DE102010035870B4 - Verfahren zur Genauigkeitssteigerung einer positionierenden Maschine und positionierende Maschine - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Genauigkeitssteigerung einer positionierenden Maschine (10) in Form einer Messmaschine die (a) eine Positioniervorrichtung (12), (b) einen mittels der Positioniervorrichtung (12) positionierbaren Endeffektor (14), (c) einen vom Endeffektor (14) erreichbaren Arbeitsraum zum Aufnehmen eines mit dem Endeffektor (14) in Kontakt zu bringenden Objekts (30), (d) ein Maschinen-Messsystem, – das ein Maschinen-Koordinatensystem aufspannt, wobei mittels des Maschinen-Messsystems eine Position (P) des Endeffektors (14) im Maschinen-Koordinatensystem in Maschinen-Koordinaten oder einem daraus abgeleiteten Koordinatensystem bestimmbar ist, und – das eine Maschinen-Genauigkeit hat, und (e) ein Referenz-Messsystem (24), – das einen Metrologierahmen aufspannt, so dass mittels des Referenz-Messsystems die Position (P) des Endeffektors (14) im Metrologierahmen in Metrologierahmen-Koordinaten oder einem daraus abgeleiteten Koordinatensystem bestimmbar ist, und – das eine Referenz-Genauigkeit, die höher ist als die Maschinen-Genauigkeit, aufweist, (f) wobei der Endeffektor (14) einen Messkopf umfasst und das Objekt (30) ein Prüfling ist, mit den Schritten: (i) Anfahren des Objekts an zumindest einer vorgegebenen ersten Ziel-Position (P1,Ziel) mittels des Endeffektors, bis der Endeffektor (14) in zumindest einer ersten Position (P1) an das Objekt antastet, (ii) Erfassen und Speichern der Maschinen-Koordinaten y1M z1M )) der ersten Position (P1) gekennzeichnet durch die Schritte: (iii) nach Schritt (ii) Bewegen des Objekts (30) an einen Ort, so dass die zumindest eine erste Position (P1) mit dem Referenz-Messsystem (24) messbar ist, ...

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Genauigkeitssteigerung einer positionierenden Maschine in Form einer Messmaschine, insbesondere in Form einer Koordinatenmessmaschine, die (a) eine Positioniervorrichtung, (b) einen mittels der Positioniervorrichtung positionierbaren Endeffektor, (c) einen vom Endeffektor erreichbaren Arbeitsraum zum Aufnehmen eines mit dem Endeffektor in Kontakt bringbaren Objekts, (d) ein Maschinen-Messsystem, das ein Maschinen-Koordinatensystem aufspannt, wobei mittels des Maschinen-Messsystems eine Position des Endeffektors im Maschinen-Koordinatensystem in Maschinen-Koordinaten bestimmbar ist, und das eine Maschinen-Genauigkeit aufweist, (e) ein Referenz-System, das einen Metrologierahmen aufspannt, wobei mittels des Referenz-Messsystems die Position des Endeffektors im Metrologierahmen in Metrologierahmen-Koordinaten bestimmbar ist, und das eine Referenz-Genauigkeit aufweist, die höher ist als die Maschinen-Genauigkeit, und (f) eine Steuervorrichtung aufweist.
• Aus der WO 93/08449 A1 ist ein Verfahren zum Kalibrieren einer Koordinaten-Messmaschine bekannt, bei dem eine Vielzahl an Punkten innerhalb des Arbeitsraums von dem Endeffektor angefahren wird. Die Bewegung des Endeffektors wird von einem selbst nachführenden Laserinterferometer von verschiedenen Standpunkten verfolgt. Das Laserinterferometer kann als Lasertracer bezeichnet werden kann. Aus den mittels des Lasertracers gemessenen Abstandsänderungen beim Anfahren der Messpunkte kann auf Basis eines mathematischen Modells der Koordinatenmessmaschine ein Satz an Korrekturparametern ermittelt werden. Die Korrekturparameter beschreiben Abweichungen der Koordinatenmessmaschine von einer Idealgestalt und dienen dazu, nachfolgend mit der Koordinatenmessmaschine aufgenommene Messergebnisse zu korrigieren.
• Bei einem aus der DE 44 10 267 A1 bekannten Verfahren werden mit dem Laserinterferometer Abstandsänderungen aufgenommen, während der Endeffektor entlang einer Maschinenachse verfahren wird. Die DE 10 2007 004 934 A1 beschreibt eine Abwandlung, bei der der Endeffektor entlang einer Geraden bewegt wird, die durch den Drehmittelpunkt einer Schwenkvorrichtung des Laserinterferometers verläuft.
• Nachteilig an dem bekannten Verfahren ist, dass eine große Anzahl an Messpunkten aufgenommen werden muss, um die Koordinatenmessmaschine zu kalibrieren. Nachteilig ist zudem, dass die erreichbare Genauigkeit davon abhängt, wie genau das mathematische Modell die Koordinatenmessmaschine beschreibt.
• Aus der DE 101 26 753 A1 ist ein Verfahren zur Genauigkeitssteigerung bei Koordinatenmessgeräten und Werkzeugmaschinen bekannt, bei dem zwei unabhängige Messsysteme verwendet werden, nämlich ein Maschinen-Messsystem und ein Referenz-System. Beim Anfahren von einzelnen Messpunkten werden stets beide Systeme gleichzeitig verwendet. Beispielsweise umfasst das Referenz-System mehrere Interferometer. Beim Anfahren der Messpunkte misst das Referenz-System die Änderungen der Abstände des Endeffektors zu den Interferometern. Über eine Ausgleichsrechnung wird dann ein Fehler in den Messdaten des Maschinen-Messsystems errechnet, so dass die Messdaten korrigiert werden können. Ein derartiges System ist zum Beispiel dann in seiner Anwendbarkeit beschränkt, wenn das zu vermessende Objekt Hinterschneidungen aufweist. In diesem Fall können Interferometer keine Messdaten aufnehmen, da die Laserstrahlen abgeschattet werden.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Genauigkeit bei einer positionierenden Maschine mit einfachen Mitteln unabhängig von der Art des zu vermessenden Objekts zu erhöhen.
• Die Erfindung löst das Problem durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine positionierende Maschine nach Anspruch 4.
• Vorteilhaft an dem Verfahren ist, dass die hohe Referenz-Genauigkeit des Referenz-Messsystems auf die Positioniergenauigkeit der positionierenden Maschine direkt ohne Annahmen des geometrischen Abweichungsverhaltens der positionierenden Maschine übertragen werden kann. Wenn das Referenz-Messsystem ein interferometrisches Messsystem ist, so lassen sich höchste Genauigkeiten erzielen.
• Es ist ein weiterer Vorteil, dass die absolute Maschinen-Genauigkeit relativ gering sein kann, ohne dass dies zu signifikanten Genauigkeitseinbußen bei der positionierenden Maschine kommt. Die positionierende Maschine kann daher kostengünstig gefertigt werden.
• Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bekannte Verfahren zum Kalibrieren einer positionierenden Maschine stets darauf abstellen, dass diese nach dem Kalibrieren für eine möglichst große Anzahl an Operationen eine hohe Genauigkeit aufweisen sollen. Das aber führt zu einer geringen Genauigkeit im Einzelfall. Hintergrund der Erfindung ist, dass die Genauigkeit genau an den Punkten besonders hoch sein soll, die für die Operation der positionierenden Maschine besonders relevant sind. Die Erfindung ermöglicht es, die Referenz-Genauigkeit innerhalb der Wiederholgenauigkeit auf die Maschinen-Genauigkeit zu übertragen. Die Wiederholgenauigkeit bezeichnet dabei die Standardabweichung der absoluten Position des Endeffektors, wenn der Endeffektor auf vorgegebene Maschinen-Koordinaten bewegt wird. Die Wiederholgenauigkeit entspricht dem Begriff der Präzision nach DIN 55350-13.
• Mit anderen Worten ist ein Kalibrierverfahren erfindungsgemäß, bei dem die zum Kalibrieren mittels eines Lasertracers oder Lasertrackers verwendeten Punkte dicht bei der Kontur des zu vermessenden Prüflings liegen. Unter „dicht” ist dabei insbesondere zu verstehen, dass die die zum Kalibrieren verwendeten Punkte in einer Umgebung von höchstens einem Millimeter, insbesondere höchstens einem zehntel Millimeter, der Kontur des zu vermessenden Prüflings liegen.
• Unter der Position wird insbesondere ein Punkt im Raum verstanden, der durch Koordinaten eines idealen Koordinatensystems beschrieben werden kann. Diese Position hat neben diesen idealen Koordinaten zwei weitere Sätze an Koordinaten, nämlich einmal im Maschinen-Koordinatensystem (Maschinen-Koordinaten) und einmal im Metrolologierahmen (Metrologierahmen-Koordinaten). Der Begriff „Metrologierahmen” ist ein Fachterminus und bezeichnet das Koordinatensystem, das vom Referenz-Messsystem aufgespannt wird. Aufgrund der Messungenauigkeit sowohl des Maschinen-Messsystems als auch des Referenz-Messsystems weichen in aller Regel alle drei Koordinatensätze voneinander ab. Die Maschinen-Genauigkeit und die Referenz-Genauigkeit beziehen sich auf die Genauigkeit mit der die (wahre) Position bestimmt werden kann.
• Unter der Positioniervorrichtung wird insbesondere jede Vorrichtung verstanden, mittels der der Endeffektor durch zumindest einen Antrieb automatisch auf eine vorgebbare Position gebracht werden kann. Die Positioniervorrichtung kann beispielsweise zumindest eine Positionierachse besitzen. Die Positioniervorrichtung kann eine sowohl parallele als auch serielle Kinematik haben. Eine serielle Positioniervorrichtung umfasst insbesondere mehrere Arme, die aneinander befestigt sind.
• Darunter, das die Maschine einen vom Endeffektor erreichbaren Arbeitsraum zum Aufnehmen eines mit dem Endeffektor in Kontakt zu bringenden Objekts aufweist, wird insbesondere verstanden, dass der Endeffektor so ausgebildet ist, dass er das Objekt vermessen, bearbeiten oder positionieren kann.
• Darunter, dass das Objekt so angeordnet ist, dass die Position des Endeffektors mit dem Referenz-Messsystem ermittelbar ist, wird insbesondere verstanden, dass das Objekt aus dem Arbeitsraum der Maschine entfernt ist. Es ist allerdings auch möglich, dass das Objekt innerhalb des Arbeitsraums so positioniert wird, dass das Referenz-Messsystem nicht gestört wird.
• Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird in einem Schritt (i) zunächst das Objekt an zumindest einer vorgegebenen ersten Zielposition mittels des Endeffektors angefahren, bis der Endeffektor in zumindest einer ersten Position das Objekt antastet. In der Regel ist das Objekt beim Durchführen dieses Schrittes so angeordnet, dass die Position des Endeffektors nicht mit dem Referenz-Messsystem ermittelbar ist. Ansonsten wäre es möglich, die Metrologierahmen-Koordinaten der ersten Position direkt mit dem Referenz-Messsystem zu bestimmen. Die erste Position kann beispielsweise aus einem CAD-Modell oder aus Messdaten einer Vormessung entnommen sein. In der Regel wird die zumindest eine vorgegebene erste Ziel-Position so gewählt, dass in einer kleinen Umgebung, beispielsweise in einer Umgebung von weniger als 100 μm, das Objekt angetastet werden kann. In der Regel liegt daher die erste Position dicht bei der Zielposition.
• In einem zweiten Schritte (ii) werden die Maschinen-Koordinaten der ersten Position erfasst. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die Schritte (i) und (ii) für eine Mehrzahl an Schritten durchgeführt, so dass ein Punktwolke aus Positionen Pⁿ mit n = 1, 2, 3, .... erhalten wird.
• In einem nachfolgenden Schritt (iii) wird das Objekt an einem Ort bewegt, an dem es das Referenz-Messsystem nicht stört, so dass die zumindest eine erste Position mit dem Referenz-Messsystem messbar ist. Wird eine Mehrzahl an Ziel-Positionen angefahren und somit eine Mehrzahl an Positionen erfasst, so wäre es zwar denkbar, dass das Objekt so positioniert wird, dass zumindest nur ein Teil der Positionen mit dem Referenz-System messbar ist, bevorzugt wird das Objekt aber an einen Ort bewegt, der so gewählt ist, dass der Endeffektor auf alle Positionen Pⁿ so bewegt werden kann, dass die Positionen mit dem Referenz-Messsystem messbar sind. Beispielsweise wird das Objekt aus dem Arbeitsraum der Maschine entfernt.
• In einem nachfolgenden Schritt (iv) werden die Maschinen-Koordinaten der ersten Position mit dem Endeffektor angefahren, so dass der Endeffektor eine in unmittelbarer Umgebung der zumindest einen ersten Position liegenden realen Position einnimmt. Positionierende Maschinen besitzen eine endliche Positioniergenauigkeit. Dass heißt, dass der Endeffektor nicht mit beliebiger Genauigkeit auf eine vorgegebene Position gefahren werden kann. Insbesondere existieren bei Messmaschinen in Form von Koordinaten-Messmaschinen so genannte Antastfenster, die die Genauigkeit beschreiben, mit der der Endeffektor positioniert werden kann. Es ist daher unmöglich, den Endeffektor auf genau der zumindest einen ersten Position zu positionieren. Stattdessen ist es aber aus den im Folgenden dargelegten Gründen ausreichend, wenn der Endeffektor auf einer in einer Umgebung der ersten Position liegenden realen Position positioniert wird.
• In einem nachfolgenden Schritt (v) werden die Maschinen-Koordinaten der realen Position erfasst und davor, danach oder simultan dazu die Metrologierahmen-Koordinaten der real angefahrenen Positionen gemessen. In einem nachfolgenden Schritt (vii) wird dann eine Abweichung der Maschinen-Koordinaten der tatsächlich angefallenen Position von den Metrologierahmen-Koordinaten der tatsächlich angefahren Position berechnet. In einem nachfolgenden Schritte (viii) werden korrigierte Maschinen-Koordinaten aus den Maschinen-Koordinaten der zumindest einen ersten Position und der berechneten Abweichung ermittelt. Die so berechneten korrigierten Maschinen-Koordinaten beschreiben das Objekt mit einer deutlich höheren Genauigkeit als die nicht korrigierten Maschinen-Koordinaten.
• Grundlage dieser Korrektur ist die Erkenntnis, dass positionierende Maschinen, beispielsweise Koordinaten-Messmaschinen, systematische Messfehler aufweisen, die langwelliger Art sind. Das heißt, dass der systematische Fehler an zwei dicht benachbart liegenden Punkten in guter Näherung gleich groß ist. Es ist daher möglich, den systematischen Fehler an der zumindest einen ersten Position dadurch zu ermitteln, dass der systematische Fehler gemessen wird, der an der realen Position vorliegt.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt eines Erfassens der vorgegebenen ersten Zielposition aus einem 3D-Modell des Objekts. Bei diesem 3D-Modell des Objekts kann es sich um ein 3D-CAD-Modell handeln.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Endeffektor zumindest beim Anfahren der Maschinen-Koordinaten der zumindest einen ersten Position einen Retro-Reflektor, wobei das Referenz-Messsystem ein Multilaterations-Messsystem sein kann. Das Multilaterations-Messsystem kann insbesondere ein interferometrisches Messsysteme, wie beispielsweise ein selbst nachführendes interferometrisches Abstands-Messsystem, umfassen. Multilaterations- Messsysteme Interferometrische Messsysteme, beispielsweise Laser-Tracer oder Laser-Tracker, erlauben eine besonders hohe Messgenauigkeit.
• Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst insbesondere einen Schritt (i) eines Positionierens des Objekts an einem Ort, so dass zumindest eine erste Ziel-Position mit dem Referenz-Messsystem messbar ist. Beispielsweise wird, wie oben beschrieben, dass Objekt außerhalb des Arbeitsraums angeordnet. In einem nachfolgenden Schritt (ii) wird dann zumindest eine vorgegebene erste Ziel-Position mit dem Endeffektor angefahren, bis der Endeffektor die erste Position erreicht hat, die in einer vorgegebenen Umgebung der Zielposition liegt. Bei dieser Umgebung kann es sich beispielsweise um die 100 μm-Umgebung oder eine kleinere Umgebung, beispielsweise die 10 μm-Umgebung, handeln.
• In einem nachfolgenden Schritt (iii) werden die Maschinen-Koordinaten der ersten Position sowie in einem Schritt (iv) die Metrologierahmen-Koordinaten der ersten Position erfasst. Die Schritte (iii) und (iv) können nacheinander und/oder simultan ablaufen.
• In einem nachfolgenden Schritt (v) wird erneut die Abweichung ermittelt und danach in einem Schritte (vi) die korrigierten Maschinen-Koordinaten ermittelt. Nachfolgend kann das Objekt anhand der korrigierten Maschinen-Koordinaten bearbeitet und oder positioniert werden.
• Bei dem Endeffektor kann es sich um ein Werkzeug, einen Laserkopf oder ein sonstiges Werkzeug handeln. Auch ein Greifer oder eine sonstige Vorrichtung zum Aufnehmen des Objekts bzw. zum Verbinden des Endeffektors mit dem Objekt kann vorhanden sein.
• Bevorzugt umfasst der Endeffektor zumindest beim Anfahren der vorgegebenen zumindest einen ersten Zielposition einen Retro-Reflektor, wobei das Referenz-Messsystem ein Inter ein interferometrisches Messsystem ist.
• Bei einer erfindungsgemäßen positionierenden Maschine ist die Steuervorrichtung bevorzugt eingerichtet zum automatischen Erfassen, ob das Objekt an einem Ort platziert ist, so dass zumindest eine Ziel-Position mit dem Referenz-Messsystem messbar ist. Bei dem Erfassen, ob das Objekt so positioniert ist, dass zumindest eine erste Ziel-Position mit dem Referenz-Messsystem messbar ist, kann es sich beispielsweise um ein Einlesen einer Benutzereingabe handeln, mit der abgefragt wird, ob das Objekt entsprechend positioniert ist. Es ist aber auch möglich, dass zunächst gemäß Schritt (i) die erste Ziel-Position und gegebenenfalls weitere Ziel-Positionen angefahren werden, bis die Steuervorrichtung den Fall erfasst, dass die Position des Endeffektors nicht mehr mit dem Referenz-Messsystem erfasst werden kann, beispielsweise weil ein Laserstrahl abgeschattet wird. In diesem Fall wird das Verfahren zunächst unterbrochen und eine Fehlermeldung ausgegeben, so dass das Objekt aus dem Arbeitsraum entfernt wird.
• Vorzugsweise ist die Steuervorrichtung eingerichtet zum automatischen Wiederholen zumindest der Schritte (i) bis (v) für eine Mehrzahl an Ziel-Positionen. Besonders günstig ist es, wenn die Steuervorrichtung eingerichtet ist zum automatischen Durchführen von Schritten, wie Sie oben für das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben worden sind.
• Vorzugsweise weist auch diese positionierende Maschine ein Referenz-Messsystem auf, das zumindest ein Interferometer umfasst.
• Bei einem erfindungsgemäßen Kalibrierverfahren liegt bevorzugt zumindest eine Mehrzahl der Kalibrierpunkte in einer vorgegebenen Umgebung der Oberfläche des zu vermessenden Objekts. Beispielsweise handelt es sich bei dieser Umgebung um eine 1 mm-Umgebung der Oberfläche oder um eine Umgebung mit einem geringerem Abstand zur Oberfläche. Das hat den Vorteil, dass die Messmaschine in einer Umgebung von genau solchen Punkten kalibriert wird und damit wesentlich schnell eine besonders hohe Messgenauigkeit aufweist, an denen die späteren Messergebnisse liegen.
• Insbesondere umfasst ein bevorzugtes Kalibrierverfahren den Schritt eines Erfassens einer Mehrzahl an Kalibrierpunkten, die zumindest überwiegend entlang einer gekrümmten Oberfläche des Objekts angeordnet sind. Dass kann beispielsweise darin bestehen, dass ein CAD-Modell des zu vermessenden Objekts eingelesen wird. Auch ist es möglich, dass ein sonstiges 3D-Modell des zu vermessenden Objekts eingelesen wird, was beispielsweise dann vorteilhaft ist, wenn in einem Produktionsprozess routinemäßig gleichartige Objekte zu vermessen sind, beispielsweise im Rahmen einer Qualitätskontrolle.
• Relevant für die Erfindung ist, dass mit einer Maschine mit den Merkmalen (a) bis (e) gemäß Oberbegriff von Anspruch 1 in einem Schritt eine relevante Position erfasst wird, beispielsweise die Antastposition. Danach wird diese relevante Position angefahren, wobei eine Näherungsposition erreicht wird, die in unmittelbarer Umgebung der relevanten Position liegt, aber bis auf Ausnahmefälle nicht mit ihr identisch ist. Beim Anfahren der Näherungsposition wird die Näherungsposition mit dem Referenz-Messsystem gemessen und der Fehler in der Näherungsposition aus den Maschinen-Koordinaten der Näherungsposition einerseits und den Metrologierahmen-Koordinaten der Näherungsposition andererseits berechnet. Anhand dieser Abweichung werden die Maschinen-Koordinaten der relevanten Position durch diese Abweichung korrigiert.
• Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt
• 1 eine erfindungsgemäße positionierende Maschine zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
• 1 zeigt eine positionierende Maschine 10 mit einer Positioniervorrichtung 12, mittels der ein Endeffektor 14 auf einer Position P in einem gedachten idealen Koordinatensystem K positioniert werden kann. Die Positioniervorrichtung 12 umfasst einen Sockel 16, einen ersten Arm 18, der am Sockel 16 befestigt ist, und einen zweiten Arm 20, der am ersten Arm 18 befestigt ist. Am zweiten Arm 20 ist der Endeffektor 14 angebracht.
• Der erste Arm 18 kann von einem nicht eingezeichneten elektrischen Antrieb relativ zum Sockel 16 bewegt werden. Des Weiteren kann der zweite Arm 20 relativ zum ersten Arm 18 durch einen nicht eingezeichneten Motor bewegt werden. Durch einen weiteren nicht eingezeichneten Antrieb ist der Endeffektor 14 relativ zum zweiten Arm 20 bewegbar, so dass durch Regeln der genannten Antriebe auf eine vorgegebene Winkelposition eine vorgegebene Position P angefahren werden kann. Die Gesamtheit aller anfahrbaren Positionen P wird als Arbeitsraum bezeichnet.
• Die positionierende Maschine 10 umfasst ein Maschinen-Messsystem, mit dem die Maschinenwinkel φ₁₆, der den Drehwinkel des Sockels 16, φ₁₈, der den Drehwinkel des ersten Arms 18 relativ zum Sockel 16, φ₂₀, der den Drehwinkel des zweiten Arms 20 relativ zum ersten Arm 18 und φ₁₄, der den Drehwinkel des Endeffektors 14 relativ zu dem zweiten Arm 20 beschreibt, gemessen werden. Aus den Maschinenwinkeln φ₁₆, φ₁₈, φ₂₀, φ₁₄ ermittelt eine schematisch eingezeichnete elektrische Steuervorrichtung 22 die Position P in einem Maschinen-Koordinatensystem: P = (x_M y_M z_M) Formel 1
• Der Index M bezeichnet die Koordinaten im Maschinen-Messsystem.
• Die Maschine 10 umfasst zudem ein Referenz-Messsystem 24, das im vorliegenden Fall vier nachführbare Laserinterferometer 26.1, 26.2, 26.3, 26.4 umfasst. Im Folgenden bezeichnen Bezugszeichen ohne Zählsuffix das Objekt jeweils als solches. Jedes Laserinterferometer 26 gibt einen jeweiligen Laserstrahl 28 ab, der dem Endeffektor 14 automatisch nachgeführt wird. Aus den Messergebnissen der Laserinterferometer 26 wird die Position P in Metrologierahmen-Koordinaten (x_R y_R z_R) bestimmt. Der Index R bezeichnet dabei das Referenz-Messsystem.
• Wenn es sich bei der positionierenden Maschine um eine Koordinatenmessmaschine handelt, die auch in Portalbauweise ausgeführt sein kann, so umfasst der Endeffektor 14 einen Tastkopf, wie er im Teilbild (a) gezeigt ist. In diesem Fall ist die elektrische Steuervorrichtung 22 eingerichtet zum Antasten eines zu vermessenden Objekts 30. Dazu sind, beispielsweise in einem digitalen Speicher der Steuervorrichtung 22, Ziel-Positionen P^n,Ziel = (x n / M,Ziel y n / M,Ziel z n / M,Ziel) Formel 2 gespeichert, von denen, beispielsweise aus einem CAD-Modell des Objekts 30 bekannt ist, dass sie in einer Umgebung des Objekts 30 liegen. Vorzugsweise sind die Ziel-Positionen CAD-Daten der Oberfläche des Objekts. Dabei bezeichnet n einen Zählindex und keinen Exponenten.
• Die Steuervorrichtung 22 steuert die Positioniervorrichtung 12 so an, dass sie mit dem Endeffektor 14 sukzessive die Ziel-Positionen P^n,Ziel anfährt, bis der Endeffektor in jeweiligen Positionen Pⁿ an das Objekt 30 antastet. Aufgrund der Wahl der Positionen Pⁿ liegen die Positionen Pⁿ in einer ε-Umgebung U_ε(Pⁿ) der Positionen Pⁿ. Es gilt: U_ε(Pⁿ) = (p||p – Pⁿ| < ε), Formel 3 beispielsweise mit ε = 1 Millimeter, wobei ε bevorzugt kleiner ist, beispielsweise 100 Mikrometer.
• An jedem Antastpunkt Pⁿ liest die Steuervorrichtung 22 die Maschinen-Koordinaten Pⁿ – (x n / M y n / M z n / M) Formel 4 aus und speichert sie in einem digitalen Speicher, der Teil der Steuervorrichtung 20 ist.
• Danach wird das Objekt 30 aus dem Arbeitsraum entfernt und die Steuervorrichtung 22 erfasst, ob das der Fall ist. Das kann entweder durch Abfragen einer Bedienerangabe sein oder durch Erfassen des Arbeitsraumes mittels einer Videokamera.
• Danach werden alle Antastpunkte (Positionen) Pⁿ, n = 1, 2, 3 ..., angefahren, indem auf bekannte Art und Weise die zugehörigen Maschinen-Koordinaten aus dem digitalen Speicher ausgelesen und die Antriebe der Positioniervorrichtung 12 entsprechend angesteuert werden. Dadurch wird der Endeffektor 14 beispielsweise für die erste Position auf eine reale Position (P^1,real) gebracht, die meist in der Umgebung U_ε(P¹) der ersten Position (P¹) liegt. Es gilt P^1,real = (x 1 / M,real y 1 / M,real z 1 / M,real) Formel 5
• Die Steuervorrichtung 22 erfasst die realen Positionen P^n,real = (x 1 / M,real y 1 / M,real z 1 / M,real) für alle angefahrenen Positionen Pⁿ.
• Währenddessen wird die Bewegung des Endeffektors 14 beständig mit dem Referenz-Messsystem 24 erfasst und die Abstandsänderungen an eine elektrische Steuervorrichtung 22.1 übertragen, die Teil der Steuervorrichtung 22 sein kann. Diese Steuervorrichtung errechnet die zu der Position P^n,real bzw. zu den Positionen P^n,real gehörigen Metrologierahmen-Koordinaten P 1 / R,real = (x 1 / R,real y 1 / R,real z 1 / R,real), Formel 6 die mit hoher Genauigkeit, nämlich einer Referenz-Genauigkeit des Referenz-Messsystems, gemessen werden können. Die Steuervorrichtung 22 errechnet dann eine Abweichung A → = (x 1 / M,real – x 1 / R,real y 1 / M,real – y 1 / R,real z 1 / M,real – z 1 / R,real), Formel 7 der Maschinen-Koordinaten ((x 1 / M,real y 1 / M,real z 1 / M,real)) von den Metrologierahmen-Koordinaten ((x 1 / R,real y 1 / R,real z 1 / R,real)) der tatsächlich angefahrenen Position P^1,real Aus der Abweichung A → werden korrigierte korrigierten Maschinen-Koordinaten (x 1 / M,korr y 1 / M,korr z 1 / M,korr) gemäß (x 1 / M,korr y 1 / M,korr z 1 / M,korr = (x 1 / M y 1 / M z 1 / M) + A → Formel 8 berechnet. Die Punktwolke aus allen korrigierten Maschinen-Koordinaten P n / M,korr hat eine höhere Messgenauigkeit als die ursprünglichen Daten gemäß Formel 4. Die Punktwolke ist das Messergebnis, aus dem gegebenenfalls weitere Messergebnisse generierbar sind, beispielsweise Abmessungen des Objekts, Formabweichungen und Volumenabweichungen.
• Ganz allgemein erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Genauigkeitssteigerung einer positionierenden Maschine in Form einer Messmaschine, die (a) eine Positioniervorrichtung, (b) einen mittels der Positioniervorrichtung positionierbaren Endeffektor, (c) einen vom Endeffektor erreichbaren Arbeitsraum zum Aufnehmen eines mit dem Endeffektor in Kontakt zu bringenden Objekts, (d) ein Maschinen-Messsystem, das ein Maschinen-Koordinatensystem aufspannt, wobei mittels des Maschinen-Messsystems eine Position des Endeffektors im Maschinen-Koordinatensystem in Maschinen-Koordinaten oder einem daraus abgeleiteten Koordinatensystem bestimmbar ist, und das eine Maschinen-Genauigkeit hat, und (e) ein Referenz-Messsystem, das einen Metrologierahmen aufspannt, so dass mittels des Referenz-Messsystems die Position des Endeffektors im Metrologierahmen in Metrologierahmen-Koordinaten oder einem daraus abgeleiteten Koordinatensystem bestimmbar ist, und das eine Referenz-Genauigkeit hat, die höher ist als die Maschinen-Genauigkeit, aufweist, das die folgenden Schritte umfasst:
• (i) Anfahren zumindest einer vorgegebenen ersten Ziel-Position P^1,Ziel mittels des Endeffektors, wobei der Endeffektor 14 eine erste Position P¹ erreicht, beispielsweise eine Antastposition oder eine Endposition, bei der die positionierende Maschine den Annährungsprozess an die erste Ziel-Position abbricht,
• (ii) Erfassen und Speichern der Maschinen-Koordinaten (x 1 / M y 1 / M z 1 / M) der ersten Position P¹,
• (iii) Bewegen des Objekts 30 an einen Ort, so dass die zumindest eine erste Position mit dem Referenz-Messsystem 24 messbar ist,
• (iv) Anfahren der Maschinen-Koordinaten (x 1 / M y 1 / M z 1 / M) der ersten Position P¹ mit dem Endeffektor 14, so dass der Endeffektor eine in unmittelbarer Umgebung der zumindest einen ersten Position P¹ liegende reale Position P^1,real einnimmt,
• (v) Erfassen der Maschinen-Koordinaten (x 1 / M,real y 1 / M,real z 1 / M,real) der realen Position P^1,real,
• (vi) Erfassen der Metrologierahmen-Koordinaten (x 1 / R,real y 1 / R,real z 1 / R,real) der real angefahrenen Position,
• (vii) Ermitteln einer Abweichung (x 1 / M,real – x 1 / R,real y 1 / M,real – y 1 / R,real z 1 / M,real – z 1 / R,real) der Maschinen-Koordinaten (x 1 / M,real y 1 / M,real z 1 / M,real) der real angefahrenen Position von den Metrologierahmen-Koordinaten (x 1 / R,real y 1 / R,real z 1 / R,real) der real angefahrenen Position und
• (viii) Berechnen von korrigierten Maschinen-Koordinaten (x 1 / M,korr y 1 / M,korr z 1 / M,korr) aus den Maschinen-Koordinaten (x 1 / M y 1 / M z 1 / M) der zumindest einen ersten Position P¹ und der Abweichung (x 1 / M,real – x 1 / R,real y 1 / M,real – y 1 / R,real z 1 / M,real – z 1 / R,real).
• Bezugszeichenliste

10

Maschine

12

Positioniervorrichtung

14

Endeffektor

16

Sockel

18

erster Arm

20

zweiter Arm

22

elektrische Steuervorrichtung

24

Referenz-Messsystem

26

Laserinterferometer

28

Laserstrahl

30

Objekt

P¹

erste Position

Pⁿ

n-te Position

(x 1 / M y 1 / M z 1 / M)

Position in Maschinen-Koordinaten

(x 1 / R y 1 / R z 1 / R)

Position in Metrologierahmen-Koordinaten

K

Koordinatensystem

n

Zählindex, n = 1, 2, 3, 4, ...

φ

Maschinenwinkel

ε

Durchmesser des Antastfensters

Claims (5)

1. Verfahren zur Genauigkeitssteigerung einer positionierenden Maschine (10) in Form einer Messmaschine die (a) eine Positioniervorrichtung (12), (b) einen mittels der Positioniervorrichtung (12) positionierbaren Endeffektor (14), (c) einen vom Endeffektor (14) erreichbaren Arbeitsraum zum Aufnehmen eines mit dem Endeffektor (14) in Kontakt zu bringenden Objekts (30), (d) ein Maschinen-Messsystem, – das ein Maschinen-Koordinatensystem aufspannt, wobei mittels des Maschinen-Messsystems eine Position (P) des Endeffektors (14) im Maschinen-Koordinatensystem in Maschinen-Koordinaten oder einem daraus abgeleiteten Koordinatensystem bestimmbar ist, und – das eine Maschinen-Genauigkeit hat, und (e) ein Referenz-Messsystem (24), – das einen Metrologierahmen aufspannt, so dass mittels des Referenz-Messsystems die Position (P) des Endeffektors (14) im Metrologierahmen in Metrologierahmen-Koordinaten oder einem daraus abgeleiteten Koordinatensystem bestimmbar ist, und – das eine Referenz-Genauigkeit, die höher ist als die Maschinen-Genauigkeit, aufweist, (f) wobei der Endeffektor (14) einen Messkopf umfasst und das Objekt (30) ein Prüfling ist, mit den Schritten: (i) Anfahren des Objekts an zumindest einer vorgegebenen ersten Ziel-Position (P^1,Ziel) mittels des Endeffektors, bis der Endeffektor (14) in zumindest einer ersten Position (P¹) an das Objekt antastet, (ii) Erfassen und Speichern der Maschinen-Koordinaten ((x 1 / M y 1 / M z 1 / M)) der ersten Position (P¹) gekennzeichnet durch die Schritte: (iii) nach Schritt (ii) Bewegen des Objekts (30) an einen Ort, so dass die zumindest eine erste Position (P¹) mit dem Referenz-Messsystem (24) messbar ist, (iv) Anfahren der Maschinen-Koordinaten ( ((x 1 / M y 1 / M z 1 / M))) der ersten Position (P¹) mit dem Endeffektor (14), so dass der Endeffektor eine in unmittelbarer Umgebung der zumindest einen ersten Position (P¹) liegende reale Position (P^1,real) einnimmt, (v) Erfassen der Maschinen-Koordinaten ((x 1 / M,real y 1 / M,real z 1 / M,real)) der realen Position (P^1,real), (vi) Erfassen der Metrologierahmen-Koordinaten ((x 1 / R,real y 1 / R,real z 1 / R,real)) der real angefahrenen Position, (vii) Ermitteln einer Abweichung ((x 1 / M,real – x 1 / R,real y 1 / M,real – y 1 / R,real z 1 / M,real – z 1 / R,real)) der Maschinen-Koordinaten ((x 1 / M,real y 1 / M,real z 1 / M,real)) der real angefahrenen Position von den Metrologierahmen-Koordinaten ((x 1 / R,real y 1 / R,real z 1 / R,real)) der real angefahrenen Position, und (viii) Berechnen von korrigierten Maschinen-Koordinaten ((x 1 / M,korr y 1 / M,korr z 1 / M,korr)) aus den Maschinen-Koordinaten ((x 1 / M y 1 / M z 1 / M)) der zumindest einen ersten Position (P¹) und der Abweichung ((x 1 / M,real – x 1 / R,real y 1 / M,real – y 1 / R,real z 1 / M,real – z 1 / R,real)) .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – Schritt (vii) den Schritt Ermitteln einer Abweichung der Maschinen-Koordinaten ((x 1 / M,real y 1 / M,real z 1 / M,real)) von den Metrologierahmen-Koordinaten ((x 1 / R,real y 1 / R,real z 1 / R,real)) der tatsächlich angefahrenen Position (P^1,real) gemäß der Formel A → = (x 1 / M,real – x 1 / R,real y 1 / M,real – y 1 / R,real z 1 / M,real – z 1 / R,real) umfasst und – in Schritt (viii) aus der Abweichung (A →) die korrigierten Maschinen-Koordinaten (x 1 / M,korr y 1 / M,korr z 1 / M,korr) gemäß der Formel (x 1 / M,korr y 1 / M,korr z 1 / M,korr) = (x 1 / M y 1 / M z 1 / M) + A → berechnet wird.
3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Mehrzahl an Ziel-Positionen (P^n,Ziel) angefahren wird, so dass eine Mehrzahl an Positionen (Pⁿ) erhalten wird, – wobei für zumindest eine Mehrheit der Positionen (Pⁿ) die Schritte (iv) bis (viii) nach Anspruch 1 durchgeführt werden, so dass eine das Objekt (30) charakterisierende Punktwolke korrigierter Maschinen-Koordinaten ((x n / M,korr y n / M,korr z n / M,korr)) erhalten wird.
4. Positionierende Maschine (10), insbesondere in Form einer Koordinatenmessmaschine, die (a) eine Positioniervorrichtung (12), (b) einen mittels der Positioniervorrichtung (12) positionierbaren Endeffektor (14), (c) einen vom Endeffektor (14) erreichbaren Arbeitsraum zum Aufnehmen eines mit dem Endeffektor (14) in Kontakt zu bringenden Objekts (30), (d) ein Maschinen-Messsystem, das ein Maschinen-Koordinatensystem aufspannt, wobei mittels des Maschinen-Messsystems eine Position (P) des Endeffektors (14) im Maschinen-Koordinatensystem in Maschinen-Koordinaten bestimmbar ist, und das eine Maschinen-Genauigkeit aufweist, (e) ein Referenz-Messsystem (24), das einen Metrologierahmen aufspannt, wobei mittels des Referenz-Messsystems (24) die Position des Endeffektors (14) im Metrologierahmen in Metrologierahmen-Koordinaten bestimmbar ist, und das eine Referenz-Genauigkeit aufweist, die höher ist als die Maschinen-Genauigkeit, und (f) eine Steuervorrichtung (22) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass (g) die Steuervorrichtung (22) eingerichtet ist zum automatischen (i) Anfahren des Objekts an zumindest einer vorgegebenen ersten Ziel-Position (P^1,Ziel) mittels des Endeffektors, bis der Endeffektor (14) in zumindest einer ersten Position (P¹) an das Objekt antastet, (ii) Erfassen und Speichern der Maschinen-Koordinaten ((x 1 / M y 1 / M z 1 / M)) der ersten Position (P¹), (iii) Erfassen, ob das Objekt (30) sich an einem Ort befindet, so dass die zumindest eine erste Position mit dem Referenz-Messsystem (24) messbar ist, (iv) Anfahren der Maschinen-Koordinaten ((x 1 / M y 1 / M z 1 / M)) der ersten Position (P¹) mit dem Endeffektor (14), so dass der Endeffektor eine in unmittelbarer Umgebung der zumindest einen ersten Position (P¹) liegende reale Position (P^1,real) einnimmt, (v) Erfassen der Maschinen-Koordinaten ((x 1 / M,real y 1 / M,real z 1 / M,real)) der realen Position (P^1,real) und (vi) Erfassen der Metrologierahmen-Koordinaten ((x 1 / R,real y 1 / R,real z 1 / R,real)) der real angefahrenen Position.
5. Positionierende Maschine (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (22) eingerichtet ist zum automatischen (i) Ermitteln einer Abweichung ((x 1 / M,real – x 1 / R,real y 1 / M,real – y 1 / R,real z 1 / M,real – z 1 / R,real)) der Maschinen-Koordinaten ((x 1 / M,real y 1 / M,real z 1 / M,real)) der real angefahrenen Position von den Metrologierahmen-Koordinaten ((x 1 / R,real y 1 / R,real z 1 / R,real)) der real angefahrenen Position und (ii) Berechnen von korrigierten Maschinen-Koordinaten ((x 1 / M,real y 1 / M,real z 1 / M,real)) aus den Maschinen-Koordinaten ((x 1 / M y 1 / M z 1 / M)) der zumindest einen ersten Position (P¹) und der Abweichung ((x 1 / M,real – x 1 / R,real y 1 / M,real – y 1 / R,real z 1 / M,real – z 1 / R,real)).

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