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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren eines Koordinatenmessgerätes mit einem Messkopf, der entlang von zumindest einer Koordinatenachse in einem Messvolumen verfahrbar ist.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Kalibrieren eines Koordinatenmessgerätes.
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Bei der Qualitätskontrolle von industriell hergestellten Werkstücken werden die Werkstücke häufig mit Hilfe von Koordinatenmessgeräten vermessen, um zu überprüfen, ob die Werkstücke den Spezifikationen entsprechen. Ein zu vermessendes Werkstück wird in dem Messvolumen eines Koordinatenmessgerätes platziert. Das Koordinatenmessgerät besitzt einen Messkopf, häufig in Form eines taktilen Tastkopfes, der einen beweglich gelagerten Taststift aufweist. Dieser Taststift wird über eine geeignete Verschiebemechanik des Koordinatenmessgerätes soweit an das Messobjekt herangefahren, bis der Taststift den gewünschten Messpunkt am Messobjekt berührt. Anschließend kann aus der Stellung des Tastkopfes und der relativen Lage des Taststiftes zum Tastkopf die Raumkoordinate des angetasteten Messpunktes bestimmt werden.
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Für die Verschiebemechaniken sind unterschiedliche Konzepte bekannt. Beim dreidimensionalen Messen mit Geräten (3D-Koordinatenmessgeräte) sind typische Konzepte die Portalbauweise, Horizontalarm-Koordinatenmessgeräte und Koordinatenmessgeräte mit Ständerkonstruktion. Koordinatenmessgeräte in Portalbauweise besitzen ein in X-Richtung verschiebbares Portal mit einem Querträger, an dem ein in Y-Richtung verschieblicher Schlitten angeordnet ist. Der Y-Schlitten trägt seinerseits eine in z-Richtung verschiebliche Pinole. Ein derartiges Koordinatenmessgerät ist beispielsweise aus der
DE 101 24 493 A1 bekannt.
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Horizontalarm-Koordinatenmessgeräte besitzen eine in X-Richtung verschiebliche Säule, an der ein in Z-Richtung verschieblicher Schlitten angeordnet ist. Der Z-Schlitten trägt einen in Y-Richtung verstellbaren Arm, dessen freies Ende den Tastkopf trägt.
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Koordinatenmessgeräte in Ständerbauweise besitzen einen Ständer, der die in Z-Richtung verschiebliche Pinole trägt. Der Ständer kann selbst in X- und/oder Y-Richtung beweglich sein. Alternativ können die X- und Y-Führungsachsen auch durch einen entsprechend verschieblichen Tisch zum Aufspannen des Messobjektes realisiert sein.
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Für sämtliche Koordinatenmessgeräte gilt, und zwar unabhängig von der jeweiligen baulichen Ausgestaltung, dass die Messgenauigkeit solcher Geräte entscheidend von der geometrischen Genauigkeit abhängt, mit der die Führungen in diesen Geräten das Koordinatensystem verkörpern. Beispielsweise führt eine Welligkeit oder ein Schräglauf der Führungen zu Positionsfehlern beim Verfahren des Messkopfes. Es ist daher bekannt, für ein Koordinatenmessgerät die geometrischen Abweichungen seiner Führungen gegenüber einem idealen Koordinatensystem zu ermitteln, um die Messgenauigkeit des Koordinatenmessgerätes beurteilen zu können. Zudem kann bei bekannten systematischen Abweichungen durch mathematische Korrektur die geometrische Genauigkeit eines Koordinatenmessgerätes gesteigert werden. Hierfür werden Koordinatenmessgeräte kalibriert.
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So sind Verfahren zum Kalibrieren von Koordinatenmessgeräten bekannt, bei denen zur Ermittlung der Positionsabweichungen Michelson-Laserinterferometer und für die Ermittlung von Geradheitsabweichungen Wollaston-Interferometer eingesetzt werden. Bei solchen Verfahren ist für die Ermittlung der rotatorischen Abweichungen entweder der Einsatz einer Neigungswaage oder eines Winkellasers erforderlich. Mit solchen Kalibrierverfahren lässt sich ein Koordinatenmessgerät zwar sehr präzise kalibrieren, nachteilig an solchen Kalibrierverfahren ist jedoch, dass die hierfür erforderlichen Geräte sehr teuer sind.
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Ferner sind Verfahren zum Kalibrieren von Koordinatenmessgeräten bekannt, bei denen die Kalibrierung unter Verwendung eines Referenzkoordinatenmessgerätes erfolgt. Aus der
DE 602 07 325 T2 ist bekannt, ein zu kalibrierendes Koordinatenmessgerät auf der Basisplatte eines Referenzkoordinatenmessgerätes zu montieren. An einer in z-Richtung verfahrbaren Spindel des Referenzkoordinatenmessgerätes ist eine mit einer Kugel versehene Kontaktsonde angebracht. An eine ebenfalls in z-Richtung verfahrbare Spindel des zu kalibrierenden Koordinatenmessgerätes ist eine kugeltragende Referenzeinrichtung montiert. Mittels der Kontaktsonde werden sphärische Formen der Kugeln der Referenzeinrichtung gemessen. Dabei werden sowohl die Koordinateninformationen des zu kalibrierenden Koordinatenmessgerätes als auch die Koordinateninformationen des Referenzkoordinatenmessgerätes erfasst und in deren Abhängigkeit das zu kalibrierende Koordinatenmessgerät kalibriert. Aufgrund der Montage des zu kalibrierenden Koordinatenmessgerätes in dem Referenzkoordinatenmessgerät ist dieses Verfahren sehr aufwändig.
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Weiter sind Verfahren zum Kalibrieren eines Koordinatenmessgerätes bekannt, bei denen die Kalibrierung unter Verwendung von definierten Referenzkörpern erfolgt. Als Referenzkörper kommt beispielsweise ein Kugelstab, eine Kugelplatte, ein Parallelendmaßstapel oder ein Stufenendmaß zum Einsatz. Aus der
EP 0 362 626 A2 ist bekannt, für die Kalibrierung eines Koordinatenmessgerätes Stufenendmaße zu verwenden, die in verschiedenen Ausrichtungen, beispielsweise parallel oder diagonal zu den Messachsen des Koordinatenmessgerätes in dessen Messvolumen aufgestellt werden.
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Aus der
DE 31 50 977 A1 sind Verfahren zum Kalibrieren eines Koordinatenmessgerätes bekannt, bei denen ein langgestreckter Tragkörper als Referenzkörper in einem Messvolumen des zu kalibrierenden Koordinatenmessgerätes angeordnet wird. Der Tragkörper ist mit sich in Längsrichtung erstreckenden Linien und einem Maßstab versehen. Mittels eines entlang des Tagkörpers verschiebbaren Gehäuses, in dem sechs optisch ausgebildete Leseköpfe untergebracht sind, werden insgesamt drei rotatorische und drei translatorische Fehler ermittelt. In Abhängigkeit dieser Führungsfehler wird eine Korrektur von Lagefehlern vorgenommen. Bei der Ermittlung der Führungsfehler werden Körperfehlerwerte, die die Beschaffenheit des Tragkörpers beschreiben, nicht berücksichtigt.
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Aus der
DE 196 11 617 C2 ist eine Prüfeinrichtung zur Ermittlung geometrischer Abweichungen eines Koordinatenmessgeräts bekannt. Zu der Prüfeinrichtung gehört ein Präzisionsprüfkörper, für den im Vorfeld Kalibrierdaten ermittelt werden. Bei den Kalibrierdaten handelt es sich um die räumlichen Koordinaten von acht nicht verkörperten Quadereckpunkten, um die Relativpositionen von zusätzlichen Antastformelementen sowie um die Durchlässe und Formabweichungen dieser zusätzlichen Antastformelemente. Zur Kalibrierung des Koordinatenmessgeräts wird der Prüfkörper in dem Messvolumen des Koordinatenmessgeräts angeordnet und daran anschließend Messungen durchgeführt. Nach einem vollständigen und korrekten Prüfdurchlauf wird der bis dahin aktuelle Gerätezustand mit den neu ermittelten Parametern und Korrekturdaten überschrieben. In einem nachfolgenden Kontrolldurchlauf wird dieser verbesserte Gerätezustand verifiziert. Ferner ist vorgesehen, die Geradheiten der Führungsachsen zu bestimmen. Hierzu werden ausgewählte Geraden auf drei Flächen des Präzisionsprüfkörpers erfasst. Im Vergleich mit kalibrierten Geradheiten entlang dieser Messstrecken werden Geradheitsabweichungen der Führungen bestimmt. Auch ist vorgesehen, translatorische Achsfehlerwerte und rotatorische Achsfehlerwerte zu ermitteln. Hierzu werden Abweichungen zwischen den gemessenen Koordinaten der Eckpunkte und den entsprechenden Koordinaten der Kalibrierung verglichen. Es ist jedoch nicht vorgesehen, bei der Ermittlung der Kalibrierdaten diejenige Abtastvorrichtung zu verwenden, die später für das Kalibrieren eines beliebigen Koordindatenmessgerätes verwendet wird.
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Die
DE 297 22 450 U1 beschreibt eine Vorrichtung zur Überprüfung der geometrischen Genauigkeit eines Koordinatenmessgeräts. Hierzu wird ein länglich ausgebildeter Prüfkörper eingesetzt, der eine Reihe kreisförmiger Bohrungen aufweist, die entlang seiner Längsachse angeordnet sind. Der Prüfkörper wird dabei so im Messvolumen des Koordinatenmessgeräts platziert, dass die Bohrungen längs der zu korrigierenden Achse ausgerichtet sind. Mit einer zwei Taster aufweisenden Abtastvorrichtung werden die Bohrungen vermessen und daraus Kreismittelpunkte der Bohrungen ermittelt, die in die XY-Ebene des Koordinatensystems des Koordinatenmessgeräts projiziert sind. In einer ersten Ausgestaltung werden die Koordinaten der für die Bohrungen bestimmten Kreismittelpunkte direkt nach einer für das Koordinatenmessgerät durchgeführten Korrektur der Maschinenfehler eingemessen. In einem zeitlichen Abstand werden die Koordinaten für die Kreismittelpunkte erneut bestimmt. Aus den dabei gegenüber der Kalibriermessung ermittelten Abweichungen kann eine Nachkorrektur des Koordinatenmessgeräts vorgenommen werden. Hierbei werden verschiedene Rotationsabweichungen und Geradheitsabweichungen ermittelt, anhand derer eine Nachkorrektur der Rotationsfehler bzw. der Geradheitsfehler durchgeführt wird. In einer zweiten Ausgestaltung werden aus den bei der Überprüfungsmessung gewonnenen Messdaten Maßstabsfehler, Geradheitsfehler und Rotationsfehler berechnet. Dabei werden die aufgetretenen Veränderungen der Geometrie anhand eines Vergleichs mit den kalibrierten Werten des Prüfkörpers berechnet und die Geometriekorrekturwerte entsprechend korrigiert. Die neuen Geometriekorrekturwerte werden dann für nachfolgende Messungen mit dem Koordinatenmessgerät verwendet. In einer dritten Ausgestaltung wird zur Ermittlung der Nachkorrekturwerte kein Vergleich durchgeführt. Stattdessen werden die Nachkorrekturwerte aus den aufgenommenen Messwerten allein ermittelt. Insgesamt ist nicht vorgesehen, nach erfolgter Bestimmung der Körperfehlerwerte für den Referenzkörper, für das anschließende Kalibrieren eines beliebigen Koordinatenmessgeräts den Referenzkörper zusammen mit derjenigen Abtastvorrichtung zu verwenden, die für die Bestimmung der Körperfehlerwerte verwendet wurde.
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Darüber hinaus werden Referenzkörper auch zur Bestimmung der Positioniergenau- . igkeit von frei programmierbaren Handhabungsgeräten, wie beispielsweise Industrierobotern eingesetzt. Dies ist aus der
DE 35 26 919 A1 bekannt. Hierbei ist eine Referenzschablone an dem Handhabungsgerät angeordnet. Ein an das Handhabungsgerät angeflanschter Messkopf wird in einem etwa gleichbleibenden Abstand über die Referenzschablone geführt. Der Messkopf weist fünf induktive Abstandsmesser und einen Infrarot-Sensor auf. Dadurch ist es möglich, drei translatorische und drei rotatorische Positionsabweichungen zu bestimmen und diese zu kompensieren. Körperfehlerwerte, die die Beschaffenheit der Referenzschablone beschreiben, werden dabei nicht berücksichtigt.
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Auch bei der Kalibrierung von Tastern ist die Verwendung von Kalibrierkörpern, insbesondere die Berücksichtigung von Körperfehlerwerten, die die Beschaffenheit des Kalibrierkörpers beschreiben, bekannt. So ist der
DE 198 09 589 B4 eine Kalibrierung eines Tasters zu entnehmen, bei der als Kalibrierkörper eine Kugel verwendet wird, die von dem zu kalibrierenden Taster an einer Vielzahl von unterschiedlichen Stellen einzeln angetastet wird. Aus den dabei gemessenen Messwerten kann dann, da die Geometrie der als Kalibrierkörper verwendeten Kugel sehr genau bekannt ist, der Mittelpunkt und somit der Radius der am Ende des Tasters angebrachten Tastkugel bzw. Tastscheibe bestimmt werden.
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Die Kalibrierung eines Koordinatenmessgerätes unter Verwendung von definierten Referenzkörpern ist zwar kostengünstiger als die Kalibrierung eines Koordinatenmessgerätes unter Verwendung von Lasern bzw. Laserinterferometern und weniger aufwändig als die Kalibrierung eines Koordinatenmessgerätes unter Verwendung eines Referenzmessgerätes. Nachteilig an diesen Referenzkörper verwendenden Kalibrierverfahren ist jedoch, dass diese Kalibrierverfahren weniger genau sind als Kalibrierverfahren, bei denen Laser bzw. Laserinterferometer oder Referenzkoordinatenmessgeräte eingesetzt werden. Hinzu kommt, dass die beim Einsatz eines Stufenendmaßes bzw. einer Kugelplatte für die Kalibrierung des Koordinatenmessgerätes zur Verfügung stehenden Referenzpunkte im Bereich von einigen Millimetern bzw. Zentimetern zueinander beabstandet sind, und es somit nicht möglich ist, für beliebige Messpunkte, die zudem in einem sehr kleinen Abstand, beispielsweise dem Bruchteil eines Millimeters, zueinander liegen können, Achsfehler zu bestimmen und somit ein Koordinatenmessgerät mit einer beliebig feinen Auflösung zu kalibrieren.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kalibrieren eines Koordinatenmessgerätes anzugeben, die nach einem alternativen, verbesserten Konzept arbeitend eine hochgenaue, sehr kostengünstige und zudem wenig aufwändige Kalibrierung eines Koordinatenmessgerätes ermöglichen.
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Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem folgende Schritte ausgeführt werden:
- a) Anordnen eines Referenzkörpers in dem Messvolumen relativ zu einer zu kalibrierenden Koordinatenachse des Koordinatenmessgerätes,
- b) Anordnen einer Abtastvorrichtung an dem Messkopf, wobei die Abtastvorrichtung über fünf Tastelemente verfügt, die an unterschiedlichen Orten angebracht sind, und mit denen der Referenzkörper an fünf unterschiedlichen Orten abtastbar ist, und wobei die Abtastvorrichtung ferner über eine Leseeinheit verfügt, die mit einem auf dem Referenzkörper angeordneten Maßstab zusammenwirkt,
- c) Bestimmen von Abtastwerten mit den fünf Tastelementen und zusätzlich von Maßstabswerten mit der Leseeinheit an einer Vielzahl von Messpunkten des Referenzkörpers, wobei die Messpunkte entlang einer Achse angeordnet sind, die im Wesentlichen parallel zu der Längsachse des Referenzkörpers verläuft,
- d) Bereitstellen von vorbestimmten, den Messpunkten zugeordneten Körperfehlerwerten, die die Beschaffenheit des Referenzkörpers an dem jeweiligen Messpunkt beschreiben, und
- e) Bestimmen von Achsfehlerwerten in Abhängigkeit der Abtastwerte, der Maßstabswerte und der bereitgestellten Körperfehlerwerte, wobei die Achsefehler werte die Beschaffenheit der zu kalibrierenden Koordinatenachse an dem jeweiligen Messpunkt beschreiben, wobei die Körperfehlerwerte vorab wie folgt bestimmt werden:
- f1) Anordnen des Referenzkörpers in einem durch ein Referenzkoordinatenmessgerät definierten Messvolumen, wobei der Referenzkörper relativ zu einer ersten Koordinatenachse des Referenzkoordinatenmessgerätes ausgerichtet wird,
- f2) Anordnen der Abtastvorrichtung an einem Messkopf des Referenzkoordinatenmessgerätes, der entlang von zumindest der ersten Koordinatenachse verfahrbar ist,
- f3) gleichzeitiges Bestimmen von fünf Abtastwerten und von Maßstabswerten an einer Vielzahl von Messpunkten des Referenzkörpers, wobei die Messpunkte entlang einer Achse angeordnet sind, die im Wesentlichen parallel zu der Längsachse des Referenzkörpers verläuft, und
- f4) Bestimmen der Körperfehlerwerte für die erste Koordinatenachse in Abhängigkeit der fünf Abtastwerte und der Maßstabswerte.
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Die Aufgabe wird ferner durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, die folgende Komponenten aufweist:
- eine Basis, auf der ein Referenzkörper anordenbar ist, wobei der Referenzkörper relativ zu einer zu kalibrierenden Koordinatenachse des Koordinatenmessgerätes ausgerichtet ist,
- einen Messkopf, an dem eine Abtastvorrichtung anordenbar ist, wobei die Abtastvorrichtung über fünf Tastelemente verfügt, die an unterschiedlichen Orten angebracht sind, und mit denen der Referenzkörper an fünf unterschiedlichen Orten abtastbar ist, wobei die Abtastvorrichtung ferner über eine Leseeinheit verfügt, die mit einem auf dem Referenzkörper angeordneten Maßstab zusammenwirkt, und wobei der Messkopf zumindest entlang der zu kalibrierenden Koordinatenachse verfahrbar ist,
- einen Speicher zum Abspeichern einer Vielzahl von Abtastwerten, die mit den fünf Tastelementen an einer Vielzahl von Messpunkten des Referenzkörpers bestimmt werden, und zum Abspeichern einer Vielzahl von Maßstabswerten, die mit der Leseeinheit an der Vielzahl von Messpunkten zusätzlich bestimmt werden, wobei die Messpunkte entlang einer Achse angeordnet sind, die im Wesentlichen parallel zu der Längsachse des Referenzkörpers verläuft, und
- eine Auswerteeinheit zum Bestimmen von Achsfehlerwerten, die die Beschaffenheit der zu kalibrierenden Koordindatenachse an dem jeweiligen Messpunkt beschreiben, wobei die Auswerteeinheit dazu ausgebildet ist, die Achsfehlerwerte in Abhängigkeit der Abtastwerte, der Maßstabswerte und vorbestimmter, den Messpunkten zugeordneter Körperfehlerwerte, die die Beschaffenheit des Referenzkörpers an dem jeweiligen Messpunkt beschreiben, zu bestimmen, wobei die Körperfehlerwerte vorab bestimmt werden, wobei hierzu der Referenzkörper auf einer Basis eines Referenzkoordinatenmessgeräts erlativ zu einer ersten Koordinatenachse des Referenzkoordinatenmessgeräts ausgerichtet ist und die Abtastvorrichtung an einem Messkopf des Referenzkoordinatengeräts angeordnet ist, wobei gleichzeitig fünf Abtastwerte und Maßstabswerte an einer Vielzahl von Messpunkten des Referenzkörpers bestimmt werden, wobei die Messpunkte entlang einer Achse angeordnet sind, die im Wesentlichen parallel zu der Längsachse des Referenzkörpers verläuft, wobei in einer Auswerte- und Steuereinheit des Referenzkoordinatenmessgeräts die Körperfehlerwerte für die erste Koordinatenachse in Abhängigkeit der fünf Abtastwerte und der Maßstabswerte bestimmt werden.
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Die vorliegende Erfindung beruht damit auf der Idee, Achsfehlerwerte in Abhängigkeit der Abtastwerte, der Maßstabswerte und vorbestimmter Körperfehlerwerte, die den Messpunkten, an denen die Abtastwerte bestimmt wurden, zugeordnet sind, zu bestimmen. Somit ist eine hochgenaue Kalibrierung eines Koordinatenmessgerätes möglich. Zum einen können für Messpunkte, die einen sehr kleinen Abstand, beispielsweise den Bruchteil eines Millimeters, zueinander aufweisen, Achsfehler bestimmt werden. Zum anderen sind für die Messpunkte die vorliegenden Körperfehlerwerte bekannt, weswegen die an den jeweiligen Messpunkten gegebene Beschaffenheit des Referenzkörpers berücksichtigt werden kann. Beide Tatsachen ermöglichen eine hochgenaue Kalibrierung eines Koordinatenmessgerätes. Zudem ist das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung sehr kostengünstig, da sie ohne den Einsatz eines kostspieligen Lasers bzw. Laserinterferometers auskommen, und wenig aufwändig, da durch die Verwendung eines in dem Messvolumen des zu kalibrierenden Koordinatenmessgerätes anzubringenden Referenzkörper der Aufwand für die vorbereitende Montage gering ist.
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Die Bestimmung der Körperfehlerwerte für den Referenzkörper, d.h. die Kalibrierung des Referenzkörpers, unter Verwendung einer solchen Abtastvorrichtung, die später beim Kalibrieren eines Koordinatenmessgerätes zusammen mit dem Referenzkörper zum Einsatz kommt, stellt sicher, dass systematische Fehler, die durch das Zusammenwirken des Referenzkörpers und der Abtastvorrichtung bedingt sein können, nicht zu einer Verfälschung beim späteren Kalibrieren des Koordinatenmessgerätes führen.
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Bei dem Referenzkoordinatenmessgerät handelt es sich vorteilhafterweise um ein mit Laser bzw. mit Laserinterferometer kalibriertes Koordinatenmessgerät. So sind zwar für die Kalibrierung des Referenzkoordinatenmessgerätes Laser bzw. Laserinterferometer erforderlich, für die spätere Kalibrierung des Koordinatenmessgerätes, die vor Ort beim Anwender des Koordinatenmessgerätes mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgenommen wird, ist der Einsatz von Lasern bzw. von Laserinterferometern nicht erforderlich. Somit ist für den Anwender die Möglichkeit gegeben, sein Koordinatenmessgerät in kostengünstiger Art und Weise hochgenau kalibrieren zu können.
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Mit Hilfe der Leseeinheit und des Maßstabes, die zusammen eine Erfassungsvorrichtung bilden, ist es in einfacher Weise möglich, Achsfehler in Richtung der zu kalibrierenden Koordinatenachse aufzunehmen, was eine vollständige Kalibrierung des Referenzkörpers und somit des Koordinatenmessgeräts mit hoher Genauigkeit ermöglicht. Zudem werden mit den fünf Tastelementen fünf Abtastwerte bestimmt, die ebenfalls benötigt werden, um den Referenzkörper und somit das Koordinatenmessgerät vollständig kalibrieren zu können. Mit beiden Maßnahmen ist demzufolge ein vollständiges Kalibrieren des Referenzkörpers und somit des Koordinatenmessgeräts möglich.
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Die oben genannte Aufgabe ist daher vollständig gelöst.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Referenzkörper im Wesentlichen parallel zu der zu kalibrierenden Koordinatenachse des Koordinatenmessgerätes ausgerichtet.
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Um eine Koordinatenachse eines Koordinatenmessgerätes mit Hilfe eines Referenzkörpers kalibrieren zu können, ist es erforderlich, den Referenzkörper relativ zu der zu kalibrierenden Koordinatenachse anzuordnen. Wird dabei der Referenzkörper nicht im Wesentlichen parallel zu der zu kalibrierenden Koordinatenachse angeordnet, muss der Messkopf beim Abtasten des Referenzkörpers in mehreren orthogonalen Achsrichtungen bewegt werden. Infolge dessen überlagern sich die Achsfehler der orthogonalen Richtungen, und es ist schwierig, die resultierenden Fehler den einzelnen Achsrichtungen zuzuordnen. Wird dagegen der Referenzkörper im Wesentlichen parallel zu der zu kalibrierenden Koordinatenachse ausgerichtet, genügt es, den Messkopf für die Kalibrierung in einer Achsrichtung zu verfahren und es können die Achsfehler dieser Achsrichtung gezielt aufgenommen werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden mit den fünf Tastelementen an den Messpunkten gleichzeitig fünf Abtastwerte bestimmt, wobei in Abhängigkeit der fünf Abtastwerte und der Maßstabswerte insgesamt sechs unterschiedliche Achsfehlerwerte, insbesondere drei translatorische und drei rotatorische, bestimmt werden.
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Der Einsatz von fünf Tastelementen, die vorzugsweise in exakt definierten Lagebeziehungen zueinander stehen und in zumindest zwei horizontalen und zwei vertikalen Ebenen verteilt sind, ermöglicht die gleichzeitige Bestimmung von fünf Abtastwerten zu jedem Messpunkt. Aus diesen fünf Abtastwerten können Achsfehler quer zu der zu kalibrierenden Koordinatenachse und zusätzlich noch Rotationen und somit rotatorische Fehler bestimmt werden. Bei den rotatorischen Fehlern kann es sich um eine Rotation um die zu kalibrierende Koordinatenachse selbst und/oder um eine Rotation um jeweils eine der beiden anderen Koordinatenachsen handeln. Unter Zugrundelegung eines kartesischen Koordinatensystems, welches über eine X-, eine Y- und eine Z-Koordinatenachse verfügt, kann somit beispielsweise bei der Kalibrierung der X-Koordinatenachse ein rotatorischer Fehler der X-Koordinatenachse um die X-Koordinatenachse selbst (als xRx bezeichnet), ein rotatorischer Fehler der X-Koordinatenachse um die Y-Koordinatenachse (xRy) und ein rotatorischer Fehler der X-Koordinatenachse um die Z-Koordinatenachse (yRz) bestimmt werden.
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Ferner können unter Verwendung dieser fünf Abtastwerte translatorische Verschiebungen und somit translatorische Fehler bestimmt werden. Unter Zugrundelegung eines kartesischen Koordinatensystemes kann beispielsweise bei der Kalibrierung der X-Koordinatenachse ein translatorischer Fehler der X-Koordinatenachse in Richtung der Y-Koordinatenachse (xTy) und ein translatorischer Fehler der X-Koordinatenachse in Richtung der Z-Koordinatenachse (xTz) bestimmt werden. Der verbleibende translatorische Fehler in Richtung der X-Koordinatenachse selbst (als xTx bezeichnet) kann mit Hilfe des oben genannten Maßstabes einfach und genau bestimmt werden. Man erhält somit eine vollständige Kalibrierung der Koordinatenachse.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden für das vollständige Kalibrieren des Koordinatenmessgerätes für jede der drei Koordinatenachsen nacheinander die Schritte a) bis e) mit der Maßgabe ausgeführt, dass in dem jeweiligen Schritt a) der Referenzkörper relativ zu der jeweils zu kalibrierenden Koordinatenachse ausgerichtet wird.
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Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf alle drei Koordinatenachsen des Koordinatenmessgerätes ermöglicht eine vollständige Kalibrierung des Koordinatenmessgerätes. Somit ist eine hochgenaue Kalibrierung des Koordinatenmessgerätes in kostengünstiger Art und Weise möglich.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird im Schritt f1) der Referenzkörper im Wesentlichen parallel zu der ersten Koordinatenachse ausgerichtet.
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Diese Ausgestaltung vereinfacht die Kalibrierung des Referenzkörpers, da die Körperfehlerwerte gezielt für eine Koordinatenrichtung aufgenommen werden und die Fehlerwerte den einzelnen Achsen somit leichter zugeordnet werden können. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden für jede der drei Koordinatenachsen des Koordinatenmessgerätes insgesamt sechs unterschiedliche Körperfehlerwerte, insbesondere drei translatorische und drei rotatorische, bestimmt.
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Die Bestimmung sechs unterschiedlicher Körperfehlerwerte, bei denen es sich um die Führungsfehler des Referenzkörpers handelt, ermöglicht eine vollständige Beschreibung der bezüglich einer Koordinatenachse vorliegenden Abweichungen des Referenzkörpers. Somit ist eine vollständige Kalibrierung des Referenzkörpers möglich. Vorteilhafterweise werden entsprechend der für die zu kalibrierende Koordinatenachse möglichen Freiheitsgrade, ebenfalls insgesamt drei translatorische und drei rotatorische Körperfehlerwerte bestimmt. Bei den Körperfehlerwerten handelt es sich um die bereits im Zusammenhang mit den Achsfehlerwerten beschriebenen möglichen Führungsfehler.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Messpunkte in im Wesentlichen äquidistantem Abstand über die gesamte Länge des Referenzkörpers angeordnet.
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Dadurch, dass die Messpunkte über die gesamte Länge des Referenzkörpers angeordnet sind, können über die gesamte Länge des Referenzkörpers Körperfehlerwerte bestimmt und somit der Referenzkörper über seine gesamte Länge kalibriert werden. Dies ermöglicht, ein Koordinatenmessgerät in einem Bereich, der durch die Länge des Referenzkörpers vorgegeben ist, zu kalibrieren. Entspricht die Länge des Referenzkörpers der Kantenlänge des Messvolumens des zu kalibrierenden Koordinatenmessgerätes, so kann mit dem Referenzkörper das zu kalibrierende Koordinatenmessgerät über dessen gesamtes Messvolumen kalibriert werden. Die im Wesentlichen äquidistant beabstandeten Messpunkte stellen eine gleichmäßige und damit hochgenaue Kalibrierung des Referenzkörpers und somit auch des zu kalibrierenden Koordinatenmessgerätes sicher.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die Verfahrensschritte f1), f2), f3), f4) zu bestimmten Zeitpunkten, insbesondere zu den vorgegebenen Zeitpunkten der Prüfmittelüberwachung erneut durchgeführt.
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Die erneute Durchführung der vorgenannten Schritte ermöglicht es, den Referenzkörper von Zeit zu Zeit neu zu kalibrieren. Somit ist sichergestellt, auf sich ändernde Umgebungsbedingungen reagieren zu können, die eventuell zu einer Beeinflussung der Körperfehlerwerte des Referenzkörpers führen. Von besonderem Vorteil ist es, die vorgenannten Verfahrensschritte zu den vorgegebenen Zeitpunkten der Prüfmittelüberwachung durchzuführen, da somit ohne großen zusätzlichen Aufwand eine erneute Kalibrierung des Referenzkörpers möglich ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Körperfehlerwerte entweder in einem Teilbereich des Speichers abgelegt, wobei dieser Teilbereich nicht flüchtig, jedoch überschreibbar ausgelegt ist, oder die Körperfehlerwerte sind von einem externen Speichermedium, auf dem diese gespeichert sind, einlesbar.
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Beide Maßnahmen ermöglichen ein hohes Maß an Flexibilität. So können zum einen für den Fall, dass ein bereits verwendeter Referenzkörper zu einem späteren Zeitpunkt erneut kalibriert wird, oder für den Fall, dass ein bereits verwendeter Referenzkörper durch einen neuen Referenzkörper ersetzt wird, die neuen Körperfehlerwerte in einfacher Art und Weise bereitgestellt werden, entweder durch Überschreiten der bisher vorliegenden, alten Körperfehlerwerte durch die neuen Körperfehlerwerte oder durch einfaches Einlesen der neuen Körperfehlerwerte.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird eine Abtastvorrichtung zum Abtasten eines quaderförmig ausgebildeten Referenzkörpers eingesetzt, die fünf an unterschiedlichen Orten angebrachte Tastelemente aufweist, mit denen der Referenzkörper abtastbar ist, und eine Leseeinheit aufweist, die mit einem auf dem Referenzkörper angeordneten Maßstab zusammenwirkt.
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Durch das Zusammenwirken der auf der Abtastvorrichtung angeordneten Leseeinheit mit dem auf dem Referenzkörper angeordneten Maßstab entsteht eine Erfassungsvorrichtung, mit der sich Auslenkung der Abtastvorrichtung relativ zu dem Referenzkörper und somit die Position eines Messpunktes des Referenzkörpers bestimmen lässt.
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In Abhängigkeit der mit der Erfassungsvorrichtung bestimmten Position des Messpunktes des Referenzkörpers und der mit den fünf Tastelementen bestimmten fünf Abtastwerte lassen sich die für die Kalibrierung des Referenzkörpers erforderlichen Körperfehlerwerte vollständig bestimmen. In Abhängigkeit dieser Körperfehlerwerte lassen sich sämtliche für eine vollständige Kalibrierung einer Koordinatenachse des Koordinatenmessgerätes erforderlichen Achsfehlerwerte bestimmen.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist die Abtastvorrichtung eine rechteckförmige Trägerplatte auf, wobei die Leseeinheit an der Trägerplatte derart angebracht ist, dass der am Referenzkörper angeordnete und in dessen Längsrichtung ausgerichtete Maßstab lesbar ist, wobei in drei Eckbereichen der Trägerplatte jeweils ein Tastelement derart angebracht ist, dass die Auslenkungsrichtung jedes dieser drei Tastelemente im Wesentlichen parallel zu einer Flächennormalen der Fläche verläuft, die durch die Trägerplatte definiert ist, und wobei die restlichen beiden Tastelemente beabstandet zueinander an einem mit der Trägerplatte verbundenen Abstandselement angebracht sind, und zwar derart, dass die beiden Tastelemente derselben Kante der Trägerplatte zugewandt sind und die Auslenkungsrichtung jedes dieser beiden Tastelemente zum einen im Wesentlichen orthogonal zu der Flächennormalen und zum anderen im Wesentlichen orthogonal zu der Kante der Trägerplatte verläuft.
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Durch diese Anordnung der fünf Tastelemente ist gewährleistet, dass an jedem Messpunkt des Referenzkörpers sowohl die Rotation des Referenzkörpers bezüglich jeder der drei Koordinatenachsen als auch die Auslenkung des Referenzkörpers bezüglich zwei der drei Koordinatenachsen bestimmt werden kann. Die Auslenkung bezüglich der fehlenden dritten Koordinatenachse wird mit Hilfe der an der an der Abtastvorrichtung angebrachten Leseeinheit und dem auf dem Referenzkörper angeordneten Maßstab und somit der durch diese gebildeten Erfassungsvorrichtung bestimmt. Somit können sämtliche der für eine Kalibrierung des Referenzkörpers benötigten Körperfehlerwerte bestimmt werden. In entsprechender Weise lassen sich auch sämtliche für die Kalibrierung einer Koordinatenachse erforderlichen Achsfehlerwerte bestimmen.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Abtastvorrichtung sind die Tastelemente als kapazitive Taster ausgestaltet.
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Mit Hilfe kapazitiver Taster lassen sich in einfacher Art und Weise sowohl statische als auch dynamische Anteile der abzutastenden geometrischen Größe bestimmen. Somit können beispielsweise für den Referenzkörper dauerhafte Auslenkungen und Änderungen in der Auslenkung erfasst werden
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Der Einsatz der Erfindung ist nicht auf Koordinatenmessgeräte beschränkt, die für die Vermessung von Messobjekten mit taktilen Tastköpfen ausgestattet sind. Die Erfindung kann auch bei Koordinatenmessgeräten, die mit anderen Messsonden ausgestattet sind, zum Einsatz kommen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Ausführungsbeispiel eines Koordinatenmessgerätes mit einer Auswerteeinheit, die nach der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist,
- 2 eine schematische Darstellung der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Einsatz kommenden Abtastvorrichtung und des Referenzkörpers in einer Frontansicht,
- 3 eine schematische Darstellung der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Einsatz kommenden Abtastvorrichtung in einer Draufsicht von oben,
- 4 und 5 ein vereinfachtes Flussdiagramm zur Erläuterung des neuen Verfahrens zur Kalibrierung eines Koordinatensystems, und
- 6 ein vereinfachtes Flussdiagramm zur Erläuterung der bei dem neuen Verfahren durchzuführenden Kalibrierung des Referenzkörpers.
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In 1 ist ein Koordinatenmessgerät, das nach der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist, in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet.
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Das Koordinatenmessgerät 10 besitzt hier eine Basis 12, auf der ein Portal 14 angeordnet ist. Das Portal 14 kann in einer Längsrichtung, die hier als X-Achse bezeichnet ist, auf der Basis 12 verfahren werden. An der Traverse des Portals 14 ist ein Schlitten 16 angeordnet, der in Y-Richtung verfahren werden kann. Am Schlitten 16 sitzt eine in Z-Richtung verfahrbare Pinole 18. Am unteren freien Ende der Pinole 18 ist ein Messkopf 19 angeordnet. An dem Messkopf 19 ist eine Abtastvorrichtung 26 angeordnet.
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Das Koordinatenmessgerät 10 besitzt Antriebe (hier nicht näher dargestellt), über die das Portal 14, der Schlitten 16 und die Pinole 18 motorisch in den drei Raumrichtungen verfahren werden können. Damit lässt sich der Tastkopf 19 innerhalb eines Messvolumens dreidimensional verfahren.
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Mit den Bezugsziffern 20, 22, 24 sind Maßstäbe bezeichnet, mit deren Hilfe die jeweilige Achsposition des Messkopfes 19 bestimmt werden kann. Bei den Maßstäben 20, 22, 24 handelt es sich typischerweise um Glasmaßstäbe mit einer Skalierung, die optisch abgetastet wird. Alternativ hierzu kann das Koordinatenmessgerät 10 jedoch auch andere Positionsmesseinrichtungen besitzen, beispielsweise induktive Messeinrichtungen.
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Darüber hinaus sei der Vollständigkeit halber darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht nur bei Koordinatenmessgeräten in Portalbauweise, sondern auch bei anderen Koordinatenmessgeräten, beispielsweise in Horizontalarm- oder Brückenbauweise, eingesetzt werden kann.
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Auf der Basis 12 des Koordinatenmessgerätes 10 ist ein Referenzkörper 31, auf dem ein Maßstab 30 angeordnet ist, vereinfacht dargestellt. Mittels der Abtastvorrichtung 26 wird der Referenzkörper 31 an einer Vielzahl von Messpunkten abgetastet. Hierzu wird der Messkopf 19 und somit die an ihm angeordnete Abtastvorrichtung 26 über die nicht abgebildeten Antriebe in X-, Y- sowie Z-Richtung so verfahren, dass die jeweiligen Messpunkte des Referenzkörpers angefahren werden. Somit sind die Raumkoordinaten des Messpunktes durch die Achspositionen des Messkopfes 19, die über die Maßstäbe 20, 22, 24 ablesbar sind, bestimmt. Unter Verwendung des Referenzkörpers 31 lässt sich das Koordinatenmessgerät 10 mit dem neuen Verfahren kalibrieren.
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Das Koordinatenmessgerät 10 besitzt zur Bestimmung der Achsfehlerwerte eine Auswerte- und Steuereinheit 32. Die Auswerte- und Steuereinheit 32 steuert die Verfahrbewegungen des Koordinatenmessgerätes 10 und sie führt die rechnerische Auswertung der über die Positionsmesser 20, 22, 24 aufgenommenen Positionswerte, der Abtastwerte, die von Tastelementen, die an der Abtastvorrichtung 26 angeordnet sind, bestimmt werden und von Maßstabswerten, die unter Verwendung des Maßstabes 30 bestimmt werden, aus.
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Die Auswerte- und Steuereinheit 32 ist hier schematisch mit einem Prozessor 34 und zwei Speichern 36, 38 dargestellt. Im Speicher 36 ist ein Computerprogramm hinterlegt, dessen Ausführung in dem Prozessor 34 eine Bestimmung der Achsfehlerwerte nach dem neuen Verfahren ermöglicht. In dem Speicher 38 werden die von den Positionsmesseinrichtungen 20, 22, 24 gelieferten Positionswerte, die von den Tastelementen gelieferten Abtastwerte sowie die unter Verwendung des Maßstabes 30 bestimmten Maßstabswerte hinterlegt. Durch Ausführung des in dem Speicher 36 hinterlegten Computerprogramms werden durch den Prozessor 34 die Achsfehlerwerte in Abhängigkeit der Abtastwerte, der Maßstabswerte und von Körperfehlerwerten bestimmt. Die hierfür benötigten Körperfehlerwerte sind entweder in einem Teilbereich 38a des Speichers 38, der nicht flüchtig, jedoch überschreibbar ausgelegt ist, abgelegt, oder sie sind von einem externen Speichermedium 39, auf dem diese gespeichert sind, einlesbar.
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Die Positionswerte, insbesondere diejenigen der zu kalibrierenden Koordinatenachse, werden deshalb benötigt, um festhalten zu können, in welcher Position der zu kalibrierenden Koordinatenachse welche Achsfehler vorliegen. Somit können bei später mit dem Koordinatenmessgerät 10 durchgeführten Messungen, die bei diesem vorliegenden Führungsfehler eliminiert werden.
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An dieser Stelle sei erwähnt, dass die in 1 gewählte schematische Darstellung der Abtastvorrichtung 26 und des Referenzkörpers 31 bezüglich der konkreten konstruktiven Ausgestaltung dieser beiden Komponenten keine einschränkende Wirkung haben sollten. Idealerweise verfügt der Referenzkörper 31 im Wesentlichen über eine Längenausdehnung, die dem Verfahrweg des Koordinatenmessgerätes 10 bezüglich der zu kalibrierenden Koordinatenachse entspricht. Somit ist es möglich, über den gesamten verfahrweg der zu kalibrierenden Koordinatenachse Achsfehlerwerte nach dem neuen Verfahren aufzunehmen.
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Gemäß der in 1 dargestellten Ausrichtung des Referenzkörpers 31 soll für das Koordinatenmessgerät 10 dessen X-Koordinatenachse kalibriert werden. Bei entsprechender anderer Ausrichtung des Referenzkörpers 31 kann auch dessen Y-Koordinatenachse und dessen Z-Koordinatenachse kalibriert werden.
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Nach erfolgter Kalibrierung des Koordinatenmessgerätes 10 stehen dessen Achsfehlerwerte zur Verfügung und können bei nachfolgenden Vermessungen von Messobjekten berücksichtigt werden, um somit von Achsfehlern bereinigte Messwerte zu liefern.
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Der Übersichtlichkeit halber wurde auf die Darstellung eines Referenzkoordinatenmessgerätes, welches für die Kalibrierung des Referenzkörpers 31 benötigt wird, verzichtet. Der Vollständigkeit halber sei jedoch erwähnt, dass dieses Referenzkoordinatenmessgerät denselben mechanischen Aufbau wie das in 1 dargestellte Koordinatenmessgerät 10 haben kann. Auch verfügt das Referenzkoordinatenmessgerät über eine Auswerte- und Steuereinheit. Diese Auswerte- und Steuereinheit unterscheidet sich von der in 1 dargestellten Auswerte- und Steuereinheit 32 in folgenden Punkten: in einem in dieser Auswerte- und Steuereinheit vorhandenen Prozessor werden Körperfehlerwerte, die die Beschaffenwert des Referenzkörpers an dem jeweiligen Messpunkt beschreiben, ermittelt; auf einen nicht flüchtigen, jedoch überschreibbaren Teilbereich eines Speichers kann verzichtet werden, die erfindungsgemäß bestimmten Körperfehlerwerte werden auf einem Speichermedium abgelegt, welches von der Auswerte- und Steuereinheit abtrennbar ist, nachdem die Bestimmung der Körperfehlerwerte abgeschlossen ist.
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Nach erfolgter Kalibrierung des Referenzkörpers 31 werden die dabei bestimmten Körperfehlerwerte auf einem Speichermedium abgelegt. So können diese Körperfehlerwerte später zusammen mit dem Referenzkörper 31 und der Abtastvorrichtung 26 für die Kalibrierung eines Koordinatenmessgerätes 10 verwendet werden. Der Referenzkörper 31 und das Speichermedium mit dem Körperfehlerwerten bilden zusammen ein Kalibrierwerkzeug zum Kalibrieren des Koordinatenmessgerätes 10.
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Bei dem neuen Verfahren wird für die Kalibrierung eines Koordinatenmessgerätes 10 der Referenzkörper 31 zusammen mit der Abtastvorrichtung 26, die für die zuvor erfolgte Kalibrierung des Referenzkörpers 31 verwendet wurde, und den bei der Kalibrierung des Referenzkörpers 31 ermittelten Körperfehlerwerten verwendet. So ist sichergestellt, dass evtl. auftretende, in der Kombination von Referenzkörper 31 und Abtastvorrichtung 26 begründete systematische Fehler keinen Einfluss auf die Bestimmung der Achsfehlerwerte haben.
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In 2 ist in einer Frontansicht schematisch die Abtastvorrichtung 26 und der Referenzkörper 31 dargestellt, wobei die Zeichnungsebene der durch die Y-Koordinatenachse und Z-Koordinatenachse aufgespannten Ebene entspricht. In dieser Darstellung entspricht die X-Koordinatenachse der Flächennormalen der Zeichnungsebene, wobei die X-Koordinatenachse in die Zeichnungsebene hinein gerichtet ist.
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Auf der Mantelfläche des Referenzkörpers 31, die derjenigen gegenüberliegt, mit der der Referenzkörper 31 auf der Basis 12 des Koordinatenmessgerätes 10 befestigt ist, ist der Maßstab 30 angeordnet.
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Die Abtastvorrichtung 26 weist eine rechteckförmige Trägerplatte 42 auf, die über ein Aufnahmerohr 44 an dem Messkopf 19 des Koordinatenmessgerätes 10 befestigt ist. An der Unterseite der Trägerplatte 42 ist im Bereich deren Vorderkante 43 eine Leseeinheit 40 angeordnet, die mit dem Maßstab 30 des Referenzkörpers 31 zusammenwirkt. Die Leseeinheit 40 bildet zusammen mit dem in Längsrichtung des Referenzkörpers 31 ausgerichteten Maßstab 30 eine Erfassungsvorrichtung, mit der die Position von Messpunkten des Referenzkörpers 31 bestimmbar ist. Die Messpunkte des Referenzkörpers 31 werden durch Verfahren der Abtastvorrichtung 26 angefahren. Durch die Leseeinheit 40 und den Maßstab 30 kann die relative Verschiebung der Abtastvorrichtung 26 in Bezug auf den Referenzkörper 31 bestimmt werden. Bei Kenntnis der Raumkoordinaten des Nullpunktes des Maßstabes 30, die von dem Koordinatenmessgerät 10 bereitgestellt werden können, ist somit der Wert der X-Koordinate des Messpunktes des Referenzkörpers 31 bekannt.
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Der Nullpunkt des Maßstabes 30 ist zugleich der Punkt, an dem die Abtastvorrichtung 26 startet, um die Messpunkte des Referenzkörpers 31 anzufahren.
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An der Trägerplatte 42 sind in den Eckbereichen der Vorderkante 43 zwei Tastelemente 46a, 46b angebracht, wobei in jedem dieser beiden Eckbereiche jeweils eines der beiden Tastelemente angeordnet ist. Die Messrichtung jedes dieser beiden Tastelemente 46a, 46b verläuft im Wesentlichen parallel zu einer Flächennormalen der Fläche, die durch die Oberfläche der Trägerplatte 42 definiert ist. Somit ist der Referenzkörper 31 an der Mantelfläche, an der der Maßstab 30 angeordnet ist, durch die beiden Tastelemente 46a, 46b abtastbar.
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An der Trägerplatte 42 ist ein Abstandselement 48 angebracht, an dem ein weiteres Tastelement 46c angebracht ist.
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In 3 ist in einer Draufsicht von oben die Abtastvorrichtung 26 schematisch dargestellt, wobei die durch die Trägerplatte 42 definierte Ebene parallel zu der durch die X-Koordinatenachse und Y-Koordinatenachse aufgespannten Ebene liegt. In dieser Darstellung verläuft die Z-Koordinatenachse parallel zu dem Aufnahmerohr 44 aus der Zeichenebene heraus.
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In einem der beiden Eckbereiche derjenigen Kante, die der Vorderkante 43 der Trägerplatte 42 gegenüberliegt, ist ein weiteres Tastelement 46e angebracht. Somit sind insgesamt drei Tastelemente 46a, 46b, 46e in drei Eckbereichen der Trägerplatte angebracht. Die Messrichtung des Tastelements 46e entspricht derjenigen der Tastelemente 46a, 46b. Die drei Tastelemente 46a, 46b, 46e spannen zusammen eine Horizontalebene auf.
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An dem Abstandselement 48 ist ein weiteres Tastelement 46d beabstandet zu dem Tastelement 46c angebracht. Die beiden Tastelemente 46c, 46d sind einer Kante 45 der Trägerplatte 42 zugeordnet, wobei die Auslenkungsrichtungen jedes der beiden Tastelemente 46c, 46d zum einen im Wesentlichen orthogonal zu der Flächennormale der durch die Trägerplatte 42 definierten Fläche und zum anderen im Wesentlichen orthogonal zu der Kante 45 der Trägerplatte 42 verläuft.
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Unter Verwendung der mit den fünf Tastelementen 46a, 46b, 46c, 46d, 46e an fünf verschiedenen Orten bestimmten Abtastwerte und den Maßstabswerten, die mittels der Leseeinheit 40 und dem Maßstab 30 bestimmt werden, lassen sich für jeden Messpunkt des Referenzkörpers 31 sämtliche sechs Achsfehlerwerte, die auch als Führungsfehler bezeichnet werden, bestimmen.
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So lässt sich beispielsweise aus den mit den beiden Tastelementen 46a, 46b bestimmten Abstandswerten für die zu kalibrierende Koordinatenachse ein in einem Messpunkt vorliegende rotatorische Abweichung um die X-Koordinatenachse bestimmen, und zwar wie folgt: der Abstand der beiden Tastelement 46a, 46b zueinander ist bekannt. Für den in dem Messpunkt vorliegenden Rotationswinkel, der die rotatorische Abweichung um die X-Koordinatenachse beschreibt, gilt, dass der Tangens dieses Rotationswinkel gleich dem Quotienten ist, der aus der Differenz der beiden Abtastwerte und dem Abstand der beiden Tastelement 46a, 46b gebildet ist. Da es sich um sehr kleine rotatorische Abweichungen und somit sehr kleine Rotationswinkel handelt, kann zur Vereinfachung angenommen werden, dass der Rotationswinkel näherungsweise gleich besagtem Quotienten ist. Folglich kann die rotatorische Abweichung um die X-Koordinatenachse und somit der zugehörige Rotationswinkel aus der Differenz der beiden mit den Tastelementen 46a, 46b bestimmten Abtastwerte und dem Abstand dieser beiden Tastelemente zueinander bestimmt werden. In entsprechender Weise kann die rotatorische Abweichung um die Z-Koordinatenachse bestimmt werden, wobei hierzu die mit den Tastelementen 46c, 46d bestimmten Abstandswerte und der Abstand zwischen diesen beiden Tastelementen auszuwerten ist. In entsprechender Weise kann auch die rotatorische Abweichung um die Y-Koordinatenachse bestimmt werden, wobei hierzu die mit den beiden Tastelementen 46b, 46e und der zwischen diesen beiden Tastelementen vorliegende Abstand auszuwerten ist.
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Die in einem Messpunkt des Referenzkörpers 31 vorliegenden translatorischen Abweichungen lassen sich wie folgt bestimmen: eine in X-Richtung vorliegende translatorische Abweichung kann als Differenz zwischen dem für den Messpunkt mittels der Leseeinheit 40 und dem Maßstab 30 bestimmten Maßstabswert und dem Wert der Raumkoordinate, der für die zu kalibrierende Koordinatenachse von dem Koordinatenmessgerät 10 durch Auswertung der der zu kalibrierenden Koordinatenachse zugehörigen Positionsmesseinrichtung 20, 22, 24 vorgegeben wird, bestimmt werden. Eine in Y-Richtung vorliegende translatorische Abweichung kann in Abhängigkeit der durch die beiden Tastelemente 46c, 46d bestimmten Abtastwerte bestimmt werden, und zwar deshalb, weil eine translatorische Abweichung in diesen beiden Abtastwerten gleichermaßen zu einem Offset führt. Folglich ergibt sich die translatorische Abweichung in Y-Richtung als Differenz dieser beiden Abtastwerte.
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Eine in Z-Richtung vorliegende translatorische Abweichung kann in entsprechender Weise in Abhängigkeit der durch die beiden Tastelemente 46b, 46d bestimmten Abtastwerte bestimmt werden.
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Für den Fall, dass der Referenzkörper 31 nicht im Wesentlichen parallel zu der zu kalibrierenden Koordinatenachse ausgerichtet worden ist, ergibt sich bei der Bestimmung der Achsfehlerwerte ein systematischer Fehler. Dieser systematische Fehler macht sich zumindest in den Achsfehlerwerten bemerkbar, die jeweils eine translatorische Abweichung der zu kalibrierenden Koordinatenachse in Richtung einer der beiden anderen Koordinatenachsen beschreiben. Der systematische Fehler führt bei diesen Achsfehlerwerten zu einem betragsmäßig linear anwachsenden Offset bzw. Gleichanteil. Diese Tatsache ermöglicht eine Korrektur eines durch eine nicht optimale Ausrichtung des Referenzkörpers 31 verursachten systematischen Fehlers. Wird für die Achsfehlerwerte ein betragsmäßig linear anwachsender Gleichanteil erkannt, so kann dieser mittels entsprechender Korrekturverfahren aus den Achsfehlerwerten herausgerechnet werden.
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Nachfolgend wird das neue Verfahren und die Funktionsweise der neuen Vorrichtung anhand der in den 4 bis 6 dargestellten Flussdiagramme beschrieben.
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Das in 4 dargestellte Flussdiagramm zeigt die prinzipielle Vorgehensweise bei Kalibrierung eines Koordinatenmessgerätes 10 gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren.
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Gemäß Schritt 60 wird zunächst eine erste Koordinatenachse des Koordinatenmessgerätes 10 kalibriert. In einem nächsten Schritt 64 wird eine zweite Koordinatenachse des Koordinatenmessgerätes 10 kalibriert. In einem darauffolgenden Schritt 68 wird die letzte der drei Koordinatenachse des Koordinatenmessgerätes 10 kalibriert.
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Die in den Schritten 60, 64, 68 jeweils ablaufenden Verfahrensschritte ergeben sich aus dem in 5 dargestellten Flussdiagramm, welches die Verfahrensschritte zeigt, die gemäß dem neuen Verfahren zur Kalibrierung einer Koordinatenachse eines zu kalibrierenden Koordinatenmessgerätes 10 durchzuführen sind.
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Gemäß Schritt 80 wird zum einen der Referenzkörper 31 in dem Messvolumen des Koordinatenmessgerätes 10 relativ zu der zu kalibrierenden Koordinatenachse des Koordinatenmessgerätes 10 angeordnet und zum anderen wird die Abtastvorrichtung 26 an dem Messkopf 19 des Koordinatenmessgerätes 10 angeordnet. In einem darauf folgenden Schritt 84 wird ein Messpunkt des Referenzkörpers 31 angefahren. Gemäß dem sich daran anschließenden Schritt 88 wird mit Hilfe der Leseeinheit 40 und dem auf dem Referenzkörper 31 angeordneten Maßstab 30 ein Maßstabswert bestimmt. In einem sich anschließenden Schritt 92 werden mit den an der Abtastvorrichtung 26 angeordneten Tastelementen 46a, 46b, 46c, 46d, 46e Abtastwerte bestimmt. In einem nachfolgenden Schritt 96 werden vorbestimmte, dem Messpunkt zugeordnete Körperfehlerwerte, die die Beschaffenheit des Referenzkörpers an diesem Messpunkt beschreiben, bereitgestellt. In einem nächsten Schritt 100 werden Achsfehlerwerte, die die Beschaffenheit der zu kalibrierenden Koordinatenachse in dem Messpunkt beschreiben, in Abhängigkeit der Abtastwerte, der Maßstabswerte und der bereitgestellten Körperfehlerwerte bestimmt. In einem sich anschließenden Schritt 104 wird überprüft, ob der Maßstabswert einem vorgegebenen Endwert entspricht. Der Endwert ist dabei der Maßstabswert, der mit der Leseeinheit 40 dann ermittelt wird, wenn mit der Abtastvorrichtung 26 der Messpunkt des Referenzkörpers 31 angefahren wurde, der der Endposition des Maßstabes 30 entspricht.
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Wird bei der Überprüfung im Schritt 104 festgestellt, dass der Maßstabswert noch nicht dem Endwert entspricht, so wird anschließend an den Schritt 104 erneut der Schritt 84 ausgeführt. Wird dagegen im Schritt 104 festgestellt, dass der Maßstabswert dem Endwert entspricht, so wird die Kalibrierung der Koordinatenachse beendet, da über die gesamte Länge des Referenzkörpers 31 die Achsfehlerwerte bestimmt sind.
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Das in 6 dargestellte Flussdiagramm zeigt die Verfahrensschritte, die in einem Ausführungsbeispiel des neuen Verfahrens für die Kalibrierung des Referenzkörpers 31 bezüglich einer ersten Koordinatenachse des Referenzkoordinatenmessgerätes durchzuführen sind.
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Gemäß einem Schritt 110 wird zum einen der Referenzkörper 31 in einem durch ein Referenzkoordinatenmessgerät definierten Messvolumen angeordnet, wobei der Referenzkörper 31 relativ zu der ersten Koordinatenachse des Referenzkoordinatenmessgerätes ausgerichtet ist. Zum anderen wird die Abtastvorrichtung 26 an einem Messkopf des Referenzkoordinatenmessgerätes angeordnet. In einem sich anschließenden Schritt 114 wird ein Messpunkt des Referenzkörpers 31 angefahren. In einem nachfolgenden Schritt 118 wird ein Maßstabswert für diesen Messpunkt bestimmt. In einem sich anschließenden Schritt 122 werden mit den Tastelementen 46a, 46b, 46c, 46d, 46e Abtastwerte für den Messpunkt bestimmt. Auch wenn in 6 die Bestimmung des Maßstabswertes und die Bestimmung der Abtastwerte in zwei getrennten Verfahrensschritten dargestellt ist, sollen sowohl der Maßstabswert als auch die Abtastwerte gleichzeitig, d. h. zu einem Zeitpunkt bestimmt werden. In einem sich anschließenden Schritt 126 werden die Körperfehlerwerte für die erste Koordinatenachse in Abhängigkeit der Abtastwerte und des Maßstabswertes bestimmt.
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In einem nachfolgenden Schritt 130 wird überprüft, ob der Maßstabswert bereits den Endwert erreicht hat. Ist dies nicht der Fall, so wird anschließend an den Schritt 130 erneut der Schritt 114 durchgeführt. Hat dagegen der Maßstabswert bereits den Endwert erreicht, so ist die Kalibrierung des Referenzkörpers 31 bezüglich der ersten Koordinatenachse des Referenzkoordinatenmessgerätes abgeschlossen.
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Eine Kalibrierung des Referenzkörpers 31 bezüglich der zweiten und dritten Koordinatenachse des Referenzkoordinatenmessgerätes kann in entsprechender Weise erfolgen, indem der Referenzkörper 31 im Wesentlichen parallel zu der zweiten bzw. dritten Koordinatenachse ausgerichtet wird.
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Sowohl bei der Kalibrierung des Koordinatenmessgerätes als auch bei der Kalibrierung des Referenzkörpers werden die Messpunkte des Referenzkörpers derart angefahren, dass sich für die Startposition des Anfahrvorganges für sämtliche Tastelemente 46a, 46b, 46c, 46d, 46e ein mittlerer Messwert ergibt, damit sowohl zunehmende als auch abnehmende Änderungen in der Beschaffenheit des Referenzkörpers 31 erfassbar sind.
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In bevorzugten Ausführungsbeispielen kommt das neue Verfahren bei Koordinatenmessgeräten zum Einsatz, die einen Messbereich von bis zu 400 mm je Koordinatenachse aufweisen. Demzufolge weist der Referenzkörper in den bevorzugten Ausführungsbeispielen eine Länge von 400 mm auf. Prinzipiell kann das neue Verfahren auch bei Koordinatenmessgeräten mit einem größeren Messbereich zum Einsatz kommen. Bei solchen Koordinatenmessgeräten können jedoch bei der Bestimmung der Achsfehlerwerte systematische Fehler auftreten, da es aufgrund der größeren geometrischen Abmessungen unter Umständen nicht immer gelingt, den Referenzkörper im Wesentlichen parallel und somit optimal zu der zu kalibrierenden Koordinatenachse auszurichten. Das neue Verfahren eignet sich auch für Koordinatenmessgeräte mit einem größeren Messbereich, wenn die Möglichkeit vorgesehen ist, eventuell durch eine nicht optimale Ausrichtung des Referenzkörpers auftretende systematische Fehler eliminieren zu können. Eine Vorgehensweise für die Eliminierung solcher Fehler kann darin bestehen, in den Achsfehlerwerten betragsmäßig linear zunehmende Offsetwerte zu erkennen und wertmäßig zu bestimmen und diese dann aus den Achsfehlerwerten herauszurechnen.
