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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Koordinatenmessgerät sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Koordinatenmessgeräts.
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Koordinatenmessgeräte werden zur Aufnahme der Raumkoordinaten von Messpunkten auf der Oberfläche von Messobjekten eingesetzt. Hierfür weist ein Koordinatenmessgerät (KMG) eine Grundstruktur zur Aufnahme des Messobjekts bzw. Werkstücks auf sowie eine Mehrzahl von antreibbaren Achsen, wodurch ein Tastkopf des Koordinatenmessgeräts innerhalb eines Messvolumens in beliebige Positionen relativ zum Messobjekt gebracht werden kann. Insbesondere kann ein Koordinatenmessgerät drei aufeinander aufbauende, zueinander senkrechte lineare Achsen zur translatorischen Verschiebung des Tastkopfs in den drei Raumrichtungen umfassen. Der Tastkopf kann einen Taster zur berührenden Antastung der Werkstückoberfläche aufnehmen oder beispielsweise einen optischen Sensor zur berührungslosen Antastung der Werkstückoberfläche umfassen. Die Achsen des Koordinatenmessgeräts weisen Maßstäbe und Positionsgeber auf, aus deren Signalen eine Steuerungseinrichtung die Position des Tastkopfs sowie zusammen mit den Signalen des Tasters bzw. Sensors die Koordinaten eines angetasteten Messpunkts auf der Objektoberfläche ermittelt. Das Koordinatenmessgerät kann auch eine oder mehrere Drehachsen aufweisen, um das Werkstück relativ zum Taster bzw. Sensor durch eine rotatorische Bewegung auszurichten.
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Für eine genaue Ermittlung der Koordinaten eines angetasteten Messpunkts ist es erforderlich, dass sich aus den Signalen der Positionsgeber der Achsen des Koordinatenmessgeräts die Position und ggf. die Orientierung des Tastkopfs möglichst genau ermitteln lässt. Fehler in der Positionierung bzw. Orientierung des Tastkopfs können dabei sowohl durch statische, geometriebedingte Abweichungen als auch durch dynamische Verformungen, insbesondere durch Schwingungen, verursacht werden, die beispielsweise bei einer Beschleunigung oder Abbremsung des Tastkopfs bzw. der mechanischen Strukturen des Koordinatenmessgeräts entstehen können.
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Zur Korrektur der statischen, geometriebedingten Abweichungen ist es bekannt, diese bei der Inbetriebnahme eines Koordinatenmessgeräts aufzunehmen und beim Betrieb des Koordinatenmessgeräts rechnerisch zu korrigieren. Eine Veränderung der Abweichungen, die nach der Inbetriebnahme oder während des Betriebs des Koordinatenmessgeräts beispielsweise durch temperaturbedingte Verformungen der Strukturen des Koordinatenmessgeräts, durch Verschleiß oder auch durch eine Kollision des Tastkopfs oder einer Achse mit einem Messobjekt auftreten kann, kann auf diese Weise jedoch nicht erfasst werden.
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In
DE 10 2007 004 971 A1 ist ein Verfahren zur Korrektur eines Positionierungssystems offenbart, wobei durch Messmittel, beispielsweise Laserinterferometer oder geometrische Normale, die Abweichungen der Systemgeometrie als Vollfehleraufnahme ermittelt werden. Basierend auf den erfassten Abweichungen werden Korrekturwerte für das vorgegebene Positionierungssystem ermittelt. In
WO 2009/001165 A1 wird ein Verfahren zur rechnerischen Korrektur von durch dynamische Verformungen bedingten Messfehlern bei einem Koordinatenmessgerät beschrieben. Dabei wird in einem Kalibrierlauf die dynamische Verformung des Koordinatenmessgeräts durch einen Laser-Sensor, der in einer bewegten Achse des Koordinatenmessgeräts angeordnet ist, aufgenommen und mit den Versorgungsströmen der Antriebe der Achsen korreliert. Hieraus wird ein Modell ermittelt, das die rechnerische Korrektur von Messfehlern gestattet, die durch die dynamische Verformung der Achsen des Koordinatenmessgeräts entstehen.
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In dem Artikel von Kunzmann et al. in John A. Bosch, Coordinate Measuring Machines and Systems, Marcel Dekker, Inc., New York 1995, Seiten 279–300, wird ein Verfahren zur laufenden Erfassung der kinematischen Fehler beim Betrieb eines Koordinatenmessgeräts beschrieben. Dabei ist in jeder der drei Achsen des Koordinatenmessgeräts jeweils an einem feststehenden Bauteil eine Laserlichtquelle angeordnet, die über eine Mehrzahl von Strahlteilern drei parallel zur jeweiligen Achse gerichtete Laserstrahlen erzeugt. Diese werden von an einem beweglichen Schlitten der jeweiligen Achse angeordneten Reflektoren zu an dem feststehenden Bauteil angeordneten photo-empfindlichen Detektoren reflektiert, die die Erfassung von jeweils zwei translatorischen und drei rotatorischen Abweichungen pro Achse gestatten. Mit diesem Aufbau ist ein relativ hoher Aufwand verbunden; ferner ist die Erfassung von Abweichungen der Winkel zwischen den Achsen des Koordinatenmessgeräts nicht möglich.
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In
FR 2 396 954 A1 ist eine Vorrichtung zur Messung und Kontrolle der Geradheit offenbart, wobei auf einem vertikalen Turm eine erste Führung angeordnet ist, entlang derer ein Schlitten in einer ersten Richtung verschiebbar ist. Der Schlitten trägt eine zweite Führung, die eine Verschiebung eines Arms in der einer zur ersten Richtung senkrechten zweiten Richtung ermöglicht. Ein von einem Lasersender parallel zur ersten Führung ausgesandter Lichtstrahl wird durch eine am Schlitten befestigte Ablenkoptik in die zweite Richtung umgelenkt, wobei photoelektrische Zellen zur Messung von Querabweichungen angeordnet sind. Ferner ist ein Drehtisch zur Aufnahme eines zu messenden Werkstücks vorgesehen.
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In der Offenlegungsschrift
DE 37 21 296 A1 ist ein Koordinatenmessgerät beschrieben, das einen auf Führungen eines Maschinengestells verschiebbar gelagerten X-Schlitten und einen senkrecht dazu verschiebbaren Y-Schlitten aufweist, der ebenfalls auf Führungen des Maschinengestells gelagert ist. Der Y-Schlitten weist einen in Richtung einer Z-Koordinate verschiebbaren Z-Schlitten auf. Am X-Schlitten ist eine Laserlichtquelle befestigt. Auf einer Basis, die durch am Maschinengestell angeordnete Stelleinrichtungen feinverstellbar ist, sind zwei mit mindestens einer Teilerfläche versehene Umlenkelemente zur teilweisen Ablenkung eines Basisleitstrahls in Richtung der Y-Koordinate angeordnet. Den Umlenkelementen sind strahllageempfindliche fotoelektrische Empfänger zugeordnet, deren Signale zu Abweichungen der X-Achse proportional sind. Auf dem Y- und dem Z-Schlitten sind weitere Umlenkelemente und fotoelektrische Empfänger angeordnet.
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Aus
DE 40 27 321 A1 ist ein Dreikoordinatenmessgerät bekannt, das eine horizontal angeordnete Basisplatte aufweist, längs der an einer Seite ein senkrechter Ständer horizontal verschiebbar gelagert ist, der einen darauf senkrecht verschiebbaren Schlitten trägt. An dem Schlitten ist ein Querarm horizontal und senkrecht zum Ständer verschiebbar gehalten, der an einem Ende einen über der Basisplatte liegenden Messkopf aufweist.
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Die nicht gattungsgemäßen Druckschriften
US 4 792 228 A und
DE 21 19 486 A betreffen eine Positioniervorrichtung in Brückenbauweise bzw. eine Parallelbank, wobei Ablauffehler durch eine optische Anordnung, die eine Laserlichtquelle und photoelektrische Sensoren umfasst, erfasst werden.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Koordinatenmessgerät sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Koordinatenmessgeräts anzugeben, wobei die oben genannten Nachteile nicht auftreten.
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Diese Aufgabe wird durch ein Koordinatenmessgerät sowie durch ein Verfahren wie in den unabhängigen Ansprüchen angegeben gelöst.
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Ein erfindungsgemäßes Koordinatenmessgerät umfasst eine erste Achse, die einen in einer ersten Achsrichtung verschiebbar gelagerten und insbesondere motorisch verschiebbaren ersten Schlitten umfasst. Der Begriff „Achse” bezeichnet hier und im Folgenden eine Gesamtheit von Bauelementen, die zur Realisierung einer Bewegung des Tastkopfs in einer Richtung, insbesondere einer Verschiebung in einer Koordinatenrichtung, dienen. Eine Achse umfasst daher insbesondere einen beweglichen Schlitten und mindestens eine Führung sowie ggf. ein relativ zur betreffenden Achse feststehendes Bauteil sowie weitere Bauteile, etwa Maßstäbe und/oder Antriebe. Insbesondere kann die erste Achse eine Tragstruktur aufweisen, die eine oder mehrere lineare Führungen zur Führung des ersten Schlittens in Richtung der ersten Achse tragen kann. Der Schlitten kann auch selbst eine entsprechende Führung aufweisen. Die erste Achse kann mit einer Grundstruktur des Koordinatenmessgeräts verbunden sein oder auf einer oder mehreren weiteren Achsen aufbauen.
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Das Koordinatenmessgerät umfasst weiterhin eine zweite Achse, wobei der verschiebbare Schlitten der ersten Achse die zweite Achse trägt. Die zweite Achse umfasst einen in einer zweiten Achsrichtung verschiebbaren, insbesondere motorisch bewegbaren zweiten Schlitten. Die Richtung der zweiten Achse steht im Wesentlichen senkrecht zur Richtung der ersten Achse. Der zweite Schlitten kann einen Tastkopf tragen oder auch beispielsweise eine oder mehrere weitere Achsen. Durch Bewegung der Achsen ist der Tastkopf relativ zu einem Werkstück innerhalb eines Messvolumens des Koordinatenmessgeräts verschiebbar. Das Koordinatenmessgerät kann auch rotatorische Achsen umfassen, beispielsweise einen Drehtisch zur Drehung des Werkstücks relativ zum Koordinatenmessgerät und/oder eine Dreh-Schwenkeinrichtung mit beispielsweise einer, zwei oder drei Achsen zur Drehung des Tastkopfs bzw. eines Tasters.
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Das Koordinatenmessgerät umfasst weiterhin mindestens eine Lichtquelle, die zur Erzeugung eines zur ersten Achsrichtung im Wesentlichen parallelen Lichtstrahls angeordnet ist. Vorzugsweise ist die mindestens eine Lichtquelle eine Laserlichtquelle, insbesondere eine Laserdiode. Die Verwendung einer Laserlichtquelle ermöglicht auf einfache Weise die Erzeugung hochkollimierter Lichtstrahlen. Grundsätzlich ist jedoch auch die Verwendung anderer Lichtquellen, beispielsweise lichtemittierender Dioden (LEDs), möglich. Die mindestens eine Lichtquelle kann auch als Ausgang eines Lichtleiters, in den von einer externen Lichtquelle erzeugtes Licht eingekoppelt werden kann, ausgebildet sein. Der Begriff „Licht” umfasst hier und im Folgenden nicht nur sichtbares Licht, sondern auch elektromagnetische Strahlung in den benachbarten Spektralbereichen. Zur Einstellung der Richtung des Lichtstrahls parallel zur ersten Achsrichtung können mechanische und/oder optische Einstellungs- bzw. Umlenkmittel vorgesehen sein.
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Ferner umfasst das Koordinatenmessgerät mindestens einen der ersten Achse zugeordneten positionsempfindlichen Sensor, der zur Erfassung einer Position eines Auftreffbereichs des Lichtstrahls angeordnet ist. Hierfür ist der Sensor insbesondere derart angeordnet, dass eine Sensorfläche im Wesentlichen senkrecht zum Lichtstrahl steht und von diesem zumindest in einem wesentlichen Teilbereich des Verschiebewegs des ersten Schlittens getroffen wird.
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Da die Erfassung einer Position eines Auftreffbereichs eines derartigen Lichtstrahls auf einem positionsempfindlichen Sensor mit einer höheren Genauigkeit möglich ist, wenn der Strahlquerschnitt entlang der Achse im Wesentlichen konstant ist, können geeignete Strahlformungsmittel, etwa eine Kollimatorlinse, Blenden und/oder Filter, vorgesehen sein, die zur Erzeugung kollimierter Strahlen dienen. Eine besonders hohe Genauigkeit der Positionserfassung ist erreichbar, wenn die Lichtstrahlen einen engen Querschnitt haben, so dass der Auftreffbereich nahezu ein Auftreffpunkt ist. Im Allgemeinen ist der Auftreffbereich flächig ausgebildet, wobei beispielsweise ein Flächenschwerpunkt oder ein mit der jeweiligen Intensität gewichteter Flächenschwerpunkt als Position des Auftreffbereichs erfasst werden kann.
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Während bei einer idealen, geradlinigen und rotationsfreien Bewegung des ersten Schlittens entlang der ersten Achsrichtung die jeweilige Position des Auftreffbereichs des Lichtstrahls auf der Sensorfläche des positionsempfindlichen Sensors von der Position des Schlittens unabhängig ist, verändert sich die Position des Auftreffbereichs auf dem Sensor in Abhängigkeit von der Position des Schlittens in dem Fall, dass die Bewegung des Schlittens von einer geradlinigen Bahn abweicht und/oder der Schlitten bei der Verschiebung entlang der Achse eine Rotation ausführt. Eine solche Veränderung der Position des Auftreffbereichs, d. h. eine Querverlagerung des Auftreffpunkts bzw. Flächenschwerpunkts des Auftreffbereichs, kann daher zur Ermittlung derartiger geometrischer Abweichungen der Achse bzw. der Bewegung des Schlittens verwendet werden.
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Erfindungsgemäß ist am ersten Schlitten mindestens ein Umlenkelement zur Umlenkung mindestens eines Teils des Lichtstrahls zur Erzeugung mindestens eines zur zweiten Achsrichtung im Wesentlichen parallelen Lichtstrahls angeordnet. Da die zweite Achsrichtung im Wesentlichen senkrecht zur ersten Achsrichtung gerichtet ist, erfolgt durch das Umlenkelement insbesondere eine Umlenkung um 90° aus der Richtung der ersten in die Richtung der zweiten Achse. Dabei kann die Umlenkung beispielsweise durch Spiegelung an einer um 45° zur Strahlrichtung geneigten Fläche oder durch mehrfache Spiegelungen erfolgen. Weiterhin ist am zweiten Schlitten mindestens ein der zweiten Achse zugeordneter positionsempfindlicher Sensor zur Erfassung einer Position eines Auftreffbereichs des zur zweiten Achsrichtung parallelen Lichtstrahls und damit einer etwaigen Querverlagerung bei Verschiebung des zweiten Schlittens in der zweiten Achsrichtung angeordnet. Hierfür ist der Sensor insbesondere derart angeordnet, dass eine Sensorfläche im Wesentlichen senkrecht zur zweiten Achsrichtung steht und von dem zu dieser parallelen Lichtstrahl zumindest in einem wesentlichen Teilbereich des Verschiebewegs des zweiten Schlittens getroffen wird. Vorzugsweise ist der Sensor zur Erfassung der Position des Auftreffbereichs bzw. des Auftreffpunkts in zwei Richtungen auf der Sensorfläche ausgebildet. Um einen Teil des Lichtstrahls zu dem der ersten Achse zugeordneten positionsempfindlichen Sensor und einen weiteren Teil des Lichtstrahls zu dem der zweiten Achse zugeordneten positionsempfindlichen Sensor zu lenken, kann ein Strahlteiler vorgesehen sein, der insbesondere dem ersten Schlitten zugeordnet ist. Aus einer Veränderung der Position des Auftreffbereichs bei einer Verschiebung des zweiten Schlittens in Richtung der zweiten Achse, d. h. aus einer dabei eintretenden Querverlagerung des Auftreffpunkts bzw. Flächenschwerpunkts des Auftreffbereichs des Lichtstrahls, kann auf geometrische Abweichungen der zweiten Achse bzw. Abweichungen der Bewegung des zweiten Schlittens von einer geradlinigen translatorischen Bewegung geschlossen werden. Hierdurch können beispielsweise Geradheitsabweichungen in den beiden zur Achsrichtung senkrecht stehenden Richtungen bestimmt werden.
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Dadurch, dass am ersten Schlitten mindestens ein Umlenkelement zur Umlenkung mindestens eines Teils des zur Richtung der ersten Achse parallelen Lichtstrahls zur Erzeugung mindestens eines zur Richtung der zweiten Achse parallelen Lichtstrahls angeordnet ist und dass am zweiten Schlitten mindestens ein positionsempfindlicher Sensor zur Erfassung einer Position eines Auftreffbereichs des mindestens einen zur zweiten Achsrichtung parallelen Lichtstrahls angeordnet ist, ist keine der zweiten Achse zugeordnete Lichtquelle zur Erzeugung eines zur zweiten Achsrichtung parallelen Lichtstrahls notwendig. Hierdurch wird ein vereinfachter Aufbau geschaffen, der die Erfassung geometrischer Abweichungen der ersten und der zweiten Achse auf besonders einfache Weise gestattet. Insbesondere ist eine Erfassung der jeweils aktuellen Abweichungen während des Messbetriebs des Koordinatenmessgeräts und damit auch eine Erfassung etwaiger Veränderungen der Abweichungen möglich, die beispielsweise durch Temperatureinflüsse, Verschleiß oder andere Einflüsse verursacht werden können und die durch eine einmalige Fehleraufnahme bei der Inbetriebnahme des Koordinatenmessgeräts in der Regel nicht erfasst werden können. Ferner wird durch die Umlenkung mindestens eines Teils eines Lichtstrahls aus einer zur ersten in eine zur zweiten Achse parallele Richtung die Möglichkeit geschaffen, eine Abweichung des Winkels, den die erste und die zweite Achsrichtung miteinander bilden, von einem rechten Winkel zu erfassen.
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Vorzugsweise ist das mindestens eine Umlenkelement ein Pentaprisma. Ein Pentaprisma ist ein fünfseitiges Prisma, wobei ein einfallender Lichtstrahl durch eine Seite senkrecht in das Prisma einfällt, an einer zweiten und einer dritten Seite reflektiert wird und das Prisma senkrecht durch eine vierte Seite verlässt. Die zweite und die dritte Seite sind im Allgemeinen verspiegelt. Insbesondere sind die Seiten derart angeordnet, dass der einfallende und der ausfallende Strahl zueinander in einem Winkel von 90° stehen. Dieser Winkel bleibt praktisch unverändert, wenn das Pentaprisma geringfügig gekippt wird. Die Verwendung eines Pentaprismas zur Umlenkung eines Lichtstrahls aus einer zur ersten Achse parallelen in eine zur zweiten Achse parallele Richtung erlaubt daher auf besonders einfache und genaue Weise die Feststellung einer Abweichung des von beiden Achsrichtungen eingeschlossenen Winkels von einem rechten Winkel.
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In besonders bevorzugter Weise ist das mindestens eine Umlenkelement als strahlteilendes Pentaprisma ausgebildet. Das strahlteilende Pentaprisma ist insbesondere zur Umlenkung eines Teils des zur ersten Achse parallelen Lichtstrahls in die zur zweiten Achse parallele Richtung und zum Durchlassen eines weiteren Teils des Lichtstrahls zu dem der ersten Achse zugeordneten positionsempfindlichen Sensor angeordnet. Hierdurch wird eine besonders einfache, stabile und leicht justierbare Anordnung geschaffen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die mindestens eine Lichtquelle an einer bezüglich der ersten Achse feststehenden Tragstruktur der ersten Achse angeordnet, und der mindestens eine der ersten Achse zugeordnete positionsempfindliche Sensor ist an dem verschiebbaren Schlitten der ersten Achse angeordnet. Vorzugsweise sind die Lichtquelle und der Sensor an der Tragstruktur bzw. dem Schlitten der ersten Achse fest angeordnet. Die Tragstruktur kann beispielsweise mit einer Grundstruktur des Koordinatenmessgeräts verbunden sein bzw. einen Teil der Grundstruktur bilden; in diesem Fall kann die Lichtquelle der Grundstruktur oder einem mit dieser fest verbundenen Bauteil zugeordnet sein. Wenn die erste Achse auf einer weiteren Achse kinematisch aufbaut, so kann die Lichtquelle an einem bezüglich der weiteren Achse beweglichen, jedoch bezüglich der ersten Achse feststehenden Bauteil befestigt sein. Dadurch, dass die Lichtquelle der Tragstruktur und der positionsempfindliche Sensor dem Schlitten der ersten Achse zugeordnet sind, wird ein besonders einfacher und robuster Aufbau des Koordinatenmessgeräts ermöglicht; ferner kann die durch die Lichtquelle erzeugte Wärme bei einem solchen Aufbau einfacher abgeführt werden. Schließlich können diejenigen elektrischen Leitungen, die die von der Lichtquelle aufgenommene Leistung übertragen bzw. Lichtleitkabel, die einen gegenüber den elektrischen Signalleitungen größeren Querschnitt aufweisen, relativ kurz ausgeführt werden.
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Erfindungsgemäß umfasst das Koordinatenmessgerät eine erste und eine zweite Lichtquelle zur Erzeugung eines ersten und eines zweiten Lichtstrahls. Erfindungsgemäß kann alternativ auch eine einzige Lichtquelle mit einer Strahlteileranordnung zur Erzeugung des ersten und zweiten Lichtstrahls vorgesehen sein. Der erste und der zweite Lichtstrahl sind jeweils zur Richtung der ersten Achse parallel gerichtet und quer zur ersten Achsrichtung voneinander beabstandet. Weiterhin können optische Elemente zur Kollimierung des ersten und des zweiten Lichtstrahls vorgesehen sein. Es können auch mehr als zwei zur ersten Achsrichtung parallele Lichtstrahlen erzeugt werden, in besonders vorteilhafter Weise werden jedoch nur zwei zur ersten Achsrichtung parallele Lichtstrahlen erzeugt. Vorzugsweise sind die erste und die zweite Lichtquelle bzw. die erste Lichtquelle und die Strahlteileranordnung einer Grundstruktur des Koordinatenmessgeräts zugeordnet. Weiterhin umfasst das Koordinatenmessgerät einen ersten der ersten Achse zugeordneten positionsempfindlichen Sensor zur Erfassung einer Position eines Auftreffbereichs bzw. Auftreffpunkts des ersten Lichtstrahls auf dem ersten Sensor und einen zweiten der ersten Achse zugeordneten positionsempfindlichen Sensor zur Erfassung einer Position eines Auftreffbereichs bzw. Auftreffpunkts des zweiten Lichtstrahls auf dem zweiten Sensor. Hierdurch ist bei einer Verschiebung des ersten Schlittens in der ersten Achsrichtung eine Querverlagerung der Auftreffbereiche sowohl des ersten Lichtstrahls auf dem ersten Sensor als auch des zweiten Lichtstrahls auf dem zweiten Sensor erfassbar. Es können auch mehr als zwei positionsempfindliche Sensoren vorgesehen sein.
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Der erste und der zweite Lichtstrahl können dabei direkt oder über weitere Umlenkelemente auf den ersten bzw. den zweiten Sensor gelangen. Der erste und der zweite Sensor weisen insbesondere jeweils eine Sensorfläche auf, die senkrecht zum ersten bzw. zweiten Lichtstrahl, ggf. nach einer Umlenkung des Lichtstrahls, steht und die derart angeordnet ist, dass sie zumindest auf einem wesentlichen Teil des Verschiebewegs des ersten Schlittens zumindest von einem Teil des jeweiligen Lichtstrahls getroffen wird. Der erste und der zweite Sensor können in Richtung der ersten Achse und/oder quer hierzu voneinander beabstandet sein. Dadurch sind nicht nur translatorische Abweichungen der ersten Achse, sondern auch rotatorische Abweichungen, insbesondere eine Rotation des ersten Schlittens um die erste Achsrichtung bei einer Verschiebung des ersten Schlittens in der ersten Achsrichtung, mit einer besonders einfachen Anordnung erfassbar.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind am ersten Schlitten ein erstes Umlenkelement zur Umlenkung mindestens eines Teils des ersten parallel zur ersten Achse gerichteten Lichtstrahls zur Erzeugung eines ersten parallel zur zweiten Achse gerichteten Lichtstrahls und ein zweites Umlenkelement zur Umlenkung mindestens eines Teils des zweiten parallel zur ersten Achse gerichteten Lichtstrahls zur Erzeugung eines zweiten zur zweiten Achsrichtung parallelen Lichtstrahls angeordnet; die Umlenkelemente können insbesondere als strahlteilende Pentaprismen ausgebildet sein. Dabei sind am zweiten Schlitten ein erster der zweiten Achse zugeordneter positionsempfindlicher Sensor zur Erfassung einer Position eines Auftreffbereichs des ersten zur zweiten Achsrichtung parallelen Lichtstrahls und ein zweiter der zweiten Achse zugeordneter positionsempfindlicher Sensor zur Erfassung einer Position eines Auftreffbereichs des zweiten zur zweiten Achsrichtung parallelen Lichtstrahls angeordnet. Der erste und der zweite der zweiten Achse zugeordnete positionsempfindliche Sensor sind an dem in der Richtung der zweiten Achse verschiebbaren zweiten Schlitten angeordnet. Hierdurch wird eine Erfassung nicht nur translatorischer Abweichungen der zweiten Achse, sondern auch rotatorischer Abweichungen, insbesondere einer Rotation des zweiten Schlittens um die zweite Achsrichtung bei einer Verschiebung des zweiten Schlittens in der zweiten Achsrichtung, ermöglicht. Insbesondere sind diese Abweichungen bei einer Ausbildung mit nur zwei parallel zur zweiten Achse gerichteten Lichtstrahlen mit einer besonders einfachen Anordnung erfassbar.
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Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass in der ersten und/oder der zweiten Achse mindestens ein dritter positionsempfindlicher Sensor und mindestens ein im ersten oder im zweiten Lichtstrahl angeordneter Strahlteiler zur Erzeugung eines auf den mindestens einen dritten positionsempfindlichen Sensors gerichteten Teilstrahls angeordnet sind. Insbesondere sind sowohl der dritte positionsempfindliche Sensor als auch der Strahlteiler auf dem verschiebbaren Schlitten der ersten bzw. zweiten Achse angeordnet. Vorzugsweise steht der dritte positionsempfindliche Sensor mit seiner Sensorfläche senkrecht zur Sensorfläche des ersten und/oder zweiten positionsempfindlichen Sensors der jeweiligen Achse. Bei Verschiebung des ersten Schlittens in der ersten Achsrichtung bzw. des zweiten Schlittens in der zweiten Achsrichtung kann hierdurch eine Querverlagerung des Auftreffbereichs des Teilstrahls auf dem dritten Sensor erfasst werden. Auf diese Weise wird eine vollständige Erfassung aller translatorischen und rotatorischen Abweichungen der ersten bzw. der zweiten Achse ermöglicht. Es können auch mehr als drei Sensoren und ggf. zusätzliche Strahlteiler in der ersten und/oder zweiten Achse vorgesehen sein. Vorzugsweise sind jedoch der ersten bzw. der zweiten Achse jeweils nur drei positionsempfindliche Sensoren zugeordnet. Hierdurch ist eine vollständige Erfassung der genannten Abweichungen mit einem besonders einfachen Aufbau möglich.
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Erfindungsgemäß trägt der zweite Schlitten eine dritte lineare Achse. Die dritte lineare Achse des Koordinatenmessgeräts umfasst einen in einer dritten, zur ersten und zur zweiten Achsrichtung im Wesentlichen senkrechten Achsrichtung verschiebbaren, insbesondere motorisch bewegbaren dritten Schlitten. Am zweiten Schlitten ist mindestens ein weiteres Umlenkelement angeordnet, insbesondere ein Pentaprisma, zur Umlenkung mindestens eines Teils eines zur zweiten Achsrichtung parallelen Lichtstrahls, insbesondere des ersten oder zweiten Lichtstrahls zur Erzeugung mindestens eines zur dritten Achsrichtung parallelen Lichtstrahls. Das weitere Umlenkelement kann insbesondere als strahlteilendes Pentaprisma ausgebildet sein und einen Teil eines zur zweiten Achsrichtung parallelen Lichtstrahls in eine zur zweiten Achse senkrechte Richtung umlenken; die zur zweiten Achse senkrechte Richtung kann parallel zur dritten Achse gerichtet sein, der betreffende Lichtstrahl kann aber auch durch ein weiteres Umlenkelement in eine zur dritten Achse parallele Richtung umgelenkt werden. Am dritten Schlitten ist mindestens ein weiterer positionsempfindlicher Sensor zur Erfassung einer Position eines Auftreffbereichs des mindestens einen zur dritten Achsrichtung parallelen Lichtstrahls angeordnet. Hierdurch wird auf einfache Weise auch die Erfassung von geometrischen Abweichungen der dritten Achse ermöglicht.
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Vorzugsweise weist der dritte Schlitten mindestens ein Umlenkelement auf, das insbesondere ein Pentaprisma sein kann, und einen ersten und einen zweiten der dritten Achse zugeordneten positionsempfindlichen Sensor, die jeweils zur Erfassung einer Position eines Auftreffbereichs zumindest eines Teilstrahls des in die dritte Achse umgelenkten Lichtstrahls angeordnet sind. Dabei ist der zweite Sensor in einer Längsrichtung des dritten Schlittens von dem ersten Sensor beabstandet. Hierdurch ist die Erfassung zweier translatorischer und zweier rotatorischer Abweichungen der dritten Achse möglich. Da bei einer dritten Achse, die auf der ersten und der zweiten Achse kinematisch aufbaut und die häufig als verschiebbarer Arm (Pinole) ausgebildet ist, die Rotation um ihre Langsachse nur in Sonderfällen eine Rolle spielt, ist hierdurch mit einer einfachen Anordnung eine Erfassung der wesentlichen geometrischen Abweichungen der dritten Achse möglich.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst das Koordinatenmessgerät drei kinematisch aufeinander aufbauende lineare Achsen, wobei an den beweglichen Schlitten aller drei Achsen jeweils eine Mehrzahl positionsempfindlicher Sensoren zur Erfassung jeweils mindestens zweier translatorischer und zweier rotatorischer Abweichungen angeordnet sind. Insbesondere können an zwei Achsen jeweils drei rotatorische Abweichungen erfassbar sein, während an einer dritten Achse, die einen verschiebbaren Arm umfasst, an dem der Tastkopf angeordnet ist, nur zwei rotatorische Abweichungen erfassbar sind. Hierfür sind jeweils zwei zur ersten und zweiten Achse parallele Lichtstrahlen und jeweils drei der ersten und der zweiten Achse zugeordnete positionsempfindliche Sensoren sowie ein zur dritten Achse paralleler Lichtstrahl und zwei der dritten Achse zugeordnete positionsempfindliche Sensoren ausreichend, um alle für die Position des Tastkopfs wesentlichen Abweichungen zu erfassen. Zur Erzielung einer besonders hohen Genauigkeit auch bei seitlich weit ausladenden Tastern können ein zweiter zur dritten Achse paralleler Lichtstrahl und ein dritter der dritten Achse zugeordneter positionsempfindlichen Sensor zur Erfassung auch einer Rotation des dritten Schlittens um die dritte Achse vorgesehen sein.
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In bevorzugter Weise wird als positionsempfindlicher Sensor mindestens eine positionsempfindliche Diode (Position-Sensitive Diode, PSD) verwendet. Alternative kann mindestens eine Vier-Quadranten-Diode als positionsempfindlicher Sensor verwendet werden. Insbesondere können alle positionsempfindlichen Sensoren als PSDs oder alle positionsempfindlichen Sensoren als Vier-Quadranten-Dioden ausgebildet sein. Die Verwendung von Vier-Quadranten-Dioden ermöglicht auf besonders einfache Weise die Erfassung der Position eines Auftreffbereichs bzw. Auftreffpunkts eines Lichtstrahls auf dem positionsempfindlichen Sensor. Durch die Verwendung von PSDs ist auf einfache Weise eine besonders hohe Genauigkeit bei der Erfassung der Position des Auftreffbereichs insbesondere auch in dem Fall möglich, dass der Lichtstrahl keinen idealen und über die gesamte Länge der Achse gleichförmigen Strahlquerschnitt aufweist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Koordinatenmessgerät mindestens einen Strahlteiler zur Erzeugung eines Referenzlichtstrahls und mindestens einen positionsempfindlicher Sensor als Referenzsensor zur Erfassung einer Fehlausrichtung der mindestens einen Lichtquelle. Der mindestens eine Strahlteiler und der mindestens eine Sensor sind vorzugsweise wie die mindestens eine Lichtquelle an einer Grundstruktur des Koordinatenmessgeräts angeordnet. In vorteilhafter Weise können mechanisch oder elektrisch betätigbare Stellelemente zur Justierung der Lichtquelle oder entsprechender optischer Umlenkelemente zur Einstellung der Richtung des von der mindestens einen Lichtquelle erzeugten Lichtstrahls vorgesehen sein. Insbesondere sind ein erster Referenzstrahlteiler und ein erster Referenzsensor zur Erfassung einer Abweichung der Richtung des ersten Lichtstrahls von der ersten Achsrichtung und ein zweiter Referenzstrahlteiler und ein zweiter Referenzsensor zur Erfassung einer Abweichung der Richtung des zweiten Lichtstrahls von der ersten Achsrichtung vorhanden, wobei der erste Referenzstrahlteiler einen Teil des ersten Lichtstrahls und der zweite Referenzstrahlteiler einen Teil des zweiten Lichtstrahls auf den ersten bzw. den zweiten Referenzsensor lenken. Hierdurch ist auf einfache Weise ein Ausgleich von Veränderungen der Richtung des von der mindestens einen Lichtquelle erzeugten mindestens einen Lichtstrahls möglich.
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Vorzugsweise umfasst ein erfindungsgemäßes Koordinatenmessgeräte eine Steuerungseinrichtung, die zur Ermittlung von geometrischen Abweichungen der Achsen aufgrund der erfassten Positionen der Auftreffbereiche der Lichtstrahlen ausgebildet ist. Weiterhin ist die Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Antriebe der Achsen des Koordinatenmessgeräts und zur Erfassung von Messpunkten auf einer Oberfläche eines Messobjekts ausgebildet, wobei die Steuerungseinrichtung derart eingerichtet ist, dass die von einem Tastkopf des Koordinatenmessgeräts erfassten Messpunkte entsprechend den ermittelten geometrischen Abweichungen der Achsen korrigiert werden und/oder die Antriebe der Achsen des Koordinatenmessgerät zur Kompensation der Abweichungen angesteuert werden. Durch eine an sich bekannte rechnerische Geometriekorrektur aufgrund der ermittelten geometrischen Abweichungen der Achsen kann eine Erhöhung der Genauigkeit der Koordinatenmessungen erzielt werden, die in vielen Fällen ausreichend ist. Durch eine Ansteuerung der Antriebe der Achsen zur Kompensation der ermittelten geometrischen Abweichungen der Achsen kann eine Erhöhung der Genauigkeit beispielsweise auch in solchen Fällen erzielt werden, in denen die Abweichungen zu einer Fehlpositionierung des Tastkopfs führt, die einen Messbereich des Tastkopfs überschreitet; ein entsprechendes Koordinatenmessgerät ist in der nicht vorveröffentlichten internationalen Patentanmeldung
PCT/EP2011/005882 beschrieben, die durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines oben beschriebenen Koordinatenmessgeräts werden die Signale der positionsempfindlichen Sensoren erfasst, jeweils eine Position eines Auftreffbereichs bzw. Auftreffpunkts des mindestens einen zur ersten Achse bzw. zur zweiten Achse parallelen Lichtstrahls ermittelt, und aus einer Veränderung der Position des Auftreffbereichs bzw. Auftreffpunkts bei Bewegung des ersten bzw. zweiten Schlittens wird mindestens eine Abweichung der ersten und der zweiten Achse ermittelt. Aus einer Veränderung der Position des Auftreffbereichs bzw. Auftreffpunkts eines zur dritten Achse parallelen Lichtstrahls auf einen der dritten Achse zugeordneten positionsempfindlichen Sensor kann mindestens eine Abweichung der dritten Achse ermittelt werden. Die auf diese Weise ermittelten Abweichungen stellen insbesondere geometrische Abweichungen der den Tastkopf tragenden Achsen von einem idealen geradlinig rechtwinkligen Aufbau dar, insbesondere Verformungen der tragenden Strukturen des Koordinatenmessgeräts. Die Abweichungen können sowohl statischer als auch dynamischer Natur sein und können unterschiedliche Ursachen haben. Hierdurch ist eine erhebliche Steigerung der Genauigkeit des Koordinatenmessgeräts möglich.
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In bevorzugter Weise werden zwei translatorische und drei rotatorische Abweichungen mindestens einer Achse ermittelt. Insbesondere werden die Positionen des ersten und des zweiten zur ersten Achse parallelen Lichtstrahls in zwei zur ersten Achsrichtung senkrechten Richtungen sowie die Position eines aus dem ersten oder zweiten zur ersten Achse parallelen Lichtstrahl erzeugten, senkrecht zur ersten Achse gerichteten Teilstrahls in Richtung der ersten Achse erfasst. Hieraus werden die beiden Geradheitsabweichungen sowie die drei rotatorischen Abweichungen der ersten Achse berechnet. Ebenso werden insbesondere die Positionen des ersten und des zweiten zur zweiten Achse parallelen Lichtstrahls in zwei zur zweiten Achsrichtung senkrechten Richtungen sowie die Position eines aus dem ersten oder zweiten zur zweiten Achse parallelen Lichtstrahl erzeugten, senkrecht zur zweiten Achse gerichteten Teilstrahls in Richtung der zweiten Achse erfasst. Hieraus werden die beiden Geradheitsabweichungen sowie die drei rotatorischen Abweichungen der zweiten Achse berechnet. Schließlich kann die Position des zur dritten Achse parallelen Lichtstrahls in zwei zur dritten Achse senkrechten Richtungen an zwei voneinander in der dritten Achsrichtung beabstandeten Orten erfasst und hieraus die beiden Geradheitsabweichungen sowie zwei rotatorische Abweichungen der dritten Achse ermittelt werden. Hierdurch ist, abgesehen von Maßstabsfehlern, eine praktisch vollständige Erfassung der Geometrie der betreffenden Achse bzw. aller translatorischer Achsen des Koordinatenmessgeräts möglich.
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Die auf diese Weise erfassbaren Abweichungen können bei einer Kalibrierung, die beispielsweise bei der Herstellung oder einer Inbetriebnahme des Koordinatenmessgeräts erfolgen kann, ermittelt und in einem Speicher einer Steuerungseinrichtung gespeichert werden. Hierdurch kann auf besonders einfache und genaue Weise, insbesondere ohne Verwendung eines Werkstücks vorgegebener Geometrie, wie etwa einer Kugelplatte, die Geometrie des Koordinatenmessgeräts erfasst werden und entsprechende Geometriedaten für eine Korrektur bzw. Kompensation bei der Messung von Werkstücken im späteren Messbetrieb zur Verfügung gestellt werden.
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In besonders bevorzugter Weise werden die Abweichungen beim Messbetrieb des Koordinatenmessgeräts ermittelt und eine auf den ermittelten Abweichungen beruhende, jeweils aktuelle Geometriekorrektur errechnet. Hierdurch werden bei der Messung eines Werkstücks die jeweils aktuell geltenden Abweichungen erfasst, beispielsweise die durch die jeweils herrschenden Temperaturverhältnisse verursachten. Hierdurch kann eine erhebliche Steigerung der Genauigkeit erreicht werden; ferner kann der konstruktive und messtechnische Aufwand, der zur Einhaltung einer idealen oder zumindest konstanten Geometrie des Koordinatenmessgeräts erforderlich ist, reduziert werden.
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Zumindest ein Teil der aktuellen Geometriekorrektur kann zur rechnerischen Korrektur gemessener Koordinatenwerte verwendet werden. Bei dieser bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Tastkopf an die Position gefahren, die den unkorrigierten Koordinatenwerten entspricht, und die ermittelten Koordinaten eines Messpunkts werden mit Hilfe der Geometriekorrektur bzw. der ermittelten Abweichungen korrigiert. Derartige Verfahren sind beispielsweise unter der Bezeichnung „Computer-Aided Accuracy” (CAA) bekannt. Hierdurch kann auf einfache Weise eine Steigerung der Genauigkeit der ermittelten Koordinatenwerte erzielt werden, die die jeweils aktuellen Verformungen, einschließlich dynamischer Verformungen, berücksichtigt.
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Alternativ hierzu oder zusätzlich kann zumindest ein Teil der aktuellen Geometriekorrektur zur Ansteuerung der Antriebe der Achsen zur Erreichung einer korrigierten Soll-Position des Tastkopfs bzw. der Tastkugel verwendet werden. Gemäß dieser besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die ermittelten Abweichungen derart in die Antriebe der Achsen eingekoppelt, dass eine Soll-Position des Tastkopfs tatsächlich erreicht wird. Eine derartige Kompensation der Abweichungen ist insbesondere beim Scannen vorteilhaft sowie dann, wenn die Abweichungen zu einer Überschreitung des Messbereichs des Tastkopfs führen können. Ein entsprechendes Verfahren ist in der oben erwähnten internationalen Patentanmeldung
PCT/EP2011/005882 beschrieben, die durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Weitere Aspekte der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und der beigefügten Zeichnung. Es zeigen:
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1 ein Koordinatenmessgerät in schematischer Darstellung;
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2 eine schematische perspektivische Ansicht der Anordnung optischer Elemente gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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In 1 ist beispielhaft ein Koordinatenmessgerät als Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das Koordinatenmessgerät 1 umfasst eine Grundstruktur mit einem Tisch 2 zur Aufnahme eines Werkstücks 3 und mit einer feststehenden Säule 10. Der Tisch 2 kann einen Drehtisch 4 umfassen, auf dem das Werkstück 3 um eine senkrechte Achse drehbar gelagert ist. Das Werkstück 3 kann mit Hilfe von Spannmitteln auf dem Tisch 2 bzw. dem Drehtisch 4 festgespannt werden (nicht dargestellt).
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Die Säule 10 trägt geradlinige Führungen 11, 11', an denen der Z-Schlitten 20 in vertikaler Richtung (Z) verschiebbar gelagert ist, wie in 1 durch den Pfeil 12 angedeutet ist. Die Führungen der Z-Achse, wie auch der anderen Achsen, können beispielsweise als Wälz- oder Gleitführung, mit Luftlagern oder mit einer hydrostatischen Lagerung ausgebildet sein. Der Z-Schlitten 20 wird durch einen Antrieb, beispielsweise durch eine Spindel 13, die eine am Z-Schlitten 20 angeordnete, nicht dargestellte Spindelmutter bewegt, angetrieben. Die Spindel 13 ist mit einem nicht dargestellten Motor verbunden. Anstelle des Spindelantriebs kann beispielsweise ein Linearantrieb vorgesehen sein, wobei etwa anstelle der Spindel 13 der Stator und am Z-Schlitten 20 der Forcer des Linearantriebs angeordnet sein kann (nicht dargestellt); dies gilt in entsprechender Weise für die übrigen Achsen. Ferner trägt die Säule 10 einen Maßstab 14, beispielsweise ein Metallband oder einen Glasmaßstab, auf den ein mit dem Z-Schlitten 20 verbundener Geber, beispielsweise ein optischer oder magnetischer Inkrementalgeber, zugreift (nicht dargestellt).
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Am Z-Schlitten 20 sind geradlinige Führungen 21, 21' angeordnet, an denen der Y-Schlitten 30 in horizontaler Richtung (Y) verschiebbar gelagert ist, wie in 1 durch den Pfeil 22 angedeutet. Der Y-Schlitten 30 ist durch einen Antrieb motorisch in Y-Richtung verfahrbar, beispielsweise durch eine Spindel 23, die eine am Y-Schlitten 30 angeordnete, nicht dargestellte Spindelmutter bewegt. Die Spindel 23 wird durch einen nicht dargestellten Motor angetrieben. Weiterhin trägt der Z-Schlitten 20 einen Maßstab 24, der mit einem am Y-Schlitten 30 angeordneten Geber zusammenwirkt (nicht dargestellt).
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Innerhalb des Y-Schlittens 30 ist ein horizontaler Arm 40 in einer horizontalen, zur Y-Richtung einen rechten Winkel bildenden Richtung (X) verschiebbar gelagert, wie in 1 durch den Pfeil 31 angedeutet. Führungen, Antrieb und Maßstab zur messbaren Verschiebung des Arms 40 sind in 1 nicht gezeigt. Der horizontale Arm 40 trägt an seinem vorderen Ende 41 den Tastkopf 50, der eine Aufnahme für einen Taster aufweist. In 1 ist als Taster symbolisch ein Taststift 51 mit einer Tastkugel 52 dargestellt; der Taster kann aber auch beispielsweise als optischer Sensor ausgebildet sein. Der Übersichtlichkeit halber sind in 1 Kabel und andere Versorgungsleitungen, weitere Gehäuse und Abdeckungen sowie die Steuerungseinrichtung des Koordinatenmessgeräts nicht dargestellt.
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In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Z-Achse durch die Bauelemente zur Führung und Verschiebung des Z-Schlittens 20 realisiert, insbesondere durch die Führungen 11, 11', die Antriebsspindel 13 und den Maßstab 14 sowie durch die diese Elemente tragende Struktur der Säule 10. Die Y-Achse wird durch die Führungen 21, 21', die Antriebsspindel 23 und den Maßstab 24 sowie durch die diese Elemente tragende Struktur des Z-Schlittens 20 gebildet. Die X-Achse besteht aus dem Horizontalarm 40, den der Bewegung in X-Richtung zugeordneten weiteren Bauelementen, wie Führungen, Antrieb und Maßstab, und der entsprechenden Tragstruktur des Y-Schlittens 30. Bei dem in 1 beispielhaft gezeigten Koordinatenmessgerät baut die Y-Achse kinematisch auf der Z-Achse auf, und die X-Achse baut auf der Y-Achse auf. Die Erfindung ist nicht auf eine derartige Bauform eines Koordinatenmessgeräts beschränkt.
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Um den Tastkopf 50 und damit den Taster, beispielsweise den Taststift 51 mit der Tastkugel 52, relativ zum Werkstück 3 innerhalb eines Messvolumens zu positionieren, können die drei aufeinander aufbauenden Achsen des Koordinatenmessgeräts in X-, Y- bzw. Z-Richtung jeweils innerhalb eines gegebenen Bereichs verfahren werden. Dabei wird die Position des Tastkopfs aus den Signalen der Positionsgeber in den drei Achsen ermittelt. Die Position der Tastkugel 52 ergibt sich aus der Position des Tastkopfs 50 zusammen mit der bekannten Länge und Orientierung des Taststifts 51; Entsprechendes gilt für den Antastpunkt eines optischen Tasters. Mit Hilfe des Drehtischs 4 kann das Werkstück 3 derart ausgerichtet werden, dass Messpunkte an allen Seiten des Werkstücks 3 sowie beispielsweise innerhalb unterschiedlich gerichteter Bohrungen aufgenommen werden können; zu diesem Zweck kann auch der Tastkopf 50 mit einem oder mehreren Drehgelenken ausgerüstet sein.
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Die aufgrund der Signale der Positionsgeber der Achsen ermittelte Position entspricht jedoch im Allgemeinen nicht genau der tatsächlichen Position zum selben Zeitpunkt. So führen etwa Verformungen der Achsen bzw. der Führungen, die fertigungsbedingt vorhanden sein können, aber auch temperaturbedingt oder durch statische oder dynamische Belastungen der Achsen entstehen können, zu Abweichungen von der idealen Geometrie. Hierdurch entsteht eine Abweichung der tatsächlichen Position des Tastkopfs 50 bzw. der Tastkugel 52 von derjenigen, die aus den Positionsdaten der Geber unter der Annahme geradliniger, senkrecht zueinander stehender Führungen berechnet wird. Wenn die Achsen in eine Position verfahren werden, die einer vorgegebenen Sollposition entspricht, ist der Tastkopf deshalb in diesem Fall nicht in der Sollposition. Ferner sind die bei einer Antastung der Oberfläche des Werkstücks 3 durch den Tastkopf aufgenommenen Koordinatenwerte aufgrund der geometrischen Abweichungen mit Fehlern behaftet. Um den Tastkopf in die Sollposition verfahren zu können bzw. die ermittelten Koordinatenwerte entsprechend korrigieren zu können, ist eine Ermittlung der geometrischen Abweichungen notwendig. Hierfür ist eine in 1 nicht gezeigte optische Anordnung vorgesehen, die im Folgenden mit Bezug auf 2 erläutert wird.
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Wie in 2 in einer schematischen Ansicht dargestellt ist, sind an einer Grundstruktur des Koordinatenmessgeräts 1, insbesondere am Tisch 2 oder in einem unteren Bereich der Säule 10 (s. 1), zwei Laserlichtquellen, beispielsweise zwei Diodenlaser 5.1, 5.2, angeordnet. Die Diodenlaser 5.1, 5.2 weisen nicht dargestellte Justierungen zur möglichst genauen Ausrichtung der von diesen erzeugten Lichtstrahlen 6.1, 6.2 parallel zur Richtung der Z-Achse auf. Ferner können nicht dargestellte optische Elemente zur Strahlformung bzw. zur Kollimation vorgesehen sein. An jeweils einem ebenfalls mit der Grundstruktur des Koordinatenmessgeräts verbundenen Rahmen 7.1, 7.2 sind jeweils ein Strahlteiler S1.0, S2.0 und ein positionsempfindlicher Sensor P1.0, P2.0 angeordnet. Der Strahlteiler S1.0, S2.0 koppelt jeweils einen Teil des Lichtstrahls 6.1, 6.2 aus und lenkt diesen auf den Sensor P1.0, P2.0, der als Referenzsensor zur Erfassung von Veränderungen der Richtung der von den Diodenlasern 5.1, 5.2 erzeugten Lichtstrahlen 6.1, 6.2 dient. Derartige Veränderungen, die durch eine Veränderung der von den Sensoren P1.0, P2.0 erfassten Position eines Auftreffbereichs des betreffenden Lichtstrahls erfassbar sind, können beispielsweise rechnerisch oder durch Nachjustierung korrigiert bzw. kompensiert werden. Die Strahlteiler S1.0, S2.0 können beispielsweise als um 45° zur Richtung des Lichtstrahls 6.1 bzw. 6.2 schräggestellte Glasplatten ausgebildet sein, die einen Anteil von ca. 6% des von den Diodenlasern 5.1, 5.2 erzeugten Lichtstrahls 6.1, 6.2 zum Sensor P1.0 bzw. P2.0 auskoppeln. Dabei kann eine Strecke von beispielsweise 500 mm zwischen dem jeweiligen Strahlteiler S1.0, S2.0 und dem positionsempfindlichen Sensor P1.0, P2.0 ausreichen, um den Lichtstrahl 6.1, 6.2 bzw. 8.1, 8.2 genügend genau auszurichten, beispielsweise auf 0,2''.
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Die von den Strahlteilern S1.0, S2.0 durchgelassenen Lichtstrahlen 8.1, 8.2 gelangen zu strahlteilenden Pentaprismen U1.1, U2.1, die an einer Platte 25 des Z-Schlittens angebracht sind. Das strahlteilende Pentaprisma U1.1 lenkt einen Teil des zur Z-Richtung parallelen Lichtstrahls 8.1 in einen zur Y-Richtung parallelen Lichtstrahl 26.1 um und lässt einen anderen Teil auf einen auf einer Rückseite des strahlteilenden Pentaprismas angeordneten positionsempfindlichen Sensor P1.1 durch; hierfür kann etwa eine reflektierende Fläche des Pentaprismas halbdurchlässig ausgebildet sein. Das strahlteilende Pentaprisma U2.1 lenkt einen Teil des zur Z-Richtung parallelen Lichtstrahls 8.2 in einen zur Y-Richtung parallelen Lichtstrahl 26.2 um und lässt einen anderen Teil in Richtung auf einen Strahlteiler S2.1 durch, der einen Teil des Strahls zu einem positionsempfindlichen Sensor P2.1 durchlässt und einen anderen Teil in einen in X-Richtung entlang der Platte 25 verlaufenden Teilstrahl 27 umlenkt, der auf einen Strahlteiler P2.2 auftrifft. Die Sensorflächen der Sensoren P1.1 und P2.1 stehen senkrecht zur X-Richtung, während die Sensorfläche des Sensors P2.2 senkrecht zur Richtung der Z-Achse steht. Die Sensoren P1.1 und P2.2 einerseits und P2.1 andererseits sind sowohl in X- wie in Z-Richtung voneinander beabstandet, beispielsweise um ca. 500 mm, um eine möglichst große Basis für die Ermittlung der rotatorischen Abweichungen aus den Positionen bzw. Positionsveränderungen der Auftreffbereiche der jeweiligen Lichtstrahlen bzw. Teilstrahlen auf den Sensorflächen zu erreichen. In dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sind das Pentaprisma U1.1 mit dem Sensor P1.1, das Pentaprisma U2.1, der Strahlteiler S2.1 und die Sensoren P2.1 und P2.2 aus der dargestellten Blickrichtung hinter der Platte 25 angeordnet und an dieser befestigt; die in die Y-Richtung umgelenkten Lichtstrahlen 26.1, 26.2 treten durch Fenster der Platte 25 durch diese hindurch.
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Der zur Y-Richtung parallele Lichtstrahl 26.1 gelangt zu einem Strahlteiler S1.1, der einen Teil des Lichtstrahls 26.1 durchlässt, der auf einen positionsempfindlichen Sensor P1.2 auftrifft, und einen anderen Teil in einen parallel zu X-Achse gerichteten Teilstrahl 32 auskoppelt, der auf einen weiteren positionsempfindlichen Sensor P1.3 auftrifft. Der zweite zur Y-Achse parallele Lichtstrahl 26.2 gelangen zu einem strahlteilenden Pentaprisma U2.2, das einen Teil des Lichtstrahls 26.2 zu einem auf einer Rückseite des strahlteilenden Pentaprismas U2.2 angeordneten positionsempfindlichen Sensor P2.3 durchlässt und einen anderen Teil in Z-Richtung nach oben zu einem weiteren Pentaprisma U2.3 umlenkt. Der Strahlteiler S1.1, das Pentaprisma U2.2 mit dem Sensor P2.3 und die Sensoren P1.2 und P1.3 sind in dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel unter einer Platte 33 des Y-Schlittens angeordnet und fest an dieser befestigt; der zum weiteren Pentaprisma U2.3 gerichtete Lichtstrahl tritt durch ein Fenster durch die Platte 33 hindurch. Das Pentaprisma U2.3 ist ebenfalls am Y-Schlitten bzw. an einem feststehenden Teil der X-Achse angeordnet. Die Sensorflächen der Sensoren P1.2 und P2.3 stehen senkrecht zur Y-Achse, während die Sensorfläche des Sensors P1.3 senkrecht zur X-Achse gerichtet ist. Die Sensoren P1.2, P1.3 und P2.3 sind in X- bzw. in Y-Richtung voneinander beabstandet, um eine große Basis zur Berechnung der rotatorischen Abweichungen zur Verfügung zu stellen.
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Durch das Pentaprisma U2.3 wird ein entlang der X-Achse gerichteter Lichtstrahl 42 erzeugt, der auf ein im Bereich des vorderen Endes 41 des Arms 40 der X-Achse (s. 1) angeordnetes strahlteilendes Pentaprisma U2.4 trifft, das einen Teil des Lichtstrahls 42 zu einem auf einer Rückseite des Pentaprismas U2.4 angeordneten positionsempfindlichen Sensor P2.4 durchlässt und einen anderen Teil zu einem Umlenkprisma U2.5 umlenkt, das einen entgegen dem Lichtstrahl 42 gerichteten Lichtstrahl 43 erzeugt, der auf einen positionsempfindlichen Sensor P2.5 auftrifft. Das Pentaprisma U2.4 mit dem Sensor P2.4, das Umlenkprisma U2.5 und der Sensor P2.5 sind an einem beweglichen Teil der X-Achse, d. h. an dem in X-Richtung verschiebbaren Arm angeordnet (in 2 nicht dargestellt). Die Sensoren P2.4 und P2.5 sind in X-Richtung voneinander beabstandet, um eine große Basis für die Berechnung der rotatorischen Abweichungen zu bieten, und stehen mit ihren Sensorflächen jeweils senkrecht zur X-Richtung.
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Die Geradheitsabweichungen der Z-Achse in X- bzw. in Y-Richtung können aus einer Verschiebung des Auftreffbereichs des entsprechenden Lichtstrahls auf die positionsempfindlichen Sensoren P1.1 und/oder P1.2 in der betreffenden Richtung ermittelt werden; für die Bestimmung der Geradheitsabweichung in Y-Richtung steht ferner der Sensor P2.2 zur Verfügung. Die Rotation des Z-Schlittens um die X-Achse sowie um die Z-Achse kann aus der Differenz der Verschiebung des Auftreffbereichs auf die Sensoren P1.1 oder P2.2 und P2.1 ermittelt werden, und die Rotation um die Y-Achse aus der Differenz der Verschiebungen auf dem Sensor P2.2 in Z-Richtung und auf dem Sensor P2.1 in Y-Richtung. Entsprechend können die Geradheitsabweichungen der Y-Achse in X- bzw. Z-Richtung aus den Signalen der Sensoren P1.2 oder P2.3 in der betreffenden Richtung sowie in Z-Richtung zusätzlich P1.3 ermittelt werden, während die Rotation des Y-Schlittens sich aus den Signalen bzw. Differenzen der Verschiebungen der Auftreffbereiche auf die Sensoren P1.2, P1.3 und P2.3 ergibt. Die Geradheitsabweichungen der X-Achse in Y- bzw. Z-Richtung können aus den Verschiebungen der Auftreffbereiche in der betreffenden Richtung auf den Sensoren P2.4 und P2.5 ermittelt werden, während die Rotationen des X-Schlittens um die Y- und die Z-Achse sich aus den Differenzen der Verschiebungen auf den Sensoren P2.4 und P2.5 ergeben. Im Ausführungsbeispiel ist das Umlenkprisma U2.5 nicht als Pentaprisma ausgebildet. Eine Rotation des X-Schlittens um die Y- oder Z-Achse kann auf diese Weise mit einer besonders hohen Empfindlichkeit detektiert werden, da schon eine geringe Winkeländerung des X-Schlittens aufgrund des großen Abstands in X-Richtung zwischen dem Umlenkprisma U2.5 und dem Sensor P2.5, der nahezu der Länge des Arms der X-Achse entsprechen kann, zu einer relativ großen Verschiebung des Auftreffbereichs auf dem Sensor P2.5 führt.
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Durch die Verwendung der Pentaprismen U1.1, U2.1, U2.2, U2.3, U2.4 kann es erreicht werden, dass die Messung der jeweiligen translatorischen Abweichungen (Geradheitsabweichungen) direkt auf einen Winkel von 90° zwischen den betreffenden Achsen bezogen sind. Da sich die Abweichungen in einer Achse auf die Position der Auftreffbereiche der Lichtstrahlen auf den positionsempfindlichen Sensoren, die den im Lichtweg nachfolgenden Achsen zugeordnet sind, auswirken können, kann es vorgesehen sein, die durch die jeweils vorhergehenden Achsen verursachten Anteile der Verschiebung der Auftreffbereiche vor der Ermittlung der translatorischen und rotatorischen Abweichungen rechnerisch zu eliminieren.
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Durch die beschriebene Anordnung können somit alle wesentlichen geometrischen Abweichungen der drei linearen Achsen des Koordinatenmessgeräts jeweils aktuell erfasst werden. Hierdurch ist eine Korrektur bzw. Kompensation der beim Messbetrieb aktuell wirksamen geometrischen Abweichungen des Koordinatenmessgeräts und damit auf einfache Weise eine erhebliche Steigerung der Genauigkeit möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Koordinatenmessgerät
- 2
- Tisch
- 3
- Werkstück
- 4
- Drehtisch
- 5.1, 5.2
- Diodenlaser
- 6.1, 6.2
- Lichtstrahl
- 7.1, 7.2
- Rahmen
- 8.1, 8.2
- Lichtstrahl
- 10
- Säule
- 11, 11'
- Führung
- 12
- Pfeil
- 13
- Spindel
- 14
- Maßstab
- 20
- Z-Schlitten
- 21, 21'
- Führung
- 22
- Pfeil
- 23
- Spindel
- 24
- Maßstab
- 25
- Platte
- 26.1, 26.2
- Lichtstrahl
- 27
- Teilstrahl
- 30
- Y-Schlitten
- 31
- Pfeil
- 32
- Teilstrahl
- 33
- Platte
- 40
- Arm
- 41
- Ende
- 42
- Lichtstrahl
- 50
- Tastkopf
- 51
- Taststift
- 52
- Tastkugel
- P1.0
- Positionsempfindlicher Sensor
- P1.1
- Positionsempfindlicher Sensor
- P1.2
- Positionsempfindlicher Sensor
- P1.3
- Positionsempfindlicher Sensor
- P2.0
- Positionsempfindlicher Sensor
- P2.1
- Positionsempfindlicher Sensor
- P2.2
- Positionsempfindlicher Sensor
- P2.3
- Positionsempfindlicher Sensor
- P2.4
- Positionsempfindlicher Sensor
- P2.5
- Positionsempfindlicher Sensor
- S1.0
- Strahlteiler
- S1.1
- Strahlteiler
- S2.0
- Strahlteiler
- S2.1
- Strahlteiler
- U1.1
- Strahlteilendes Pentaprisma
- U2.1
- Strahlteilendes Pentaprisma
- U2.2
- Strahlteilendes Pentaprisma
- U2.3
- Pentaprisma
- U2.4
- Strahlteilendes Pentaprisma
- U2.5
- Umlenkprisma
