnet werden, sind mit einem Strich gekennzeichnet.
Da die Messpositionen p₁, p₂, p₃ und p₄ allesamt auf einer Geraden, nämlich der Geraden g₃ liegen, die durch den Drehmittelpunkt M verläuft, muss das Laserinterfero meter 22 nur minimal nachgestellt werden. Positionsabweichungen führen daher nur zu einem Kosinusfehler und können in der Regel vernachlässigt werden.
Die Steuerung 24 errechnet aus den Koordinaten p₁, p₂, ... der Messpositionen die Abstandsdifferenzen Δd'₁ der jeweiligen Messpositionen von dem Drehmittelpunkt M, das heißt die Differenzen der Abstände zwischen den einzelnen Messpositionen einerseits und dem Drehmittelpunkt andererseits, auf die im Folgenden beschriebene Weise. Es gilt: d'1 = |p →1 – r →M|, d'2 = |p →2 – r →M| und damit Δd'1 = d'2 – d'1 = |p →2 – r →M| – |p →1 – r →M| = |p →2 – p →1|
Das letzte Gleichheitszeichen gilt, da r →_M, p →₁ und p →₂ auf einer Geraden liegen.
Bei der Bewegung des Endeffektors 28 von einer Position p zur nächsten misst das Laserinterferometer 22 die Abstandsdifferenz Δd'_1,LMS und sendet ein entsprechendes Signal an die Steuerung 24.
Die Steuerung 24 vergleicht die gemessenen Abstandsdifferenzen Δd'_1,LMS, Δd'_2,LMS und Δd'_3,LMS mit den zugehörigen berechneten Abstandsdifferenzen Δd'₁, Δd'₂ und Δd'₃ und errechnet daraus zugehörige mittlere relative Messfehler
und einen maximalen relativen Messfehler. Überschreitet einer der mittlere relative Messfehler oder der maximale relative Messfehler eine vorgegebene maximal zulässige Messungenauigkeit, so wird ein Signal ausgegeben. Zudem werden die Messunsicherheit des Prüfverfahrens und die relativen Messfehler graphisch dargestellt und insbesondere einander numerisch gegenübergestellt.
Bei der Prüfung, ob die vorgegebene maximal zulässige Messungenauigkeit überschritten ist, wird die Messgenauigkeit des Prüfverfahrens berücksichtigt.
Zum Prüfen auf geometrische Fehler werden auf diese Weise Messpunkte entlang von mehreren Geraden g₁, g₂, ... g₅ durchgeführt. Beispielsweise werden so viele Messpunkte aus so vielen Geraden angefahren, dass eine normgerechte Prüfung erhalten wird.
Nachfolgend wird der Endeffektor 28 mit einer Antasteinrichtung bestückt und es wird ein Stufenendmaß oder eine Prüfkugel angetastet. Anhand dieser Messungen wird ein Messfehler der Antasteinrichtung ermittelt.
3 zeigt schematisch den Fluss der Daten bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Eine Steuersoftware 32, die auf der Steuerung 24 läuft, sendet an die Koordinatenmessmaschine 10 die anzufahrenden Positionen P →_i, p →_i und kann angefahrene Koordinaten auslesen. Die Steuersoftware 32 erhält zudem die gemessenen Abstandsdifferenzen Δd_i, Δd_i' von dem Laserinterferometer 22. Die so erhaltenen Daten werden von der Steuersoftware ausgewertet, auf einem Monitor 34 grafisch dargestellt und es wird eine Dokumentation der Prüfung erstellt. Die Dokumentation wird optional über einen nicht dargestellten Drucker ausgedruckt.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine Prüfung nach ISO 10360-2 bzw. ISO 230. Das erfindungsgemäße Verfahren wird daher gemäß einer Ausführungsform so durchgeführt, dass die Prüfung normgerecht ist. Wenn die Prüfung ergibt, dass die Norm nicht erfüllt wird, wird dieses Ergebnis in der Dokumentation aufgeführt.
Im Vergleich zu einer Messung an Längennormalen ergibt sich eine drastische Einsparung an Messzeit, die beispielsweise bei einem Faktor von 3 liegt.

10 Koordinatenmessmaschine
12 Messplatte
14 Portal
16 Traverse
18 Messarm
20 Pinole
22 Laserinterferometer
24 Steuerung
26 Kabel
28 Endeffektor
30 Reflektor
32 Steuersoftware
34 Monitor
d Abstand
d'_i Abstand der Position p_i von M
Δd'_i Abstand der Position p_i von Position p_i+1
d_LMS vom Längenmesssystem gemessener Abstand
F relativer Messfehler
g₁, g₂, ... g₅ Gerade
M Drehmittelpunkt des Längenmesssystems (LMS)
P₁, P₂, P₃, P₄ Position des Endeffektors (vor Ermittlung von r →_M)
p₁, p₂, p₃, p₄ Position des Endeffektors (nach Ermittlung von r →_M)
P →_i Koordinaten der Messpositionen (vor Ermittlung von r →_M)
p →_i Koordinaten der Messpositionen (nach Ermittlung von r →_M)
Koordinaten des Drehmttelpunkts M

Claims

Prüfverfahren zum Prüfen von positionierenden Maschinen (10), wobei die Maschine (10) einen Endeffektor (28) aufweist, unter Verwendung eines Längenmesssystems (22), das ausgebildet ist, um mit einem Laserstrahl dem Endeffektor (28) zu folgen, mit den Schritten: – Ermitteln von Koordinaten (r →_M) eines Drehmittelpunkts (M) eines in einem Arbeitsraum der Maschine (10) positionierten drehbaren Längenmesssystems (22), – Positionieren des Endeffektors (28) auf mindestens zwei Positionen (p_i), die im Wesentlichen auf einer Gerade (g_i) liegen, die durch den Drehmittelpunkt (M) des drehbaren Längenmesssystems (22) verläuft, und jeweils Erfassen von Koordinaten (p →_i) des Endeffektors (28), – Messen mindestens einer Abstandsdifferenz (Δd'_i,LMS) zwischen Abständen (d'_i) von den mindestens zwei Positionen (p_i) jeweils zu dem Drehmittelpunkt (M) mittels des drehbaren Längenmesssystems (22), – Errechnen der mindestens einen Abstandsdifferenz (Δd'_i) aus den jeweiligen Koordinaten (p →_i) des Endeffektors (28) und – Vergleichen der mindestens einen gemessenen Abstandsdifferenz (Δd'_i,LMS) mit der mindestens einen errechneten Abstandsdifferenz (Δd'_i), dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Ermitteln der Koordinaten (r →_M) des Drehmittelpunkts (M) die folgenden Schritte umfasst: (a) Bewegen des Endeffektors (28) auf eine erste Position, (b) Erfassen von Abstands-Messwerten mit dem Längenmesssystem (22), (c) Wiederholen der Schritte (a) und (b) für weitere Positionen, bis die Koordinaten (r →_M) des Drehmittelpunkts (M) des Längenmesssystems (22) ermittelbar sind, und (d) Ermitteln der Koordinaten (r →_M) des Drehmittelpunkts (M) des Längenmesssystems (22) aus den Abstands-Messwerten.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – der Endeffektor auf mindestens drei Positionen (P_i), insbesondere auf vier, Positionen bewegt wird, – Schritt (b) den Schritt eines Messens von Abstandsdifferenzen (Δd_i,LMS) zwischen den Abständen (d_i) der mindestens drei Positionen (P_i) jeweils zu dem Drehmittelpunkt (M) mit dem Längenmesssystem (22) beim Bewegen des Endeffektors von einer Position (P_i) auf eine andere Position (P_i) umfasst und – die Koordinaten (r →_M) des Drehmittelpunkts (M) aus den gemessenen Abstandsdifferenzen (Δd_i,LMS) und den Koordinaten (13) der Positionen (P_i) ermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt (b) die Schritte (b1) Erfassen einer Winkellage mit dem Längenmesssystem (22), unter der der Endeffektor (28) angepeilt wird, und (b2) Erfassen der Koordinaten (P) des Endeffektors (28) durch die positionierende Maschine (10) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Prüfens der positionierenden Maschine auf geometrische Fehler die folgenden Schritte umfasst: (i) Bewegen des Endeffektors (28) auf mindestens zwei Positionen (p_i), die auf einer Gerade (g_i) liegen, die durch den Drehmittelpunkt (M) des Längenmesssystems (22) verläuft, und jeweils Erfassen von Koordinaten (p →_i) des Endeffektors (28), (ii) Messen mindestens einer Abstandsdifferenz (Δd'_i,LMS) zwischen Abständen (d'_i) von den mindestens zwei Positionen (p_i) jeweils zu dem Drehmittelpunkt (M) mittels des Längenmesssystems (22), (iii) Errechnen der mindestens einen Abstandsdifferenz (Δd'_i) aus den jeweiligen Koordinaten (p →_i) des Endeffektors (28) und (iv) Vergleichen der mindestens einen gemessenen Abstandsdifferenz (Δd'_i,LMS) mit der mindestens einen errechneten Abstandsdifferenz (Δd'_i).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch die zusätzlichen Schritte: – Anordnen eines kalibrierten Endmaßes, das Antastflächen aufweist, in einer Nähe der Geraden (g), so dass eine Antastflächenverbindungsgerade, die senkrecht zu den Antastflächen verläuft, parallel zu der Geraden (g) ist, – Antasten der Antastflächen mit einer Antastvorrichtung der Maschine (10), so dass Antastkoordinaten erhalten werden, – Ermitteln eines Antastflächenabstands der beiden Antastflächen aus den Antastkoordinaten und – Vergleichen des ermittelten Antastflächenabstands mit einem Soll-Antastflächenabstand, – wobei das Anordnen des kalibrierten Endmaßes so erfolgt, dass die Gerade (g) durch die Antastflächen verläuft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch die zusätzlichen Schritte: – Anordnen einer kalibrierten Kugel in einer Nähe der Geraden (g), – Antasten der Kugel auf gegenüberliegenden Antastpunkten so, dass eine Antastpunktverbindungsgerade durch die Antastpunkte parallel zu der Geraden durch den Drehmittelpunkt (M) des Längenmesssystems (22) verläuft, so dass Antastkoordinaten erhalten werden, – Ermitteln eines Antastpunktabstands der beiden Antastpunkte aus den Antastkoordinaten und – Vergleichen des ermittelten Antastpunktabstands mit einem Soll-Antastpunktabstands, – wobei Antastpunkte auf der Geraden (g) durch den Drehmittelpunkt (M) des Längenmesssystems (22) liegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch den zusätzlichen Schritt: vor Schritt (b) Ausgeben einer grafischen Information an einen Benutzer der Maschine (10), die verschiedene mögliche Geraden (g_i), die durch den Drehmittelpunkt (M) des Längenmesssystems (22) verlaufen, enthält.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den zusätzlichen Schritt: Berechnen einer relativen Abweichung (F) zwischen der mindestens einen gemessenen Abstandsdifferenz (Δd'_i,LMS) und der mindestens einen errechneten Abstandsdifferenz (Δd'_i).
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den zusätzlichen Schritt: Ausgeben eines Signals, wenn die gemessene Abstandsdifferenz (Δd'_i,LMS) um ein vorgegebenes Maß von dem errechneten Abstand (Δd_i) abweicht.
Positionierende Maschine, insbesondere Koordinatenmessmaschine (10), mit einer Steuerung (24) zum Steuern der positionierenden Maschine (10) und mit einem Datenspeicher, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (24) eingerichtet ist zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9.