-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren einer Messkraft an einem Koordinatenmessgerät sowie ein Koordinatenmessgerät, das zur Durchführung dieses Verfahrens ausgebildet ist.
-
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.
-
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.
-
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.
-
In der Regel erfolgte die Justierung von Messkraftkennlinien bislang mit Hilfe eines Kraftsensors, der als „Messobjekt“ auf der Werkstückaufnahme des Koordinatenmessgerätes 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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
US 2008/0134748 A1 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Kalibrieren von Sensoren mechanischer Taster. Hierbei weist die Vorrichtung einen Kraftsensor auf. Der Taster wirkt mit einer bestimmen, definierten Kraft auf den Kraftsensor, so dass die definierte Kraft mit einer durch den Kraftsensor gemessenen Kraft verglichen werden kann. Anhand dieses Vergleichs kann das zu kalibrierende Gerät kalibriert werden.
-
US 2004/0020279 A1 betrifft ein Rasterkraftmikroskop. Das Rasterkraftmikroskop weist einen verfahrbaren Messkopf mit einem Tastbalken auf. Der Tastbalken ist endseitig fest eingespannt. Für eine Messung wird eine Kraft auf den vorderen tastenden Teil des Tastbalkens aufgebracht, so dass der Tastbalken zum Messen im Gesamten verbogen wird. Es wir u.a. vorgeschlagen, dass die Kraft, die auf den vorderen Teil des Tastbalkens wirkt, anhand eines linearen Verhältnisses zwischen einer zugeführten elektrischen Aktuatorspannung und der Tastbalkenauslenkung kalibriert werden kann. Die Kraft zum Auslenken des Tastbalkens wird entweder mittels elektromagnetischer Felder oder mittels Schockwellen in Fluiden auf den vorderen Teil des Tastbalkens aufgebracht. Taststifte, die endseitig mit einer Messkraft beaufschlagt werden, bleiben davon unberührt.
-
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.
-
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, wobei sich der Taststift beim Drücken gegen den Anschlag verbiegt,
- - Bestimmen einer Messgröße, die einen Biegeweg des Taststiftes in Abhängigkeit von der Sollmesskraft repräsentiert, indem der Taststift um eine Strecke verfahren wird, die gleich dem Biegeweg des Taststiftes ist,
- - Bestimmen einer tatsächlichen Messkraft anhand der Messgröße und der definierten Biegesteifigkeit, und
- - Abgleichen der Sollmesskraft und der tatsächlichen Messkraft, wobei eine etwaige Differenz als Korrekturwert in einem Speicher des Koordinatenmessgeräts hinterlegt wird, um die eingestellte Sollmesskraft beim Antasten eines Oberflächenpunkts und die tatsächlich wirkende Messkraft in Übereinstimmung zu bringen.
-
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, wobei sich der Taststift beim Drücken gegen den Anschlag verbiegt, (c) eine Messgröße zu bestimmen, die einen Biegeweg des Taststiftes in Abhängigkeit von der Sollmesskraft repräsentiert, indem der Tastkopf um eine Strecke verfahren wird, die gleich dem Biegeweg des Taststiftes ist, (d) eine tatsächliche Messkraft anhand der Messgröße und der definierten Biegesteifigkeit zu bestimmen, und (e) die Sollmesskraft und die tatsächliche Messkraft abzugleichen, wobei eine etwaige Differenz als Korrekturwert in einem Speicher des Koordinatenmessgeräts hinterlegt wird, um die eingestellte Sollmesskraft beim Antasten eines Oberflächenpunktes und die tatsächliche wirkende Messkraft in Übereinstimmung zu bringen.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
In einer weiteren Ausgestaltung wird die Sollmesskraft beim Einstellen um eine Sollkraftdifferenz verändert, und die erste Messgröße wird in Abhängigkeit von der Sollkraftdifferenz bestimmt.
-
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.
-
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.
-
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 Biegewegen bietet.
-
In einer weiteren Ausgestaltung wird die definierte Antastposition als Position des ersten Kontakts zwischen dem Taststift und dem Anschlag bestimmt.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
In einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet die tatsächliche Messkraft einen Hysteresekraftanteil, und der Hysteresekraftanteil wird durch eine wiederholte Bestimmung der tatsächlichen Messkraft bestimmt.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Ausführungsbeispiel des neuen Koordinatenmessgerätes,
- 2 eine vereinfachte Darstellung des Tastkopfes mit dem Taststift bei dem Koordinatenmessgerät aus 1,
- 3 bis 5 verschiedene Positionen des Tastkopfes beim Kalibrieren gemäß einem Ausführungsbeispiel des neuen Verfahrens,
- 6 Kennlinien, mit deren Hilfe die Position des ersten Kontakts gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des neuen Verfahrens ermittelt wird, und
- 7 eine automatisch ermittelte Kennlinie, die für die Messkrafthysterese eines Tastkopfes gemäß 2 repräsentativ ist.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
2 zeigt den Tastkopf 20 des Koordinatenmessgerätes 10 mit weiteren Details, allerdings in einer stark vereinfachten Darstellung.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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 Positions- oder Längensensor sein.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
