DE102008007127A1 - Method for measuring components - Google Patents

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DE102008007127A1 DE200810007127 DE102008007127A DE102008007127A1 DE 102008007127 A1 DE102008007127 A1 DE 102008007127A1 DE 200810007127 DE200810007127 DE 200810007127 DE 102008007127 A DE102008007127 A DE 102008007127A DE 102008007127 A1 DE102008007127 A1 DE 102008007127A1
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einmessen von Bauteilen, welches dazu geeignet ist, die exakte Lage eines Bauteils in einem dreidimensionalen kartesischen Koordinatensystem festzustellen. Hierzu kommt ein offener Algorithmus zum Einsatz, wobei das Verfahren schnell und möglichst exakt aus der Soll- und Istlage eines Bauteils die zur bestmöglichen Übereinstimmung beider Lagen notwendigen Bewegungen translatorischer und rotatorischer Art bestimmt. Die zur Beschreibung der Überführung der Ist- auf die Sollkoordinaten notwendigen Unbekannten q1 bis q5 werden dabei durch Minimieren des Gausschen Fehlerquadrates sowie durch Nullsetzen der partiellen Ableitung der Funktion $I1 gewonnen.The invention relates to a method for measuring components, which is suitable for determining the exact position of a component in a three-dimensional Cartesian coordinate system. For this purpose, an open algorithm is used, the method determines the movements of translational and rotational nature necessary for the best possible match of both layers quickly and as accurately as possible from the desired and actual position of a component. The unknowns q1 to q5 necessary for the description of the transfer of the actual coordinates to the desired coordinates are obtained by minimizing the Gaussian error square and by setting the partial derivative of the function $ I1 to zero.

Description

Gebiet der ErfindungField of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einmessen von Bauteilen in einer kartesischen Mess- oder Werkzeugmaschine, welches dazu geeignet ist, die exakte Lage eines Bauteils in einem dreidimensionalen kartesischen Koordinatensystem festzustellen.The The invention relates to a method for measuring components in a Cartesian measuring or Machine tool, which is suitable for the exact position of a Component in a three-dimensional Cartesian coordinate system determine.

Verfahren zum Einmessen von Bauteilen werden unter anderem dann angewendet, wenn Bauteile mittels CNC-Werkzeugmaschinen gefertigt werden. Hierzu muss vor dem Beginn der Bearbeitung die Lage eines Halbzeugs möglichst genau bestimmt werden. Ebenso werden derartige Verfahren angewendet, wenn ein Bauteil, wie beispielsweise ein Frästeil, vor oder nach der Fertigung vermessen werden soll. Die Vermessung dient dabei beispielsweise der Überprüfung der Fertigungsqualität und somit der Bestimmung des Fertigungsfehlers. Je geringer dieser ausfällt, desto höher ist die Fertigungsqualität. Um die Abweichung zwischen der Ist- und der Sollform des Bauteils zu bestimmen, muss vor dem Beginn der eigentlichen Messung zunächst die Istlage des Bauteils möglichst exakt bestimmt werden. Gegebenenfalls kann dann die Lage des Bauteils sukzessive so lange nachkorrigiert werden, bis eine möglichst gute Übereinstimmung der Körpergrenzen von Soll- und Istbauteil bzw. eine Übereinstimmung der Soll- und Istlage erreicht wird. Dann erst kann die eigentliche Bestimmung des Fertigungsfehlers erfolgen.method for measuring components are then applied, inter alia, when components are manufactured using CNC machine tools. For this the position of a semi-finished product must if possible before starting the processing be determined exactly. Likewise, such methods are used if a component, such as a milled part, before or after manufacturing to be measured. The survey serves, for example, the review of manufacturing quality and thus the determination of the manufacturing error. The lower this one fails, the higher is the production quality. Around the deviation between the actual and the desired shape of the component to determine, before the beginning of the actual measurement first the Actual position of the component as possible be determined exactly. If necessary, then the position of the component successively be corrected until a possible Good match the body boundaries of Target and actual component or a match of Target and actual position is reached. Only then can the actual Determination of the manufacturing error.

Die Bestimmung der Lage eines Bauteils wird im oben beschriebenen Zusammenhang auch als Einmessen bezeichnet.The Determination of the position of a component is in the context described above also referred to as calibration.

Stand der TechnikState of the art

Eine häufig eingesetzte Möglichkeit zur Erreichung hoher Fertigungsgenauigkeiten oder einer korrekten Kontrolle derselben unter Vermeidung des erneuten Ausrichtens des eingespannten Bauteils bietet die Verwendung hoch genauer Spannvorrichtungen. In diesem Fall wird davon ausgegangen, dass die Spannvorrichtung selber eine so hohe Genauigkeit aufweist, dass das Bauteil in dieser jederzeit hinreichend genau gelagert ist und nicht erneut ausgerichtet werden muss, bevor beispielsweise eine Weiterbearbeitung oder eine Qualitätskontrolle erfolgt.A often used possibility to achieve high manufacturing accuracies or a correct one Control the same while avoiding reorienting the clamped component offers the use of highly accurate clamping devices. In this case it is assumed that the tensioning device itself has such a high accuracy that the component in this is sufficiently accurately stored at all times and not reoriented must be before, for example, a further processing or a Quality control is done.

Solche Verfahren verbieten jedoch im Normalfall ein Aus- und Wiedereinspannen des Bauteils, weil hierdurch eine direkt nach der Fertigung erzeugte Istlage des Bauteils, welche naturgemäß nah an die durch die CNC-Steuerung vorgegebene Solllage heranreicht, verändert wird. Beim Wiedereinlegen des Bauteils wird die vorherige Lage dann nicht erneut getroffen. Daraus ergibt sich der Nachteil, dass die Fertigungs- und die Messspannvorrichtung identisch sein müssen und das Bauteil jederzeit in der Spannvorrichtung verbleiben muss. Im Falle der Unvermeidbarkeit eines Wechsels der Spannvorrichtung, beispielsweise zur Rückseitenbearbeitung des Bauteils, muss die geometrische Qualität der Spannvorrichtung sehr hoch sein, wodurch entsprechende Kosten entstehen.Such However, procedures normally prohibit removal and re-clamping of the component, because this produces a directly after the production Actual position of the component, which naturally close to that by the CNC control predetermined target position comes close, is changed. When reloading the Component will not hit the previous location again. from that There is the disadvantage that the manufacturing and the Meßspannvorrichtung must be identical and the component must remain at all times in the clamping device. In case of unavoidability of a change of the tensioning device, for example, for backside processing of the component, the geometric quality of the jig must be very high be high, resulting in corresponding costs.

Alternativ können jedoch auch einfach konstruierte Spannvorrichtungen genutzt werden, wobei die Fertigungs- und die Messspannvorrichtung getrennt vorliegt. Die Bestimmung der Lage eines eingespannten Bauteils erfolgt dann zumeist mit Hilfe von dreidimensional aufzeichnenden Messsystemen, beispielsweise 3D-Messtastern. Innerhalb des Arbeitsraumes erfolgt die Aufnahme einer festgelegten Anzahl von Messpunkten, welche an der Werkstückoberfläche des zu vermessenden Bauteils liegen. In der Praxis hat sich eine Anzahl von sechs Messpunkten als vorteilhaft erwiesen; bei besonders einfach oder besonders komplexen Geometrien kann jedoch eine andere Anzahl ausreichend bzw. notwendig sein.alternative can however, simply constructed clamping devices can also be used, wherein the manufacturing and the Meßspannvorrichtung is present separately. The determination of the position of a clamped component then takes place usually with the help of three-dimensional recording measuring systems, for example 3D probes. Within the work space recording takes place a fixed number of measuring points, which on the workpiece surface of lie to be measured component. In practice, has a number proved advantageous from six measuring points; especially easy or however, particularly complex geometries may suffice a different number or be necessary.

Zur Bestimmung der Lage der Messpunkte dienen hierzu die sechs Freiheitsgrade eines Körpers im Raum, also die Translation in X-, Y- und Z-Richtung sowie Rotation um die X-, Y- und Z-Achse. Bei Kenntnis der Lage von einer ausreichenden Anzahl bekannter Punkte der im Raum angeordneten Werkstückoberfläche lässt sich die Lage des zugehörigen Körpers exakt bestimmen. Ein Kriterium bei der Auswahl der Lage dieser Punkte ist unter anderem die Entfernung der Punkte voneinander. Je größer der Abstand ist, desto geringer ist der Messfehler, der während der Einmessung des Bauteils auftritt. Auch dürfen drei Punkte, die eine Ebene aufspannen, welche eine Parallelebene zur Koordinatenebene aufspannt, nicht kollinear sein. Die Festlegung der Messpunkte wird im Allgemeinen vom Konstrukteur oder einem Qualitätsingenieur in Abhängigkeit der jeweiligen Bauteilgeometrie festgelegt. Aus dieser, oftmals anhand von CAD-Zeichnungen oder CNC-Steuerdatensätzen zugänglichen, Bauteilgeometrie sind die entsprechenden n Sollpunkte piSoll bekannt, wobei i von 1 bis n läuft und n die Anzahl sei, die mindestens erforderlich ist, um die Bauteillage eindeutig zu beschrieben.To determine the position of the measuring points serve the six degrees of freedom of a body in space, so the translation in the X, Y and Z direction and rotation about the X, Y and Z axis. With knowledge of the location of a sufficient number of known points of the workpiece surface arranged in space, the position of the associated body can be determined exactly. One criterion in choosing the location of these points is, among other things, the distance of the points from each other. The larger the distance, the lower the measurement error that occurs during the measurement of the component. Also, three points spanning a plane spanning a parallel plane to the coordinate plane may not be collinear. The determination of the measuring points is generally determined by the designer or a quality engineer depending on the respective component geometry. From this component geometry, often accessible from CAD drawings or CNC control data sets, the corresponding n set points p iSoll are known, where i runs from 1 to n and n is the number which is at least necessary to clearly describe the component position.

Mittels des Messtasters werden dann an der Oberfläche des Bauteils, die zugehörigen n Istpunkte piIst bestimmt. Auch hierbei läuft i von 1 bis n.By means of the probe are then determined on the surface of the component, the associated n actual points p iIst . Here, too, i runs from 1 to n.

Um die erforderlichen Sollpunkte piSoll mit den Istpunkten piIst in Übereinstimmung zu bringen, wird ein Algorithmus verwendet, welcher die Translationen und Rotationen berechnet, die das Bauteil zur Erzielung einer bestmöglichen Übereinstimmung erfahren muss.To obtain the necessary set points p ISOLL with the Istpunkten p Iact in accordance, an algorithm is used which calculates the translations and rotations that the component to Achieve the best possible match.

Dieser Algorithmus ist im Allgemeinen von den Herstellern der entsprechenden Gerätesteuerungen fest in das jeweilige Steuerungsprogramm implementiert und von Außen weder zugänglich noch änderbar und wird oftmals auch nicht exakt bekannt gemacht. Das bedeutet, dass der Benutzer keine genaue Kenntnis über den Algorithmus zur Bestimmung der Lagekorrektur besitzt, so dass er auch keine Informationen über möglicherweise aus dem Algorithmus resultierende Mess- oder Berechnungsfehler erhält. Ebenso ist es dem Benutzer vorenthalten, eigene Ergänzungen oder Algorithmen zur Bestimmung der Lagekorrektur zu implementieren.This Algorithm is generally from the manufacturers of the corresponding device controllers firmly implemented in the respective control program and externally neither accessible still changeable and is often not exactly known. That means, that the user does not have precise knowledge about the algorithm for determination the position correction possesses, so that he also no information about possibly resulting from the algorithm resulting measurement or calculation error. As well it is withheld from the user, own additions or algorithms for Determination of the position correction to implement.

Des Weiteren sind die bekannten Verfahren zur Lagebestimmung relativ zeitaufwändig, da die Berechnungsverfahren komplex sind und/oder die Anzahl der Iterationen aus Messen und Verfahrbewegung zu hoch ist, welche zur Erzielung einer ausreichend geringen Soll-Ist-Lageabweichung notwendig sind.Of Furthermore, the known methods for determining the position are relatively time-consuming, because the calculation methods are complex and / or the number of Iterations from measuring and traversing movement is too high, which is too Achieving a sufficiently low target-actual position deviation are necessary.

Aufgabe der ErfindungObject of the invention

Die Aufgabe der Erfindung ist demnach die Bereitstellung eines Verfahrens zum Einmessen von Bauteilen unter Verwendung eines offenen Algorithmus, wobei das Verfahren schnell und möglichst exakt aus der Soll- und Istlage eines Bauteils die zur bestmöglichen Übereinstimmung beider Lagen notwendigen Bewegungen translatorischer und rotatorischer Art bestimmt.The The object of the invention is therefore to provide a method for measuring components using an open algorithm, the process being performed quickly and as accurately as possible from the target and actual position of a component to the best possible agreement of both layers necessary movements of translational and rotational nature determined.

Die Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 vorgeschlagene Verfahren gelöst. Dementsprechend wird ein implizites, überbestimmtes, nichtlineares Gleichungssystem aufgestellt, dessen Lösung die gesuchte Lagekorrektur in sehr guter Näherung bereitstellt.The The object is achieved by the method proposed in claim 1. Accordingly, will an implicit, over-determined, Nonlinear system of equations whose solution sought Position correction in a very good approximation provides.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden detaillierten Beschreibung zu entnehmen.Further preferred embodiments are the dependent claims as well as the following detailed description.

Beschreibungdescription

Das Verfahren zum Einmessen von Bauteilen in einer kartesischen Mess- oder Werkzeugmaschine beruht auf der Lösung eines Gleichungssystems von n Gleichungen mit fünf Unbekannten, wobei dieses Gleichungssystem implizit, (im Falle von n ≥ 6) überbestimmt und nichtlinear ist. Unter ausreichender Berücksichtigung kinematischer Randbedingungen stellt die Lösung des Gleichungssystems die gesuchte Lagekorrektur in sehr guter Näherung bereit.The Method for measuring components in a Cartesian measuring or machine tool is based on the solution of a system of equations of n equations with five Unknown, whereby this system of equations implicitly, (in the case of n ≥ 6) and is nonlinear. With sufficient consideration of kinematic Boundary conditions is the solution of the equation system, the position correction sought in a very good approximation ready.

Die nachfolgende Beschreibung gibt eine bevorzugte Reihenfolge der durchzuführenden Schritte an. Es ist jedoch offenkundig, dass auch andere Reihenfolgen oder auch die parallele Abarbeitung von bestimmten Schritten denkbar und insbesondere beispielsweise zur Zeitersparnis auch sinnvoll sein können. Es ist lediglich sicher zu stellen, dass ein bestimmter Verfahrensschritt jeweils nur dann abgearbeitet werden kann, wenn sämtliche erforderlichen Daten, die zu seiner Abarbeitung vorliegen müssen, auch vorhanden sind.The The following description gives a preferred order of the ones to be performed Steps on. However, it is obvious that also other orders or the parallel processing of certain steps conceivable and in particular, for example, to save time also useful could be. It's just to make sure that a particular procedural step each can only be processed if all necessary data that must be available for its execution, too available.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zunächst n Sollpunkte piSoll beispielsweise aus einer Zeichnung, einem CAD-Programm oder einem NC-Datensatz eingelesen. Ein Index i läuft dabei von 1 bis n und jeder Punkt besitzt drei Koordinaten; je eine für die Lage in x-, in y- und in z-Richtung.In order to carry out the method according to the invention, first of all n setpoints p iSoll are read in, for example, from a drawing, a CAD program or an NC data set. An index i runs from 1 to n and each point has three coordinates; one each for the position in the x, y and z directions.

Anschließend werden n Istpunkte piIst eingelesen, welche zuvor mittels einer geeigneten Messeinrichtung wie zum Beispiel einem 3D-Messtaster erfasst wurden. Der Index i läuft wiederum von i = 1...n. Die Zuordnung erfolgt analog zum vorigen Schritt.Subsequently, n actual points p iIst are read, which were previously detected by means of a suitable measuring device such as a 3D probe. The index i again runs from i = 1 ... n. The assignment is made in the same way as in the previous step.

Nun wird ein Satz von Koordinaten qk ermittelt, welcher eine kartesische Mess- oder Werkzeugmaschine eindeutig beschreibt. Vorzugsweise werden diese die Maschine eindeutig beschreibenden Koordinaten derart ausgewählt, dass ihre Anzahl möglichst gering ist (Minimalkoordinaten). Im Falle einer fünfachsigen Maschine ergeben sich demnach maximal fünf Koordinaten oder Parameter.Now a set of coordinates q k is determined which uniquely describes a Cartesian measuring or machine tool. Preferably, these coordinates clearly describing the machine are selected such that their number is as small as possible (minimum coordinates). In the case of a five-axis machine, this results in a maximum of five coordinates or parameters.

Danach wird ein erster Term der Form f1 = Trans(q1, q2, q3) aufgestellt, welcher die Translation in x, y- und z-Richtung beschreibt.Then a first term of the form f 1 = Trans (q 1 , q 2 , q 3 ) is set up, which describes the translation in the x, y and z directions.

Anschließend und analog zum vorigen Schritt werden ein zweiter bzw. ein dritter Term f2 = Rot(q4) bzw. f3 = Rot(q5) ermittelt, welcher die Rotation um eine B- bzw. C-Achse beschreibt. Es ist zu beachten, dass die B- und die C-Achse dabei nicht zwangsläufig identisch mit der x-, y- oder z-Achse bzw. -Richtung sein müssen.Subsequently and analogously to the previous step, a second or a third term f 2 = red (q 4 ) or f 3 = red (q 5 ) is determined, which describes the rotation about a B or C axis. It should be noted that the B and C axes do not necessarily have to be identical to the x, y or z axis or direction.

Im Falle eines Fehlens entsprechender Bewegungsmöglichkeiten der Maschine können die jeweiligen Koordinaten oder Parameter beispielsweise dauerhaft auf Null gesetzt werden. Besitzt die Maschine zum Beispiel nur translatorische Achsen, so könnte q4 und q5 auf Null gesetzt werden.In the case of a lack of corresponding movement possibilities of the machine, the respective coordinates or parameters, for example, permanently set to zero. For example, if the machine has only translational axes, q 4 and q 5 could be set to zero.

Alsdann kann ein Gleichungssystem aufgestellt werden, bei welchem zur korrekten Positionierung des Bauteils gilt: pjSoll = Trans(q1, q2, q3) + Rot(q4)·Rot(q5)·pjIst (1) Then a system of equations can be set up, in which the following applies to the correct positioning of the component: p jSoll = Trans (q 1 , q 2 , q3) + red (q 4 ) · Red (q 5 ) · P jist (1)

Dabei läuft j wieder von 1 bis n, so dass sich 3·n Gleichungen mit fünf Unbekannten, nämlich q1 bis q5, ergeben.In this case, j again runs from 1 to n, so that there are 3 · n equations with five unknowns, namely q 1 to q 5 .

Die gewünschte Überführung durch Translation und Rotation des Bauteils in die Solllage könnte man nun durch Lösen des Gleichungssystems mit 3·n Gleichungen und 5 Unbekannten erhalten. Unter ausreichender Berücksichtigung kinematischer Randbedingungen stellt die Lösung des Gleichungssystems dann die gesuchte Lagekorrektur in sehr guter Näherung bereit.The desired transfer by Translation and rotation of the component in the desired position could be now by loosening of the equation system with 3 · n Get equations and 5 unknowns. With sufficient consideration kinematic boundary conditions is the solution of the equation system then the desired position correction in a very good approximation ready.

Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens gemäß Anspruch 2 folgen nach der Ermittlung der Sollpunkte pjSoll, sowie der Istpunkte pjIst zwei Zwischenschritte (z1, z2) zur Generierung zweier Koordinatenvektoren rSoll und rIstl, die durch Elimination überzähliger Koordinaten aus den Vektoren pjSoll und pjIst generiert werden. Die Bedingungen für die möglichen Reduzierungen leiten sich dabei aus kinematischen, konstruktiven, qualitätsorientierten und/oder bauteilspezifischen Merkmalen ab. Im Regelfall repräsentieren rSoll und rIst 6 × 1-Vektoren. In dieser Ausgestaltungsform ergibt sich analog zu (1) das reduzierte Gleichungssystem: rSoll = Trans(q1, q2, q3) + Rot(q4)·Rot(q5)·rIst (2) According to a particularly preferred embodiment of the method according to claim 2 follow after the determination of the setpoints p jSoll , and the actual points p jIst two intermediate steps (z 1 , z 2 ) for generating two coordinate vectors r Soll and r Istl , by eliminating excess coordinates from the Vectors p jSoll and p jIst are generated. The conditions for the possible reductions are derived from kinematic, constructive, quality-oriented and / or component-specific features. As a rule, r Soll and r Ist represent 6 × 1 vectors. In this embodiment, analogously to (1), the reduced equation system results: r Should = Trans (q 1 , q 2 , q 3 ) + Red (q 4 ) · Red (q 5 ) * R is (2)

Für den häufigen Fall, dass n = 6 oder größer ist, handelt es sich hierbei um ein mindestens einfach überbestimmtes Gleichungssystem (sechs oder mehr Gleichungen, fünf Unbekannte). Weiter handelt es sich um ein nichtlineares Gleichungssystem, da wegen der Rotationsgleichungen Sinus- und Kosinusterme auftreten. Schließlich handelt es sich um ein implizites Gleichungssystem, welches durch eine Form entsprechend F(x, y(x)) = 0 gegeben ist, und welches daher in der Regel nicht explizit nach den Unbekannten q1 bis q5 aufgelöst werden kann.For the frequent case that n = 6 or greater, this is an equation system that is at least simply overdetermined (six or more equations, five unknowns). Furthermore, it is a nonlinear system of equations, since sine and cosine terms occur due to the equations of rotation. Finally, it is an implicit system of equations which is given by a form corresponding to F (x, y (x)) = 0, and which therefore can not be resolved explicitly according to the unknowns q 1 to q 5 as a rule.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens gemäß Anspruch 3 erfolgt nach dem Aufstellen des Sollkoordinaten-Vektors rSoll, sowie des Istkoordinaten-Vektors rIst ein weiterer Zwischenschritt (z3), in welchem die überzähligen Koordinaten in rSoll oder rIst auf Null gesetzt werden. Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden sowohl die überzähligen Koordinaten in rSoll und rIst auf Null gesetzt.According to a preferred embodiment of the method according to claim 3 takes place after setting up the desired coordinate vector r Soll , as well as the actual coordinate vector r actual, a further intermediate step (z 3 ) in which the excess coordinates in r setpoint or r actual are set to zero , According to a particularly preferred embodiment, both the surplus coordinates in r Soll and r Ist are set to zero.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Zuordnung der oben genannten Mess- oder Werkzeugmaschinenkoordinaten gemäß folgender Regel:

  • (i) q1 = Translation in die x-Richtung
  • (ii) q2 = Translation in die y-Richtung
  • (iii) q3 = Translation in die z-Richtung
  • (iv) q4 = Rotation um die B-Achse
  • (v) q5 = Rotation um die C-Achse
According to a further preferred embodiment of the method according to the invention, the assignment of the abovementioned measuring machine or machine tool coordinates takes place in accordance with the following rule:
  • (i) q 1 = translation in the x direction
  • (ii) q 2 = translation in the y direction
  • (iii) q 3 = translation in the z direction
  • (iv) q 4 = rotation around the B axis
  • (v) q 5 = rotation around the C axis

Da die B- und die C-Achse nicht mit den Achsen der x-, y- oder z-Richtung identisch sein müssen, reichen zur Beschreibung der Transformation fünf anstelle von sechs Unbekannten (beispielsweise die Rotation um eine A-Achse, welche mit der x-Richtung identisch ist) aus.There the B and C axes are not aligned with the x, y, or z axes have to be identical to describe the transformation five instead of six unknowns (For example, the rotation about an A-axis, which is identical to the x-direction is) off.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die Terme f1, f2 und f3 derart gebildet, dass der Term f1 = Trans(q1, q2, q3) in Form einer 3×1-Matrix, und die Terme f2 = Rot(q4) sowie f3 = Rot(q5) jeweils in Form einer 3×3-Matrix notiert werden. Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird nun die Lageverschiebung aus den entsprechenden Daten berechnet. Nach einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform werden in einem zusätzlichen Schritt (i) die Gleichungssysteme (1) oder (2) in ein anderes Gleichungssystem überführt, welches die Anzahl der Unbekannten auf die Anzahl der Gleichungen reduziert. Dadurch ist das zu lösende Gleichungssystem nicht mehr überbestimmt und demgemäß leichter lösbar.According to another preferred embodiment, the terms f 1 , f 2 and f 3 are formed such that the term f 1 = Trans (q 1 , q 2 , q 3 ) in the form of a 3 × 1 matrix, and the terms f 2 = Red (q 4 ) and f 3 = red (q 5 ) are each noted in the form of a 3 × 3 matrix. According to a particularly preferred embodiment, the positional shift is calculated from the corresponding data. According to a further particularly preferred embodiment, in an additional step (i) the equation systems (1) or (2) are converted into another system of equations, which reduces the number of unknowns to the number of equations. As a result, the system of equations to be solved is no longer overdetermined and thus easier to solve.

Nach einer anderen bevorzugten Ausführungsform erfolgt die in dem zusätzlichen Schritt (i) zu erzielende Reduktion der Anzahl der Unbekannten derart, dass die Forderung nach einer Minimierung des Gausschen Fehlerquadrates gemäß den folgenden Gleichungen aufgestellt wird: residuumj = (Trans(q1, q2 q3) + Rot(q4)·Rot(q5)·pjIst) – pjSoll (i) residuumTf ·residuumj = Σ(f(q1, q2, q3, q4, q5) – pjSoll)2 =: F(q) (ii) According to another preferred embodiment, the reduction of the number of unknowns to be achieved in the additional step (i) is such that the requirement for a minimization of the Gaussian error square is established according to the following equations: residuum j = (Trans (q 1 , q 2 q 3 ) + Red (q 4 ) · Red (q 5 ) · P jist ) - p jSoll (I) residuum T f ·residuum j = Σ (f (q 1 , q 2 , q 3 , q 4 , q 5 ) - p jSoll ) 2 =: F (q) (ii)

Durch partielles Ableiten der obigen Gleichungen und Nullsetzen gemäß der Formel ∂F(q)/∂(qi) = 0 wird nun ein System von fünf Gleichungen mit fünf Unbekannten qi mit i = 1...5 erzeugt, welches nach Lösung die gesuchten Translationen q1 bis q3 und Rotationen q4 und q5 liefert.By partially deriving the above equations and zeroing according to the formula ∂F (q) / ∂ (q i ) = 0 Now a system of five equations with five unknowns q i with i = 1 ... 5 is generated, which after solution yields the searched translations q 1 to q 3 and rotations q 4 and q 5 .

Nach einer weiteren Ausführungsform wird nun das System der resultierenden fünf Gleichungen über einschlägige numerische Verfahren gelöst. Nach einer weiteren Ausführungsform wird das Gleichungssystem analytisch gelöst, sofern eine derartige Lösung gefunden werden kann.To a further embodiment Now the system of the resulting five equations will be on relevant numerical Procedure solved. To a further embodiment the equation system is solved analytically, if such a solution found can be.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt die in dem zusätzlichen Schritt (i) zu erzielende Reduktion der Anzahl der Unbekannten derart, dass die Forderung nach einer Minimierung des Gausschen Fehlerquadrates gemäß den folgenden Gleichungen aufgestellt wird: residuum = (Trans(q1, q2, q3) + Rot(q4)·Rot(q5)·rIst) – rSoll (i) residuumT·residuum = Σ(f(q1, q2, q3, q4, q5) – rSoll)2 =: F(q) (ii) According to a further preferred embodiment, the reduction of the number of unknowns to be achieved in the additional step (i) takes place in such a way that the requirement for a minimization of the Gaussian error square according to FIGS following equations: residuum = (Trans (q 1 , q 2 , q 3 ) + Red (q 4 ) · Red (q 5 ) * R is ) - r Should (I) residuum T · Residuum = Σ (f (q 1 , q 2 , q 3 , q 4 , q 5 ) - r Should ) 2 =: F (q) (ii)

Durch partielles Ableiten der obigen Gleichungen und Nullsetzen gemäß der Formel ∂F(q)/∂(qi) = 0wird nun ein System von fünf Gleichungen mit fünf Unbekannten qi mit i = 1...5 erzeugt, welches nach Lösung die gesuchten Translationen q1 bis q3 und Rotationen q4 und q5 liefert.By partially deriving the above equations and zeroing according to the formula ∂F (q) / ∂ (q i ) = 0 Now a system of five equations with five unknowns q i with i = 1 ... 5 is generated, which after solution yields the searched translations q 1 to q 3 and rotations q 4 and q 5 .

Nach einer weiteren Ausführungsform wird nun das System der resultierenden fünf Gleichungen über einschlägige numerische Verfahren gelöst. Nach einer weiteren Ausführungsform wird das Gleichungssystem analytisch gelöst, sofern eine derartige Lösung gefunden werden kann.To a further embodiment Now the system of the resulting five equations will be on relevant numerical Procedure solved. To a further embodiment the equation system is solved analytically, if such a solution found can be.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden die Daten der errechneten Ist-Lage an eine Mess- oder Werkzeugmaschinensteuerung übergeben. Dann wird anhand dieser Daten eine Lagekorrektur des Werkstücks durch Verändern der Werkstücklage oder eine Lagekorrektur des Werkzeugs bewirkt, so dass sich das Werkstück anschließend in möglichst optimaler Übereinstimmung mit der Ist-Lage befindet.To a preferred embodiment of the Method, the data of the calculated actual position are sent to a measuring or handed over machine tool control. Then, based on these data, a position correction of the workpiece Change the workpiece position or a position correction of the tool causes, so that the workpiece subsequently in as possible optimal agreement with the actual situation is located.

Nach einer anderen Ausführungsform des Verfahrens werden anstelle von kartesischen Koordinaten Zylinderkoordinaten benutzt und das Verfahren sinngemäß verwendet.To another embodiment of the method become cylindrical coordinates instead of Cartesian coordinates used and used the procedure mutatis mutandis.

Nach einer weiteren Ausführungsform beträgt die Anzahl der Soll-Koordinaten und der Ist-Koordinaten genau 6. In diesem Fall erhält man gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zunächst ein einfach überbestimmtes Gleichungssystem, welches in ein Gleichungssystem mit fünf Gleichungen und fünf Unbekannten überführt wird.To a further embodiment is the number of target coordinates and the actual coordinates is exactly 6. In this case receives one first according to the inventive method simply overdetermined Equation system, which is in a system of equations with five equations and five unknowns is convicted.

Nach wieder einer anderen Ausführungsform ist die Anzahl der Soll-Koordinaten und der Ist-Koordinaten kleiner oder größer als 6. Dies kann insbesondere dann sinnvoll sein, wenn die Lage besonders einfacher oder besonders komplexer Geometrien vermessen werden soll, und/oder wenn die zu erwartende Lageabweichung nur in ganz bestimmte Richtungen und/oder Winkel erfolgen kann, bzw. wenn die Lageabweichungen besonders groß sind.To again another embodiment the number of target coordinates and the actual coordinates are smaller or larger than 6. This can be particularly useful if the situation is particularly simple or particularly complex geometries to be measured, and / or if the expected position deviation only in very specific directions and / or angle can be made, or if the position deviations especially are big.

Nach einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden einige oder alle derjenigen Schritte, die parallel abarbeitbar sind, auch parallel abgearbeitet. Hierdurch kann ein weiterer Zeitvorteil erzielt werden, der insbesondere bei langen Einzelmesszeiten zum Tragen kommt.To a further embodiment The process will take some or all of those steps can be processed in parallel, also processed in parallel. hereby can be achieved a further time advantage, in particular at long individual measuring times come to fruition.

Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens können in der Praxis bis zu ca. 30% Zeitersparnis gegenüber herkömmlichen Einmessverfahren erreicht werden. Der Grund hierfür liegt vor allem darin begründet, dass die Abarbeitung des erfindungsgemäßen Verfahrens sequenziell und nicht iterativ erfolgt, sofern man von den durch die Anzahl der Messpunkte vorgegebenen Iterationen absieht. Daneben bzw. zusätzlich können durch eine Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens einfache Spannvorrichtungen benutzt werden; die Verwendung komplexer Vorrichtungen ist nicht mehr notwendig. Hierdurch ist eine signifikante Kostenersparnis erzielbar.By Application of the method according to the invention can achieved in practice up to about 30% time savings compared to conventional Einmessverfahren become. The reason for that is mainly due to that the processing of the method according to the invention sequentially and not iteratively, provided that by the number the measuring points disregards predetermined iterations. In addition or in addition can by a use of the method according to the invention simple clamping devices to be used; the use of complex devices is not more necessary. As a result, a significant cost savings can be achieved.

Schließlich ist der hier vorgeschlagene Algorithmus frei zugänglich und kann leicht vom Benutzer durch Korrekturfaktoren angepasst, anderweitig ergänzt oder weiterentwickelt werden.Finally is the algorithm proposed here is freely accessible and can easily be changed from User adjusted by correction factors, otherwise supplemented or be further developed.

Bevorzugt ist das erfindungsgemäße Verfahren in Form eines Computerprogramms hinterlegt. Ein Rechner, welcher die entsprechenden Daten, insbesondere die Soll- und Istkoordinaten erhält, wird damit in die Lage versetzt, die erfindungsgemäßen Berechnungen durchzuführen.Prefers is the inventive method deposited in the form of a computer program. A calculator, which the corresponding data, in particular the desired and actual coordinates gets is thus enabled, the calculations of the invention perform.

Besonders bevorzugt ist das entsprechende Programm auf einem Datenträger wie einer Compactdisc (CD), einer Diskette oder einem Magnetband abgelegt. Dementsprechend umfasst dieser Datenträger ein Programm nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.Especially preferred is the corresponding program on a disk such a compact disc (CD), a floppy disk or a magnetic tape. Accordingly, this data carrier comprises a program according to the inventive method.

Figurenbeschreibungfigure description

Die einzige Figur zeigt schematisch ein Flussdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.The single figure shows schematically a flow chart of a preferred Embodiment of the inventive method.

Zunächst erfolgt das Einlesen der Soll- und Istpunkte piSoll bzw. piIst. (Schritt (a) und Schritt (b).First, the read-in of the setpoint and actual points p iSoll or p iIst takes place . (Step (a) and Step (b).

Die Schritte (a) und (b) sind nebeneinander dargestellt. Dies bedeutet, dass die entsprechende Verfahrensschritte parallel abzuarbeiten sind. Die Sollpunkte piSoll sowie die Istpunkte piIst werden zeitlich parallel eingelesen bzw. gewonnen. In einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform werden diese und/oder alle Schritte ausschließlich sequenziell abgearbeitet.Steps (a) and (b) are shown side by side. This means that the corresponding process steps are to be processed in parallel. The setpoints p iSoll as well as the actual points p iIst are read or acquired in parallel at the same time. In an alternative, not shown embodiment, these and / or all steps are executed exclusively sequentially.

Das Diagramm umfasst weiter auch einen ersten und zweiten Zwischenschritt (z1 und z2) zum Generieren eines Soll- bzw. Istkoordinatenvektors rSoll bzw. rIst. Auch einen dritten Zwischenschritt z3 zum Nullsetzen überzähliger Koordinaten dieser Vektoren sind dargestellt. Während die Schritte z1 und z2 wahlweise durchgeführt werden können, ist dies für z3 nur dann sinnvoll, wenn zuvor z1 und z2 ausgeführt wurden. Daher verzweigt sich die gestrichelte Linie unterhalb von z2 nach links und rechts.The diagram also includes a first and a second intermediate step (z 1 and z 2 ) for generating a desired or actual coordinate vector r set or r actual . Also, a third intermediate step z 3 for zeroing supernumerary coordinates of these vectors are shown. While steps z 1 and z 2 can be carried out selectively, this only makes sense for z 3 if z 1 and z 2 were previously executed. Therefore, the dashed line branches below z 2 to the left and right.

Es folgt in jedem Fall die Ermittlung der eine Mess- oder Werkzeugmaschine beschreibenden Koordinaten qk (Schritt c).In each case, the determination of the coordinates q k describing a measuring or machine tool follows (step c).

In den Schritten (d) bis (f) werden die Terme ermittelt, die die Translation bzw. die Rotationen der Maschinenkoordinaten beschreiben.In Steps (d) to (f) are used to determine the terms that govern translation or describe the rotations of the machine coordinates.

Schließlich erfolgt das Bilden eines Gleichungssystems (Schritt (g)), welches dann in Schritt (h) beispielsweise mittels eines Computers gelöst wird.Finally done forming a system of equations (step (g)) which is then in Step (h) is solved for example by means of a computer.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird hier zusätzlich eine Funktion wie in Schritt (i) beschrieben eingesetzt (Minimierung des Gausschen Fehlerquadrats).To a preferred embodiment here in addition a function as described in step (i) used (minimization the Gaussian square).

Zur Verdeutlichung der Ein- und Ausgabedaten sind die entsprechenden Diagrammteile dick umrandet gezeichnet. Es sind dies die Soll- und Istkoordinaten sowie die gesuchten Translationen und Rotationen q1 bis q5.To clarify the input and output data, the corresponding parts of the diagram are drawn in bold lines. These are the desired and actual coordinates as well as the translations and rotations q 1 to q 5 sought.

Bezugszeichenliste und AbkürzungenReference numerals and abbreviations

  • nn
    Anzahl der Tastpunkte oder KoordinatenNumber of tactile points or coordinates
    piSoll p iSoll
    Sollpunkte – mit i = 1...nSet points - with i = 1 ... n
    piIst p iIst
    Istpunkte mit i = 1...nActual points with i = 1 ... n
    rSoll r Soll
    n × 1 Sollkoordinaten-Vektor rIst n × 1 Istkoordinaten-Vektor qk (Minimal-)Koordinaten der Mess- oder Werkzeugmaschinen × 1 nominal coordinate vector r Is n × 1 actual coordinate vector q k (minimum) coordinates of the measuring or machine tool
    Trans(q1, q2, q3)Trans (q 1 , q 2 , q 3 )
    Term bzw. 3×1-Matrix der Translation in eine x-, y- und z-RichtungTerm or 3 × 1 matrix Translation in an x, y and z direction
    Rot(q4)Red (q 4 )
    Term bzw. 3×3-Matrix zur Beschreibung der Rotation um eine B-AchseTerm or 3 × 3 matrix to describe the rotation about a B-axis
    Rot(q5)Red (q 5 )
    Term bzw. 3×3-Matrix zur Beschreibung der Rotation um eine C-AchseTerm or 3 × 3 matrix to describe the rotation about a C-axis
    q1 q 1
    Translation in die x-RichtungTranslation into the x-direction
    q2 q 2
    Translation in die y-RichtungTranslation into the y-direction
    q3 q 3
    Translation in die z-RichtungTranslation into the z-direction
    q4 q 4
    Rotation um die B-AchseRotation around the B axis
    q5 q 5
    Rotation um die C-AchseRotation around the C-axis

Claims (14)

Verfahren zum Einmessen von Bauteilen in einer kartesischen Mess- oder Werkzeugmaschine, die folgenden Schritte aufweist: (a) Einlesen von n Sollpunkten piSoll aus einer Zeichnung mit i = 1...n; (b) Einlesen von n mittels einer geeigneten Messeinrichtung erfassten Istpunkten piIst mit i = 1...n; (c) Ermitteln eines Satzes von Koordinaten qk, welcher eine kartesische Mess- oder Werkzeugmaschine eindeutig beschreibt. (d) Ermitteln eines ersten Terms f1 = Trans(q1, q2, q3), welcher die Translation in eine x-, r- und z-Richtung beschreibt; (e) Ermitteln eines zweiten Terms f2 = Rot(q4), welcher die Rotation um eine B-Achse beschreibt; (f) Ermitteln eines dritten Terms f3 = Rot(q5), welcher die Rotation um eine C-Achse beschreibt; (g) Aufstellen eines Gleichungssystems pjSoll = Trans(q1, q2, q3) + Rot(q4)·Rot(q5)·pjIst, wobei j = 1...n ist, (h) Lösung des Gleichungssystems mit 3·n Gleichungen und 5 Unbekannten aus (g), (i) Lagekorrektur des Bauteils unter Verwendung der Lösung aus Schritt h).Method for measuring components in a Cartesian measuring machine or machine tool, comprising the following steps: (a) reading in n setpoints p iSoll from a drawing with i = 1 ... n; (b) reading in n detected by means of a suitable measuring device actual points p iIst with i = 1 ... n; (c) determining a set of coordinates q k which uniquely describes a Cartesian measuring or machine tool. (d) determining a first term f 1 = Trans (q 1 , q 2 , q 3 ) which describes the translation in an x, r and z direction; (e) determining a second term f 2 = red (q 4 ) describing the rotation about a B axis; (f) determining a third term f 3 = red (q 5 ) describing the rotation about a C axis; (g) Setting up a system of equations p jSoll = Trans (q 1 , q 2 , q 3 ) + Red (q 4 ) · Red (q 5 ) · P jist . where j = 1 ... n, (h) solution of the equation system with 3 * n equations and 5 unknowns from (g), (i) position correction of the component using the solution from step h). Verfahren nach Anspruch 1, bei dem nach dem Ermitteln der Soll- bzw. Istpunkte und vor dem Aufstellen des Gleichungssystems ein Sollkoordinaten-Vektor rSoll und ein Istkoordinaten-Vektor rIst ermittelt wird.The method of claim 1, wherein after determining the desired or actual points and before setting up the equation system, a desired coordinate vector r Soll and an actual coordinate vector r Ist is determined. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die überzähligen Koordinaten in rSoll und/oder rIst auf Null gesetzt werden.Method according to Claim 2, in which the surplus coordinates in r set and / or r actual are set to zero. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, bei welchem die Zuordnung der Koordinaten aus Schritt (c) gemäß folgender Regel erfolgt: (i) q1 = Translation in die x-Richtung (ii) q2 = Translation in die y-Richtung (iii) q3 = Translation in die z-Richtung (iv) q4 = Rotation um die B-Achse (v) q5 = Rotation um die C-AchseMethod according to Claims 1 to 3, in which the assignment of the coordinates from step (c) takes place according to the following rule: (i) q 1 = translation in the x-direction (ii) q 2 = translation in the y-direction (iii) q 3 = translation in the z-direction (iv) q 4 = rotation about the B-axis (v) q 5 = rotation around the C-axis Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Terme f1, f2 und f3 derart gebildet werden, dass f1 = Trans(q1, q2, q3) in Form einer 3×1-Matrix, und die Terme f2 = Rot(q4) sowie f3 = Rot(q5) in Form einer 3×3-Matrix vorliegen.Method according to one of the preceding claims, in which the terms f 1 , f 2 and f 3 are formed such that f 1 = Trans (q 1 , q 2 , q 3 ) in the form of a 3 × 1 matrix, and the terms f 2 = red (q 4 ) and f 3 = red (q 5 ) in the form of a 3 × 3 matrix. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem in einem zusätzlichen Schritt (i) das Gleichungssystem in ein anderes Gleichungssystem überführt wird, welches die Anzahl der Unbekannten auf die Anzahl der Gleichungen reduziert.The method of claim 1, wherein in an additional Step (i) the system of equations is transferred to another equation system, which is the number of unknowns on the number of equations reduced. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 6, bei welchem in dem zusätzlichen Schritt (i) die Reduktion der Anzahl der Unbekannten derart erfolgt, dass die Forderung nach einer Minimierung des Gausschen Fehlerquadrates gemäß den Gleichungen residuumj = (Trans(q1, q2, q3) + Rot(q4)·Rot(q5)·pjIst) – pjSoll (i) residuumTj ·residuumj = Σ(f(q1, q2, q3, q4, q5) – pjSoll)2 = F(q) (ii) ∂F(q)/∂(qi) = 0 (iii)zu einem Gleichungssystem aus fünf Gleichungen gemäß (iii) mit fünf Unbekannten qi mit i = 1...5 führt.The method of claim 1, 2 and 6, wherein in the additional step (i) the reduction of the number of unknowns is performed such that the Requirement for a minimization of the Gaussian error square according to the equations residuum j = (Trans (q 1 , q 2 , q 3 ) + Red (q 4 ) · Red (q 5 ) · P jist ) - p jSoll (I) residuum T j ·residuum j = Σ (f (q 1 , q 2 , q 3 , q 4 , q 5 ) - p jSoll ) 2 = F (q) (ii) ∂F (q) / ∂ (q i ) = 0 (iii) to a system of equations consisting of five equations according to (iii) with five unknowns q i with i = 1 ... 5. Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem das System der resultierenden fünf Gleichungen über numerische Verfahren gelöst wird.The method of claim 7, wherein the system the resulting five Equations about solved numerical methods becomes. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die errechnete Ist-Lage an eine Maschinensteuerung übergeben wird und/oder eine Lagekorrektur durch Verändern der Werkstücklage bewirkt wird.Method according to one of the preceding claims, in which the calculated actual situation handed over to a machine control is and / or causes a position correction by changing the workpiece position becomes. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem anstelle kartesischer zylindrische Koordinatensysteme eingesetzt werden.Method according to one of the preceding claims, in which used instead of Cartesian cylindrical coordinate systems become. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem die Anzahl der Soll-Koordinaten und der Ist-Koordinaten genau 6 ist.Method according to one of claims 1 to 7, wherein the Number of target coordinates and the actual coordinates is exactly 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem einige oder alle derjenigen Schritte, die parallel abarbeitbar sind, auch parallel abgearbeitet werden.Method according to one of the preceding claims, in which some or all of those steps that work in parallel are also processed in parallel. Computerprogramm zur Ausführung auf einem Rechner, welches die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß der Ansprüche 1 bis 12 erlaubt.Computer program for execution on a computer, which the implementation the method according to the invention according to claims 1 to 12 allowed. Datenträger, der ein Computerprogramm gemäß Anspruch 13 umfasst.disk, the a computer program according to claim 13 includes.
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