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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren eines Taststiftes eines Koordinatenmessgerätes sowie zur Korrektur von Messergebnissen.
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Aus der Praxis ist bekannt, zum dimensionellen Vermessen von Werkstücken von Koordinatenmessgeräten taktile und nicht taktile Sensoren zu verwenden, die fest oder lösbar fest an einem Koordinatenmessgerät angeordnet sind.
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Die aus der Praxis bekannten Koordinatenmessgeräte bestehen aus mehreren beweglichen Achsen, die es ermöglichen, den Sensor im Raum so zu bewegen, dass Werkstücke dimensionell vermessen werden können.
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Taktile Sensoren werden auch als Tastköpfe bezeichnet. Sie bestehen aus einem festen Teil, das mit einer Achse des Koordinatenmessgerätes fest oder lösbar fest verbunden ist, sowie aus einem gegen den festen Teil beweglichen Teil, der einen so genannten Taststift trägt, der aus einem länglichen Schaft besteht und an dessen einem Ende ein Antastelement wie zum Beispiel eine Kugel, die so genannte Antastkugel, befestigt ist. Andere Antastelemente sind zum Beispiel Spitzen oder Kugelscheiben. Mit dem anderen Ende ist der Taststift an dem beweglichen Teil des Tastkopfes befestigt, der sich gegenüber dem festen Teil verschiebt, wenn das Antastelement mit der Oberfläche eines Werkstückes in Kontakt kommt.
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Bei den so genannten messenden Tastköpfen wird mit Hilfe geeigneter Messmittel die Verschiebung gemessen. Bei den so genannten schaltenden Tastköpfen wird die Verschiebung lediglich mittels eines elektrischen Schaltimpulses angezeigt. Auf den beweglichen Teil des Tastkopfes wirken Rückstellkräfte, damit der Tastkopf sich in einer definierten Lage gegenüber dem festen Teil des Tastkopfes befindet, wenn keine äußeren Kräfte auf den Taststift wirken. Während einer Antastung wirken diese Rückstellkräfte auch auf den Schaft des Taststiftes und führen zu einer Verbiegung, die bei der Auswertung der Messergebnisse nicht vernachlässigt werden darf.
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Weiter wirken Reibungskräfte zwischen dem Antastelement und der Werkstückoberfläche, wenn das Antastelement unter ständiger Berührung über die Werkstückoberfläche gleitet. Dieser Messmodus wird üblicherweise als Scannen bezeichnet.
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Um diese parasitären Kräfte und die daraus resultierenden Verbiegungen berücksichtigen zu können, wird in der Praxis durch eine so genannte Tasterkalibrierung ein Korrekturdatensatz erzeugt, der das elastische Verhalten des Taststiftes unter den verschiedenen oben genannten Bedingungen beschreibt. Der Kalibriervorgang läuft in der Praxis dabei so ab, dass ein in Form und Dimension bekannter Probekörper – üblicherweise eine Kugel mit einem bekannten Radius – wie z. B. in der
EP 1 051 596 B1 beschrieben, aus verschiedenen Richtungen angetastet oder längs verschiedener Bahnen gescannt wird. Das aus diesen Messungen erfolgte Ergebnis für die Form und Dimension des Probekörpers wird mithilfe des Korrekturdatensatzes an die bekannten Größen des Probekörpers möglichst gut angepasst. Dabei kommen die unterschiedlichsten mathematischen Algorithmen zur Erzeugung des Korrekturdatensatzes zum Einsatz. Der Korrekturdatensatz ist häufig ein 3 × 3-Biegetensor, der das Elastizitätsellipsoid des Tasters beschreibt. Es sind aber auch andere Datensätze, wie so genannte Look-up-tables, die die Antastabweichung aus verschiedenen Richtungen beschreiben, oder völlig andere mathematische Beschreibungen wie beispielsweise Kugelflächenfunktionen des Antast- oder Scanverhaltens denkbar.
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Es ist bekannt, dass aufgrund von elektronischen Filtern ein zeitlicher Versatz zwischen den Messdaten des Tastkopfes und den Positionsdaten der Maschine besteht. In der
US 2010/0018069 A1 wird ein Verfahren zur Bestimmung dieses zeitlichen Versatzes angegeben. Das Verfahren wird aber nur in bestimmten zeitlichen Abständen für das Gesamtsystem aus Taststift, Tastkopf und Maschine angewendet. Es wird nicht in Abhängigkeit von der Messaufgabe ermittelt, das heißt, es werden keine von der Messaufgabe abhängigen Korrekturdatensätze ermittelt, wodurch dieses zum Stand der Technik gehörende Verfahren relativ ungenau ist.
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In der
DE 197 39 674 A1 wird ein Verfahren zur Radiuskorrektur für taktile Systeme beschrieben. Das Verfahren beschränkt sich aber auf Schnitte mit geometrisch bestimmten Flächen wie Ebene, Zylinder oder Polynomflächen und benötigt stets eine Punktmenge, die scannend oder mit mehreren Einzelpunktantastungen aufgenommen wurden, um lokale Abweichungen zu berechnen und anschließend eine Oberflächennormale zu korrigieren. Es wird aber kein Korrekturdatensatz aus den Rohdaten einer Kalibrierung für eine Messung anhand der konkreten Messaufgabe erzeugt.
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Zum Stand der Technik (
DE 10 2004 003 864 A1 ) gehört darüber hinaus ein Verfahren, bei dem bei einer Temperaturänderung eine Wiederholung der Messung an einem Referenzobjekt erfolgen muss. Es wird nur geprüft, ob die erfolgte Kalibrierung in dem Messlauf noch Gültigkeit besitzt. Es erfolgt keine Anpassung der Korrekturdaten an die konkrete Messaufgabe.
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Aus der
US 7900367 B2 ist bekannt, die Taster durch Verwendung verschiedener Antastkräfte an einer Kalibrierkugel zu kalibrieren.
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Weiterhin ist aus dem Stand der Technik (
EP 1 536 205 A2 ) bekannt, aus einer vorgegebenen Richtung an einer Kalibrierkugel oder an einem Ringnormal anzutasten und über einen Vergleich zwischen der Soll- und Istgröße eine Radiuskompensation in Abhängigkeit von der Antastrichtung zu berechnen und abzuspeichern. Bei der Messung an einem unbekannten Werkstück wird über die Antastrichtung ein entsprechender Korrekturwert ausgewählt, um eine Korrektur des Antastwertes vorzunehmen.
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Aus dem Stand der Technik (
EP 2 212 647 B1 ) ist darüber hinaus bekannt, dass die Änderung der Rückstellkraft des Tastkopfes beim Verfahren des Tastkopfes relativ zur Oberfläche ein teilweise nichtlineares Verhalten zeigt.
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Der fertige Korrekturdatensatz wird bei den zum Stand der Technik gehörenden Verfahren tasterspezifisch abgespeichert und bei späteren Messungen zur Korrektur der Messergebnisse herangezogen. Weitere Informationen, also zum Beispiel die Rohdaten der Kalibriermessung, werden gemäß dem Stand der Technik nicht aufbewahrt.
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Dadurch, dass der fertige Korrekturdatensatz tasterspezifisch abgespeichert wird, weist dieses zum Stand der Technik gehörende Verfahren den Nachteil auf, dass der Kalibriervorgang wiederholt werden muss, wenn der vorhandene Korrekturdatensatz auf einen verwendeten Messmodus nicht passt. Für einen Scanlauf benötigt man zum Beispiel einen anderen Korrekturdatensatz als für Einzelpunktantastungen. Auch zum Messen unterschiedlicher geometrischer Merkmale an Werkstücken (beispielsweise eine Ringmessung mit mehreren Einzelpunktantastungen oder eine eindimensionale Längenmessung mit zwei Einzelpunktantastungen) kann es vorteilhaft sein, unterschiedliche Kalibrierartefakte zu verwenden, die den zu messenden Geometrien entsprechen und einen Taster entsprechend den geometrischen Merkmalen zu Kalibrieren. Das bedeutet, dass aus Platzgründen ein auf dem Koordinatenmessgerät aufgespanntes Werkstück vorübergehend entfernt werden muss, um für den erneuten Kalibriervorgang Platz zu schaffen, was mit erheblichem Aufwand verbunden sein kann.
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Das der Erfindung zugrunde liegende technische Problem besteht darin, ein Kalibrierverfahren anzugeben, welches den oben genannten Nachteil vermeidet, welches universell einsetzbar ist und ein erneutes Kalibrieren des gleichen Taststiftes im Falle eines anderen Messverfahrens also Einzelpunktantastung oder Scannen oder im Falle der Messung eines anderen geometrischen Merkmals vermeidet.
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Dieses technische Problem wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Kalibrieren eines Taststiftes eines Koordinatenmessgerätes sowie zur Korrektur von Messergebnissen mit den folgenden Verfahrensschritten:
- – Messen eines in Form und Dimension bekannten Probekörpers mit dem zu kalibrierenden Taststift durch Einzelpunktantastung aus wenigstens zwei verschiedenen Raumrichtungen und/oder
- – Messen desselben Probekörpers mit mindestens einer Scanbahn im Scanverfahren,
- – Speichern der gewonnenen Rohdaten aus Einzelpunktantastung und/oder Scanverfahren,
zeichnet sich dadurch aus, dass ein Korrekturdatensatz aus den gespeicherten Rohdaten und der bekannten Form und Dimension des Probekörpers in Abhängigkeit von dem wenigstens einen zu messenden Merkmal und/oder der Messmethode an einem Werkstück vor und/oder während und/oder nach der Messung eines Werkstückes generiert wird, und dass der generierte Korrekturdatensatz zur Korrektur des oder der Messergebnisse verwendet wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Kalibrieren eines Taststiftes eines Koordinatenmessgerätes sowie zur Korrektur von Messergebnissen mit den folgenden Verfahrensschritten:
- – Messen eines in Form und Dimension bekannten Probekörpers mit dem zu kalibrierenden Taststift durch Einzelpunktantastung aus wenigstens zwei verschiedenen Raumrichtungen,
- – und/oder Messen desselben Probekörpers mit mindestens einer Scanbahn im Scanverfahren,
- – Speichern der gewonnenen Rohdaten aus Einzelpunktantastung und/oder Scanverfahren,
zeichnet sich also dadurch aus, dass ein Korrekturdatensatz nicht direkt aus der Messung am Probekörper generiert und für den Taster gespeichert wird. Vielmehr werden aus den am Probekörper gemessenen und gespeicherten Rohdaten sowie der bekannten Form und Dimension des Probekörpers vor und/oder während und/oder nach der Messung eines Werkstückes die Korrekturdaten anhand des wenigstens einen Merkmales des zu messenden Werkstückes wie beispielsweise Antastrichtung, Geometrie des zu messenden Werkstückes (Kreis, Ebene, Länge), Oberflächenkrümmung und/oder in Abhängigkeit von der Messmethode, also ”Einzelpunktantastung” oder ”Scanverfahren”, generiert. Der so generierte Korrekturdatensatz wird dann spezifisch für das Merkmal und/oder die Messmethode erzeugt und zur Korrektur des oder der Messergebnisse verwendet. Beispielhaft können die Korrekturdaten unmittelbar vor der Messung ermittelt werden, wenn die Antastrichtung und die Geometrie des zu messenden Merkmals bekannt sind.
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Gemäß der Erfindung sind also vorteilhaft zwei Datensätze mit Rohdaten vorgesehen, einmal für die Einzelpunktantastung und einmal für das Scanverfahren, und die Steuereinheit entscheidet, welche Rohdaten für die Messung verwendet werden.
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Neu ist ebenfalls, dass der Korrekturdatensatz gemäß der Erfindung nicht mehr ausschließlich von dem Taster abhängig ist, sondern dass eine weitere Spezifizierung je nach Anwendung erfolgt. Diese Spezifizierung ist beispielsweise merkmalsabhängig. Das bedeutet, dass der Korrekturdatensatz von dem wenigstens einen Merkmal des zu messenden Werkstückes wie beispielsweise Antastrichtung, Geometrie, Oberflächenkrümmung oder Ebenheit abhängig ist.
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Unter Merkmal werden verschiedene zu messende Geometrien verstanden, wie Kreise, Ebenen oder Kegel.
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Unter Messaufgabe wird im Sinne der Erfindung verstanden, dass es sich um einen einzelnen Antastvorgang (Einzelpunktantastung) handelt oder um einen einzelnen Scanvorgang oder beispielsweise um das Messen von Merkmalen, wie von Kreisen, Ebenen oder Kegeln, bei denen die Messung durch mehrere Einzelpunktantastungen oder einen Scanvorgang ausgeführt wird.
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Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, dass anhand des zu messenden Merkmals ein zur Messaufgabe passender Korrekturdatensatz aus den abgespeicherten Rohdaten generiert wird. Die Auswahl der geeigneten Korrekturdaten erfolgt vorteilhaft durch die Steuereinheit des Koordinatenmessgerätes (KMG).
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Werden die Korrekturdaten aus den Rohdaten vor der Messung eines Werkstückes anhand der Merkmale des zu messenden Werkstückes generiert, erfolgt dies gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung in einer Zeitspanne zwischen dem Einwechseln des Tasters und dem Beginn der Messung des Werkstückes. Besonders vorteilhaft kann die Zeitspanne auch beginnen, wenn der Taster einen vorher bestimmten Vorpunkt anfährt. Das bedeutet, dass die Generierung unmittelbar vor der Messung des Werkstückes erfolgt. Unter einem Vorpunkt wird ein Punkt verstanden, der vor dem Messen des Werkstücks angefahren wird, um das Werkstück ohne Kollisionen von diesem Punkt aus anzufahren und zu messen.
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Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung ist, dass die ermittelten Rohdaten in Verbindung mit dem Taster abgespeichert werden und nur die passenden Rohdaten für die Generierung eines Korrekturdatensatzes verwendet werden.
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So ist zum Beispiel die Gewinnung der Rohdaten an einer Kugel vorteilhaft. Um allerdings die Messung eines Kreises durchzuführen, müssen nur die Rohdaten berücksichtigt werden, die in der Ebene des Kreises liegen. Durch die Berücksichtigung der relevanten Rohdaten kann der Korrekturdatensatz viel spezifischer an die jeweilige Messaufgabe angepasst werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführung können die Korrekturdaten während der Messung des Werkstücks ermittelt werden, wenn die Vektoren der vorgegebenen Antastrichtung und der gemessenen Tastkopfauslenkung in einem bestimmten Winkelverhältnis zueinander stehen oder sich in einer bestimmten Art und Weise zeitlich verändern.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung können die Korrekturdaten auch nach einer Antastung ermittelt werden, bevor die Ausgabe der Messdaten erfolgt. In diesem Fall sind alle zeitlichen Veränderungen der Tastkopfdaten und der Positionsdaten der Maschine sowie die beschreibenden Merkmale des Werkstücks vorhanden. Damit können die geeigneten Korrekturdaten für den jeweiligen Messvorgang unter Berücksichtigung der jeweiligen Merkmalseigenschaften ausgewählt oder berechnet werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren weist den Vorteil auf, dass die gewonnenen Rohdaten aus Einzelpunktantastung und Scanverfahren abgespeichert werden. Ist eine Kalibrierung des Taststiftes erforderlich, wird vor und/oder während und/oder nach der Messung eines Werkstückes der Korrekturdatensatz aus den gespeicherten Rohdaten generiert. Der Korrekturdatensatz, der generiert wird, ist ein dem zu messenden Merkmal und/oder der Messmethode angepasster Korrekturdatensatz.
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Das erfindungsgemäße Verfahren weist dadurch den Vorteil auf, dass für eine Messaufgabe ein Taster eingewechselt wird oder eingewechselt ist, mit dem die Messaufgabe durchgeführt wird. Beispielsweise handelt es sich um eine Einzelpunktantastung. In diesem Fall kann unmittelbar für diese Einzelpunktantastung aus den Rohdaten der entsprechende Korrekturdatensatz merkmalsabhängig errechnet werden. Hierdurch werden beispielsweise Verwechslungen vermieden, zum Beispiel dahingehend, dass ein für eine Scanbahn abgespeicherter Korrekturdatensatz für eine Einzelpunktantastung verwendet wird und dadurch Fehler entstehen.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden unmittelbar vor dem Messlauf die für den jeweiligen Messlauf erforderlichen Korrekturdaten errechnet. Dies hat den Vorteil, dass eine Fehlerminimierung erfolgt, dadurch, dass der Taster schon eingewechselt ist und bekannt ist, ob es sich bei dem Messlauf um eine Einzelpunktantastung oder um ein Scanverfahren handelt und somit aus den Rohdaten der der Messaufgabe angepasste Korrekturdatensatz errechnet werden kann.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass in einem zweiten Verfahrensschritt ein anderer Probekörper verwendet wird als im ersten Verfahrensschritt und dass zur Berechnung des Korrekturdatensatzes die Messergebnisse eines der beiden Probekörper oder beider Probekörper herangezogen werden.
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Im ersten Verfahrensschritt wird die Form und Dimension eines ersten bekannten Probekörpers mit dem zu kalibrierenden Taststift durch Einzelpunktantastung aus wenigstens zwei verschiedenen Raumrichtungen durchgeführt und/oder derselbe Probekörper mit mindestens einer Scanbahn im Scanverfahren gemessen. Diese aus Einzelpunktantastung und Scanverfahren gewonnenen Rohdaten werden gespeichert. Im zweiten Verfahrensschritt werden die gleichen Verfahrensschritte (Messen der Form und Dimension mit dem zu kalibrierenden Taststift durch Einzelpunktantastung aus wenigstens zwei verschiedenen Raumrichtungen und/oder Messen mit mindestens einer Scanbahn im Scanverfahren und Speichern der gewonnenen Rohdaten aus Einzelpunktantastung und Scanverfahren) ausgeführt, jedoch mit einem anderen zweiten Probekörper.
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Je nach Messaufgabe oder der erforderlichen Genauigkeit des Messergebnisses werden zur Berechnung des Korrekturdatensatzes anschließend die Messergebnisse eines der Probekörper oder beider Probekörper herangezogen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird als Probekörper eine Kugel oder ein Lehrring verwendet. Diese Probekörper lassen sich hochgenau herstellen. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden die Rohdaten in einem Hostrechner gespeichert und vor Beginn der Messaufgabe an den Steuerungsrechner übermittelt. Dies hat den Vorteil, dass die Rohdaten zentral gespeichert sind und auf dem in der Regel leistungsstärkeren Hostrechner gespeichert sind und erst kurz vor Beginn der Messaufgabe an den Steuerungsrechner übermittelt werden.
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Die Rohdaten können gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung auch im Steuerungsrechner gespeichert werden.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Korrekturdatensatz aus den Rohdaten im Steuerungsrechner erzeugt. Dies hat den Vorteil, dass der Steuerungsrechner die Steuerung des Koordinatenmessgerätes durchführt und gleichzeitig den Korrekturdatensatz erzeugt und keine Übertragungswege zwischen einem Hostrechner und einem Steuerungsrechner erforderlich sind.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Korrekturdatensatz aus den Rohdaten während der Durchführung einer Messaufgabe erzeugt wird. Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass unmittelbar bei der Durchführung der Messaufgabe die Korrekturdaten erzeugt werden und die Messwerte mit diesen Korrekturdaten korrigiert werden können, so dass unmittelbar nach Ablauf des Messvorganges die korrigierten Messdaten vorliegen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich anhand der zugehörigen Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel für einen Antastvorgang eines Taststiftes für ein Verfahren zum Kalibrieren des Taststiftes nur beispielhaft dargestellt ist. In der Zeichnung zeigen:
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1 ein Koordinatenmessgerät in Portalbauweise in perspektivischer Ansicht;
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2 ein Antastverfahren eines Taststiftes an einem Prüfkörper in Form einer Kugel.
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1 zeigt ein Koordinatenmessgerät 1 mit einem in x-Richtung verschiebbaren Messtisch 2. Ein Portal 3, welches nicht verschiebbar ausgebildet ist, trägt an einer Traverse 4 einen in y-Richtung verschiebbaren Schlitten 5, an dem wiederum eine in z-Richtung verschiebbare Pinole 6 angeordnet ist. An der Pinole 6 ist ein Messkopf 7 angeordnet, an dem ein auswechselbarer Taststift 8, der eine Tastkugel 9 trägt, angeordnet ist. Auf dem Messtisch 2 ist ein Prüfkörper 10 in Form einer Kugel angeordnet.
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Gemäß 2 wird der Prüfkörper 10, das heißt die Kugel, zum einen mit dem Taster 8 mittels einer Einzelpunktantastung abgetastet. In dem in 2 dargestellten Fall werden die Punkte 11 mittels des Tasters 8 als Einzelpunkte abgetastet.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung erfolgt anschließend ein Messen des Probekörpers 10 mit dem Taster 8, der nunmehr gestrichelt dargestellt ist, und zwar entlang einer Scanbahn 12. Die gewonnenen Rohdaten aus der Einzelpunktantastung der Einzelpunkte 11 und der Scanbahn 12 werden mit den Daten des Probekörpers gespeichert. Wird anschließend ein Werkstück gemessen, so erfolgt anhand des zu messenden Merkmals des Werkstücks und der gewählten Messmethode die Generierung eines der Messaufgabe angepassten Korrekturdatensatzes aus den gespeicherten Rohdaten und der bekannten Form und Dimension des Probekörpers 10. Der gewonnene der Messaufgabe angepasste Korrekturdatensatz wird anschließend zur Korrektur der Messergebnisse verwendet.
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Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, dass anhand des zu messenden Merkmals (z. B. Kreis, Ebene, Kegel) ein zur Messaufgabe passender Korrekturdatensatz generiert wird. Die Auswahl der geeigneten Korrekturdaten erfolgt vorteilhaft durch die Steuereinheit des KMG. Die Rohdaten werden vorteilhaft an einer Kugel durch Einzelpunktantastung gewonnen. Soll eine Länge im Raum gemessen werden, so ergibt sich aus der Raumrichtung, welche Oberflächenpunkte der Antastungen an der Kugel für die Ermittlung des Korrekturdatensatzes berücksichtigt werden. Hierzu werden vorteilhaft nicht nur zwei Punkte ausgewählt sondern nach einem geeigneten Verfahren auch benachbarte Antastpunkte mit einer Gewichtung berücksichtigt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Koordinatenmessgerät
- 2
- Messtisch
- 3
- Portal
- 4
- Traverse
- 5
- Schlitten
- 6
- Pinole
- 7
- Messkopf
- 8
- Taststift
- 9
- Tastkugel
- 10
- Probekörper (Kugel)
- 11
- Einzelpunkte
- 12
- Scanbahn
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1051596 B1 [0007]
- US 2010/0018069 A1 [0008]
- DE 19739674 A1 [0009]
- DE 102004003864 A1 [0010]
- US 7900367 B2 [0011]
- EP 1536205 A2 [0012]
- EP 2212647 B1 [0013]
