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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Betreiben von Koordinatenmessgeräten, die zu vermessende Gegenstände mit Tastern taktil, d. h. unter Berührung der Oberfläche des Gegenstands, und/oder berührungslos abtasten. Bei taktilen Tastern weist der Taststift üblicherweise an einem freien Ende ein Tastelement auf. Derartige Koordinatenmessgeräte (kurz: KMG) werden auch als taktile KMG bezeichnet.
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Taktile KMG werden für unterschiedlichste Messaufgaben eingesetzt. Z. B. werden Außenabmessungen, Durchmesser von Bohrungen und Positionen von Kanten oder anderen charakteristischen Formmerkmalen von Gegenständen mit Hilfe von taktilen KMG gemessen. Je nach Messaufgabe können unterschiedliche Taststifte oder Kombinationen von Taststiften verwendet werden, um die Oberflächen des jeweiligen Messobjekts anzutasten.
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In dieser Beschreibung wird der Begriff „Taster-Konfiguration” verwendet. Eine Taster-Konfiguration weist zumindest einen Taster auf, nämlich einen Taster zum taktilen oder berührungslosen Abtasten. Insbesondere können auch mehrere Taster eine Taster-Konfiguration bilden, indem sie fest miteinander verbunden sind. In diesem Fall kann z. B. aus der lokalen Position eines charakteristischen Punktes der Konfiguration und aus der Ausrichtung der Konfiguration auf jeden anderen Ort der Konfiguration geschlossen werden, z. B. auf die Mittelpunkte der als Tastkugeln ausgebildeten Tastelemente an den Enden der Taststifte der Konfiguration. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Tastkugeln als Tastelemente beschränkt. Vielmehr können sich an dem freien Ende der Taststifte auch andere Tastelemente, z. B. zylinderförmige, kegelförmige oder scheibenförmige Tastelemente mit halbkreisförmigem Querschnitt oder mit einer anderen Querschnittsform befinden.
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Die Erfindung betrifft aber, wie oben erwähnt, auch Koordinatenmessgeräte, die das Messobjekt berührungslos abtasten, insbesondere unter Verwendung elektromagnetischer Strahlung, die von der Oberfläche des Messobjekts reflektiert wird und von dem Messsystem des berührungslosen Tasters empfangen und ausgewertet wird. Solche auch „optische Taster” genannte Sensoren sind allgemein bekannt. Wie auch taktile Taster werden berührungslose Taster kalibriert. Zu bestimmende Kalibrierparameter sind z. B. Parameter eines optischen oder numerischen Zoomsystems oder Parameter eines Beleuchtungssystems, mit dem der berührungslose Taster das Messobjekt beleuchtet. Insbesondere kann die Leuchtstärke einer oder mehrerer Lichtquellen des Tasters durch einen oder mehrere Parameter beschrieben werden, die bei der Kalibrierung bestimmt werden. Ein weiterer oder alternativer Parameter kann z. B. die Vergrößerung einer Messoptik oder eines Teils der Messoptik in einem von dem Taster aufgenommenen Bild bei einer bestimmten oder bei mehreren Zoom-Stellungen definieren. Noch ein weiterer oder alternativer Parameter kann die relative Leuchtstärke von mehreren verschiedenen Lichtquellen oder von Bereichen derselben Lichtquelle wiedergeben. Die Leuchtstärke kann z. B. durch den Grauwert als Parameter definiert werden, der von einem vorgegebenen Bereich eines Messobjektes in dem von dem Taster aufgenommenen Bild entsteht. Noch ein weiterer oder alternativer Parameter bezieht sich auf verschiedene optische Elemente, z. B. verschiedene Objektive, die alternativ bei dem Taster verwendet werden können. Z. B. können verschiedene Objektive in einem revolvertrommel-artigen Magazin gehaltert sein, wobei durch Drehung des Magazins um die Revolvertrommel-Drehachse ein anderes Objektiv eingewechselt werden kann. Für die verschiedenen verwendbaren optischen Elemente, oder für verschiedene Kombinationen der Elemente, kann jeweils bei der Kalibrierung ermittelt werden, ob eine Verschiebung von Bildstrukturen relativ zu einer erwarteten oder vorgegebenen Position in dem von dem Taster aufgenommenen Bild festzustellen ist. Auch kann für die verschiedenen optischen Elemente ermittelt werden, ob die Vergrößerung, die von dem Messobjekt oder einem Teil des Messobjekts im aufgenommenen Bild festzustellen ist, einer erwarteten Vergrößerung entspricht. Der entsprechende Parameter ist z. B. das Verhältnis der erwarteten zu der tatsächlichen Vergrößerung oder umgekehrt.
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Üblicherweise werden die Taster-Konfigurationen von einem Messtechniker erstellt oder ausgewählt und auf ihre Funktionsfähigkeit geprüft. Anschließend werden die Taster-Konfigurationen kalibriert, um an einem Koordinatenmessgerät verwendet werden zu können. Typischerweise wird bei der Kalibrierung die Position eines charakteristischen Punktes der Konfiguration (z. B. des Kugelmittelpunktes der Tastkugel) im Koordinatensystem des KMG bestimmt. Außerdem wird in der Regel eine charakteristische Abmessung, z. B. der Kugeldurchmesser der Tastkugel, bestimmt. Eine übliche Verfahrensweise zur Bestimmung der Position des charakteristischen Punktes verwendet einen Referenztaster, der an dem KMG anstelle der Taster-Konfiguration montiert wird und mit dem ein Kalibriernormal (in der Regel eine Kalibrierkugel) angetastet wird. Außerdem wird dasselbe Kalibriernormal auch mit dem Tastelement oder den Tastelementen der an dem KMG montierten Taster-Konfiguration angetastet. Die von dem KMG bestimmten Messwerte für den Referenztaster einerseits und für die Taster-Konfiguration andererseits können nun miteinander in Bezug gesetzt werden, so dass die Messwerte für die Taster-Konfiguration und daraus abgeleitete Kalibrier-Parameter in Bezug auf den Referenztaster ermittelt werden. Z. B. kann die Abweichung der Position des Kugelmittelpunktes der Tastkugel eines Taststifts der Konfiguration von der Position des Kugelmittelpunktes einer Tastkugel des Referenztasters als Kalibrier-Parameter bestimmt werden. Ein Vorteil dieser Vorgehensweise liegt darin, dass weitere Taster-Konfigurationen ebenfalls in Bezug auf den Referenztaster kalibriert werden können. Der Referenztaster ist dem KMG zugeordnet und wird vorzugsweise lediglich für die Kalibrierung verwendet, damit sich die mechanischen Eigenschaften des Referenztasters nicht verändern.
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Bei der Kalibrierung oder Überprüfung der Kalibrierung einer Taster-Konfiguration wird der Referenztaster, wie beschrieben, zum Abtasten des Kalibriernormals verwendet, so dass die Kalibrier-Parameter der Konfiguration in Bezug auf den Referenztaster bestimmt oder überprüft werden können. Dabei werden Referenztaster und Taster-Konfiguration nacheinander über dieselbe Befestigungsvorrichtung an dem KMG befestigt. Die weiteren geometrischen Formmerkmale des KMG werden daher bei der Bestimmung oder Überprüfung der Kalibrier-Parameter eliminiert. Lediglich die Formmerkmale des Referenztasters und der Konfiguration haben Einfluss auf die Ermittlung des oder der Parameter.
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Abhängig von der Genauigkeit eines KMG und insbesondere auch abhängig von dem Ort im Messbereich des KMG, an dem die Antastung des Kalibriernormals stattfindet, kann eine genauere Kalibrierung des Tasters bzw. der Taster-Konfiguration auf einer speziellen Kalibrierstation wünschenswert sein. Auf der Kalibrierstation kann daher in derselben Weise wie oben beschrieben verfahren werden, d. h. es können zur Bestimmung des oder der Kalibrier-Parameter nacheinander der Referenztaster und die Taster-Konfiguration zum Antasten eines Kalibriernormals eingesetzt werden.
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Nachdem eine Taster-Konfiguration kalibriert worden ist, wird sie üblicherweise ohne weitere Überprüfungen und Bewertungen am KMG eingesetzt, bis entsprechend den Vorschriften oder Empfehlungen eine erneute Kalibrierung durchgeführt wird. Dies gilt auch für den Fall, dass eine Taster-Konfiguration auf einer Kalibrierstation kalibriert wurde und an einem KMG eingesetzt werden soll. In diesem Fall findet zwar auch eine Kalibrierung unter Verwendung des KMG statt. Nach der Kalibrierung werden jedoch häufig nicht die Spezifikationen eines Tastkopfes des KMG beachtet, an dem die Taster-Konfiguration beim Messbetrieb befestigt ist. Z. B. enthält die Spezifikation eines Tastkopfes einen Maximalwert für das Gewicht der Taster-Konfiguration, einen Maximalwert für die Längserstreckung der Taster-Konfiguration in horizontaler Richtung am Tastkopf und einen Maximalwert für die Länge der Taster-Konfiguration in vertikaler Richtung.
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Auch bleibt es in der Regel dem Messtechniker überlassen zu beurteilen, ob die Steifigkeit der Taster-Konfiguration für die Messaufgabe geeignet ist. Abhängig von der Steifigkeit bzw. Nachgiebigkeit der Taster-Konfiguration findet beim Antasten des Messobjekts oder Kalibriernormals eine stärkere oder weniger starke Verformung der Taster-Konfiguration statt. Dabei ist die Steifigkeit richtungsabhängig. Insbesondere ist der Taststift in axialer Richtung als nahezu starr, d. h. unnachgiebig, zu betrachten, während er in Richtungen quer zur Längsachse des Taststifts nachgiebiger ist. Auch in verschiedenen Querrichtungen kann der Taststift unterschiedlich nachgiebig sein.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Anordnung zum Betreiben von Koordinatenmessgeräten anzugeben, die den Aufwand für die Kalibrierung von Taster-Konfigurationen reduzieren und die Genauigkeit und/oder Zuverlässigkeit des Betriebs von Koordinatenmessgeräten verbessern.
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Gemäß einem Grundgedanken der vorliegenden Erfindung werden aus der Kalibrierung der Taster-Konfigurationen erhaltene Parameter der Taster-Konfigurationen in einer gemeinsamen Datenbank abgespeichert. Z. B. wird zur Zuordnung der verschiedenen Parameter zu der Taster-Konfiguration ein Identifikationszeichen, z. B. eine Identifikationsnummer, verwendet. Unter dem Identifikationszeichen werden die Parameter der zugehörigen Taster-Konfiguration abgespeichert und die Parameter können unter Verwendung des Identifikationszeichens aus der Datenbank abgerufen werden. Bevorzugt wird es, dass jede Taster-Konfiguration mit dem Identifikationszeichen versehen ist, z. B. durch einen Speicherchip, der fest mit der Taster-Konfiguration verbunden ist und in dem das Identifikationszeichen in Form digitaler Daten gespeichert ist. Auf diese Weise kann der Betrieb eines Koordinatenmessgeräts mit daran angebrachter Taster-Konfiguration z. B. dadurch vorbereitet werden, dass das Identifikationszeichen der Taster-Konfiguration bestimmt wird, z. B. durch Auslesen des Zeichens aus dem Speicherchip, und anschließend unter Verwendung des Identifikationszeichens die für den Betrieb der Taster-Konfiguration an dem KMG benötigten Parameter aus der Datenbank abgerufen werden.
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Die erwähnten Speicherchips sind eine Möglichkeit der eindeutigen Kennzeichnung der Taststift-Konfiguration. Zum Auslesen von Speicherchips wird ein elektrischer Kontakt hergestellt, über den das Auslesegerät die Informationen auf dem Speicherchip auslesen kann. Eine andere Möglichkeit sind drahtlose bzw. kontaktlose Verfahren. Z. B. sind aus anderen Gebieten der Technik so genannte RFID (radio frequency identification device) bekannt. In diesem Fall wird die gegebenenfalls wiederum in einem Speicherchip gespeicherte Information über ein elektromagnetrisches Feld zu dem auslesenden Gerät ausgesendet, wobei das elektromagnetische Feld von einer mit dem Chip verbundenen Antenne erzeugt wird. Die Sendeenergie wird dabei drahtlos durch Induktion von dem auslesenden Gerät oder einem weiteren Gerät in der Antenne bereitgestellt.
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In derselben Speichereinrichtung (z. B. dem Speicherchip) kann zusätzlich zu dem Identifikationszeichen weitere Information gespeichert sein. Z. B. kann auf diese Weise die Information über die Bestückung von Magazinplätzen mit Taststift-Konfigurationen und/oder berührungslosen Sensoren zum Abrufen verfügbar sein. Unter einem Magazin wird eine Einrichtung verstanden, die eine Mehrzahl von Taststift-Konfigurationen und/oder berührungslosen Sensoren aufnehmen kann, während diese nicht am KMG betrieben werden. Auf diese Weise kann z. B. bei Ausführung eines vorgegebenen Messplanes die für die Ausführung des Messplanes geeignete und/oder vorgegebenen Taststift-Konfiguration oder der entsprechende berührungslose Sensor aufgefunden werden, in dem die Information ausgelesen wird. Dies erleichtert das Auffinden des richtigen oder geeigneten Sensors oder ermöglicht eine fehlende oder falsche Bestückung des Magazins frühzeitig zu erkennen.
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Parameter, d. h. charakteristische Konstanten, von Taster-Konfigurationen enthalten üblicherweise Informationen über die Position eines definierten Punktes der Taster-Konfiguration (z. B. des Kugelmittelpunkts einer Tastkugel der Konfiguration) in Bezug auf das Koordinatenmessgerät oder in Bezug auf einen Referenztaster des Koordinatenmessgeräts. Im letztgenannten Fall ist es für den Betrieb des KMG außerdem bekannt, welche Position im Koordinatensystem des KMG einen bestimmten, fest definierten Punkt des Referenztasters hat. Auf diese Weise ist auch die Lage des definierten Punktes der Taster-Konfiguration im Koordinatensystem des KMG bekannt. Der entsprechende Parameter ist daher z. B. die Position des definierten Punktes der Konfiguration im Koordinatensystem des Referenztasters. Durch Verwendung des Referenztasters an dem KMG zur Antastung der Oberfläche eines Kalibriernormals kann daraus die Position des definierten Punktes der Konfiguration im Koordinatensystem des KMG bestimmt werden.
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Ein weiterer Parameter, der üblicherweise aus der Kalibrierung einer Taster-Konfiguration gewonnen wird, ist eine Abmessung eines Tastelements der Taster-Konfiguration (z. B. der Durchmesser der Tastkugel des Taststifts). Durch Auslesen dieses Parameters aus der Datenbank kann dem KMG die Information bereitgestellt werden, welchen Abstand der definierte Punkt der Taster-Konfiguration von einem angetasteten Punkt an der Oberfläche eines Messobjekts hat. Das KMG kann daher die Position des angetasteten Punktes im Koordinatensystem des KMG bestimmen.
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Die Kalibrierung ermöglicht es aber auch oder alternativ, andere Parameter von Taster-Konfigurationen zu ermitteln. Es wird vorgeschlagen, auch solche anderen Parameter in der Datenbank abzuspeichern, auszulesen und/oder zu verwenden. Ein solcher Parameter ist die Steifigkeit bzw. Nachgiebigkeit eines Taststiftes einer Taster-Konfiguration. Im Folgenden wird lediglich von der Steifigkeit gesprochen, wobei jeweils auch der reziproke Parameter Nachgiebigkeit bestimmt bzw. verwendet werden kann. Beim Antasten einer Messobjekt-Oberfläche mit dem Tastelement des Taststiftes treten Antastkräfte auf, die entsprechend der Steifigkeit zu einer stärkeren oder schwächeren Verformung des Taststiftes führen. Weitere Parameter können die Symmetrieeigenschaften der Steifigkeit eines Taststiftes als Information enthalten. Dabei gibt es verschiedene mathematische Möglichkeiten der Beschreibung der Richtungsabhängigkeit und/oder Symmetrie der Steifigkeit. Z. B. kann die richtungsabhängige Steifigkeit durch eine 3×3 Matrix beschrieben werden. Die 9 Elemente dieser Matrix können daher als 9 Parameter des Taststiftes ermittelt, in der Datenbank gespeichert, daraus abgerufen und/oder verwendet werden. Ein Beispiel, wie die elastischen Eigenschaften des Tasters und damit die Steifigkeit in Form einer Matrix durch Kalibrierung bestimmt werden können, ist aus der Veröffentlichung mit dem Titel
"Messende Taster mit mehreren Freiheitsgraden" von Werner Lotze, TR Technische Rundschau, Heft 29/30, 1993, Seiten 20–25 entnehmbar. Hier wird ein Modell für die Ableitung des Verhaltens eines messenden Tasters mit drei Freiheitsgraden beschrieben. Gemäß dem Modell weist der Taster drei gekreuzte Federparallelführungen und zugehörige Messwertaufnehmer auf. Die Federführungen sind so ausgestaltet, dass sie in den drei Richtungen jeweils eine lineare Federkennlinie mit einer gegebenen Nachgiebigkeit aufweisen. Alle drei Führungen sind frei beweglich, so dass die am Taststift befestigte Tastkugel in jede Raumrichtung auslenkbar ist. Im Fall der Antastung einer Werkstückfläche können die von der Werkstückfläche auf die Tastkugel ausgeübten Kräfte als ein Messkraftvektor f beschrieben werden, der gleichermaßen den Taststift wie auch das Tastsystem des Tasters auslenkt. Die Auslenkung kann wiederum durch einen Vektor, den Auslenkvektor a, beschrieben werden, welcher gleich der vektoriellen Summe des Verschiebungsvektors der Tastereinspannung und des Verformungsvektors des Taststiftes ist. Das Modell geht von strenger Linearität zwischen Messkraft und Tasterauslenkung einerseits und zwischen Tasterauslenkung und Messsignalen andererseits aus. Der Zusammenhang zwischen dem Verformungsvektor v und dem Kraftvektor f wird durch eine Nachgiebigkeitsmatrix N ausgedrückt, die eine 3×3-Matrix ist.
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Ein weiterer möglicher zusätzlicher Parameter oder alternativer Parameter enthält Informationen über Eigenschaften mehrerer Taster, die Teil einer Taster-Konfiguration sind. Insbesondere kann bei der Kalibrierung durch Auswertung der Informationen über die Antastkräfte und angetasteten Punkte ermittelt werden, welche Positionsfehler bei Verwendung der einzelnen Taststifte zum Antasten des Kalibriernormals entstehen. Der Parameter kann in diesem Fall die Information enthalten, ob die Fehler der einzelnen Taststifte miteinander korreliert sind. Daraus können Schlüsse über etwaig vorhandene mechanische Fehler der Taster-Konfiguration oder der Befestigung der Taster-Konfiguration an dem KMG gewonnen werden. Weisen z. B. mehrere Taststifte der Taster-Konfiguration eine geringere Steifigkeit beim Antasten mit in einer bestimmten Antastrichtung auf, kann angenommen werden, dass eine Befestigung oder Verbindung der Taster-Konfiguration eine mechanische Schwachstelle aufweist oder lose ist.
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Noch ein weiterer oder alternativer Parameter enthält die Information darüber, in welchem Kalibrierbereich ein Taster kalibriert wurde. Üblicherweise wird als Kalibrierbereich der Bereich bezeichnet, in dem die Messsignale der Messsysteme des Sensors liegen. Allgemeiner formuliert kann der Kalibrierbereich z. B. ein Bereich im Koordinatensystem der Taster-Konfiguration oder des Referenztasters sein. Der Kalibrierbereich kann aber auch ein Bereich der Antastkräfte sein. Z. B. ist der Taster nur für Antastkräfte kalibriert worden, die kleiner als ein bestimmter Wert der Antastkraft sind.
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Dieser Parameter oder diese mehreren Parameter, die die Information über den Kalibrierbereich enthalten, werden vorzugsweise vor der Verwendung einer Taster-Konfiguration aus der Datenbank ausgelesen und einer Steuerung des KMG zugeführt, an dem die Taster-Konfiguration verwendet werden soll. Die Steuerung kann daher ermitteln, ob bei einer geplanten Messaufgabe der Kalibrierbereich verlassen wird und/oder ob bei einer tatsächlich ausgeführten Messung der Kalibrierbereich verlassen wird. Z. B. markiert oder kennzeichnet in letzterem Fall die Steuerung den entsprechenden Messpunkt auf der Oberfläche des Messobjektes, der gewonnen wurde, während der Kalibrierbereich verlassen wurde oder verlassen ist, als ungültig und/oder als unsicher.
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Noch ein weiterer oder alternativer Parameter enthält Informationen über die Masse der Taster-Konfiguration oder über ein Drehmoment, das von der Taster-Konfiguration auf die Befestigung am KMG bzw. Tastkopf ausgeübt wurde.
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Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung, die Kalibrier-Parameter in einer gemeinsamen Datenbank für mehrere Taster-Konfigurationen abzulegen, eröffnet vielfältige Anwendungsmöglichkeiten:
- a) Die Parameter oder zumindest ein Teil der Parameter, die für eine bestimmte Taster-Konfiguration in der Datenbank abgespeichert sind, können ausgelesen und dazu verwendet werden zu überprüfen, ob die Taster-Konfiguration dazu geeignet ist, an einem bestimmten KMG verwendet zu werden und/oder an einem bestimmten Tastkopf eines KMG verwendet zu werden. Ein Tastkopf weist einen Anschluss auf, an dem die Taster-Konfiguration angeschlossen und befestigt werden kann. Für das KMG und/oder den Tastkopf existieren üblicherweise die oben erwähnten Maximalwerte, z. B. für die Masse der Taster-Konfiguration, das Drehmoment der Konfiguration in Bezug auf den Anschluss am KMG oder die Länge der Konfiguration in vertikaler und/oder horizontaler Richtung. Auch maximale Kräfte, die beim Antasten eines Messpunktes mit der Taster-Konfiguration nicht überschritten werden dürfen, können in Bezug auf das KMG und/oder den Tastkopf vorgegeben sein. Es wird bevorzugt, dass automatisch unter Verwendung zumindest eines Parameters der Taster-Konfiguration, d. h. durch Auslesen des Parameters aus der Datenbank und Vergleich der durch den Parameter gelieferten Information mit den für das KMG und/oder den Tastkopf vorgegebenen Maximalwerten oder Grenzwerten, ob zumindest einer der Maximalwerte oder Grenzwerte überschritten wird. Ist dies der Fall, kann ein Signal erzeugt werden, um eine Person oder Vorrichtung zu informieren, dass die Taster-Konfiguration nicht den Spezifikationen für das KMG und/oder für den Tastkopf entspricht. Z. B. kann das Prüfen und Vergleichen von der Steuerung eines KMG ausgeführt werden, vorzugsweise vor dem Beginn des Betriebes einer Taster-Konfiguration an dem KMG.
- b) Sind in den Parametern einer Taster-Konfiguration Informationen über die Steifigkeit bzw. Nachgiebigkeit enthalten (siehe oben) kann wie oben bereits an einem Beispiel erläutert festgestellt werden, dass möglicherweise eine Befestigung oder Verbindung der Taster-Konfiguration defekt oder lose ist. Die Informationen über die Steifigkeit können sich aber auch auf einen bestimmten einzelnen Taststift beziehen, wobei für eventuell vorhandene andere Taststifte der Konfiguration wiederum darauf bezogene Informationen über die Steifigkeit optional vorhanden sind. Durch Auswertung der Informationen über die Steifigkeit eines einzelnen Taststiftes kann eine unerwartete Anisotropie der Steifigkeit ermittelt werden. Z. B. kann für einen einzelnen Taststift, der an einem Taststiftende annähernd starr befestigt ist, z. B. unmittelbar an dem Tastkopf, erwartet werden, dass die Steifigkeit in Richtungen quer zur Längserstreckung des gerade verlaufenden Taststiftes keine Anisotropie aufweist, d. h. die Steifigkeiten in allen Querrichtungen etwa gleich groß sind. Tritt dennoch eine solche Anisotropie auf, kann darauf geschlossen werden, dass der Taststift selbst defekt ist. Z. B. kann der Taststift Kohlefasern aufweisen, von denen eine gebrochen sein kann, oder es kann die Verbindung zwischen Fasern unterbrochen oder gerissen sein. Statt um Kohlefasern kann es sich auch um andere Fasern in einem Faserverbundwerkstoff handeln, die vorzugsweise als Faserbündel einen Bereich des Taststiftes bilden oder den gesamten Taststift bilden und sich dabei mit ihrem Faserverlauf in Richtung der Längsrichtung des Taststiftes erstrecken.
- c) Es wurde oben bereits erwähnt, dass nach einer Kalibrierung einer Taster-Konfiguration üblicherweise nicht weiter geprüft wird, ob die Konfiguration im Kalibrierbereich verwendet wird. Auch wurde bereits ein Beispiel dafür beschrieben, wie die Verwendung der Taster-Konfiguration in dem Kalibrierbereich überwacht werden kann. Insbesondere kann bei den Koordinatenmessungen, die mit der Taster-Konfiguration an einem KMG ausgeführt werden, ermittelt werden, ob der Kraftvektor und/oder der Bewegungsvektor, mit dem die Taster-Konfiguration einen Messpunkt auf der Oberfläche des Messobjekts antastet, innerhalb eines Kalibrierbereiches liegt, für den die Kalibrierung gültig ist, insbesondere in dem die Kalibrierung tatsächlich stattgefunden hat. Als Parameter können daher insbesondere die Grenzen des Kalibrierbereichs während der Kalibrierung ermittelt, in der gemeinsamen Datenbank abgespeichert und für die Überwachung wieder ausgelesen und verwendet werden.
- d) Bei einer besonders bevorzugten Anwendung wird die Kalibrierung der Taster-Konfiguration wiederholt ausgeführt, wird jeweils ein Wert für einen, mehrere oder alle Kalibrierparameter der Konfiguration ermittelt und in der gemeinsamen Datenbank abgespeichert. Ferner wird auf die abgespeicherten Werte des Parameters oder der Parameter in der Datenbank zugegriffen und wird unter Verwendung der Werte die dem Parameter entsprechende Information als von den Zeitpunkten der Kalibrierung abhängige Größe ausgewertet. Z. B. kann es sich bei dem von den Zeitpunkten der Kalibrierung abhängigen Parameter, wie oben erwähnt, um die Steifigkeit eines Taststifts der Taster-Konfiguration handeln. Im Falle eines berührungslosen Tasters kann es sich um die oben genannten Parameter eines solchen Tasters handeln. Insbesondere kann beispielsweise überprüft werden, ob sich die von der oder den Lichtquellen bewirkte Beleuchtungsstärke verändert hat, einzelne Bereiche der Lichtquelle oder einzelne von mehreren Lichtquellen relativ zu anderen Bereichen oder anderen Lichtquellen des Tasters eine geänderte Beleuchtungsstärke haben, das optische System des Tasters weniger lichtdurchlässig ist, ob sich eine durch optische Elemente des Tasters bewirkte Bildverschiebung verändert hat oder neu entstanden ist und/oder ob sich die durch optische Elemente des Tasters erzeugte Bildvergrößerung verändert hat. Wird diese zeitabhängige Information dazu verwendet, die Alterung eines Tasters zu überwachen, kann von einer Alterungsanalyse gesprochen werden. Dabei kann insbesondere zumindest ein Parameterwert, der bei einer früheren Kalibrierung gewonnen wurde, mit einem oder mehreren Parameterwerten verglichen werden, die bei einer späteren Kalibrierung gewonnen wurden. Z. B. kann für die Differenz (d. h. Toleranz) zwischen zwei zu unterschiedlichen Kalibrierungszeitpunkten gewonnenen Parameterwerten ein Grenzwert für die maximal zulässige Differenz vorgegeben sein, wobei der Grenzwert abhängig von der Zeitdifferenz der Kalibrierungen vorgegeben sein kann, oder z. B. auf die zeitlich erste Kalibrierung bezogen sein kann. Wird der Grenzwert überschritten, kann automatisch ein Signal erzeugt werden, das einen Benutzer oder eine Vorrichtung darüber informiert. Z. B. kann ein Benutzer, etwa ein Messtechniker, daraufhin die Taster-Konfiguration näher untersuchen und/oder eine Messung unter Verwendung der Taster-Konfiguration nicht mehr ausführen. Die für zwei oder mehrere Parameterwerte, die zu unterschiedlichen Kalibrierungszeitpunkten gewonnen wurden, vorgegebene Toleranz kann alternativ durch eine Messunsicherheit oder einen relativen Fehler bei der Messung unter Verwendung der Taster-Konfiguration vorgegeben sein. In diesem Fall wird vorzugsweise durch Auswertung der Messergebnisse während einer Kalibrierung noch vor der Verwendung der Taster-Konfiguration zum Vermessen eines Messobjektes ermittelt, ob die Toleranz überschritten ist. In diesem Fall werden dann vorzugsweise bei jeder Kalibrierung Informationen über den Messfehler oder die Messunsicherheit oder den relativen Messfehler als Parameter in der gemeinsamen Datenbank abgespeichert. Bei dem Messfehler kann es sich z. B. um den Messfehler relativ zu dem in der Regel genaueren Referenztaster handeln. Der Messfehler kann z. B. als Positionsabweichung im Koordinatensystem des Referenztasters angegeben werden. Durch die Alterungsanalyse können insbesondere Ermüdungen des Materials und Schäden an der Taster-Konfiguration rechtzeitig und frühzeitig erkannt werden. Z. B. können solche Schäden bei Kollisionen des Tasters oder der Taster-Konfiguration mit Hindernissen während des Messbetriebes verursacht werden. Um die für die Alterungsanalyse verwendeten Informationen zu erhalten, kann die Kalibrierung insbesondere automatisch wiederholt werden. Z. B. kann die Kalibrierung der Taster-Konfiguration wiederholt werden, während die Konfiguration an einem KMG montiert ist. Muss das KMG in einem für die Kalibrierung ausreichenden Zeitraum keine Messaufgabe ausführen, kann das KMG automatisch mit einer Kalibrierung beginnen und diese durchführen.
Für den Benutzer stellt eine Alterungsanalyse einen großen Vorteil dar, da fehlerhafte Messungen und eine aufwendige Suche nach Fehlern in vielen Fällen vermieden werden können. Durch eine systematische Auswertung der für die Alterungsanalyse zur Verfügung stehenden Parameterwerte verschiedener Taster-Konfigurationen, die an einem bestimmten KMG verwendet wurden, kann sogar auf eine Alterung des KMG selbst geschlossen werden. Auch über die Ergebnisse einer solchen Alterungsanalyse des KMG selbst kann der Benutzer oder eine Vorrichtung automatisch informiert werden.
Zur Überprüfung, ob korrekterweise bei einer Alterungsanalyse auf eine Materialermüdung oder auf einen Schaden geschlossen wurde, kann insbesondere wie folgt vorgegangen werden: Die Information über eine unzulässige Veränderung eines oder mehrerer Parameterwerte, die beispielsweise wie oben beschrieben durch Grenzwertüberschreitung oder Toleranzüberschreitung festgestellt wurde, kann automatisch eine weitere Kalibrierung der Taster-Konfiguration auslösen, um die Ergebnisse zu überprüfen. Alternativ oder zusätzlich kann automatisch eine Kalibrierung einer anderen Taster-Konfiguration an demselben KMG und insbesondere an demselben Tastkopf des KMG ausgelöst werden. Dadurch lässt sich prüfen, ob auch bei der Kalibrierung der Taster-Konfiguration unzulässige Parameterwerte oder zumindest Tendenzen in Richtung unzulässiger Parameterwerte ermittelt werden. In diesem Fall kann festgestellt werden, dass das KMG nicht korrekt arbeitet oder selbst gealtert ist. Insbesondere kann die andere Taster-Konfiguration der Referenztaster sein. Auch kann der Benutzer z. B. erst dann informiert werden, wenn die automatisch ausgelöste weitere Kalibrierung beendet und ausgewertet ist. Die Ergebnisse einer Kalibrierung oder mehrerer Kalibrierungen können inklusive der Ergebnisse der Alterungsanalyse und/oder inklusive der Ergebnisse einer anderen Fehleranalyse, die beispielsweise das Ergebnis der automatisch ausgelösten weiteren Kalibrierungen ist, vom Benutzer dazu verwendet werden, einem Experten präzise Informationen über mögliche Fehler zukommen zu lassen. Z. B. kann der Benutzer diese Informationen einem zentralen Kundenservice zur Verfügung stellen. Der Kundenservice kann daher in der Regel besonders schnell die Fehlerursache finden oder eingrenzen.
- e) Die zentrale Speicherung der Parameterwerte aus Kalibrierungen für verschiedene Taster-Konfigurationen erleichtert die Verwaltung der Taster-Konfigurationen erheblich. Dabei können die Taster-Konfigurationen als alternative Konfigurationen desselben KMG zur Verfügung stehen oder z. B. zur Benutzung durch verschiedene KMG zur Verfügung stehen. Insbesondere können zusätzlich zu den eigentlichen Kalibrierparametern auch die folgenden Informationen in der zentralen Datenbank abgespeichert werden: die Information, welche Taster-Konfigurationen momentan von einem KMG verwendet werden oder zur Verwendung durch ein KMG zur Verfügung stehen; die Informationen für jede der Konfigurationen, welchen Kalibrierstatus die Konfiguration hat, z. B. Kalibrierung erfolgreich abgeschlossen, spätester Zeitpunkt für die nächste Kalibrierung, Kalibrierung nicht erfolgreich abgeschlossen usw.; Messunsicherheiten und/oder Messfehler der verschiedenen Konfigurationen. Insbesondere aus diesen zusätzlichen Informationen über die Taster-Konfigurationen können auch Gesamtinformationen und Übersichtsinformationen über alle Taster-Konfigurationen automatisch erstellt werden, z. B. Übersichtsinformationen über alle an dem Koordinatenmessgerät oder an den Koordinatenmessgeräten verfügbare Konfigurationen, Übersichtsinformationen über den Kalibrierstatus aller Taster und Übersichtsinformationen über die zu erwartenden Messunsicherheiten der unterschiedlichen Konfigurationen. Die zuletzt genannte Übersichtsinformation kann z. B. unter Verwendung der als Beispiel bereits genannten Parameter gewonnen werden, z. B. der oben als zusätzliche Parameter bezeichneten Parameter. Außerdem kann z. B. ermittelt werden, welche Kalibrierbereiche bei der Kalibrierung der Taster-Konfigurationen abzudecken sind, d. h. die Messungen während der Kalibrierung müssen den jeweiligen definierten Kalibrierbereich abdecken. Die Information darüber, welcher Kalibrierbereich abzudecken ist, kann z. B. einem Messplan entnommen werden. Ein Messplan kann z. B. automatisch erstellt werden, wenn die Messaufgabe feststeht und bekannt ist, welche Taster-Konfigurationen zur Verfügung stehen. Z. B. kann vorgegeben werden, dass nur die benötigten Taster-Konfigurationen kalibriert werden und auch nur in den Kalibrierbereichen kalibriert werden, die tatsächlich benötigt werden.
- f) Z. B. wie bereits erwähnt kann die in der Datenbank über eine Taster-Konfiguration abgelegte Information für eine Steuerung der Kalibrierung der Konfiguration genutzt werden. Insbesondere kann der Zeitpunkt der letzten Kalibrierung in der Datenbank gespeichert sein. Es kann ferner in der Datenbank abgespeichert sein, nach welcher Zeitspanne spätestens wieder eine Kalibrierung der Konfiguration stattfinden muss. Eine Steuereinrichtung kann feststellen, dass dieser Zeitpunkt erreicht ist oder kann darüber informiert werden, dass der Zeitpunkt erreicht ist und die Kalibrierung beginnen. Z. B. kann die Steuerung Teil des Koordinatenmessgeräts sein und über eine Datenverbindung mit der Datenbank verbunden sein. Über die Datenverbindung kann die Steuerung auf die Informationen in der Datenbank zugreifen. Alternativ oder zusätzlich kann ein Computer, der mit der Datenbank kombiniert ist, feststellen, dass der Zeitpunkt erreicht ist und über die Datenverbindung ein Signal an die Steuerung des KMG ausgeben, wodurch der Steuerung signalisiert wird, dass mit einer Kalibrierung der Taster-Konfiguration zu beginnen ist. Der in der Datenbank gespeicherte Zeitpunkt für die erneute Kalibrierung kann bereits bei der letzten Kalibrierung festgelegt sein. Der Zeitpunkt kann für die Konfiguration fest vorgegeben sein und/oder vom Benutzer festgelegt werden.
Wie erwähnt, kann eine erneute Kalibrierung der Taster-Konfiguration aber auch ohne Vorgabe eines festen Zeitpunktes bei Gelegenheit stattfinden und/oder durch Ereignisse und/oder Auswertungen seit der letzten Kalibrierung ausgelöst werden. Bei Gelegenheit kann die Kalibrierung stattfinden, wenn die Taster-Konfiguration nicht für die Ausführung von Messaufgaben benötigt wird und außerdem eine Kalibrierstation oder ein Koordinatenmessgerät für die Kalibrierung zur Verfügung steht. Ereignisse seit der letzten Kalibrierung, die eine erneute Kalibrierung auslösen können, sind z. B. unerwartete Fehler einer Koordinatenmessung, bei der die Konfiguration verwendet wird, und eine besonders häufige Verwendung der Taster-Konfiguration, die z. B. zu einer Abnutzung des Tastelements, einem Materialauftrag auf das Tastelement und/oder Materialermüdung der Konfiguration führen kann.
Die in der Datenbank über die Konfiguration abgespeicherte Information kann in besonders vorteilhafter Weise aber auch dadurch genutzt werden, dass vor einer Ausführung einer Messaufgabe geprüft wird, ob die Genauigkeit der letzten Kalibrierung der Konfiguration für die Messaufgabe ausreichend ist und/oder ob der oder die Kalibrierbereiche der letzten Kalibrierung für die Ausführung der Messaufgabe ausreichen. Andernfalls, d. h. wenn die Genauigkeit nicht ausreichend ist und/oder der oder die Kalibrierbereiche nicht ausreichen, wird vor Ausführung der Messaufgabe eine erneute Kalibrierung der Konfiguration durchgeführt, wobei die Kalibrierung derart ausgeführt wird, dass mit einer ausreichenden Genauigkeit der Kalibrierung zu rechnen ist und/oder die benötigten oder der benötigte Kalibrierbereich durch die Kalibrierung abgedeckt wird.
- g) Wenn mehr Koordinatenmessgeräte als lediglich ein KMG zur Verfügung stehen, wobei eine bestimmte oder mehrere bestimmte Taster-Konfigurationen wahlweise an diesen KMGs betrieben werden können, ist es von Vorteil, die Taster-Konfiguration nicht vollständig an jedem der KMGs kalibrieren zu müssen. Es wird daher vorgeschlagen, die Kalibrierparameter oder zumindest einen Teil der Kalibrierparameter (z. B. die auf ein Koordinatensystem bezogenen Kalibrierparameter) in Bezug auf einen einzigen Referenztaster zu bestimmen und in der Datenbank abzuspeichern. Der Bezug insbesondere der von einer Position in einem Koordinatensystem abhängigen Kalibrierparameter zu dem Koordinatensystem eines bestimmten KMG kann nun auf verschiedene Weise hergestellt werden. Zum einen kann der Referenztaster an dem KMG eingesetzt werden, um den Bezug zwischen dem Koordinatensystem des Referenztasters und dem Koordinatensystem des KMG herzustellen und damit auch den Bezug der auf den Referenztaster bezogenen Kalibrierparameter zu dem Koordinatensystem des KMG herzustellen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, für jedes der KMG einen Referenztaster vorzusehen, der verschieden von den Referenztastern der anderen KMGs sein kann. Der Bezug des Koordinatensystems des Referenztasters zu dem Koordinatensystem des dem Referenztaster zugeordneten KMG wird einmalig oder wiederholt dadurch hergestellt, dass der zugeordnete Referenztaster auf dem KMG verwendet wird und eine Messprozedur ausgeführt wird, die den Bezug zwischen den Koordinatensystemen herstellt. Z. B. wird mit dem an dem KMG angebrachten Referenztaster ein Kalibriernormal vermessen. Der Bezug der auf den jeweiligen Referenztaster bezogenen Kalibrierparameter zu dem Koordinatensystem des KMG kann nun dadurch hergestellt werden, dass auf einer Kalibrierstation die jeweilige Taster-Konfiguration und der dem KMG zugeordnete Referenztaster verwendet werden, z. B. um ein Kalibriernormal zu vermessen. Auf diese Thematik wird noch näher eingegangen.
- h) Aus den ermittelten Kalibrierparametern die insbesondere aus der Datenbank ausgelesen werden können, kann vor Vermessung eines Messobjektes die zu erwartende Messgenauigkeit der Koordinatenbestimmung, insbesondere von Oberflächenkoordinaten des Messobjektes, abgeschätzt werden. Vorzugsweise wird die Messgenauigkeit berechnet. Ein bevorzugter Kalibrierparameter, der zur Abschätzung der Messgenauigkeit verwendet wird, ist die Steifigkeit eines Taststiftes oder mehrerer Taststifte der Konfiguration.
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Insbesondere wird ein Verfahren zum Betreiben von Koordinatenmessgeräten vorgeschlagen, die zu vermessende Gegenstände mit taktilen und/oder berührungslos arbeitenden Tastern abtasten. Im Fall taktiler Taster handelt es sich insbesondere um Taststifte, die an ihrem freien Ende jeweils ein Tastelement aufweisen, z. B. eine Tastkugel, einen Zylinder oder einen Kegel. Bei Ausführung des Verfahrens wird eine Taster-Konfiguration, die einen Taster oder eine Mehrzahl fest miteinander verbundener Taster aufweist, kalibriert. Bei der Kalibrierung der Taster-Konfiguration werden mit zumindest einem Taster der Konfiguration Punkte an der Oberfläche eines Kalibrierobjekts (auch Kalibriernormal genannt) abgetastet und werden daraus Parameter der Taster-Konfiguration ermittelt. Die Parameter werden automatisch in einer gemeinsamen Datenbank für Parameter verschiedener Taster-Konfigurationen abgespeichert.
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Diese Vorgehensweise hat insbesondere die oben genannten Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird die Oberfläche des Kalibrierobjekts bei der Kalibrierung der Taster-Konfiguration zusätzlich mit einem Referenztaster angetastet und werden Parameter der Taster-Konfiguration als Parameter ermittelt, die von Eigenschaften des Referenztasters abhängen. Eine Eigenschaft kann insbesondere eine Abmessung des Referenztasters sein, so dass der entsprechende Parameter der Taster-Konfiguration auf die Geometrie des Referenztasters und damit auch auf das Koordinatensystem des Referenztasters bezogen ist. Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der zusätzlichen Verwendung eines Referenztasters wurden bereits erwähnt. Insbesondere kann für eine Mehrzahl von Koordinatenmessgeräten, denen jeweils ein Referenztaster zugeordnet ist, auf einer gemeinsamen Kalibrierstation jeweils der zugeordnete Referenztaster und eine oder mehrere Taster-Konfigurationen verwendet werden, um die Parameter der Taster-Konfiguration abhängig von den Eigenschaften des zugeordneten Referenztasters zu ermitteln und in der Datenbank abzuspeichern. An Beispielen wurde oben bereits erwähnt, dass sich auf diese Weise der Aufwand für die Kalibrierung der einzelnen Taster-Konfigurationen an den verschiedenen zur Verfügung stehenden Koordinatenmessgeräten reduzieren lässt. Z. B. können die Parameter einer Taster-Konfiguration für die Verwendung der Taster-Konfiguration an einem bestimmten Koordinatenmessgerät aus der Datenbank ausgelesen werden. Dabei handelt es sich zumindest auch um Parameter, die abhängig von den Eigenschaften des zugeordneten Referenztasters ermittelt wurden, so dass sich der Bezug zu den Koordinatensystemen des Referenztasters und damit auch zu dem Koordinatensystem des KMG herstellen lässt, da der Referenztaster bereits auf dem KMG eingemessen wurde. Die ausgelesenen Parameter können daher ohne erneute vollständige Kalibrierung der Taster-Konfiguration an dem KMG verwendet werden. Unter einer vollständigen Kalibrierung wird hier eine Kalibrierung verstanden, bei der (wie oben erwähnt) sowohl die Taster-Konfiguration als auch der Referenztaster an dem KMG verwendet werden, z. B. um ein Kalibriernormal zu vermessen.
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Wie bereits erwähnt, besteht der Vorteil der Datenbank und der beschriebenen Verwendung der Datenbank darin, dass die Daten einer Mehrzahl von Taster-Konfigurationen verwaltet und genutzt werden können. Außer den Daten der Taster-Konfigurationen können sich in der Datenbank auch Daten (z. B. Grenzwerte) von KMGs befinden, an denen die Taster-Konfigurationen verwendet werden können.
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Wenn in dieser Beschreibung von der Verwendung einer Taster-Konfiguration an verschiedenen KMGs die Rede ist, dann schließt dies auch den Fall mit ein, dass an dem KMG unterschiedliche Tastköpfe angeordnet sein können, an denen die Taster-Konfiguration befestigt werden kann und betrieben werden kann. Dasselbe Koordinatenmessgerät, das jedoch über verschiedene Tastköpfe mit einer bestimmten Taster-Konfiguration verbunden ist (d. h. die Konfiguration ist entweder an dem einen Tastkopf oder an dem anderen Tastkopf angeordnet) wird daher nicht als ein einziges KMG, sondern als mehrere KMGs aufgefasst. Die Eigenschaften der verschiedenen Tastköpfe sind daher logisch betrachtet wie Eigenschaften verschiedener KMGs zu betrachten. Es können daher auch Daten verschiedener Tastköpfe in der Datenbank gespeichert werden und wie die Daten verschiedener KMGs verwendet werden. In Bezug auf die oben beschriebene Ausführungsform, bei der Referenztaster eingesetzt werden, kann z. B. ein Referenztaster nacheinander an den verschiedenen Tastköpfen angebracht werden und zum Vermessen eines Kalibriernormals oder Kalibrierobjekts verwendet werden. Der Referenztaster (dies gilt nicht nur für das hier konkret beschriebene Beispiel) wird vorzugsweise derart verwendet, dass rotatorische Freiheitsgrade und Ausrichtungen des Referenztasters relativ zu dem KMG und/oder Tastkopf ermittelt werden. Wie bereits erwähnt, ist das Ziel, die Koordinatensysteme des Referenztasters und des KMG und/oder des Tastkopfes miteinander in Beziehung zu setzen. Die Formulierung ”Koordinatensysteme miteinander in Beziehung zu setzen” bedeutet, dass Koordinaten von Punkten oder Objekten in dem einen Koordinatensystem in Koordinaten von Punkten oder Objekten in dem anderen Koordinatensystem umgerechnet werden können. Ein geeigneter Referenztaster ist z. B. eine Taster-Konfiguration, bei der zumindest drei Taststifte sich sternförmig, ausgehend von einer gemeinsamen Verbindung zu ihren freien Enden erstrecken, wobei an den freien Enden sich zumindest ein Tastelement befindet, z. B. eine Tastkugel. Solche so genannten Sterntaster sind allgemein in der Koordinatenmesstechnik bekannt. Bei drei Taststiften erstrecken sich die Längsachsen der Taststifte z. B. in drei zueinander paarweise senkrechten Richtungen. Über die drei Längsachsen könnte daher ein kartesisches Koordinatensystem definiert werden, bei dem die Richtungen der Längsachsen mit den Koordinatenachsen zusammenfallen. Da der jeweilige Tastkopf an dem KMG angeordnet ist, ergibt die Messung mit dem an dem Tastkopf befestigten Referenztaster Informationen, die auch die Geometrie des Tastkopfes enthalten oder – je nach Art der Informationen – die Geometrie des Tastkopfes eliminieren. Z. B. kann ein ausgezeichneter Punkt des Referenztasters durch Verwenden des Referenztasters an dem Tastkopf und damit auch an dem KMG als Ursprung des Koordinatensystems etabliert werden, wobei auf das Koordinatensystem auch Kalibrierparameter einer bestimmten Taster-Konfiguration bezogen werden. Fertigungsbedingte Abweichungen und Toleranzen des Tastkopfes werden dadurch eliminiert.
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Die oben erwähnte Möglichkeit, Referenztaster und Taster-Konfigurationen auf einer Kalibrierstation zu kalibrieren, um die Kalibrierung der Konfiguration an einem KMG zu vereinfachen, führt zu etwas geringeren Genauigkeiten der Kalibrierung, als wenn Referenztaster und Taster-Konfiguration an dem KMG in einer vollständigen Kalibrierung kalibriert worden wären. Je nach Messaufgabe kann daher unter Umständen keine Kalibrierung der Taster-Konfiguration an dem KMG stattfinden, kann eine eingeschränkte Kalibrierung stattfinden oder kann eine vollständige Kalibrierung ausgeführt werden. Bereits durch eine vereinfachte Kalibrierung der Taster-Konfiguration an dem KMG kann die Genauigkeit gesteigert werden. Z. B. wird bei der vereinfachten Kalibrierung lediglich eine geringe Anzahl von z. B. sechs Oberflächenpunkten eines Kalibriernormals mit der Taster-Konfiguration angetastet. Außerdem kann die Genauigkeit weiter gesteigert werden, wenn kurzzeitig auch der Referenztaster an dem KMG angebracht wird und damit das Kalibriernormal angetastet wird. Bei einer vollständigen Kalibrierung dagegen werden nicht nur wenige Punkte auf der Oberfläche des Kalibriernormals angetastet, sondern eine Vielzahl von Punkten (z. B. mehr als 12 und vorzugsweise mehr als 20 Punkte) und/oder die Oberfläche des Kalibriernormals wird durch Scanning angetastet (Entlangfahren mit dem Tastelement an der Oberfläche und gleichzeitiges kontinuierliches oder quasi kontinuierliches Aufnehmen von Messpunkten).
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Eine vereinfachte Kalibrierung nimmt z. B. lediglich sechs Messpunkte an der Oberfläche eines kugelförmigen Kalibriernormals auf, wobei die angetasteten Punkte z. B. paarweise einander gegenüberliegen (d. h. durch eine Entfernung voneinander getrennt sind, die gleich dem Durchmesser der Kugel entspricht), wobei die Punktepaare Verbindungslinien besitzen, die paarweise ungefähr senkrecht zu den Verbindungslinien der anderen Punktepaare liegen. Auf diese Weise kann die Taster-Konfiguration auf die drei Koordinatenachsen eines kartesischen Koordinatensystems des KMG eingemessen werden.
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Es ist auch möglich, eine vollständige Kalibrierung einmalig vor der ersten Verwendung einer Taster-Konfiguration an einem bestimmten KMG auszuführen. Anstelle einer wiederholten vollständigen Kalibrierung kann auf die in der Datenbank gespeicherten Kalibrierdaten, z. B. Daten aus wiederholten Kalibrierungen der Konfiguration auf einer Kalibrierstation, zurückgegriffen werden und kann optional, falls es die Genauigkeit der Messaufgabe erfordert, eine vereinfachte Kalibrierung der Konfiguration an dem KMG ausgeführt werden und optional in Zeitabständen wiederholt werden.
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Vorzugsweise wird als einer der Parameter der Taster-Konfiguration eine Steifigkeit des Taststifts oder der Taststifte der Taster-Konfiguration ermittelt und in der Datenbank abgespeichert. Auf Nutzungsmöglichkeiten und Vorteile der Bestimmung der Steifigkeit und der Speicherung in einer zentralen Datenbank wurde bereits eingegangen.
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Insbesondere kann zur Alterungsanalyse, aber auch zur Erneuerung der Kalibrierung, um die Genauigkeit von Koordinatenmessungen zu verbessern, wiederholt eine Kalibrierung der Taster-Konfiguration ausgeführt werden. Dabei wird jeweils ein Wert der Steifigkeit des Taststifts ermittelt und in der gemeinsamen Datenbank abgespeichert. Ferner wird auf die abgespeicherten Werte der Steifigkeit in der Datenbank zugegriffen und es findet unter Verwendung dieser Werte eine Auswertung der Steifigkeit als Funktion der Zeit statt. Die Stützstellen dieser zeitabhängigen Funktion werden durch die ermittelten Steifigkeitswerte gebildet, die jeweils dem Zeitpunkt der Kalibrierung zugeordnet sind. Auch auf die Alterungsanalyse wurde bereits eingegangen. Insbesondere kann aus einer Abnahme der Steifigkeit mit fortschreitender Zeit auf eine Beschädigung und/oder mangelnde Eignung des Taststifts geschlossen werden. Eine mangelnde Eignung ist beispielsweise dann gegeben, wenn eine Materialermüdung stattgefunden hat, die einen Bruch des Taststifts oder der Taststifte nicht mehr ausschließen lässt. Auch kann die Materialermüdung zu einer geringen Steifigkeit führen, die nicht mehr den Vorgaben des Herstellers entspricht, so dass die gealterte Taster-Konfiguration für Messaufgaben eingesetzt werden könnte, für die sie nicht mehr geeignet ist.
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Ferner gehört zum Umfang der vorliegenden Erfindung eine Anordnung zum Betreiben von Koordinatenmessgeräten, mit
- – zumindest einem Koordinatenmessgerät, das zu vermessende Gegenstände mit Tastern taktil, d. h. unter Berührung der Oberfläche des Gegenstandes, und/oder berührungslos abtastet,
- – einer Mehrzahl von Taster-Konfigurationen, die jeweils einen Taster oder eine Mehrzahl fest miteinander verbundener Taster aufweisen,
- – einer Kalibriereinrichtung, die ausgestaltet ist, zur Kalibrierung der Taster-Konfigurationen mit den Tastern Punkte an der Oberfläche eines Kalibrierobjekts anzutasten und daraus Parameter der Taster-Konfigurationen zu ermitteln,
- – einer Datenbank zum Speichern der Parameter verschiedener Taster-Konfigurationen und
- – einer Datenübertragungsverbindung von der Kalibriereinrichtung zu der Datenbank,
wobei die Kalibriereinrichtung ausgestaltet ist, die Parameter über die Datenübertragungsverbindung zu der Datenbank zu übertragen. Insbesondere kann die Anordnung ausgestaltet sein, das Verfahren der vorliegenden Erfindung in einer Weise auszuführen, die in dieser Beschreibung beschrieben oder in den Patentansprüchen definiert ist.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung, aus denen weitere optionale Merkmale der Erfindung entnehmbar sind, werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Die einzelnen Figuren der Zeichnung zeigen:
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1 ein Beispiel für ein Koordinatenmessgerät mit auswechselbarem Tastkopf,
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2 schematisch ein System mit einer Mehrzahl von Koordinatenmessgeräten, Tastköpfen und Taster-Konfigurationen,
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3 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Betreiben von Koordinatenmessgeräten,
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4 ein Beispiel einer Kalibrierung eines Tastkopfes,
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5 einen Antastvorgang,
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6 eine Draufsicht auf einen Taststift, dessen als Tastkugel ausgestaltetes Tastelement die Oberfläche eines Messobjekts antastet, z. B. eines Kalibriernormals.
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Das in 1 dargestellte Koordinatenmessgerät (KMG) 11 in Portalbauweise weist einen Messtisch 1 auf, über dem Säulen 2, 3 in Z-Richtung eines kartesischen Koordinatensystems beweglich angeordnet sind. Die Säulen 2, 3 bilden zusammen mit einem Querträger 4 ein Portal des KMG 11. Der Querträger 4 ist an seinen gegenüberliegenden Enden mit den Säulen 2 bzw. 3 verbunden. Nicht näher dargestellte Elektromotoren verursachen die Linearbewegung der Säulen 2, 3 in Z-Richtung. Dabei ist jeder der beiden Säulen 2, 3 ein Elektromotor zugeordnet. Häufig ist jedoch nur eine Säule angetrieben.
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Der Querträger 4 ist mit einem Querschlitten 7 kombiniert, welcher luftgelagert entlang dem Querträger 4 in X-Richtung des kartesischen Koordinatensystems beweglich ist. Die momentane Position des Querschlittens 7 relativ zu dem Querträger 4 kann anhand einer Maßstabsteilung 6 festgestellt werden. Die Bewegung des Querträgers 4 in X-Richtung wird durch einen weiteren Elektromotor angetrieben.
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An dem Querschlitten 7 ist eine in vertikaler Richtung bewegliche Pinole 8 gelagert, die an ihrem unteren Ende über eine Montageeinrichtung 10 mit einer Sensoreinrichtung 5 für die Koordinatenmessung verbunden ist. Die Sensoreinrichtung 5 ist mit einem Tastkopf 9 kombiniert (insbesondere in den Tastkopf integriert). Die Sensoreinrichtung 5 und der Tastkopf 9 sind von der Pinole 8 abnehmbar angeordnet. Unten an dem Tastkopf 9 kann eine Taster-Konfiguration 12 befestigt werden. In 1 hat die Konfiguration 12 lediglich einen Taststift. Es können andere Tastköpfe und/oder Taster-Konfigurationen an der Pinole 8 befestigt werden.
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Die Pinole 8 kann angetrieben durch einen weiteren Elektromotor relativ zu dem Querschlitten 7 in Y-Richtung des kartesischen Koordinatensystems bewegt werden. Durch die insgesamt vier Elektromotoren kann der Tastkopf 9 und damit auch die Taster-Konfiguration 12 daher zu jedem Punkt unterhalb des Querträgers 4 und oberhalb des Messtisches 1 verfahren werden, der in dem durch die Säulen 2, 3 definierten Zwischenraum liegt.
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2 zeigt Elemente eines Systems mit einer Mehrzahl von Koordinatenmessgeräten, Tastköpfen und Taster-Konfigurationen. Stellvertretend für eine beliebige Anzahl von Koordinatenmessgeräten sind in 2 zwei Koordinatenmessgeräte 18a, 18b schematisch dargestellt. Ferner sind stellvertretend für eine beliebige Anzahl von Tastköpfen zwei Tastköpfe 14a, 14b dargestellt. Außerdem sind stellvertretend für eine beliebige Anzahl von Taster-Konfigurationen zwei Taster-Konfigurationen 13a, 13b dargestellt. Bei einem der Koordinatenmessgeräte 18a, 18b kann es sich um das in 1 dargestellte Koordinatenmessgerät handeln. Es muss sich jedoch bei den Koordinatenmessgeräten des Systems nicht um KMGs in Portalbauweise handeln.
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Die Tastköpfe des Systems dienen als Verbindungselemente zwischen einer Befestigung an einem Koordinatenmessgerät und den Taster-Konfigurationen. Die Konfigurationen können auswechselbar an mehreren der Tastköpfe befestigt werden. Die Tastköpfe weisen vorzugsweise die Sensorik zur Aufnahme der Messsignale auf, die beim Antasten eines Messobjektes mit einem Tastelement der Konfigurationen erzeugt werden. Z. B. wird die am Tastkopf angebrachte Konfiguration beim Antasten der Oberfläche des Messobjekts ausgelenkt und es erzeugt die Sensoreinrichtung des Tastkopfes Messsignale, aus denen eine Steuerung des KMG die Koordinaten des angetasteten Punktes auf der Oberfläche berechnen kann.
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2 zeigt auch schematisch eine Datenbank 15, die – wie durch Pfeile angedeutet – Informationen über die Elemente 13, 14, 18 des Systems empfangen und abspeichern kann. Dabei besteht vorzugsweise eine bidirektionale Datenübertragungsverbindung zwischen den Koordinatenmessgeräten 18 und der Datenbank 15. Dies ist durch Doppelpfeile angedeutet. Dagegen erhält die Datenbank 15 die Informationen über die Tastköpfe und Taster-Konfigurationen indirekt über andere Einrichtungen, wie beispielsweise ebenfalls von den Koordinatenmessgeräten, wenn z. B. ein Tastkopf und eine Konfiguration an dem Koordinatenmessgerät montiert ist und eine Kalibrierung durchgeführt wird.
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Zumindest eines der Koordinatenmessgeräte 18, im in 2 dargestellten Beispiel das KMG 18a, kann eine Kalibrierstation sein. In 2 ist daher schematisch eine Kalibrierkugel 17 dargestellt, die über eine Abstützung 16 auf dem Messtisch des KMG 18a abgestützt ist.
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Anders als in 2 dargestellt, weisen die Taster-Konfigurationen üblicherweise einen Wechselteller auf, d. h. ein tellerförmiges Teil, mit dem sie an dem jeweiligen Tastkopf befestigt werden.
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Anhand von 3 wird nun ein erstes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Betreiben von Koordinatenmessgeräten beschrieben. Eine Kalibrierstation 18a, z. B. das in 2 dargestellte Koordinatenmessgerät 18a, verfügt über eine Datenübertragungsverbindung zu der Datenbank 15. Um die Kalibrierung von Taster-Konfigurationen auf einem weiteren Koordinatenmessgerät 18b (oben rechts in 3) zu vereinfachen, wird die Taster-Konfiguration 13b, die über einen Tastkopf 14b an der Kalibrierstation 18a angebracht ist, auf der Kalibrierstation 18a kalibriert. Hierzu wird z. B. ein übliches Kalibrierverfahren ausgeführt, bei dem eine Kalibrierkugel 17 mehrfach an einzelnen Punkten und/oder im Scanningverfahren angetastet wird. Eine nicht in 3 dargestellte Steuerung der Kalibrierstation 18a wertet die Messdaten des Tastkopfes 14b aus, berechnet die gewünschten Kalibrierparameter und überträgt diese Kalibrierparameter zu der Datenbank 15. Vorzugsweise ist es ein weiterer Schritt der auf der Kalibrierstation 18a ausgeführten Kalibrierung, auch einen Referenztaster 13a bei der Kalibrierung zu verwenden, d. h. mit dem Referenztaster 13a ebenfalls Oberflächenpunkte der Kalibrierkugel 17 oder des anderen Kalibrierobjektes anzutasten und/oder abzuscannen. Die Kalibrierparameter werden in diesem Fall, soweit möglich, als von den Eigenschaften des Referenztasters 13a abhängige Parameter berechnet und zu der Datenbank 15 übertragen.
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Wie 3 darstellt, wird der Referenztaster 13a vorzugsweise über einen anderen Tastkopf 14a als die Konfiguration 13b auf der Kalibrierstation 18a an dem KMG 18b montiert. Da ein Wechsel des Tastkopfes vermieden wird, bleiben die Bezüge des Koordinatensystems des KMG und des Tastkopfes zu dem Koordinatensystem der Kalibrierungskugel (oder des anderen Kalibriernormals) erhalten. Es ist jedoch auch möglich, auf der Kalibrierstation und an dem KMG denselben Tastkopf zu verwenden.
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Auf dem KMG 18b wird nun ebenfalls eine vollständige Kalibrierung ausgeführt. In diese Kalibrierung gehen die Eigenschaften des KMG 18b, des Tastkopfes 14a und des Referenztasters 13a ein. Die vollständige Kalibrierung beschränkt sich aber auf den Einsatz des Referenztasters 13a. Die Konfiguration 13b wird nicht verwendet. Insbesondere kann z. B. auf diese Weise der Ursprung oder ein anderer ausgezeichneter Punkt des Koordinatensystems des KMG 18b aus der Kalibrierung bestimmt werden. Außerdem können die Koordinatenachsen des Koordinatensystems in Bezug auf die Freiheitsgrade der Bewegung des KMG 18b aus dieser Kalibrierung bestimmt werden. Diese Daten können optional zu der Datenbank 15 übertragen werden. Allerdings ist dies nicht zwingend erforderlich. Vielmehr reicht es aus, wenn von der Datenbank 15 Daten über die auf der Kalibrierstation 18a durchgeführte Kalibrierung unter Verwendung der Taster-Konfiguration 13b und unter Verwendung des Referenztasters 13a abgerufen werden und zu dem KMG 18b übertragen werden. Dieses kann aus den von der Datenbank 15 empfangenen Daten nun bestimmen, welche Abweichungen die Taster-Konfiguration 13b in den Messsignalen der Sensoreinrichtung des Tastkopfes 14b erzeugt, wenn die Taster-Konfiguration 13b statt des Referenztasters 13a an dem Tastkopf 14b verwendet wird.
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Kurz zusammengefasst stellt die Kalibrierung unter Verwendung der Taster-Konfiguration 13b und des Referenztasters 13a auf der Kalibrierstation 18a den Bezug zwischen den Eigenschaften der Konfiguration 13b einerseits und den Eigenschaften des Referenztasters 13a andererseits her. Der Bezug der Konfiguration 13b zu den Eigenschaften des KMG 18b wird durch die zusätzliche Kalibrierung lediglich des Referenztasters 13a am KMG 18b hergestellt, d. h. die Konfiguration 13b wird dabei nicht am KMG verwendet.
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Außerdem ist diese Verfahrensweise nicht auf die Kalibrierung einer einzigen Taststift-Konfiguration beschränkt. Vielmehr kann auf der Kalibrierstation 18a mehr als eine Taststift-Konfiguration gemeinsam mit einem zugeordneten Referenztaster kalibriert werden. Dadurch wird jeweils der Bezug zwischen den Koordinatensystemen des Referenztasters und der Taststift-Konfiguration hergestellt. Es muss dann lediglich der zugeordnete Referenztaster auf einem Koordinatenmessgerät kalibriert werden. Die zugehörige Taststift-Konfiguration ist dann auf diesem KMG einsetzbar. Dabei ist es möglich, dass derselbe Referenztaster bei der Kalibrierung auf verschiedenen KMGs eingesetzt wird, oder dass zumindest einzelne KMG einen individuellen zugeordneten Referenztaster haben. Um Taststift-Konfigurationen auf verschiedenen KMGs einsetzbar zu machen, die über verschiedene Referenztaster verfügen, müssen daher die verschiedenen Referenztaster auf der Kalibrierstation kalibriert werden und muss jeweils der einem KMG zugeordneter Referenztaster auf dem KMG kalibriert werden. Dennoch ist die Kalibrierung wesentlich vereinfacht, da die einzelnen Taststift-Konfigurationen nicht mehr auf den KMG kalibriert werden müssen, auf denen sie zum Vermessen von Messobjekten eingesetzt werden sollen. Zumindest eine vollständige Kalibrierung der einzelnen Taststift-Konfigurationen kann entfallen.
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Anhand von 4 wird nun ein Beispiel dafür dargestellt, wie ein Tastkopf kalibriert werden kann. Außer den geometrischen Eigenschaften eines Tastkopfes sind auch die Sensoreigenschaften des Tastkopfes zu kalibrieren. Ein erster Tastkopf 14a wird an der Kalibrierstation 18a montiert. An dem Tastkopf 14a wird der Referenztaster 13a montiert und es wird eine Kalibrierung durchgeführt. Die daraus ermittelten Kalibrierparameter werden zu der Datenbank 15 übertragen und dort abgespeichert.
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Ebenfalls auf der Kalibrierstation 14a wird zumindest ein weiterer Tastkopf 14b montiert und wieder derselbe Referenztaster 13a an dem Tastkopf 14b befestigt. Es wird mit diesen an der Kalibrierstation 18a montierten Elementen ebenfalls eine Kalibrierung durchgeführt und es werden die benötigten Kalibrierparameter ermittelt und zu der Datenbank 15 übertragen. Eine mit der Datenbank 15 verbundene Auswertungseinrichtung 19 kann auf die in der Datenbank 15 abgespeicherten Daten zugreifen, diese Daten verarbeiten und Ergebnisdaten wieder zu der Datenbank 15 übertragen und dort abspeichern. Diese Auswertungseinrichtung 19 kann die aus den verschiedenen Kalibrierungen der verschiedenen Tastköpfe gewonnenen Parameter und weiteren Informationen auswerten und miteinander in Beziehung setzen, so dass bei Verwendung eines der Tastköpfe auf einem KMG 18b (unten in 4) die Kalibrierparameter des auf dem KMG 18b verwendeten Tastkopfes (z. B. Tastkopf 14b) zu dem KMG 18b übertragen werden können und von der Steuerung des KMG 18b verwendet werden können. Vorzugsweise findet einmalig eine Kalibrierung eines Referenz-Tastkopfes (z. B. eines Tastkopfes mit besonders genau reproduzierbaren Messsignalen der Sensoreinrichtung) und dem daran angebrachten Referenztaster 13a auf dem KMG 18b statt. Danach können beliebige Tastköpfe, die wie oben beschrieben auf der Kalibrierstation 18a kalibriert wurden, auf dem KMG 18b verwendet werden.
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Statt eines Tastkopfes, der lediglich Messsysteme zum Messen der Auslenkung einer daran angebrachten Taststift-Konfiguration hat, kann auch ein beweglicher Tastkopf eingesetzt werden und auf die anhand von 4 beschriebene Weise kalibriert werden. Bei einem solchen beweglichen Tastkopf kann es sich z. B. um ein so genanntes Dreh-Schwenk-Gelenk handeln, das Bewegungen der Befestigungseinrichtung zum Befestigen einer Taststift-Konfiguration um zwei verschiedene Drehachsen ermöglicht. Der bewegliche Tastkopf kann jedoch auch nur die Drehbewegung um eine Achse und/oder eine Linearbewegung entlang einer Achse ermöglichen.
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Wenn eine größere Anzahl von KMGs als Teil des in 2 schematisch dargestellten Systems zum Einsatz kommen soll, d. h. wenn zumindest eine Mehrzahl verschiedener Taster-Konfigurationen wahlweise an zumindest zwei der KMG des Systems verwendet werden sollen, besitzt vorzugsweise jedes der KMG einen eigenen Referenztaster. Die anhand von 3 und 4 beschriebenen Verfahren werden dann vorzugsweise für jeden Referenztaster auf der Kalibrierstation ausgeführt. In der Datenbank 15 werden dann für jeden Referenztaster und damit für jedes der Koordinatenmessgeräte, denen ein Referenztaster zugeordnet ist, die zugehörigen Kalibrierparameter abgespeichert und bei Bedarf einem KMG zur Verfügung gestellt. Z. B. soll die Taster-Konfiguration 13b an dem Koordinatenmessgerät 18b eingesetzt werden. Dabei soll der Tastkopf 14b zum Einsatz kommen. Wie anhand von 3 und 4 erläutert wurde, sind die Konfiguration 13b und der Tastkopf 14b auf der Kalibrierstation 18a kalibriert worden. Dabei wurde der Referenztaster 13a verwendet, der dem KMG 18b zugeordnet ist. Für ein weiteres KMG, das einen weiteren zugeordneten Referenztaster besitzt, ist die anhand von 3 und 4 beschriebene Kalibrierung ebenfalls durchgeführt worden. Dies bedeutet, dass die Konfiguration 13b ebenfalls an dem Tastkopf 14b auf der Kalibrierstation kalibriert wurde, die resultierenden Kalibrierparameter und gegebenenfalls optionale Zusatzinformationen in der Datenbank 15 gespeichert sind und daher unter Verwendung dieser Daten von dem weiteren KMG genutzt werden können. Wenn die Anzahl der insgesamt in dem System verwendeten KMGs jedoch gering ist, kann auch ein einziger Referenztaster für alle KMGs gemeinsam oder zumindest für einen Teil der KMGs verwendet werden.
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5 zeigt einen Bereich einer Oberfläche 51 eines Messobjektes 52. An einem Antastpunkt 53 der Oberfläche 51 liegt das Tastelement 54 eines Tasters an. Im dargestellten Beispiel ist das Tastelement 54 eine Tastkugel. Weitere Bestandteile des Tasters, insbesondere ein Schaft eines Taststiftes, an dessen freiem Ende die Tastkugel 54 befestigt ist, sind aus Gründen der Erkennbarkeit der Darstellung weggelassen.
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Die Tastkugel 54 übt eine Antastkraft f' auf die Oberfläche 51 aus. Die Gegenkraft f, die die Oberfläche 51 dementsprechend auf die Tastkugel 54 ausübt, ist ebenfalls dargestellt. In dem hier dargestellten Fall ist die Gegenkraft f senkrecht zur Oberfläche 51 ausgerichtet, d. h. die Antastkraft f' wird in optimaler Weise auf die Oberfläche 51 ausgeübt. Ein Abrutschen der Tastkugel an der Oberfläche 51 ist nicht möglich.
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Wegen der Richtungsabhängigkeit der Nachgiebigkeit des Tasters ist die der Antastkraft f' entsprechende Auslenkung a, bei der es sich (wie in 5 durch einen Vektorpfeil dargestellt) um einen Vektor handelt, in einer anderen Richtung orientiert als der Senkrechten zur Oberfläche. Der Auslenkungsvektor a liegt etwa in der Mitte eines Winkelbereichs zwischen Auslenkungsvektoren a1 und a2, die an demselben Antastpunkt 53 ansetzen. Bei Auslenkungen jenseits dieser Auslenkungsvektoren a1 und a2 kommt es zum Abrutschen der Tastkugel 54 an der Oberfläche 51. Daher ist die Richtungsabhängigkeit der Steifigkeit des Taststiftes eine Information, die für die Planung des Antastvorganges von Nutzen ist.
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Die Steifigkeit einer Taster-Konfiguration ist, wie oben erwähnt, auch für eine Alterungsanalyse von Bedeutung. Nimmt die Steifigkeit ab, insbesondere richtungsselektiv, kann auf eine Materialermüdung oder sogar eine Materialbeschädigung des Taststiftes geschlossen werden.
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6 zeigt eine Draufsicht auf einen Taststift 65 mit einem Schaft 66 und einer am Ende des Schaftes befestigten Tastkugel 64. In der Darstellung der 6 erstreckt sich der Schaft 66 von oberhalb der Bildebene etwa senkrecht nach unten bis zu der Tastkugel 64. Man erkennt von dem Schaft den oberen Bereich, erkennbar durch einen vollständig in 6 dargestellten Kreis. Außerdem ist von dem Schaft 66 der Schaftansatz erkennbar, mit dem der Schaft 66 an der Tastkugel 64 ansetzt. Dieser Ansatz des Schaftes ist in 6 durch einen Kreis dargestellt, der teilweise von dem vollständigen Kreis, d. h. von dem oberen Teil des Schaftes 66, verdeckt ist. In einem Längsabschnitt des Schaftes 66 zwischen dem Ansatz und dem oberen Bereiche des Schaftes 66 verläuft der Schaft 66 gekrümmt. Die Krümmung selbst ist in 6 nicht erkennbar. Der Grund für die Krümmung ist wie folgt: Die Tastkugel 64 tastet die Oberfläche des Messobjekts 62 im oberen Figurenteil der 6 an dem Antastpunkt 63 an. Dabei übt die Tastkugel 64 eine Kraft f' auf die Oberfläche aus. Die Gegenkraft der Antastkraft f' führt zu einer Verbiegung des Schaftes 66, der in kräftefreiem Zustand geradlinig verläuft. Die Stärke der Verbiegung des Schaftes 66 hängt von der Steifigkeit des Taststiftes 65 ab, die im Wesentlichen gleich der Steifigkeit des Schaftes 66 ist.
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Bei einer Kalibrierung des Taststiftes 65 kann die Steifigkeit aus Signalen einer Sensoreinrichtung ermittelt werden, an der der Taststift 65 angebracht ist. Sensoren der Sensoreinrichtung messen die Auslenkung des Taststiftes, die durch die Gegenkraft der Antastkraft bewirkt wird. Die Auslenkung ist in der Regel eine Verschwenkung des Taststiftansatzes um eine Schwenkachse, die in dem Bereich liegt, in dem der Taststift 65 an der Sensoreinrichtung befestigt ist, oder die in dem Bereich der Sensoreinrichtung liegt. Die Auslenkung ist reversibel und wird entgegen einer elastischen Rückstellkraft, z. B. der Kraft eines Federparallelogramms, bewirkt. Wenn die Federkonstante bzw. elastische Konstante bekannt ist, kann aus der Auslenkung die Gegenkraft die Antastkraft berechnet werden. Da außerdem die Position des Taststiftes 65 in dem Bereich, in dem er mit der Sensoreinrichtung verbunden ist, oder zumindest die Position der Drehachse bekannt ist, kann durch Kalibrierung auch die Durchbiegung bestimmt werden. Die Steifigkeit des Taststiftes ist der Parameter, der die Beziehung zwischen der für die Durchbiegung des Taststiftes erforderlichen Kraft bzw. der für die Verbiegung des Taststiftes ursächlichen Kraft einerseits und der Verbiegung des Taststiftes 65 andererseits herstellt. Der Verbiegung ist der Versatz des Ansatzes des Schaftes 66 an der Tastkugel 64 äquivalent. Werden genügend Messpunkte an der Oberfläche des Kalibriernormals angetastet und wird außerdem bei unterschiedlicher Stärke der Antastkraft jeweils die Position des Taststiftes 65 aus den Messsystemen des Koordinatenmessgerätes ermittelt, kann daraus die Steifigkeit berechnet werden.
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In dem in 6 dargestellten Fall tastet die Tastkugel 64 des Messobjektes 62 an dem Punkt 63 an. Werden genügend Messinformationen bei der Kalibrierung gesammelt, wobei wie erwähnt die Antastkraft variiert werden kann, kann die Steifigkeit des Taststiftes 65 bezüglich des entsprechenden Berührungspunktes der Tastkugel ermittelt werden, mit dem die Tastkugel den Antastpunkt 63 antastet. Vorausgesetzt, dass die Richtung der Antastkraft (z. B. senkrecht zur Oberfläche der Tastkugel 64) bekannt ist, ist dadurch eine Bestimmung der Steifigkeit bezüglich dieser Richtung möglich. Die Antastkraft f' in 6 entspricht der Richtung der Verbiegung des Taststiftes.
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Die Steifigkeit des Taststiftes kann von der Richtung der Verbiegung abhängen. Daher wird bei der Kalibrierung auch mit anderen Oberflächenpunkten der Tastkugel 64 an Oberflächen des Kalibriernormals angetastet. In 6 sind drei weitere mögliche Oberflächenpunkte A, B und C durch Pfeile angedeutet, mit denen die Tastkugel 64 während der Kalibrierung solche Oberflächenpunkte des Kalibriernormals antastet. Vorzugsweise wird für diese weiteren und möglicherweise noch weitere Oberflächenpunkte der Tastkugel 64 jeweils der Betrag der Antastkraft variiert und wird für die verschiedenen Werte der Antastkraft jeweils die Position des Taststiftes im Messsystem des KMG bestimmt. Im Ergebnis erhält man durch Auswertung während der Kalibrierung aufgenommener Koordinatenwerte die Steifigkeit des Taststiftes 65 als von der Richtung der Antastkraft bzw. der Richtung der Durchbiegung abhängige Größe.
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Diese Kalibrierung kann nun in Zeitabständen wiederholt werden, um jeweils die richtungsabhängige Steifigkeit zu ermitteln. Bei einem Taststift mit geradem Schaft und homogenem Material des Schaftes wird erwartet, dass die Steifigkeit in Richtungen quer zur Längsrichtung des Schaftes gleich groß ist. Stellt sich bei den wiederholten Bestimmungen der richtungsabhängigen Steifigkeit heraus, dass die Steifigkeit in einer der Richtungen quer zur Längsachse des Schaftes kleiner geworden ist als die Steifigkeit für andere Querrichtungen, deutet dies auf eine unerwartete Materialermüdung oder Materialbeschädigung hin. Z. B. kann eine Materialfaser des Taststiftes gebrochen sein.
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Die bei den verschiedenen Kalibrierungen gewonnenen Ergebnisse für die richtungsabhängige Steifigkeit werden ähnlich wie in 2 symbolisch dargestellt, zu der Datenbank 15 übertragen und dort abgespeichert. Die Auswertung der abgespeicherten Steifigkeitsinformationen kann z. B. von einem mit der Datenbank 15 verbundenen Computer durchgeführt werden und/oder von einer Steuerung eines Koordinatenmessgerätes, das über eine Datenübertragungsverbindung mit der Datenbank 15 verbunden ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- ”Messende Taster mit mehreren Freiheitsgraden” von Werner Lotze, TR Technische Rundschau, Heft 29/30, 1993, Seiten 20–25 [0016]
