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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren einer
Messkraft an einem Koordinatenmessgerät sowie ein Koordinatenmessgerät, das
zur Durchführung dieses Verfahrens ausgebildet ist.
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Ein
Koordinatenmessgerät im Sinne der vorliegenden Erfindung
ist eine Vorrichtung oder eine Maschine mit einem Tastelement, das
relativ zu einer Werkstückaufnahme verfahren werden kann. Üblicherweise
ist das Tastelement ein Taststift, der an einem sog. Tastkopf angeordnet
ist. Der Taststift dient dazu, einen Messpunkt an einem Messobjekt
anzutasten. Danach kann anhand der Position des Tastkopfes relativ
zu der Werkstückaufnahme und eventuell anhand der Position
des Taststiftes relativ zum Tastkopf eine Raumkoordinate für
den angetasteten Messpunkt bestimmt werden. Durch Antasten mehrerer
Messpunkte an einem Messobjekt und Auswerten der entsprechenden
Raumkoordinaten kann man geometrische Größen,
wie etwa den Durchmesser einer Bohrung, die Länge eines
Abschnitts oder sogar die komplette Raumform des Messobjekts bestimmen
und messtechnisch überprüfen. Typischerweise wird
der Tastkopf innerhalb eines Messvolumens bewegt, um die gewünschten
Messpunkte anzutasten. Grundsätzlich ist es jedoch auch
denkbar, dass die Werkstückaufnahme mit dem Messobjekt verfahren
wird, um einen gewünschten Messpunkt anzutasten. Bei sehr
großen und/oder sehr genauen Koordinatenmessgeräten
wird der Tastkopf häufig mit Hilfe von motorischen Antrieben
relativ zu der Werkstückaufnahme verfahren. Es gibt jedoch
auch Fälle, in denen der Tastkopf von Hand bewegt wird, um
einen Messpunkt anzutasten. Außerdem soll der Begriff ”Koordinatenmessgerät” hier
auch Werkzeugmaschinen und ähnliche Vorrichtungen beinhalten, wenn
diese anstelle eines Bearbeitungswerkzeugs einen Tastkopf mit einem
Taststift zum Vermessen eines Messobjekts tragen.
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Es
ist leicht einzusehen, dass die Genauigkeit, mit der ein Koordinatenmessgerät
ein Messobjekt vermessen kann, von der Genauigkeit und Geradlinigkeit
der Maschinenführungen abhängt, entlang der der
Tastkopf relativ zu der Werkstückaufnahme bewegt wird.
Abweichungen vom ideal geradlinigen Verlauf der Führungsbahnen
können rechnerisch korrigiert werden, wenn man die daraus
resultierenden Messfehler aufgrund einer Kalibrierung des Koordinatenmessgerätes
kennt. Darüber hinaus ist es seit langem bekannt, auch
Messfehler rechnerisch zu korrigieren, die sich aufgrund von dynamischen und/oder
elastischen Verformungen des Koordinatenmessgerätes ergeben.
Eine detaillierte Beschreibung eines Verfahrens zur Korrektur von
Messfehlern aufgrund elastischer Verformungen eines Koordinatenmessgerätes
ist in
DE 195 18 268
A1 zu finden. Diese Druckschrift offenbart auch, dass die Durchbiegung
des Taststiftes beim Antasten des Messobjekts einen Messfehler hervorrufen
kann und wie ein solcher Messfehler in Abhängigkeit von
der Messkraft beim Antasten des Messobjekts korrigiert werden kann.
Für diese Korrektur ist es erforderlich, die Messkraft,
mit der der Taststift gegen das Messobjekt drückt, zu kennen.
Auch
DE 44 36 507 A1 offenbart
ein Koordinatenmessgerät und ein Verfahren, bei dem die
Durchbiegung des Taststiftes in Abhängigkeit von der Messkraft
rechnerisch korrigiert wird. In beiden Fällen wird die
tatsächliche Messkraft, mit der der Taststift gegen das
Messobjekt drückt, als eine bekannte Größe
vorausgesetzt. Ein Verfahren, wie die tatsächliche Messkraft
bestimmt werden kann, ist in diesen Druckschriften jedoch nicht
offenbart.
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DE 42 12 455 A1 offenbart
ein Koordinatenmessgerät und ein Verfahren zum Korrigieren
von Messfehlern aufgrund der Durchbiegung des Taststiftes, wobei
ein Kraftregler zum Einsatz kommt. Der Kraftregler enthält
für jede der drei Antriebsrichtungen eine geschlossene
Regelschleife für die Auslenkung des Taststiftes. Mit der
Regelschleife wird die Proportionalität zwischen der vom
Antrieb eingestellten Kraft und der Tasterauslenkung hergestellt.
Die Kennlinien werden für alle drei Raumrichtungen so eingestellt,
dass sich um die Nulllage des Taststiftes Kugelschalen gleicher
Kraft ergeben. Damit können bei bekannter Auslenkung des
Taststiftes relativ zum Tastkopf und mit Hilfe der sich aus der
Kennlinie ergebenden Federkonstanten die für die Biegungskorrektur
benötigten Kräfte berechnet werden. Allerdings
erfordert die Einstellung der Kennlinien derart, dass sich um die
Nulllage des Taststiftes Kugelschalen gleicher Kraft ergeben, einen
Abgleich der Sollmesskraft und tatsächlichen Messkraft.
Mit anderen Worten kann der Kraftregler die gewünschte
Proportionalität zwischen der vom Antrieb eingestellten
Sollmesskraft und der Tasterauslenkung erst dann herstellen, wenn
die Kennlinien für die tatsächliche Messkraft
vorher so justiert wurden, dass sich die genannten Kugelschalen
ergeben. Ein Verfahren, wie diese Justierung erfolgen soll, ist
in
DE 42 12 455 A1 jedoch
nicht beschrieben.
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In
der Regel erfolgte die Justierung von Messkraftkennlinien bislang
mit Hilfe eines Kraftsensors, der als ”Messobjekt” auf
der Werkstückaufnahme des Koordinatenmess gerätes
positioniert und mit dem Taststift bei verschiedenen Sollmesskräften
angetastet wird. Diese Vorgehensweise zum Abgleichen der Sollmesskräfte
und der jeweiligen tatsächlichen Messkräfte ist
allerdings sehr zeitaufwendig, weil der Kraftsensor für
jede Antastrichtung separat montiert und einzeln ausgewertet werden
muss. Eine vollautomatische Kalibrierung der Messkräfte
ist bislang nicht möglich. Darüber hinaus ist
der benötigte Kraftsensor relativ teuer.
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DE 41 03 060 A1 offenbart
ein Verfahren zum Bestimmen von geometrischen Abmessungen eines
Messobjekts, das mit mehreren unterschiedlichen Messkräften
angetastet wird. Auf diese Weise wird eine Biegekennlinie ermittelt,
die das System aus Taststift und Messobjekt repräsentiert.
Durch Extrapolation der Biegekennlinie wird ein (theoretischer)
Messwert bei Messkraft Null berechnet. Ein Verfahren zum Kalibrieren
der tatsächlichen Messkraft an einem Koordinatenmessgerät
ist in
DE 41 03 060
A1 jedoch ebenfalls nicht offenbart.
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DE 198 09 589 A1 offenbart
ein Verfahren zum Kalibrieren eines Taststiftes an einem Koordinatenmessgerät.
Um die Auswirkungen der Messkräfte zu eliminieren, soll
ein Kalibrierobjekt mehrfach nacheinander mit unterschiedlichen
Messkräften angetastet werden. Ein Verfahren zum Kalibrieren
der Messkräfte selbst ist auch in
DE 198 09 589 A1 nicht offenbart.
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DE 10 2006 023 031
A1 offenbart ein Verfahren und ein Koordinatenmessgerät,
wobei die tatsächliche Messkraft beim Antasten eines Messobjekts
unter Verwendung eines Korrekturdatensatzes bestimmt wird, der ein
Hystereseverhalten des Taststiftes repräsentiert. Um den
Korrekturdatensatz zu ermitteln, wird das oben erwähnte
Verfahren mit einem Kraftsensor vorgeschlagen, der als Kalibrierwerkstück
dient. Dieses Verfahren besitzt die bereits erwähnten Nachteile,
d. h. es ist zeitaufwendig und erfordert einen relativ teuren Kraftsensor.
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Vor
diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein Verfahren anzugeben, um die Messkraft bei einem taktilen Koordinatenmessgerät
möglichst einfach, schnell und kostengünstig zu
kalibrieren. Es ist ferner eine Aufgabe der Erfindung, ein Koordinatenmessgerät
anzugeben, bei dem die Messkraft einfach, schnell und kostengünstig
kalibriert werden kann.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren der
eingangs genannten Art gelöst, mit den Schritten:
- – Bereitstellen eines Taststiftes
mit einer definierten Biegesteifigkeit an dem Tastkopf,
- – Bereitstellen eines Anschlags im Bereich der Werkstückaufnahme,
- – Verfahren des Tastkopfes relativ zu der Werkstückaufnahme,
bis der Taststift den Anschlag berührt,
- – Einstellen einer Sollmesskraft, mit der der Taststift
gegen den Anschlag drückt,
- – Bestimmen einer Messgröße, die
einen Biegeweg des Taststiftes in Abhängigkeit von der
Sollmesskraft repräsentiert,
- – Bestimmen einer tatsächlichen Messkraft
anhand der Messgröße und der definierten Biegesteifigkeit,
und
- – Abgleichen der Sollmesskraft und der tatsächlichen
Messkraft.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Koordinatenmessgerät
zum Bestimmen einer Raumkoordinate an einem Messobjekt gelöst,
mit einer Werkstückaufnahme zum Positionieren des Messobjekts,
mit einem Tastkopf, der relativ zu der Werkstückaufnahme verfahrbar
ist und der dazu ausgebildet ist, einen Taststift mit einer definierten
Biegesteifigkeit zu tragen, mit einem Anschlag, der im Bereich der
Werkstückaufnahme positionierbar ist, und mit einer Auswert- und
Steuereinheit, die dazu ausgebildet ist, (a) den Tastkopf relativ
zu der Werkstückaufnahme zu verfahren, bis der Taststift
den Anschlag berührt, (b) eine Sollmesskraft einzustellen,
mit der der Taststift gegen den Anschlag drückt, (c) eine
Messgröße zu bestimmen, die einen Biegeweg des
Taststiftes in Abhängigkeit von der Sollmesskraft repräsentiert,
(d) eine tatsächliche Messkraft anhand der Messgröße und
der definierten Biegesteifigkeit zu bestimmen, und (e) die Sollmesskraft
und die tatsächliche Messkraft abzugleichen.
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Besonders
vorteilhaft kann das neue Verfahren mit Hilfe eines Computerprogramms
realisiert werden, das einen Programmcode aufweist, der dazu ausgebildet
ist, ein solches Verfahren auszuführen, wenn der Programmcode
auf einer Auswerte- und Steuereinheit eines Koordinatenmessgerätes ausgeführt
wird.
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Nach
dem neuen Verfahren wird die tatsächliche Messkraft, mit
der der Taststift eines Koordinatenmessgerätes gegen ein
Messobjekt drückt, anhand der Biegung bestimmt, die der
Taststift beim Antasten des Anschlags erfährt. Es wird
eine Messgröße bestimmt, die den Biegeweg des
Taststiftes beim Antasten des Anschlags repräsentiert.
Der Biegeweg ist diejenige Distanz, um die eine definierte Stelle
an dem Taststift aufgrund der Messkraft beim Antasten des feststehenden
Anschlags verschoben wird. Der Biegeweg ist zumindest für
kleine Messkräfte proportional zur tatsächlichen
Messkraft, mit der der Taststift gegen den Anschlag drückt.
Der Proportionalitätsfaktor wird im Wesentlichen durch
die Biegesteifigkeit bestimmt, die den Taststift charakterisiert.
Die Biegesteifigkeit hängt vom Elastizitätsmodul
des Taststiftmaterials und von den geometrischen Abmessungen des
Taststiftes ab. Für einen definierten Taststift kann man
die Biegesteifigkeit messtechnisch und/oder rechnerisch ermitteln.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des neuen Verfahrens
und des neuen Koordinatenmessgerätes ist die definierte Biegesteifigkeit
des verwendeten Taststiftes ein Parameterwert, der vom Bediener,
der die Kalibrierung durchführt, in die Auswerte- und Steuereinheit
des Koordinatenmessgerätes eingegeben wird oder von der
Auswerte- und Steuereinheit automatisch aus einem ID-Speicher am
Taststift eingelesen wird. Mit Hilfe der bekannten Biegesteifigkeit
des verwendeten Taststiftes kann die tatsächliche Messkraft
in Abhängigkeit vom gemessenen Biegeweg bestimmt und mit der
eingestellten Sollmesskraft abgeglichen werden. In bevorzugten Ausgestaltungen
des Verfahrens und des Koordinatenmessgerätes wird eine
etwaige Differenz als Korrekturwert in einem Speicher des Koordinatenmessgerätes
hinterlegt, um die eingestellte Sollmesskraft und die tatsächlich
wirkende Messkraft in Übereinstimmung zu bringen.
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Das
neue Verfahren und das neue Koordinatenmessgerät kommen
ohne den bislang benötigten Kraftsensor aus. Es genügt
ein feststehender Anschlag. Ein Taststift mit einer definierten
Biegesteifigkeit ist wesentlich billiger als ein geeigneter Kraftsensor,
der bislang als Kalibrierwerkstück diente. Infolgedessen
kann das neue Verfahren kostengünstiger realisiert werden
als das bislang verwendete Verfahren. Darüber hinaus kann
das neue Verfahren vollständig automatisiert werden, wie
nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben ist.
Daher kann die Messkraft an einem Koordinatenmessgerät
wesentlich schneller kalibriert werden als bisher. Selbst wenn man
das neue Verfahren nicht vollautomatisch durchführt, ist
ein Zeitgewinn möglich, weil der Anschlag im Gegensatz
zu dem bislang verwendeten Kraftsensor nicht für die verschiedenen Antastrichtungen
ummontiert werden muss.
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Darüber
hinaus ist das neue Verfahren für einen Anwender einfach
durchzuführen, da der Anwender lediglich einen Anschlag
mit dem Taststift so weit antasten muss, dass der Taststift eine
Biegung erfährt. Die Bestimmung der Messgröße,
die den Biegeweg des Taststiftes repräsentiert, kann auf
verschiedene Weise erfolgen. In bevorzugten Ausgestaltungen wird
das Koordinatenmessgerät selbst verwendet, so dass der
Anwender einen gewohnten Arbeitsablauf zur Kalibrierung der Messkraft
durchführt.
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Insgesamt
ermöglichen das neue Verfahren und das neue Koordinatenmessgerät,
die Messkraft zum Antasten eines Messobjekts einfach, schnell und
kostengünstig zu kalibrieren. Die oben genannte Aufgabe
ist daher vollständig gelöst.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Tastkopf
zumindest einen Aktor auf, der dazu ausgebildet ist, die Sollmesskraft
beim Antasten des Messobjekts zu erzeugen.
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In
dieser Ausgestaltung ist der Tastkopf ein so genannter aktiver Tastkopf.
Grundsätzlich ist es jedoch auch denkbar, das neue Verfahren
zum Kalibrieren der Messkraft bei einem Koordinatenmessgerät
mit einem passiven Tastkopf anzuwenden, also mit einem Tastkopf
ohne speziellen Aktor zum Erzeugen der Messkraft. Ein aktiver Tastkopf
mit Aktor ist jedoch von Vorteil, weil die Messkraft dann weitgehend
unabhängig von anderen Einstellungen des Koordinatenmessgerätes
gewählt werden und infolgedessen beim Kalibrieren einfacher
eingestellt werden kann. Darüber hinaus ermöglicht
ein aktiver Tastkopf, das Längenmesssystem des Koordinatenmessgerätes
zum Bestimmen des Biegeweges zu verwenden, was eine sehr einfache
und schnelle Kalibrierung ermöglicht. In bevorzugten Ausführungsbeispielen
ist der Aktor eine Tauchspule, und die Messkraft wird mit Hilfe
eines Stroms eingestellt, der durch die Tauchspule fließt.
Diese besonders bevorzugte Ausgestaltung ermöglicht eine
einfache Messung der (kalibrierten) Messkraft im späteren
Betrieb durch Messen des Stroms in der Aktorspule.
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In
einer weiteren Ausgestaltung wird die Sollmesskraft beim Einstellen
um eine Sollkraftdifferenz verändert, und die erste Messgröße
wird in Abhängigkeit von der Sollkraftdifferenz bestimmt.
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In
dieser Ausgestaltung wird die Änderung des Biegeweges des
Taststiftes verwendet, um eine Änderung der tatsächlichen
Messkraft zu bestimmen. Die Kalibrierung erfolgt also anhand von
relativen Änderungen. Diese Ausgestaltung lässt
sich sehr einfach realisieren, da eine Änderung des Biegeweges leichter
mit Hilfe des Koordinatenmessgerätes bestimmt werden kann
als ein Absolutbetrag des Biegeweges. Diese Ausgestaltung eignet
sich daher besonders in Kombination mit der vorgenannten Ausgestaltung.
Sie ist jedoch auch separat davon anwendbar und ermöglicht
eine schnelle Kalibrierung von Messkraftkennlinien, d. h. eine schnelle
Kalibrierung einer Vielzahl von verschiedenen Sollmesskräften.
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In
einer weiteren Ausgestaltung wird der Tastkopf relativ zu der Werkstückaufnahme
verfahren, um den Taststift zum Bestimmen der Messgröße in
einer konstanten Position relativ zu dem Tastkopf zu halten.
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Diese
Ausgestaltung ermöglicht die Bestimmung der Messgröße,
die den Biegeweg des Taststiftes repräsentiert, auf eine
sehr einfache, kostengünstige und elegante Weise. Die Ausgestaltung
nutzt die Fähigkeit des Koordinatenmessgerätes,
Wegänderungen bzw. Entfernungen zwischen zwei Tastkopfpositionen
zu messen. Der Biegeweg des Taststiftes wird hier bestimmt, indem
der Tastkopf um eine Strecke verfahren wird, die gleich dem (zusätzlichen)
Biegeweg des Taststiftes ist. Die gesuchte Messgröße lässt
sich dann anhand der Längenmesssysteme des Koordinatenmessgerätes
einfach bestimmen. Die Ausgestaltung ist zudem kostengünstig,
weil kein zusätzliches Messsystem zum Bestimmen des Biegeweges
benötigt wird.
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In
einer weiteren Ausgestaltung wird der Tastkopf an eine definierte
Antastposition an dem Anschlag verfahren, die eine tatsächliche
Messkraft von Null repräsentiert, und die Sollmesskraft
wird an der definierten Antastposition eingestellt.
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Eine
tatsächliche Messkraft von Null kann man dann annehmen,
wenn der Taststift keine Biegung erfährt. Dies ist zumindest
dann der Fall, wenn der Taststift (noch) nicht gegen den Anschlag
drückt. Verfährt man den Tastkopf jedoch so weit,
dass der Taststift den Anschlag gerade eben, jedoch ohne Biegung
berührt, erhält man auf einfache Weise einen exakt
bestimmten Ausgangspunkt für alle nachfolgenden (relativen)
Messungen des Biegeweges. Die vorliegende Ausgestaltung ermöglicht
daher eine Kalibrierung, die mit einer hohen Genauigkeit reproduzierbar
ist. Sie ist darüber hinaus vorteilhaft, weil sie einen
exakten Startpunkt für die relative Messung von mehreren
Biegwegen bietet.
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In
einer weiteren Ausgestaltung wird die definierte Antastposition
als Position des ersten Kontakts zwischen dem Taststift und dem
Anschlag bestimmt.
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Prinzipiell
könnte die definierte Antastposition auch auf andere Weise
bestimmt werden, beispielsweise mit Hilfe eines optischen Durchlichtverfahrens.
Die bevorzugte Ausgestaltung ermöglicht es demgegenüber,
die definierte Antastposition mit den Messsystemen des Koordinatenmessgerätes
selbst zu bestimmen. Sie kann daher sehr kostengünstig realisiert
werden und ermöglicht darüber hinaus eine vollautomatische
Kalibrierung mit Hilfe der in einem Koordinatenmessgerät
vorhandenen Messsysteme.
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In
einer weiteren Ausgestaltung wird der Tastkopf mit dem Taststift
von einer ersten Tastkopfposition, die von dem Anschlag entfernt
ist, zu einer zweiten Tastkopfposition verfahren, die oberhalb des Anschlags
liegt, wobei eine Kennlinie bestimmt wird, die für eine
momentane Position des Taststiftes in Abhängigkeit von
der Tastkopfposition relativ zur Werkstückaufnahme repräsentativ
ist, und wobei eine Änderung der Kennlinie detektiert wird,
um die Position des ersten Kontakts zu bestimmen.
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Diese
Ausgestaltung ist eine sehr einfache Möglichkeit, um die
Position des ersten Kontakts zwischen dem Taststift und dem Anschlag
mit einer hohen Genauigkeit und Reproduzierbarkeit zu bestimmen.
Da diese Ausgestaltung zudem mit Hilfe der Messsysteme realisiert
werden kann, die in dem Koordinatenmessgerät ohnehin vorhanden
sind, ermöglicht sie eine sehr kostengünstige
und einfache Realisierung.
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In
einer weiteren Ausgestaltung werden der Reihe nach eine Vielzahl
von verschiedenen Sollmesskräften automatisch eingestellt,
und es werden der Reihe nach eine Vielzahl von tatsächlichen
Messkräften automatisch bestimmt, um die Vielzahl von Sollmesskräften
abzugleichen.
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Diese
Ausgestaltung macht von den vorteilhaften Möglichkeiten
Gebrauch, die bereits weiter oben anhand der anderen bevorzugten
Ausgestaltungen beschrieben wurden. In dieser Ausgestaltung wird
eine Messkraftkennlinie mit einer Vielzahl von verschiedenen Messkräften
kalibriert. Die automatische Kalibrierung ist für den Anwender
sehr einfach und vermeidet individuelle Fehler. Darüber
hinaus kann diese Ausgestaltung sehr vorteilhaft während eines
laufenden Messbetriebs automatisch gestartet und durchgeführt
werden, indem beispielsweise die Ausnutzung einer erlaubten Fehlertoleranz überwacht
wird. Wird die erlaubte Fehlertoleranz überschritten, kann
sogar im aktuellen Messbetrieb eine automatische Nachkalibrierung
gestartet werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet die tatsächliche
Messkraft einen Hysteresekraftanteil, und der Hysteresekraftanteil
wird durch eine wiederholte Bestimmung der tatsächlichen
Messkraft bestimmt.
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In
dieser Ausgestaltung berücksichtigt die Kalibrierung der
Messkraft einen Hysteresekraftanteil, der aufgrund der Federwirkung
und aufgrund internen Spannungen der mechanischen Komponenten eines
Tastkopfes unvermeidlich ist. Die Idee, die tatsächliche
Messkraft in Abhängigkeit von dem Hystereseverhalten des
Taststiftes zu korrigieren, ist Gegenstand der bereits oben erwähnten
Anmeldung
DE 10
2006 023 031 A1 der hiesigen Anmelderin. Der zur Korrektur
von Hystereseeffekten benötigte Korrekturdatensatz kann
mit Hilfe des neuen Verfahrens jedoch sehr viel einfacher, schneller
und kostengünstiger ermittelt werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung wird ein erster Taststift mit einer
ersten definierten Biegesteifigkeit und zumindest ein zweiter Taststift
mit einer zweiten definierten Biegesteifigkeit bereitgestellt, wobei der
erste Taststift zum Bestimmen der tatsächlichen Messkraft
verwendet wird, wobei der zweite Taststift zum Vermessen von Messobjekten
in Abhängigkeit von der tatsächlichen Messkraft
verwendet wird, und wobei die erste definierte Biegesteifigkeit
klein ist im Vergleich zu der zweiten definierten Biegesteifigkeit.
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In
dieser Ausgestaltung besitzt der Tastkopf eine Wechselschnittstelle
zur Aufnahme von verschiedenen Taststiften. In bevorzugten Varianten
ist das Koordinatenmessgerät dazu ausgebildet, einen Wechsel
des jeweils verwendeten Taststiftes vollautomatisch durchzuführen.
Ungeachtet dessen verwendet diese Ausgestaltung einen relativ weichen Taststift
für die Kalibrierung der Messkraft, wohingegen ein relativ
harter oder biegesteifer Taststift zum Vermessen von realen Messobjekten
verwendet wird. Mit anderen Worten wird die Kalibrierung mit Hilfe
eines speziellen Biegetasters durchgeführt, der bei gleicher
Messkraft einen größeren Biegeweg erfährt
als ein Messtaster für eine typische Messung an einem Messobjekt.
Während die Durchbiegung des Taststiftes bei einer realen
Messung an dem Messobjekt ein unerwünschter Effekt ist,
wird die Biegung bei dem neuen Verfahren vorteilhaft verwendet,
um die tatsächliche Messkraft zu bestimmen. Die hier bevorzugte
Ausgestaltung ermöglicht eine höhere Genauigkeit
und Reproduzierbarkeit bei der Kalibrierung.
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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:
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1 ein
Ausführungsbeispiel des neuen Koordinatenmessgerätes,
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2 eine
vereinfachte Darstellung des Tastkopfes mit dem Taststift bei dem
Koordinatenmessgerät aus 1,
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3 bis 5 verschiedene
Positionen des Tastkopfes beim Kalibrieren gemäß einem
Ausführungsbeispiel des neuen Verfahrens,
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6 Kennlinien,
mit deren Hilfe die Position des ersten Kontakts gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel des neuen Verfahrens ermittelt
wird, und
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7 eine
automatisch ermittelte Kennlinie, die für die Messkrafthysterese
eines Tastkopfes gemäß 2 repräsentativ
ist.
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In 1 ist
ein Koordinatenmessgerät in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Das
Koordinatenmessgerät 10 ist hier beispielhaft
in Portalbauweise dargestellt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf
einen bestimmten Gestellaufbau beschränkt und kann auch
bei Koordinatenmessgeräten in anderer Bauweise eingesetzt
werden.
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Das
Koordinatenmessgerät 10 besitzt eine Basis 12,
auf der ein Portal 14 angeordnet ist. Das Portal 14 kann
in diesem Fall mit Hilfe eines Antriebs (hier nicht bezeichnet)
entlang einer Achsrichtung verfahren werden, die üblicherweise
als y-Achse bezeichnet wird. Am oberen Querträger des Portals 14 ist
ein Schlitten 16 angeordnet, der in x-Richtung verfahren
werden kann. Der Schlitten 16 trägt eine Pinole 18,
die in z-Richtung verfahren werden kann. Am unteren freien Ende
der Pinole 18 befindet sich ein Tastkopf 20 mit
einem Taststift 22. Der Taststift 22 besitzt an
seinem freien Ende eine Tastkugel 23 (siehe 2),
die üblicherweise dazu dient, einen Oberflächenpunkt 24 an
einem Messobjekt anzutasten, um die Raumkoordinaten des Oberflächenpunktes
zu bestimmen. Für das neue Verfahren zum Kalibrieren der
Messkraft beim Antasten wird ein Oberflächenpunkt an einem
Anschlag 26 angetastet, wie nachfolgend noch näher
erläutert ist. Der Anschlag kann speziell für
die Kalibrierung auf der Basis angeordnet werden, oder er kann dauerhaft
im Messvolumen des Koordinatenessgerätes 10 angeordnet
sein. Darüber hinaus kann prinzipiell auch ein zu vermessendes Messobjekt
als Anschlag 26 dienen, was von Vorteil ist, um eine Kalibrierung
der Messkraft unmittelbar vor oder sogar innerhalb eines Messablaufs
durchzuführen bzw. zu wiederholen.
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Mit
den Bezugsziffern 28, 30, 32 sind Skalen bezeichnet,
die parallel zu den Achsrichtungen des Koordinatenmessgerätes 10 angeordnet
sind. Beispielsweise handelt es sich hier um Glasmaßstäbe, die
mit Hilfe von geeigneten Sensoren (hier nicht dargestellt) abgelesen
werden, um die momentanen Positionen des Portals 14, des
Schlittens 16 und der Pinole 18 zu bestimmen.
Mit Hilfe dieser Messwerte lässt sich die Position des
Tastkopfes 20 im Messvolumen des Koordinatenmessgerätes 10 bestimmen. Aus
der Position des Tastkopfes kann die Raumkoordinate eines angetasteten
Oberflächenpunktes 24 bestimmt werden.
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Mit
der Bezugsziffer 34 ist eine Auswerte- und Steuereinheit
bezeichnet, die über Leitungen 36, 38 mit
den Aktoren und Sensoren des Koordinatenmessgerätes 10 verbunden
ist. Des Weiteren ist die Auswerte- und Steuereinheit 34 hier
mit einem Steuerpult 40 und einer Tastatur 42 verbunden.
Das Steuerpult 40 ermöglicht eine manuelle Steuerung
des Koordinatenmessgerätes 10. Die Tastatur 42 ermöglicht
die Eingabe von individuellen Betriebsparametern, die Auswahl von
Messprogrammen und auch einen manuellen Start des neuen Kalibrierverfahrens.
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Die
Steuereinheit 34 besitzt in diesem Ausführungsbeispiel
eine Anzeige 44, auf der Messergebnisse, Parameterwerte
u. a. ausgegeben werden. Des Weiteren besitzt sie einen Prozessor 46 und
einen Speicher 48, der hier mit zwei Speicherbereichen 48a, 48b dargestellt
ist. Der Speicherbereich 48a ist hier ein RAM und dient
zum temporären abspeichern von Mess- und Zwischenergebnissen
eines Messablaufs. Der Speicherbereich 48b ist hier ein nicht-flüchtiger
Speicher, der unter anderem Korrekturwerte speichert, die für
eine rechnerische Korrektur von Messfehlern verwendet werden. In
dem nicht-flüchtigen Speicherbereich 48b werden
u. a. auch die Kalibrierwerte abgespeichert, mit denen eine eingestellte
Sollmesskraft beim Antasten eines Oberflächenpunkts 24 und
die tatsächliche Messkraft abgeglichen werden.
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2 zeigt
den Tastkopf 20 des Koordinatenmessgerätes 10 mit
weiteren Details, allerdings in einer stark vereinfachten Darstellung.
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Der
Taststift 22 ist an einem beweglichen Teil 50 befestigt,
das über zwei Blattfedern 52, 54 mit
einer Tastkopfbasis 56 verbunden ist. Aufgrund der Blattfedern 52, 54 kann
sich das Teil 50 mit dem Taststift 22 relativ
zu der Tastkopfbasis 56 bewegen. Die beiden zueinander
entgegengesetzten Bewegungsrichtungen sind hier mit den Pfeilen 58, 60 angedeutet.
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Die
Fachleute auf diesem Gebiet erkennen, dass der in 2 dargestellte
Tastkopf 20 eine Auslenkung des Taststiftes 22 in
nur einer Achsrichtung 58, 60 ermöglicht,
was auf die vereinfachte Darstellung zurückzuführen
ist. Für eine Auslenkung des Taststiftes 22 in
den zwei weiteren Achsrichtungen können weitere Blattfedern 52, 54 vorhanden
sein, wie dies den Fachleuten auf diesem Gebiet bekannt ist.
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Mit
der Bezugsziffer 62 ist ein Aktor bezeichnet, mit dessen
Hilfe das Teil 50 relativ zu der Tastkopfbasis 56 ausgelenkt
werden kann. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der
Aktor 62 eine Tauchspule, die zwischen zwei Schenkeln 64, 66 angeordnet
ist. Der Schenkel 64 ist mit dem beweglichen Teil 50 verbunden,
der Schenkel 66 ist mit der Tastkopfbasis 56 verbunden.
Der Aktor 62 ist dazu ausgebildet, die Schenkel 64, 66 auseinander
zu drücken oder gegeneinander zu ziehen, wodurch der Taststift 22 mit
dem Teil 50 in die Richtung 58 oder in die Richtung 60 ausgelenkt
wird. Wenn der Taststift 22 mit der Kugel 23 an
einem Messobjekt oder einem anderen Anschlag anliegt, kann mit Hilfe
des Aktors 62 eine Messkraft erzeugt werden. Üblicherweise wird
ein Tastkopf mit einem solchen Aktor als aktiver Tastkopf bezeichnet.
Aktive Tastköpfe ermöglichen eine sehr individuelle
und genaue Einstellung einer Messkraft beim Antasten eines Messobjekts,
was von Vorteil ist. Sie eignen sich besonders gut für
eine Kalibrierung der Messkraft nach dem neuen Verfahren. Grundsätzlich
kann eine definierte Messkraft jedoch auch mit einem passiven Tastkopf
(ohne Aktor 62) erzeugt werden, indem beispielsweise die
Federspannung der Blattfedern 52, 54 genutzt wird
und der Tastkopf über das Messobjekt verfahren wird. Darüber
hinaus können anstelle oder in Ergänzung zu einer
Tauchspule prinzipiell auch andere Aktoren zum Erzeugen einer Messkraft
dienen, wie etwa ein Piezoaktor.
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Mit
der Bezugsziffer 68 ist ein Sensor bezeichnet, der ebenfalls
zwischen den Schenkeln 64, 66 angeordnet ist.
Der Sensor 68 ist hier mit einer Skala 70 dargestellt,
die es ermöglicht, eine aktuelle Auslenkung X des Taststiftes 22 (dargestellt
bei Bezugsziffer 22') messtechnisch zu erfassen. Der Sensor 68 kann
eine Tauchspule, ein Hall-Sensor, ein Dehnungsmesstreifen, ein optische
Sensor oder ein anderer geeigneter Positionsoder Längensensor sein.
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Nachfolgend
wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des neuen Verfahrens
zum Kalibrieren der Messkraft anhand der 3 bis 5 und
anhand der 6 beschrieben. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen
dieselben Elemente wie zuvor.
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In 3 befindet
sich der Tastkopf 20 mit dem Taststift 22 in einer
ersten Tastkopfposition, die mit der Bezugsziffer 72 bezeichnet
ist und die von dem Anschlag 26 entfernt ist. An der Tastkopfposition 72 wird
von der Auswerte- und Steuereinheit 34 eine definierte
Sollmesskraft eingestellt, indem die Auswerte- und Steuereinheit 34 einen
definierten Steuerstrom durch die Tauchspule des Aktors 62 bewirkt. Da
der Taststift 22 an der Tastkopfposition 72 frei
im Raum steht und folglich keine Gegenkraft erfährt (abgesehen
von einer internen Gegenkraft aufgrund der Federspannung der Blattfedern 52, 54 etc.),
wird der Taststift 22 um eine Wegstrecke X relativ zur
Tastkopfbasis 56 ausgelenkt (Bezugsziffer 22' in 2). Nun
wird der Tastkopf 20 mit Vorauslenkung des Tatsstiftes 22' in
Richtung 58 der Vorauslenkung verfahren, bis die Kugel 23 am
freien Ende des Taststiftes 22 den Anschlag 26 berührt.
Je weiter der Tastkopf 20 in Richtung der Vorauslenkung über
den Anschlag 26 verfahren wird, desto mehr wird der Taststift 22 von
dem Anschlag 26 wieder in seine ursprüngliche
Ausgangsposition gedrückt, die in 2 bei der
Bezugsziffer 22 dargestellt ist.
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Die
momentane Auslenkung des Taststiftes 22 relativ zur Tastkopfbasis 56 kann
mit Hilfe des Sensors 68 bestimmt werden. Wenn sich der
Taststift 22 wieder in seiner Ausgangs- oder Ruheposition
befindet, drückt die Kugel 23 mit der vom Aktor 62 hervorgerufenen
Messkraft gegen den angetasteten Oberflächenpunkt am Anschlag 26.
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4 zeigt
eine Situation, in der die Kugel 23 am freien Ende des
Taststiftes 22 den Anschlag 26 gerade eben berührt.
Die mit Hilfe des Aktors 62 eingestellte Messkraft wird
jedoch noch nicht auf den Anschlag 26 übertragen,
weil der Tastkopf 20 noch um den Betrag der Vorauslenkung
X von dem Anschlag 26 entfernt ist.
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5 zeigt
demgegenüber eine Situation, in der die Kugel 23 am
freien Ende des Taststiftes 22 mit der vollen eingestellten
Messkraft gegen den Anschlag 26 drückt. Die tatsächliche
Messkraft ist hier bei der Bezugsziffer 74 symbolisch dargestellt.
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Wie
in 5 gezeigt ist, biegt sich der Taststift 22 aufgrund
der Messkraft 74 und der daraus folgenden Gegenkraft (actio
gleich reactio). Der Biegeweg, das ist die Änderung der
Position der Kugel 23 aufgrund der Biegung, ist in 5 bei
der Bezugsziffer 76 dargestellt und mit B bezeichnet. Wie
eingangs beschrieben, wird die Durchbiegung des Taststiftes 22 und
der damit verbundene Biegeweg B bei vielen Koordinatenmessgeräten
als Messfehler berücksichtigt und korrigiert. Dazu muss
allerdings die tatsächliche Messkraft 74 bekannt
sein, mit der die Kugel 23 gegen das Messobjekt drückt.
Tatsächliche Messkraft 74 und Biegeweg 76 sind
zumindest für die hier maßgeblichen Fälle
weitgehend proportional. Bei bekannter Biegesteifigkeit des Taststiftes 22 kann
die tatsächliche Messkraft 74 daher in Abhängigkeit
von dem Biegeweg 76 bestimmt werden. Dies macht sich das
neue Verfahren zum Kalibrieren der Messkraft zunutze, wobei der
Biegeweg B in den bevorzugten Ausführungsbeispielen des
neuen Verfahrens mit Hilfe des Sensors 68 und mit Hilfe
der Skalen 28, 30, 32 des Koordinatenmessgerätes 10 bestimmt
wird.
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In
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird zunächst
die Position des Tastkopfes 20 bei einer tatsächlichen
Messkraft von Null bestimmt. Dies geschieht, indem der Tastkopf 20 zunächst
an die Tastkopfposition 72 gemäß 3 verfahren
wird. Anschließend wird der Tastkopf 20 mit einer
sehr langsamen Verfahrgeschwindigkeit auf eine zweite Tastkopfposition
verfahren, die in 5 mit der Bezugsziffer 78 bezeichnet
ist. Der Tastkopf 20 befindet sich hier zumindest teilweise
oberhalb des Anschlags 26. Die ”Zielposition” der
Kugel 23 liegt ”innerhalb” des Anschlages 26.
Während dieser Verfahrbewegung wird eine Kennlinie aufgezeichnet,
die für die momentane Position des Taststiftes 22 (genau
genommen die momentane Position des Kugelmittelpunktes der Kugel 23)
in Abhängigkeit von der jeweiligen momentanen Position
des Tastkopfes 20 repräsentativ ist. Prinzipiell
sind verschiedene Kennlinien dieser Art möglich. 6 zeigt
drei bevorzugte Beispiele für solche Kennlinien, die mit
den Bezugsziffern 80, 82 und 84 bezeichnet
sind.
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In 6 ist
auf der Abszisse 88 die momentane Position der Kugel 23 beim
Verfahren des Tastkopfes 20 in Richtung des Pfeils 86 aufgetragen.
Die Kugelposition ergibt sich aus der Stellung des Tastkopfes im
Messvolumen und der momentanen Auslenkung des Taststiftes relativ
zur Tastkopfbasis. Auf der Ordinate 90 ist für
jede der Kennlinien 80, 82, 84 eine andere
Größe aufgetragen, die nachfolgend erläutert
wird.
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Die
Kennlinie 80 ergibt sich, wenn man auf der Ordinate die
jeweilige Position des Tastkopfes 20 innerhalb des Messvolumens
des Koordinatenmessgerätes 10 aufträgt
(also ohne Berücksichtigung der Auslenkung des Taststiftes).
Man erkennt, dass die Kennlinie 80 in einem ersten Kennlinienbereich 92 mit
einem Winkel von etwa 45° ansteigt, was dadurch zu erklären
ist, dass der Kugelmittelpunkt der Kugel 23 bei der ”freien
Fahrt” gemäß 3 genau
dieselbe Positionsänderung erfährt wie der Tastkopf 20.
Ab der Position des ersten Kontakts, die der Darstellung in 4 entspricht
und die mit der Bezugsziffer 94 bezeichnet ist, wird ein
Teil der Verfahrbewegung des Tastkopfes 20 durch die Auslenkung
des Taststiftes 22 relativ zur Tastkopfbasis 56 aufgenommen.
Die Kennlinie 80 besitzt daher einen Knick 96,
der die Position des ersten Kontakts 94 repräsentiert.
Man kann die Position des ersten Kontakts 94 und somit
die Position der Kugel 23 bei Messkraft Null folglich sehr einfach
anhand der Kennlinie 80 bestimmen, indem man die Änderung
des Kennlinienverlaufs und somit den Knick 96 detektiert.
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Des
Weiteren kann man die Position des ersten Kontakts 94 anhand
einer weiteren Kennlinie 82 bestimmen, wobei an der Ordinate 90 in
diesem Fall die Auslenkung des Taststiftes 22 relativ zur
Tastkopfbasis 56 aufgetragen ist, die mit Hilfe des Sensors 70 bestimmt
werden kann. Man erkennt anhand 6, dass
die Kennlinie 82 ab der Position des ersten Kontakts 94 einen
Knick nach unten macht, weil der Taststift 22 gegen die
Verfahrbewegung des Tastkopfes 20 ausgelenkt wird.
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Eine
weitere Möglichkeit, um die Position des ersten Kontakts 94 zu
bestimmen, bietet die Kennlinie 84. In diesem Fall ist
an der Ordinate 90 die (noch) unkalibrierte Messkraft aufgetragen,
die sich in bevorzugten Ausführungsbeispielen bestimmen lässt,
indem der Strom durch die Tauchspule 62 gemessen wird.
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In
einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel werden
alle drei Kennlinien 80, 82, 84 beim
Verfahren des Tastkopfes 20 aufgenommen und die Position
des ersten Kontakts 94 wird anhand der Knickpunkte 96 in
allen drei Kennlinien bestimmt. Dies kann vorteilhaft erfolgen,
indem eine Position des ersten Kontakts anhand jeder einzelnen Kennlinie 80, 82, 84 bestimmt
wird und die resultierenden Positionen gemittelt werden.
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Anschließend
wird der Tastkopf 20 an die Position des ersten Kontakts 94 verfahren.
Nun wird eine Messkraftkennlinie aufgenommen, indem der Reihe nach
eine Vielzahl von verschiedenen Sollmesskräften eingestellt
wird. Zu jeder eingestellten Sollmesskraft wird die tatsächliche
Messkraft bestimmt, indem der Tastkopf 20 so weit zurückgefahren
wird, dass die durch die eingestellte Messkraft hervorgerufene Auslenkung
wieder auf Null zurückgeführt wird. In bevorzugten
Ausführungsbeispielen geschieht dies automatisch, indem
der Tastkopf 20 über einen so genannten Antastregler
verfahren wird, der dazu ausgebildet ist, die Auslenkung des Taststiftes 22 relativ
zur Tastkopfbasis 56 stets auf Null zu halten. Solche Antastregler
sind bei Koordinatenmessgeräten bekannt und werden in der
Regel dazu verwendet, einen Taststift 22 kontinuierlich
entlang einer Werkstückkontur zu bewegen, was üblicherweise
als Scannen bezeichnet wird. Das Zurückfahren des Tastkopfes 20 zum
Egalisieren der Auslenkung des Taststiftes 22 hat zur Folge,
dass der Tastkopf 20 jeweils um den zusätzlichen
Biegeweg des Taststiftes 22 verfahren wird, der sich beie
einer Erhöhung der Messkraft ergibt.
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In
den bevorzugten Ausführungsbeispielen wird jeweils nur
der zusätzliche Biegeweg bestimmt, um den sich der Taststift 22 bei
einer Erhöhung der Sollmesskraft verbiegt. Wenn man die
tatsächliche Messkraft 74 zu Beginn der Messreihe
kennt, kann man anhand der relativen Messung der zusätzlichen Biegewege
die Erhöhung der tatsächlichen Messkraft 74 bestimmen.
Als Ausgangswert der Messreihe dient vorteilhaft die Position des
ersten Kontakts 94, von der man annehmen kann, dass die
tatsächliche Messkraft 74 gleich Null ist. Mit
anderen Worten wird in den bevorzugten Ausführungsbeispielen
jeweils eine Messgröße durch Verfahren des Tastkopfes 20 bestimmt,
die repräsentativ ist für die Differenz der tatsächlichen
Messkraft 74 vor und nach dem Verfahren des Tastkopfes 20.
Der Verfahrweg des Tastkopfes 20 ist in diesen Ausführungsbeispielen
repräsentativ für die tatsächliche Kraftdifferenz.
Die tatsächliche Kraftdifferenz kann in bekannter Weise
mit der eingestellten Sollkraftdifferenz abgeglichen werden.
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Das
neue Verfahren zum Bestimmen und Kalibrieren der tatsächlichen
Messkraft
74 eignet sich hervorragend, um auch einen Hysteresekraftanteil
der tatsächlichen Messkraft
74 automatisch zu bestimmen.
7 zeigt
eine Hysteresekurve
98, die den Hysteresekraftanteil der
tatsächlichen Messkraft
74 repräsentiert.
Auf der Abszisse
100 ist die Auslenkung des Taststiftes
22 relativ
zur Tastkopfbasis
56 angegeben, die mit Hilfe des Sensors
68 bestimmt werden
kann. Auf der Ordinate ist die tatsächliche Messkraft angegeben,
die nach dem neuen verfahren aus der Biegung des Taststiftes bestimmt
wird. Wie man anhand des Messpunktes
102 in der Hysteresekurve
98 erkennen
kann, beinhaltet die tatsächliche Messkraft
74 hier
beispielsweise einen Hysteresekraftanteil von –10 mN, wenn
der Taststift
22 zuvor um –1,5 mm aus seiner Ruheposition
ausgelenkt wurde. Dieser Hysteresekraftanteil wird erst dann auf nahezu
Null reduziert, wenn der Taststift
22 auf etwa 0,8 mm in
der entgegengesetzten Richtung ausgelenkt wird (Messpunkt
104).
Ein vorteilhaftes Verfahren zur Korrektur der Hysteresekraftanteile
ist in der eingangs genannten
DE 10 2006 023 031 A1 beschrieben, auf die
hier insoweit vollumfänglich Bezug genommen wird. In bevorzugten
Ausführungsbeispielen des neuen Verfahrens und des neuen
Koordinatenmessgerätes berücksichtigt die Kalibrierung der
tatsächlichen Messkraft den Hysteresekraftanteil, indem
ein Korrekturdatensatz mit Hilfe des neuen Verfahrens bestimmt wird.
Der Korrekturdatensatz repräsentiert das Hystereseverhalten
des Taststiftes und wird in dem nicht-flüchtigen Speicher
48b des Koordinatenmessgerätes
10 abgespeichert.
Die tatsächliche Messkraft beim Antasten eines Messobjekts
wird dann in Abhängigkeit von dem kalibrierten Korrekturdatensatz
bestimmt.
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In
den bevorzugten Ausführungsbeispielen des neuen Verfahrens
wird die tatsächliche Messkraft mit Hilfe eines Biegetasters 22 bestimmt,
dessen Biegesteifigkeit klein ist im Vergleich zu einem (normalen)
Taststift 106 (siehe 1), der
für die spätere Vermessung von Messobjekten verwendet wird.
Mit anderen Worten erfolgt die Kalibrierung der tatsächlichen
Messkraft anhand eines relativ weichen bzw. biegsamen Taststiftes,
wohingegen für die spätere Messung ein relativ
steifer Taststift 106 eingesetzt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19518268
A1 [0003]
- - DE 4436507 A1 [0003]
- - DE 4212455 A1 [0004, 0004]
- - DE 4103060 A1 [0006, 0006]
- - DE 19809589 A1 [0007, 0007]
- - DE 102006023031 A1 [0008, 0032, 0066]