DE102012207388B4

DE102012207388B4 - Verfahren und Anordnung zur Ermittlung von geometrischen Fehlern eines Koordinatenmessgeräts

Info

Publication number: DE102012207388B4
Application number: DE102012207388.4A
Authority: DE
Inventors: Berthold Matzkovits; Roland Brenner
Original assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2012-05-03
Filing date: 2012-05-03
Publication date: 2019-11-14
Anticipated expiration: 2032-05-04
Also published as: DE102012207388A1

Abstract

Verfahren zum Ermitteln von geometrischen Fehlern eines Koordinatenmessgeräts (1), das einen Halter (18) zum Halten eines Tasters und einen Messtisch (14) zum Positionieren eines von dem Taster abzutastenden Messobjekts auf dem Messtisch (14) aufweist, wobei der Halter (18) und der Messtisch (14) relativ zueinander beweglich sind, um mit dem Taster die Oberfläche des Messobjekts abtasten zu können, und wobei:
a) eine von dem Halter (18) gehaltene Sensoranordnung (2), die zumindest zwei voneinander beabstandete Sensoren (5a, 5b, 5c) aufweist, in verschiedene Relativpositionen relativ zu einer an dem Messtisch (14) angeordneten ebenen Kalibrierfläche (4a) gebracht wird,
b) dabei die Relativpositionen der Sensoranordnung (2) relativ zu der Kalibrierfläche (4a) bezüglich zweier voneinander unabhängiger translatorischer Bewegungs-Freiheitsgrade (X, Y) variiert werden, die entlang der Oberfläche der Kalibrierfläche (4a) verlaufen, und zwar ohne die Position und Ausrichtung der Kalibrierfläche (4a) relativ zu dem Messtisch (14) zu verändern,
c) in den verschiedenen Relativpositionen der Sensoranordnung (2) relativ zu der Kalibrierfläche (4a) von den zumindest zwei Sensoren (5a, 5b, 5c) an unterschiedlichen Flächenpositionen der Kalibrierfläche (4a) jeweils Koordinaten der Kalibrierfläche (4a) gemessen werden, wobei die Koordinaten bezüglich einer Koordinatenachse definiert sind, die quer zur Oberfläche der Kalibrierfläche (4a) verläuft,
d) jeweils vor, während und/oder nach der Messung der Koordinaten der Kalibrierfläche (4a) mit einem Positionsbestimmungssystem des Koordinatenmessgeräts (1) Positionswerte bestimmt werden, die momentanen Relativpositionen des Halters (18) und des Messtischs (14) entsprechen,
e) die gemessenen Koordinaten der Kalibrierfläche (4a) den mit dem Positionsbestimmungssystem bestimmten Positionswerten zugeordnet werden und aus den Koordinaten die geometrischen Fehler des Koordinatenmessgeräts (1) in Abhängigkeit von der Relativposition des Halters (18) und des Messtischs (14) ermittelt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Ermitteln von geometrischen Fehlern eines Koordinatenmessgeräts. Das Koordinatenmessgerät weist einen Halter zum Halten eines Tasters und einen Messtisch zum Positionieren eines von dem Taster abzutastenden Messobjekts auf dem Messtisch auf. Der Halter und der Messtisch sind relativ zueinander beweglich, um mit dem Taster die Oberfläche des Messobjekts abtasten zu können.
Unter einem Taster wird insbesondere ein taktiler Taster (d.h. ein Taster zum Abtasten eines Werkstücks durch Berührung von dessen Oberfläche) verstanden. Die Erfindung ist aber nicht auf solche Taster beschränkt. Vielmehr kann es sich bei dem Taster auch um einen optischen Taster (z.B. mit einem Laser oder Lasersystem) oder um einen sonstigen Taster zum Abtasten eines Werkstücks handeln.
Auch der Typ des Koordinatenmessgeräts ist nicht beschränkt. Z.B. kann es sich bei dem Koordinatenmessgerät um ein Gerät in Portalbauweise, ein Horizontalarmgerät, ein Gerät in Gantry-Bauweise oder um ein Gerät mit einem beweglichen Arm zum Halten des Tasters handeln, wobei die Ausrichtung des Arms veränderbar ist. Ferner gehören zum Umfang der Erfindung auch Koordinatenmessgeräte, die einen beweglichen Messtisch aufweisen, auf dem ein Messobjekt angeordnet werden kann, um von einem von dem Halter gehaltenen Taster abgetastet zu werden. Besonders vorteilhaft wird die Erfindung bei Koordinatenmessgeräten mit einem so genannten Kreuztisch angewendet, der bezüglich einer Basis des Koordinatenmessgeräts in den Richtungen zweier linear unabhängiger Koordinatenachsen, die entlang der Oberfläche des Kreuztischs verlaufen, beweglich ist. Das Messobjekt kann daher entlang dieser üblicherweise als X-Achse und Y-Achse bezeichneten Koordinatenachsen bewegt werden, um es in eine andere Relativposition zu dem Halter und damit zu dem Taster zu bringen. Üblicherweise ist der Halter außerdem in der Richtung der Koordinatenachse (Z-Achse) beweglich, die senkrecht zu der Oberfläche des Messtischs verläuft. Optional kann der Halter alternativ oder zusätzlich drehbeweglich sein, z.B. drehbeweglich um die Z-Achse. Ferner alternativ oder zusätzlich kann die Ausrichtung des Halters geändert werden. Auch ist es möglich, an dem Halter eine zusätzliche Einrichtung anzuordnen, die den Taster mit dem Halter (insbesondere beweglich) verbindet, z.B. ein so genanntes Dreh-/Schwenkgelenk und/oder einen Messkopf.
Aus WO 97/09586 A1 ist ein Kalibriersystem zum Messen von Positionsfehlern in einem Koordinatenmessgerät bekannt, das einen festen Tisch und ein bewegliches Element aufweist. Das System weist ein lineares Kalibriernormal auf, das an dem Tisch anordenbar ist. Ferner wird eine Abtast-Haltevorrichtung an dem beweglichen Element angeordnet und wird das lineare Kalibriernormal durch Bewegung der Abtast-Haltevorrichtung in der Längsrichtung des linearen Kalibriernormals abgetastet, um geometrische Fehler, nämlich rotatorische Fehler und Geradlinigkeitsfehler, bezüglich der Längsachse des linearen Kalibriernormals festzustellen. Das lineare Kalibriernormal kann in unterschiedliche Ausrichtungen und Positionen relativ zu dem Tisch gebracht werden und der Abtastvorgang kann jeweils bei der neuen Ausrichtung und Position wiederholt werden.
Aus DE 10 2008 024 444 A1 ist ein Verfahren zum Kalibrieren eines Koordinatenmessgeräts bekannt, wobei ein Referenzkörper in dem Messvolumen relativ zu einer zu kalibrierenden Koordinatenachse des Koordinatenmessgeräts angeordnet wird und eine Abtastvorrichtung an einem Messkopf des Koordinatenmessgeräts angeordnet wird, die über wenigstens ein Tastelement verfügt, mit dem der Referenzkörper abtastbar ist, wobei Abtastwerte an einer Vielzahl von Messpunkten des Referenzkörpers bestimmt werden, wobei die Messpunkte entlang einer Achse angeordnet sind, die im Wesentlichen parallel zu der Längsachse des Referenzkörpers verläuft und wobei unter Berücksichtigung von den Messpunkten zugeordneten Körperfehlerwerten, die die Beschaffenheit des Referenzkörpers an dem jeweiligen Messpunkt beschreiben, Achsfehlerwerte in Abhängigkeit der Abtastwerte bestimmt werden.
DE 100 27 106 A1 beschreibt die Kalibrierung einer bewegbaren Vorrichtung mit einem Messkörper, der in einem Bewegungs- bzw. Arbeitsraum der Vorrichtung angebracht wird. Mehrere würfel- oder quaderförmige Messstellen werden auf dem Messkörper angeordnet. Jede der Messstellen weist zumindest zwei Messabschnitte auf, die vorzugsweise im Wesentlichen ebene Flächen sind, welche im Wesentlichen senkrecht zueinander und senkrecht bezüglich von Koordinatenachsen der bewegbaren Vorrichtung angeordnet sind. Eine Prüfeinrichtung wird an einem Teil der Vorrichtung angebracht, der relativ zu dem Messkörper bewegbar ist. Die Prüfeinrichtung weist zumindest zwei Prüfabschnitte auf, die zum Zusammenwirken mit den zumindest zwei Messabschnitten des Messkörpers vorgesehen sind. Die Vorrichtung wird bewegt, bis die Prüfabschnitte der Prüfeinrichtung eine definierte Lage bezüglich der Messabschnitte der Messstelle einnehmen. Es werden Lageparameter erfasst, welche die Lage der Vorrichtung an dieser Messstelle repräsentieren und die Lageparameter werden zu der Messstelle zugeordnet. Die Lage der zwei Prüfabschnitte relativ zu den zwei Messabschnitten wird erfasst. In Abhängigkeit von den erfassten Lageparametern werden Korrekturwerte für Geometrieparameter von Bewegungsgleichungen der Vorrichtung erfasst und die Bewegungsgleichungen werden korrigiert.
US 2011/0102778 A1 beschreibt eine Messeinrichtung zur Messung eines geometrischen Fehlers, die ein Messmodul mit einer Lichtquelle und eine Quadrant-Photodiode aufweist. Die Trajektorie der einfallenden Strahlung ist zu der Richtung der Messung parallel. Wenn kein geometrischer Fehler vorhanden ist, fällt die Position der einfallenden Lichtstrahlung mit der Position der gemessenen Lichtstrahlung zusammen. Wenn dagegen ein geometrischer Fehler vorhanden ist, stimmt die Position der gemessenen Lichtstrahlung nicht mit der Position der einfallenden Lichtstrahlung überein. Bei der Geradheitsmessung wird eine einzelne Photodiode dazu verwendet, die kollimierte Strahlung des Messmoduls zu empfangen, um Verschiebungen bezüglich der zwei anderen Achsen zu messen. Bei der Messung von Drehwinkeln werden eine einzelne Photodiode und eine Linse verwendet. Bei der Messung von Wälzen werden zwei Photodioden verwendet, um die kollimierte Lichtstrahlung von dem Messmodul zu empfangen. Z.B. kann ein Prisma dazu verwendet werden, die Lichtstrahlung von der Quelle kollimierten Lichts in zwei parallele Strahlen aufzuteilen.
Die zuvor beschriebenen bekannten Verfahren sind gut dazu geeignet, geometrische Fehler bezüglich einer oder mehrerer Bewegungsachsen des Koordinatenmessgeräts zu bestimmen.
Insbesondere bei Koordinatenmessgeräten mit einem Kreuztisch (siehe oben) tritt jedoch das Problem auf, dass die Basis, auf der der Kreuztisch beweglich gelagert ist, auch unter mechanischer Belastung sehr formstabil ist, d.h. sehr steif ist, aber die daran angeordneten beweglichen Teile und Lagerungen weniger formstabil und steif sind. Die geometrischen Fehler des Koordinatenmessgeräts sind daher nicht eindeutig einer Bewegungsachse zuordenbar.
Ferner sind Verfahren zur Bestimmung von geometrischen Fehlern von Koordinatenmessgeräten bekannt, die mittels Laser-Interferometern und/oder Neigungssensoren Messwerte für die Bestimmung der geometrischen Fehler erzeugen. Diese Verfahren sind aber sowohl hinsichtlich der benötigten Messausstattung als auch hinsichtlich der Durchführung der Kalibrierung aufwendig.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Anordnung zum Bestimmen geometrischer Fehler von Koordinatenmessgeräten anzugeben, die den Aufwand für die Bestimmung der Fehler reduzieren. Insbesondere sollen das Verfahren und die Anordnung für Koordinatenmessgeräte geeignet sein, bei denen geometrische Fehler, die entlang einer geradlinigen Bewegungsrichtung eines Tasters relativ zu einem Messtisch des Geräts entstehen, nicht eindeutig einer Bewegungsachse des Koordinatenmessgeräts zugeordnet werden können.
Bezogen auf Koordinatenmessgeräte mit einem Kreuztisch geht die Erfindung davon aus, dass die Basis des Kreuztischs wie oben erwähnt sehr steif und formstabil ist, jedoch im Allgemeinen nicht in idealer Weise geformt ist. An der Basis angeordnete Lager, Bewegungsführungen und bewegliche Teile, einschließlich des Messtischs, auf dem zu vermessende Messobjekte angeordnet werden, werden daher bereits aufgrund der nicht idealen Form der Basis in einer Weise bewegt, die zu Abweichungen von einer idealen (z.B. einer angenommenen oder vorgegebenen) Position und/oder Ausrichtung relativ zu dem Taster des Koordinatenmessgeräts (im Folgenden kurz: KMG) führen. Insbesondere diese Abweichungen können als geometrische Fehler bezeichnet werden. Da bei einem Kreuztisch wie oben erwähnt Bewegungen des Messtischs in zwei z.B. senkrecht zueinander verlaufende Bewegungsrichtungen möglich sind und da die Lager, Bewegungsführungen und beweglichen Teile des Kreuztischs nicht so formstabil und steif wie die Basis sind, hängen die geometrischen Fehler von der momentanen Position des Messtischs relativ zu der Basis ab. Wird z.B. eine geradlinige Bewegung des Messtischs in der X-Richtung bei verschiedenen festen Y-Positionen ausgeführt, unterscheiden sich auch die geometrischen Fehler, die während dieser geradlinigen Bewegungen wirksam werden. Anders ausgedrückt kann bei Kenntnis der geometrischen Fehler einer geradlinigen Bewegung in X-Richtung an einer ersten Y-Position keine zuverlässige Aussage über die geometrischen Fehler getroffen werden, die bei einer geradlinigen Bewegung in der X-Richtung an einer anderen Y-Position wirksam werden. Dies gilt entsprechend auch für geradlinige Bewegungen in Y-Richtung an verschiedenen X-Positionen sowie generell für jegliche Bewegungen und Positionen des Kreuztischs. Allgemein formuliert ist der geometrische Fehler eine Funktion sowohl der X-Position als auch der Y-Position des Kreuztischs.
Eine ähnliche Problematik kann sich auch bei anders konstruierten Koordinatenmessgeräten ergeben, je nach Art der Konstruktion. Die Erfindung ist daher nicht auf Koordinatenmessgeräte mit Kreuztischen beschränkt.
Es wird daher vorgeschlagen, eine ebene Kalibrierfläche an dem Messtisch (der je nach Konstruktion des KMG der Messtisch eines Kreuztisches sein kann oder nicht) anzuordnen und durch Relativbewegung einer an dem Halter angeordneten Sensoranordnung einerseits und des Messtischs andererseits Koordinaten der Oberfläche der ebenen Kalibrierfläche zu bestimmen. Dabei bestehen keine Beschränkungen für die Bewegung bezüglich der beiden voneinander unabhängigen translatorischen (d.h. geradlinigen) Bewegungs-Freiheitsgrade, die entlang der Oberfläche der Kalibrierfläche verlaufen. Darin unterscheidet sich die vorliegende Erfindung von den in WO 97/09586 A1 und DE 10 2008 024 444 A1 beschriebenen Kalibrierverfahren. Auch das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann aber als Kalibrierverfahren bezeichnet werden. Die Relativbewegung der Sensoranordnung einerseits und des Messtischs und damit auch der daran angeordneten ebenen Kalibrierfläche andererseits ist jedoch nicht auf eine geradlinige Bewegung beschränkt. Vielmehr kann die Sensoranordnung in beliebiger Weise (dies schließt optional auch geradlinige Teilabschnitte der Bewegung ein) relativ zu (aber vorzugsweise in jedem Fall entlang) der Kalibrierfläche bewegt werden. Beispiele sind Bewegungen mit mehreren geradlinigen, zueinander parallel verlaufenden Teilabschnitten, die an ihren Enden mit quer verlaufenden Verbindungsabschnitten verbunden sind, sodass die Bewegung einen mäanderförmigen bzw. serpentinenartigen Weg durchläuft oder spiralförmige Bewegungsverläufe, wobei der Spirale insbesondere dann, wenn die ebene Kalibrierfläche geradlinige Außenkanten aufweist, ebenfalls geradlinige Teilabschnitte aufweist. Vorzugsweise erfolgt der Richtungswechsel zu Beginn und am Ende eines geradlinigen Teilabschnitts der Bewegung nicht abrupt, sondern allmählich, sodass der geradlinige Bewegungsabschnitt in einen gekrümmten Bewegungsabschnitt übergeht oder umgekehrt.
Geometrische Fehler sind insbesondere rotatorische Fehler, d.h. der Halter zum Halten des Tasters und/oder der Messtisch zum Tragen des Messobjekts wird/werden bei Bewegung entlang einer geradlinig verlaufenden Achse im Vergleich zu der idealen, vorgegebenen oder erwarteten Ausrichtung gedreht. Vorteilhafterweise sind wie üblich Koordinatenachsen eines Koordinatenmessgeräts definiert, z.B. weil einzelne Antriebe des KMG Bewegungen parallel zu einer dieser Koordinatenachse antreiben und/oder weil eine Steuerung des KMG Koordinaten von Teilen des KMG und/oder eines Werkstücks bezüglich dieser Koordinatenachsen bestimmt. Vorteilhafterweise werden daher rotatorische geometrische Fehler bezüglich dieser definierten Koordinatenachsen angegeben. Z.B. wird bei einem gegebenen kartesischen Koordinatensystem mit einer X-Achse, einer Y-Achse und einer Z-Achse der rotatorische Fehler aufgrund einer Rotation um die X-Achse bei Bewegung in Richtung der X-Achse als XRX bezeichnet werden und der rotatorische Fehler aufgrund einer Rotation um die X-Achse bei Bewegung in Richtung der Y-Achse als YRX bezeichnet werden usw. Zu den geometrischen Fehlern eines Koordinatenmessgeräts gehören jedoch auch translatorische Fehler, d.h. Fehler aufgrund einer Verschiebung (d.h. Translation) in geradliniger Richtung. Der translatorische Fehler aufgrund einer Verschiebung in Z-Richtung bei Bewegung in Richtung der X-Achse kann daher z.B. als XTZ bezeichnet werden usw. Selbstverständlich sind andere Beschreibungen der geometrischen Fehler eines Koordinatenmessgeräts möglich (z.B. bezüglich eines Koordinatensystems in Zylinderkoordinaten oder Kugelkoordinaten), die jedoch der genannten Beschreibung äquivalent sind. Es soll jedoch angemerkt werden, dass zur Bestimmung der genannten geometrischen Fehler in der hier verwendeten Notation nicht tatsächlich eine Bewegung in Richtung der jeweiligen Achse (zum Beispiel in Richtung der X-Achse) stattfinden muss, um den Fehler zu bestimmen. Vielmehr kann die entsprechende Sensoranordnung auch auf andere Weise an einen anderen Ort (und vorzugsweise an viele andere Orte) bewegt werden, so dass an diesen Orten die benötigten Informationen über den Fehler gewonnen werden können.
Wenn die ebene Kalibrierfläche z.B. horizontal ausgerichtet ist und die beiden horizontal verlaufenden Koordinatenachsen als X-Achse und Y-Achse bezeichnet werden, wird vorgeschlagen, die Z-Koordinate der Kalibrierfläche in dem kartesischen Koordinatensystems X, Y, Z vorzugsweise über die gesamte Erstreckung der ebenen Kalibrierfläche zu messen. Dabei muss selbstverständlich nicht jeder Punkt an der Oberfläche der ebenen Kalibrierfläche vermessen werden. Vielmehr kann z.B. nach einer ersten Vermessung der Z-Koordinaten entlang von Bewegungslinien der Sensoranordnung und/oder in Teilbereichen der Kalibrierfläche bei sehr geringem Abstand zwischen den Messpunkten beurteilt werden, bei welchen Abständen zwischen Oberflächenpunkten der Kalibrierfläche sich der geometrische Fehler wesentlich ändert. Alternativ oder zusätzlich können diese Abstände von Oberflächenpunkten auch aus anderen Erfahrungen und/oder aus Konstruktionsdaten des KMG bestimmt werden. Unter Berücksichtigung dieser Abstände, die in verschiedenen Bereichen der Kalibrierfläche unterschiedlich sein können und/oder in verschiedenen Richtungen (z.B. in X-Richtung und Y-Richtung) unterschiedlich sein können, kann nun festgelegt werden, welche Oberflächenpunkte der Kalibrierfläche und/oder in welcher Weise die Oberfläche der Kalibrierfläche vermessen werden soll.
In jedem Fall ist es aufgrund der ebenen Kalibrierfläche möglich, die Abhängigkeit des geometrischen Fehlers sowohl in X-Richtung als auch in Y-Richtung zu bestimmen. Insbesondere können die geometrischen Fehler (in der oben beschriebenen Notation) XRX, YRX, YRY, XRY, XTZ und YTZ bestimmt werden.
Die Erfindung ist nicht auf die horizontale Ausrichtung der ebenen Kalibrierfläche beschränkt. Vielmehr kann die ebene Kalibrierfläche auch in anderer Weise ausgerichtet werden/sein, etwa in senkrechter Richtung, sodass ihre Oberfläche z.B. parallel zu der X-Achse und der Z-Achse des kartesischen Koordinatensystems verläuft, dessen X-Achse und Y-Achse in horizontaler Richtung verlaufen. Sie kann auch schräg ausgerichtet sein. Um Bewegungsfehler eines Messtischs mit horizontaler Oberfläche zu bestimmen, wird die ebene Kalibrierfläche aber vorzugsweise in horizontaler Richtung ausgerichtet. Speziell bei einem Kreuztisch können mit einer so ausgerichteten Kalibrierfläche unmittelbar die Fehler des Kreuztischs bestimmt werden.
Bei der ebenen Kalibrierfläche kann es sich z.B. um eine (im Rahmen der angestrebten Genauigkeit) ideal ebene Kalibrierfläche handeln. In diesem Fall können die geometrischen Fehler des KMG unmittelbar aus den Koordinaten der Oberfläche der Kalibrierfläche bestimmt werden. Abweichungen von der idealen Position entstehen dabei nicht aufgrund einer Verbiegung der Kalibrierfläche (die Kalibrierfläche ist vorzugsweise die Oberfläche eines formstabilen Körpers oder einer formstabilen mechanischen Konstruktion). Vielmehr sind Abweichungen der Position von Oberflächenpunkten der Kalibrierfläche von ihrer idealen Position (näherungsweise) allein auf Fehler des Koordinatenmessgeräts zurückzuführen. Dies gilt jedenfalls dann, wenn weitere Fehlerursachen, wie z.B. Veränderungen der Form oder Position der Kalibrierfläche aufgrund von Temperaturschwankungen, ausgeschlossen sind oder vernachlässigbar klein sind.
Optional kann jedoch ein Formfehler der ebenen Kalibrierfläche, d.h. eine Abweichung von der ideal ebenen Form, separat und/oder zusätzlich durch eine Kalibrierung der ebenen Kalibrierfläche ermittelt werden oder ermittelt worden sein. Z.B. wird für die Kalibrierung der Kalibrierfläche eine Messanordnung eingesetzt, die die Koordinaten der Oberflächenpunkte der Kalibrierfläche präziser bestimmt, als es mit der Sensoranordnung möglich ist, die von dem Halter des KMG während der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gehalten und optional auch bewegt wird. Z.B. kann die Kalibrierfläche einmalig oder wiederholt in größeren zeitlichen Abständen kalibriert werden. Beispielsweise kann dazu eine Messanordnung verwendet werden, die gemäß dem Prinzip der Laser-Interferometrie funktioniert.
Durch die separate Kalibrierung der ebenen Kalibrierfläche können Fehlerwerte und insbesondere auch Korrekturwerte der Koordinaten der Oberflächenpunkte der Kalibrierfläche ermittelt werden und/oder ermittelbar sein. Z.B. sind diese Koordinaten ermittelbar, wenn der Verlauf der Oberfläche der ebenen Kalibrierfläche durch ein Modell oder eine Berechnungsvorschrift beschrieben wird.
Wenn solche oder andere Informationen über den Fehler der ebenen Kalibrierfläche vorliegen oder ermittelbar sind, können die während der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemessenen und/oder ermittelten Koordinaten der Oberflächenpunkte unter Nutzung dieser zusätzlichen Informationen korrigiert werden und kann daraus der geometrische Fehler des KMG bestimmt werden. Ähnlich wie bei der möglichen Beschreibung des Fehlers der ebenen Kalibrierfläche müssen dabei nicht zwangsläufig gemessene oder ermittelte Koordinaten der Oberflächenpunkte der ebenen Kalibrierfläche korrigiert werden. Vielmehr kann auch aus den Messergebnissen der an dem Messtisch des KMG angeordneten ebenen Kalibrierfläche eine Modellbeschreibung und/oder Berechnungsvorschrift zur Berechnung der Koordinaten der Oberflächenpunkte ermittelt werden, die dann korrigiert werden kann oder bereits das Ergebnis der Korrektur ist.
Die Sensoranordnung, welche an dem Halter des KMG angeordnet wird/ist, um Koordinaten von Oberflächenpunkten der ebenen Kalibrierfläche zu messen, weist zumindest zwei Sensoren auf, die voneinander beabstandet sind. Die zumindest zwei Sensoren werden so verwendet bzw. sind so ausgestaltet und angeordnet, dass sie bei einer gegebenen Relativposition der Sensoranordnung relativ zu der Kalibrierfläche die Koordinaten von zwei voneinander beabstandeten Oberflächenpunkten der Kalibrierfläche messen. Dabei entspricht der Abstand der vermessenen Oberflächenpunkte dem Abstand und der Ausrichtung der Sensoren. Insbesondere können die Messrichtungen, in denen die einzelnen Sensoren auf die Oberfläche der Kalibrierfläche ausgerichtet sind, vorzugsweise parallel zueinander verlaufen. Dies schließt nicht aus, dass es zusätzlich zu den zumindest zwei parallel ausgerichteten Sensoren zumindest einen zusätzlichen Sensor gibt, der in eine andere Messrichtung ausgerichtet ist. Auf Beispiele wird noch näher eingegangen.
Wenn die Sensoren ausgestaltet sind, gleichzeitig an unterschiedlichen Oberflächenpositionen Koordinaten der Oberfläche der ebenen Kalibrierfläche zu messen, bedeutet dies nicht, dass die Koordinaten von den verschiedenen Sensoren auch zwangsläufig exakt gleichzeitig gemessen werden müssen. Vielmehr kann z.B. eine Messwerterfassungseinrichtung Messwerte der verschiedenen Sensoren nacheinander, jedoch in kurzen zeitlichen Abständen erfassen. Der Begriff „gleichzeitige Messung“ ist vielmehr als Synonym für eine Messung zu verstehen, die durch eine gegebene Relativposition der Sensoranordnung relativ zu der Kalibrierfläche definiert ist.
Wenn von der Bestimmung der Koordinaten von Oberflächenpunkten der Kalibrierfläche gesprochen wird, bedeutet dies nicht, dass die Ausdehnung der Oberflächenpunkte entlang der Oberfläche exakt Null ist. Vielmehr werden die Sensoren jeweils einen kleinen Bereich der Oberfläche erfassen und einen für diesen Oberflächenbereich repräsentativen Koordinatenwert ermitteln.
Die Koordinate, die ein Sensor der Sensoranordnung misst, ist bezüglich einer Koordinatenachse definiert, die quer zu der ebenen Oberfläche der Kalibrierfläche verläuft. Diese Koordinatenachse muss nicht zwangsläufig senkrecht zu der ebenen Oberfläche verlaufen, auch wenn dies bevorzugt wird. Insbesondere durch einen Neigungsfehler der Kalibrierfläche oder deren Anordnung an dem Messtisch, aber auch durch vorsätzliche schräge Ausrichtung der Sensoranordnung relativ zu der Kalibrierfläche können die Koordinaten der Oberflächenpunkte der Kalibrierfläche auch bezüglich einer nicht senkrecht (aber quer) zu der Oberfläche verlaufenden Koordinatenachse bestimmt werden. Es ist aber in jedem Fall möglich, bei ausreichender Kenntnis über die Ausrichtung der Koordinatenachse der gemessenen Koordinaten diese in Koordinaten bezüglich einer senkrecht zur Oberfläche der Kalibrierfläche verlaufenden Koordinatenachse umzurechnen.
Insbesondere kann der Sensor der Sensoranordnung oder können die Sensoren der Sensoranordnung ausgestaltet sein, die Koordinate/Koordinaten berührungslos zu messen, d.h. der Sensor berührt die Oberfläche der Kalibrierfläche nicht, während die Koordinate gemessen wird. Gemäß Patentanspruch 5 und insbesondere auch gemäß Verfahrensanspruch 1 handelt es sich bei dem Sensor um einen Abstandssensor, der den Abstand zu der Oberfläche als Koordinate misst. Wie z.B. in der WO 97/09586 A1 beschrieben wird, kann es sich jedoch auch um Sensoren handeln, die die Oberfläche des Kalibrierkörpers (hier: der ebenen Kalibrierfläche) während der Messung berühren, auch wenn dies z.B. wegen möglichem Abrieb von Material nicht bevorzugt wird.
Z.B. kommen als Sensoren kapazitive, induktive, optische und magnetische (insbesondere magnetoresistive) Sensoren infrage. Vorzugsweise funktionieren zumindest diejenigen Sensoren der Sensoranordnung nach demselben Funktionsprinzip, die Koordinaten gleichzeitig messen können, um systematische Fehler aufgrund von unterschiedlichen Funktionsprinzipien zu vermeiden.
Bei dem Halter handelt es sich z.B. um einen Bereich am freien Ende eines beweglichen Arms eines KMG, z.B. um eine Pinole eines KMG in Portal-Bauweise oder Gantry-Bauweise. Im Falle eines KMG mit Kreuztisch ist der Halter z.B. am unteren Ende des in Z-Richtung beweglichen Schlittens oder der unbeweglichen Säule angeordnet. Z.B. kann der Taster unmittelbar an einer mechanischen Schnittstelle (d.h. einer Kopplungsvorrichtung) des Halters befestigt werden. Es ist jedoch auch möglich, den Taster indirekt über eine zusätzliche Einrichtung, die an dem Halter befestigt ist, an den Halter anzukoppeln. Die zusätzliche Einrichtung ermöglicht z.B. zusätzliche Bewegungen des Tasters, wie es im Fall eines Dreh-/ Schwenkgelenks der Fall ist. Bei der zusätzlichen Einrichtung kann es sich auch um einen Messkopf eine KMG handeln, der mit einem daran angekoppelten taktilen Taster Werkstücke zum Zweck der Koordinatenbestimmung abtasten kann.
Die Sensoranordnung, mit der die Koordinaten der ebenen Kalibrierfläche gemessen werden, wird vorzugsweise statt eines Tasters und/oder statt der zusätzlichen Vorrichtung an dem Halter befestigt. Es ist alternativ aber auch möglich, dass der Taster und die Sensoranordnung gleichzeitig von dem Halter gehalten werden. Bevorzugt wird jedoch, dass die Sensoranordnung statt des Tasters und vorzugsweise in der gleichen Weise wie der Taster an dem Halter angeordnet wird und insbesondere über eine definierte (d.h. bei eindeutiger und reproduzierbarer Position und Ausrichtung) mechanische Schnittstelle an diesen angekoppelt wird. Auf diese Weise sind die Verhältnisse während der Vermessung der ebenen Kalibrierfläche den Verhältnissen beim Vermessen eines Werkstücks am ähnlichsten. Ferner wird bevorzugt, dass die Sensoranordnung das gleiche Gewicht oder ungefähr das gleiche Gewicht (d.h. das Gewicht der Sensoranordnung unterscheidet sich vom Gewicht des Tasters und optional zusätzlich der zusätzlichen Vorrichtung um maximal 10 % des Gewichts der Sensoranordnung) aufweist. Auch dies führt dazu, dass sich die Verhältnisse gleichen und der geometrische Fehler des KMG daher nicht verändert wird. Insbesondere bei Horizontalarmgeräten würde sich ein unterschiedliches Gewicht deutlich auf die geometrischen Fehler des KMG auswirken.
Bei der ebenen Kalibrierfläche handelt es sich vorzugsweise um die Oberfläche eines Gegenstandes oder einer mechanischen Konstruktion, die zusätzlich auf den Messtisch des KMG aufgebracht wird, um ihre Oberflächenkoordinaten zu messen. Der Gegenstand oder die mechanische Konstruktion kann aber alternativ an Stelle eines Bereichs des Messtisches auf einer Basis des KMG angeordnet werden, wobei der für die Kalibrierung entfernte Bereich des Messtischs sonst, bei Vermessung der Koordinaten eines Werkstücks, die Messtischoberfläche oder einen Teil davon bildet. Wiederum wird bevorzugt, dass sich das Gewicht des entfernten oder entfernbaren Bereichs des Messtischs nicht oder nur unwesentlich (d.h. nicht mehr als um 10 % des Gewichts des Gegenstandes oder der mechanischen Konstruktion) von dem Gewicht des Gegentandes oder der mechanischen Konstruktion unterscheidet. Insbesondere bei einem Kreuztisch oder einem anderen beweglichen Messtisch kann das Gewicht die geometrischen Fehler beeinflussen.
Ferner ist es möglich, dass die ebene Kalibrierfläche auch während der Vermessung von Koordinaten von Werkstücken durch das KMG Teil des Messtischs ist. Vorzugsweise ist dabei aber der Bereich des Messtischs, auf dem Werkstücke zu ihrer Vermessung aufgebracht werden, nicht der Gegenstand oder die mechanische Konstruktion, der/die die Oberfläche der ebenen Kalibrierfläche bildet. Andernfalls besteht die Gefahr der Abnutzung der ebenen Kalibrierfläche während des normalen Messbetriebes des KMG. Z.B. aber kann der genannte Bereich des Messtischs auf oder über der ebenen Kalibrierfläche angeordnet sein. Für die Kalibrierung wird dieser Bereich dann entfernt oder zumindest in eine andere Position gebracht, um die ebene Kalibrierfläche vermessen zu können.
Insbesondere wird ein Verfahren zum Ermitteln von geometrischen Fehlern eines Koordinatenmessgeräts vorgeschlagen, das einen Halter zum Halten eines Tasters und einen Messtisch zum Positionieren eines von dem Taster abzutastenden Messobjekts auf dem Messtisch aufweist, wobei der Halter und der Messtisch relativ zueinander beweglich sind, um mit dem Taster die Oberfläche des Messobjekts abtasten zu können, und wobei:

a) eine von dem Halter gehaltene Sensoranordnung, die zumindest zwei voneinander beabstandete Sensoren aufweist, in verschiedene Relativpositionen relativ zu einer an dem Messtisch angeordneten ebenen Kalibrierfläche gebracht wird,
b) dabei die Relativpositionen der Sensoranordnung relativ zu der Kalibrierfläche bezüglich zweier voneinander unabhängiger translatorischer Bewegungs-Freiheitsgrade variiert werden, die entlang der Oberfläche der Kalibrierfläche verlaufen, und zwar ohne die Position und Ausrichtung der Kalibrierfläche relativ zu dem Messtisch zu verändern,
c) in den verschiedenen Relativpositionen der Sensoranordnung relativ zu der Kalibrierfläche von den zumindest zwei Sensoren an unterschiedlichen Flächenpositionen der Kalibrierfläche Koordinaten der Kalibrierfläche gemessen werden, wobei die Koordinaten bezüglich einer Koordinatenachse definiert sind, die quer zur Oberfläche der Kalibrierfläche verläuft,
d) jeweils vor, während und/oder nach der Messung der Koordinaten der Kalibrierfläche mit einem Positionsbestimmungssystem des Koordinatenmessgeräts Positionswerte bestimmt werden, die momentanen Relativpositionen des Halters und des Messtischs entsprechen,
e) die gemessenen Koordinaten der Kalibrierfläche den mit dem Positionsbestimmungssystem bestimmten Positionswerten zugeordnet werden und aus den Koordinaten die geometrischen Fehler des Koordinatenmessgeräts in Abhängigkeit von der Relativposition des Halters und des Messtischs ermittelt werden.

Ferner wird eine Anordnung zum Ermitteln von geometrischen Fehlern eines Koordinatenmessgeräts vorgeschlagen, das einen Halter zum Halten eines Tasters und einen Messtisch zum Positionieren eines von dem Taster abzutastenden Messobjekts auf dem Messtisch aufweist, wobei der Halter und der Messtisch relativ zueinander beweglich sind, um mit dem Taster die Oberfläche des Messobjekts abtasten zu können, und wobei die Anordnung aufweist:

• das Koordinatenmessgerät,
• eine Sensoranordnung, die zumindest zwei voneinander beabstandete Abstandssensoren aufweist, wobei die Sensoren ausgestaltet sind, gleichzeitig an unterschiedlichen Oberflächenpositionen Koordinaten einer ebenen Oberfläche bezüglich einer Koordinatenachse zu messen, die quer zu der Oberfläche verläuft,
• eine an dem Messtisch angeordnete ebene Kalibrierfläche,
• eine Steuerung des Koordinatenmessgerätes, die ausgestaltet ist, eine Bewegung der von dem Halter gehaltenen Sensoranordnung in verschiedene Relativpositionen relativ zu der Kalibrierfläche zu steuern, wobei die Relativpositionen der Sensoranordnung relativ zu der Kalibrierfläche bezüglich zweier voneinander unabhängiger translatorischer Bewegungs-Freiheitsgrade variiert werden, die entlang der Oberfläche der Kalibrierfläche verlaufen, und zwar ohne die Position und Ausrichtung der Kalibrierfläche relativ zu dem Messtisch zu verändern,
• eine Auswertungseinrichtung, die ausgestaltet ist, in den verschiedenen Relativpositionen der Sensoranordnung relativ zu der Kalibrierfläche von den zumindest zwei Sensoren gemessene Koordinaten der Kalibrierfläche Positionswerten zuzuordnen, die zum Zeitpunkt der Messung der Koordinaten der Kalibrierfläche der momentanen Relativposition des Halters und des Messtischs entsprechen, und dadurch die geometrischen Fehler des Koordinatenmessgeräts in Abhängigkeit von der Relativposition des Halters und des Messtischs zu ermitteln.

Insbesondere sind die zumindest zwei Sensoren derart voneinander beabstandet und werden zumindest während einer Phase der Bestimmung der Koordinaten der Kalibrierfläche so bewegt, dass sie zu jedem Zeitpunkt die Querkoordinate der Kalibrierfläche an entsprechend dem Abstand unterschiedlichen Flächenpositionen messen. Dies schließt aber nicht aus, dass es zumindest eine weitere Phase der Bestimmung der Koordinaten der Kalibrierfläche, eines zusätzlichen Kalibriernormals und/oder eines anderen Oberflächenbereichs des Gegenstandes oder der mechanischen Konstruktion, der/die die Kalibrierfläche bildet, gibt, und während dieser weiteren Phase eine andere Kombination von Sensoren der Sensoranordnung und/oder zumindest einer der Sensoren der Sensoranordnung in einer veränderten Position und/oder Ausrichtung zur Bestimmung von Oberflächenkoordinaten zum Zwecke der Kalibrierung verwendet wird. Auf Beispiele wird noch näher eingegangen.
Wie oben erwähnt, werden die von dem Halter gehaltene Sensoranordnung und damit auch die zumindest zwei voneinander beabstandeten Sensoren in verschiedene Relativpositionen relativ zu der Kalibrierfläche gebracht, ohne die Position und Ausrichtung der Kalibrierfläche relativ zu dem Messtisch zu verändern. Vorzugsweise messen die zumindest zwei Sensoren die Koordinaten der Kalibrierfläche während und/oder wiederholt nach einer Bewegung der Sensoranordnung relativ zu der Kalibrierfläche. Je nach Art des KMG werden dabei die Sensoranordnung und/oder die Kalibrierfläche aktiv bewegt.
Während dieser Phase der Messung von Koordinaten der Kalibrierfläche werden die Ausrichtung der zumindest zwei Sensoren zueinander und vorzugsweise auch die Ausrichtung der Anordnung der zumindest zwei Sensoren relativ zu der Kalibrierfläche nicht (absichtlich) verändert. Selbstverständlich können aber leichte Veränderungen dieser Ausrichtung oder Ausrichtungen aufgrund von geometrischen Fehlern des KMG auftreten. Wie erwähnt ist es optional aber zusätzlich möglich, dass die Sensoranordnung in einer weiteren Phase der Messung von Oberflächenkoordinaten der Kalibrierfläche anders ausgerichtet ist als in einer ersten Phase der Vermessung der Oberflächenkoordinaten der Kalibrierfläche. In beiden Phasen jedoch ist die Kalibrierfläche relativ zu dem Messtisch in derselben Position und Ausrichtung. Z.B. können die Oberflächenkoordinaten der ebenen Kalibrierfläche mit zwei Sensoren der Sensoranordnung gemessen werden, wobei die beiden Sensoren ungefähr senkrecht zur Oberfläche der Kalibrierfläche ausgerichtet sind. Dabei sind die beiden Sensoren voneinander beabstandet, sodass der Vektor, der von dem ersten Sensor zu dem zweiten Sensor verläuft und die Länge des Abstandes der beiden Sensoren hat, während der ersten Phase der Vermessung in einer ersten Richtung entlang der Oberfläche der Kalibrierfläche ausgerichtet. Z.B. ist er in der ersten Phase in der X-Richtung des kartesischen Koordinatensystems ausgerichtet, dessen X-Achse und dessen Y-Achse eine Ebene definieren, die parallel zu der ebenen Kalibrierfläche verläuft oder mit dieser zusammenfällt. Insbesondere lässt sich auf diese Weise der rotatorische Fehler YRY sowie der rotatorische Fehler XRY ermitteln (in der oben definierten Notation). In der zweiten Phase der Vermessung kann die Anordnung der beiden Sensoren so gegenüber der ersten Phase der Vermessung verändert sein, dass sie nach wie vor etwa senkrecht zu der Oberfläche der Kalibrierfläche ausgerichtet sind, jedoch ihr Abstandsvektor um 90° gedreht ist und dann z.B. in Y-Richtung verläuft. Auf diese Weise kann dann insbesondere der rotatorische Fehler XRX und außerdem der rotatorische Fehler YRX ermittelt werden. Eine entsprechende Drehung der Anordnung der beiden Sensoren kann z.B. durch eine Drehung des Halters um die Z-Achse um 90° bewirkt werden.
Insbesondere um rotatorische geometrische Fehler bezüglich zweier Koordinatenachsen (z.B. X-Achse und Y-Achse) ohne Veränderung der Ausrichtung der Sensoranordnung relativ zu der Kalibrierfläche bestimmen zu können, wird es jedoch bevorzugt, dass die Sensoranordnung zumindest drei jeweils paarweise zueinander beabstandete Sensoren aufweist, die auf die Oberfläche der ebenen Kalibrierfläche ausgerichtet sind und (im Fall von drei Sensoren) an den Eckpunkten eines imaginären Dreiecks angeordnet sind. Auf ein Ausführungsbeispiel wird noch eingegangen.
Zum Umfang der Erfindung gehört auch ein Kalibriernormal, z.B. der oben erwähnte Gegenstand oder die oben erwähnte mechanische Konstruktion, der/die die ebene Kalibrierfläche bildet. Vorzugsweise geht zumindest ein Rand der ebenen Kalibrierfläche in einen erhöhten, über das Höhenniveau der ebenen Kalibrierfläche hinausragenden Bereich über, der eine Oberfläche bildet, die eben ist und sich entlang dem Rand der Kalibrierfläche erstreckt, wobei seine ebene Oberfläche senkrecht zu der Oberfläche der Kalibrierfläche ausgerichtet ist. Bevorzugtermaßen sind solche erhöhten Ränder mit ebenen Oberflächen an zumindest zwei einander nicht gegenüberliegenden Rändern der Kalibrierfläche ausgebildet. Diese zumindest eine ebene Oberfläche am Rand der Kalibrierfläche ermöglicht es, rotatorische geometrische Fehler XRZ und YRZ sowie die translatorischen geometrischen Fehler YTX und XTY zu bestimmen. Dabei wird z.B. wie an sich aus dem Stand der Technik bekannt die ebene Oberfläche am erhöhten Rand der Kalibrierfläche lediglich in geradliniger Richtung parallel zur Oberfläche der ebenen Kalibrierfläche abgetastet, z.B. mit zwei etwa senkrecht auf die Ebene ausgerichteten Sensoren der Sensoranordnung, die in der Bewegungsrichtung voneinander beabstandet sind. Bei den Sensoren kann es sich um zusätzliche Sensoren handeln oder um die Sensoren, mit denen auch die Oberfläche der ebenen Kalibrierfläche vermessen wird, wobei in diesem Fall die Sensoren in eine andere Position und Ausrichtung gebracht werden als bei der Vermessung der ebenen Kalibrierfläche.
Alternativ ist es jedoch möglich, zumindest eine der seitlichen Randflächen, die senkrecht zu der ebenen Kalibrierfläche verläuft/verlaufen, in der Richtung senkrecht zu der ebenen Kalibrierfläche (insbesondere Z-Richtung) so hoch auszugestalten, dass auch diese seitliche Randfläche(n) mit der Sensoranordnung bezüglich zweier voneinander unabhängiger translatorischer Bewegungsfreiheitsgrade abtastbar ist, die entlang der seitlichen Randfläche verlaufen. Auch dabei wird die Position und Ausrichtung der seitlichen Randfläche relativ zu dem Messtisch vorzugsweise nicht verändert. Insbesondere kann das Kalibriernormal daher drei ebene Oberflächen als Kalibrierflächen aufweisen, die wie drei paarweise über gemeinsame Kanten zueinander benachbarte Oberflächen eines Würfels angeordnet sind. Vorzugsweise sind diese Oberflächen allerdings nicht die Außenoberflächen, sondern die Innenoberflächen einer würfelförmigen Hüllfläche.
Wenn der Gegenstand oder die mechanische Konstruktion, der/die die ebene Kalibrierfläche bildet, zum Zwecke der Bestimmung der geometrischen Fehler des KMG auf den Messtisch aufgebracht wird, weist der Gegenstand oder die mechanische Konstruktion vorzugsweise eine Drei-Punkt-Lagerung auf, d.h. lediglich an drei auf den Ecken eines imaginären Dreiecks liegenden Punkten besteht Kontakt zwischen dem Gegenstand oder der mechanischen Konstruktion und dem Messtisch. Dadurch wird eine definierte, insbesondere reproduzierbare Anordnung der ebenen Kalibrierfläche auf dem Messtisch ermöglicht und werden mechanische Verspannungen der ebenen Kalibrierfläche vermieden.
Insbesondere aus dem in Schritt e) des oben definierten Kalibrierverfahrens gemessenen Koordinaten können rotatorische geometrische Fehler des Koordinatenmessgeräts bezüglich zweier linear unabhängiger Koordinatenachsen (z.B. X-Achse und Y-Achse) ermittelt werden, wobei die linear unabhängigen Koordinatenachsen entlang der Oberfläche der Kalibrierfläche verlaufen. Dabei werden die rotatorischen geometrischen Fehler in Abhängigkeit der Relativposition der Halterung relativ zu dem Messtisch bestimmt. Auf Beispiele wurde bereits eingegangen.
Dem entspricht eine Ausgestaltung der Auswertungseinrichtung der erfindungsgemäßen Anordnung, die aus den Koordinaten der Kalibrierfläche rotatorische geometrische Fehler des Koordinatenmessgeräts bezüglich zweier linear unabhängiger Koordinatenachsen ermittelt, die entlang der Oberfläche der Kalibrierfläche verlaufen, und zwar in Abhängigkeit der Relativposition der Halterung relativ zu dem Messtisch.
Vorzugsweise erstreckt sich die ebene Kalibrierfläche in den Richtungen zweier linear unabhängiger Koordinatenachsen, die entlang der Oberfläche der Kalibrierfläche verlaufen, über den gesamten Messbereich, in dem sich Bereiche von Messobjekten befinden können, die von einem an dem Halter angeordneten Taster vermessbar sind. Auf diese Weise können die geometrischen Fehler des KMG durch Messung der Oberflächenkoordinaten der ebenen Kalibrierfläche über den gesamten Messbereich bestimmt werden.
Insbesondere im Fall eines KMG mit einem Kreuztisch wird die von dem Halter gehaltene Sensoranordnung in verschiedene Relativpositionen relativ zu der an dem Messtisch angeordneten ebenen Kalibrierfläche gebracht, indem der Messtisch in zwei quer zueinander verlaufenden Bewegungsrichtungen, die entlang der Oberfläche des Messtischs verlaufen, bewegt wird.
In einer konkreten Ausgestaltung der Sensoren handelt es sich um kapazitive Abstandssensoren. Solche kapazitiven Sensoren können z.B. unter der Bezeichnung capaNCDT von MICRO-EPSILON MESSTECHNIK GmbH & Co. KG, Ortenburg, Deutschland bezogen werden.
Statt einer Anordnung von drei Sensoren, die parallel zueinander auf die Oberfläche der ebenen Kalibrierfläche ausgerichtet sind und sich an den Ecken eines imaginären Dreiecks befinden, können auch andere Anordnungen der Sensoren verwendet werden, die vorzugsweise ebenfalls parallel zueinander auf die Oberfläche der ebenen Kalibrierfläche ausgerichtet sind. Optional können zusätzlich weitere Sensoren vorhanden sein, die anders ausgerichtet sind, z.B. um die seitlichen Randflächen zu vermessen. Bei den Anordnungen von Sensoren, die die ebene Kalibrierfläche vermessen, kann es sich z.B. um vier Sensoren handeln, die an den Ecken eines imaginären Rechtecks angeordnet sind und z.B. von einem Träger der Sensoranordnung getragen werden, der quaderförmig oder rahmenförmig ausgestaltet ist. Alternativ kann der Träger z.B. ein kreuzförmiger Träger sein, wobei jeweils ein Sensor im Endbereich jedes der vier Schenkel des Kreuzes angeordnet ist. Auch fünf Sensoren können gleichzeitig auf die Oberfläche der ebenen Kalibrierfläche ausgerichtet sein und deren Koordinaten messen. Dabei können z.B. vier der Sensoren wieder auf den Ecken eines imaginären Rechtecks angeordnet sein und der fünfte Sensor im Schnittpunkt der Diagonalen, die die gegenüberliegenden Eckpunkte verbinden. Z.B. kommt wiederum ein kreuzförmiger Träger für eine solche Anordnung der Sensoren infrage.
Bei der Messung der Koordinaten der ebenen Kalibrierfläche können redundante, zusätzliche Sensoren verwendet werden, wobei unter „redundant“ verstanden wird, dass durch die von dem oder den redundanten Sensor/Sensoren gemessenen Koordinaten nicht zwingend für die Bestimmung des geometrischen Fehlers erforderlich sind. Durch die redundante Information kann aber insbesondere geprüft werden, ob die Messsignale und/oder die ermittelten Koordinaten der Oberfläche plausibel sind. Z.B. können auf diese Weise Fehlfunktionen eines oder mehrerer Sensoren entdeckt werden. In diesem Fall werden z.B. die Messwerte des nicht oder nicht vollständig funktionsfähigen Sensors nicht für die Bestimmung der geometrischen Fehler berücksichtigt. Alternativ oder zusätzlich können durch die redundanten Informationen über die Koordinaten der Oberfläche der ebenen Kalibrierfläche Mittelwerte und/oder Modelle des Oberflächenverlaufs der Kalibrierfläche gebildet werden, die so genannte kurzperiodische Schwankungen der Oberflächenkoordinate ausmitteln (im Fall des Mittelwertes) oder erkennen lassen (im Fall des Modells). Solche kurzperiodischen Schwankungen können aufgrund der Tatsache auftreten, dass auch ein sehr gutes Flächennormal nicht vollständig eben ist. Je nach Größe des Oberflächenfehlers des Normals und je nach Messgenauigkeit der Sensoren kann der Fehler des Normals die Bestimmung des geometrischen Fehlers des KMG beeinträchtigen. Aufgrund der redundanten Information mehrerer Sensoren kann daher die Genauigkeit der Bestimmung des geometrischen Fehlers des KMG verbessert werden.
Oben wurde bereits erwähnt, dass die Sensoranordnung einerseits und die ebene Kalibrierfläche andererseits in unterschiedlicher Weise relativ zueinander bewegt werden können, um die verschiedenen Relativpositionen einzustellen, wobei die Position in Ausrichtung der Kalibrierfläche relativ zu dem Messtisch unverändert bleibt. Die relative Bewegung der Sensoranordnung und der Kalibrierfläche kann insbesondere so ausgeführt werden, dass der von einem Sensor der Sensoranordnung beobachtete Punkt bzw. Bereich auf der Oberfläche der Kalibrierfläche (d.h. der Sensor ist auf diesen Punkt oder Bereich ausgerichtet und misst die Koordinate dieses Punktes oder Bereichs bezüglich der quer zur Oberfläche verlaufenden Koordinatenachse) sich entlang einem Bewegungspfad verlagert. Wie oben bereits erwähnt, kann der Bewegungspfad z.B. geradlinige Abschnitte aufweisen. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Vielmehr kann der Bewegungspfad alternativ lediglich aus gekrümmten Abschnitten bestehen. Auch ist es nicht erforderlich, dass die Koordinaten der Oberfläche der Kalibrierfläche kontinuierlich entlang dem Verlauf des Bewegungspfades gemessen werden. Vielmehr kann z.B. jeweils die Koordinate eines Punktes oder kleinen Bereichs der Oberfläche der Kalibrierfläche gemessen werden, dann eine andere Relativposition eingestellt werden und wieder ein Punkt oder kleiner Bereich vermessen werden usw. Insbesondere kann der Bewegungspfad zumindest eine Kreuzung aufweisen, an der er sich selbst kreuzt. In jedem Fall wird bevorzugt, dass möglichst über die gesamte Erstreckung der Kalibrierfläche Koordinaten von Oberflächenpunkten oder kleinen Oberflächenbereichen mit der Sensoranordnung gemessen werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Die einzelnen Figuren der Zeichnung zeigen:

1 ein Koordinatenmessgerät mit einem Kreuztisch und einer in vertikaler Richtung verfahrbaren Halterung zum Halten eines Tasters oder einer Sensoranordnung,
2 eine Darstellung zur Veranschaulichung translatorischer Fehler,
3 eine Darstellung zur Veranschaulichung rotatorischer Fehler,
4 eine Ansicht von schräg unten auf einen Messkopf, an dem ein taktiler Taster zum Abtasten von Werkstückoberflächen befestigbar ist, an dem aber in dem dargestellten Zustand eine Sensoranordnung angeordnet ist,
5 ein Kalibriernormal mit einer ebenen Kalibrierfläche und zwei erhöhten Seitenrändern, wobei die in 4 dargestellte Anordnung in vorzugsweise geringem Abstand oberhalb der Kalibrierfläche angeordnet ist, um mit ihren Sensoren Koordinaten der Kalibrierfläche berührungslos zu messen,
6 eine Darstellung ähnlich der in 4, wobei jedoch zwei der Sensoren an anderen Stellen eines Sensorträgers der Sensoranordnung angeordnet sind als im Fall der 4, um die Oberflächen der seitlichen Ränder des in 5 dargestellten Kalibriernormals abzutasten,
7 eine Darstellung ähnlich der in 5, wobei die Sensoranordnung in dem in 6 gezeigten Zustand dabei ist, einen ersten seitlichen Rand des Kalibriernormals abzutasten,
8 eine Darstellung ähnlich der in 7, wobei die Sensoranordnung gezeigt ist, während sie einen zweiten seitlichen Rand eines Kalibriernormals abtastet,
9 ein Flussdiagramm, das schematisch Schritte der Bestimmung eines geometrischen Fehlers eines KMG darstellt und
10 schematisch die Anordnung von zwei Sensoren, die gleichzeitig den Abstand zu einer ebenen Kalibrierfläche messen.

Das in 1 dargestellte Koordinatenmessgerät 1 ist ein Beispiel für ein KMG, dessen geometrische Fehler gemäß der vorliegenden Erfindung ermittelbar sind. Alternative Konstruktionen von Koordinatenmessgeräten wurden bereits genannt.
Das KMG 1 weist eine Basis 11 auf, die sich z.B. auf einem Boden abstützt und die während des Betriebes des KMG 1 nicht bewegt wird. Rechts in 1 ist ein kartesisches Koordinatensystem X, Y, Z dargestellt. Die Oberfläche der Basis 11 verläuft im Wesentlichen in X-Richtung und Y-Richtung. Auf der Basis 11 ist ein Wagen 12 angeordnet, der entlang von in Y-Richtung verlaufenden Führungen 13a, 13b relativ zu der Basis 11 in Y-Richtung beweglich ist. Auf dem Wagen 12 wiederum ist ein Messtisch 14 angeordnet, der entlang von in X-Richtung verlaufenden Führungen 15a, 15b relativ zu dem Wagen 12 beweglich ist.
Die Bewegungen des Wagens 12 und des Messtischs 14 werden insbesondere über nicht dargestellte motorische Antriebe angetrieben. Der Messtisch 14 und der Wagen 12 bilden auf diese Weise gemeinsam mit den Führungen 13, 15 und den Antrieben einen Kreuztisch.
Auf dem Messtisch 14 ist ein Kalibriernormal 4 angeordnet, das eine ebene Kalibrierfläche aufweist, deren obere Oberfläche sich in X-Richtung und Y-Richtung erstreckt. In dem Ausführungsbeispiel ist das Kalibriernormal 4 über eine Drei-Punkt-Lagerung auf einer Oberfläche des Messtischs 14 aufgestellt. In 1 sind zwei Aufstandspunkte 16a, 16b der Drei-Punkt-Lagerung erkennbar. Die Anordnung der drei Aufstandspunkte der Drei-Punkt-Lagerung ist insbesondere aus 5, 7 und 8 erkennbar.
Das KMG 1 weist außerdem einen Ständer 17 auf, der an seinem in 1 nach rechts vorne weisenden Bereich einen in Z-Richtung beweglichen Schlitten 18 aufweist. In dem in 1 dargestellten Zustand hält ein Halter des Schlittens 18 einen Messkopf (nicht in 1 erkennbar, aber in 4 bis 8), an den wiederum eine Sensoranordnung 2 angekoppelt ist. Diese Sensoranordnung 2 weist eine Mehrzahl von Sensoren zur Bestimmung von Koordinaten von Oberflächenpunkten des Kalibriernormals 4 auf, insbesondere Abstandssensoren. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Halter des Schlittens 18 und/oder der Messkopf um die Z-Achse drehbeweglich, sodass die Sensoranordnung 2 um die Z-Achse gedreht werden kann.
2 und 3 veranschaulichen schematisch geometrische Fehler eines Koordinatenmessgeräts, z.B. des KMG 1 aus 1 oder eines anderen KMG. Solche geometrischen Fehler können während des Betriebes eines KMG auftreten. Wie oben bereits erläutert, ist unter einem geometrischen Fehler eine Abweichung zwischen einem vorgegebenen Zustand, einem erwarteten Zustand oder einem berechneten Zustand einerseits und einem tatsächlichen Zustand andererseits zu verstehen. Z.B. bezeichnet das Bezugszeichen 42 die vorgegebene, erwartete oder berechnete Position eines Teils des KMG in einem kartesischen Koordinatensystem X, Y, Z. Das Teil 30 ist schematisch als Quader dargestellt.
Das Bezugszeichen 44 weist auf eine in X-Richtung verschobene, tatsächliche Position des Teils 30 hin. Die Umrisse des Teils 30 sind dort gestrichelt dargestellt, um die Lage des Quaders erkennen zu können. Die tatsächliche Position ist um einen translatorischen Fehler XTX in der X-Richtung vorschoben.
Das Bezugszeichen 46 bezeichnet eine um den translatorischen geometrischen Fehler XTY in der Y-Richtung verschobene tatsächliche Position des Teils 30, wobei lediglich das nach vorne weisende Ende des Teils 30 dargestellt ist und der Quader auch in Z-Richtung verschoben ist. Entsprechend bezeichnet das Bezugszeichen 48 eine um den translatorischen Fehler XTZ verschobene tatsächliche Position des Teils 30, wobei wiederum lediglich das nach vorne weisende Ende des Teils 30 dargestellt ist und der Quader auch in Y-Richtung verschoben ist.
In 3 sind rotatorische Fehler bei Bewegung entlang einer Koordinatenachse, nämlich der Y-Achse, veranschaulicht. Das Teil 30 kann bei Bewegung in Richtung der Y-Achse gegenüber der vorgegebenen, erwarteten oder berechneten Ausrichtung um die X-Achse, um die Y-Achse und/oder um die Z-Achse gedreht werden, d.h. seine Ausrichtung ändern. Insgesamt gibt es daher neun mögliche Rotationen bei Bewegungen in Richtung der Achsen. Dargestellt sind in 3 die rotatorischen Fehler auf Grund von Rotationen um die X-Achse (Fehler YRX), um die Y-Achse (Fehler YRY) und um die Z-Achse (Fehler YRZ), jeweils bei Bewegung in Richtung der Y-Achse. Entsprechende rotatorische Fehler können für Rotationen bei Bewegungen in Richtung der X-Achse und der Z-Achse angegeben werden.
Die in 4 dargestellte Sensoranordnung 2 ist über eine mechanische Schnittstelle 7 an einen Messkopf 3 mechanisch und elektrisch angekoppelt. Bei der in 4 dargestellten Gesamtanordnung handelt es sich z.B. um die Anordnung, die in 1 unten an dem Halter angebracht ist und daher von dem Halter getragen und gehalten wird. Die Anordnung in 4 kann jedoch auch an einem anderen Koordinatenmessgerät angeordnet sein, z.B. an der Pinole eines KMG in Portalbauweise. Alternativ kann die Sensoranordnung 2 fest an dem Messkopf 3 oder an einem Gehäuse befestigt sein, wobei der Messkopf 3 oder das Gehäuse als Zwischenstück zur Befestigung der Sensoranordnung 2 an dem Halter dient. In jedem Fall kann der Halter zum Beispiel eine für die Koordinaten Messtechnik übliche mechanische Schnittstelle aufweisen, an der der Messkopf 3 oder das Gehäuse angekoppelt werden. Die elektrische Ankopplung der Sensoren der Sensoranordnung an die Messwerterfassung kann alternativ oder zusätzlich über separate, nicht dargestellte Kabel erfolgen.
Die Darstellung in 4 zeigt die Sensoranordnung 2 schräg von unten. Sie weist einen T-förmigen Träger mit einem Längsschenkel 2a und einem Querschenkel 2b auf, wobei der Längsschenkel 2a über ein zylindrisches Zwischenteil 2c mit der Schnittstelle 7 verbunden ist. Wenn der Messkopf während des normalen Messbetriebes eines KMG einen Taster trägt, ist dieser anstelle der Sensoranordnung 2 über die Schnittstelle 7 angekoppelt.
In dem Längsträger befindet sich im Bereich seines freien Endes ein Aufnahmeraum 8a zum Aufnehmen eines Abstandssensors, hier eines kapazitiven Sensors 5a. Der Aufnahmeraum 8a ist (wie auch weitere Aufnahmeräume 8b, 8c, 8e, 8f) in dem Ausführungsbeispiel zylindrisch, wobei der Aufnahmeraum mit quer zu seiner Längsachse verlaufenden Gewindebohrungen verbunden ist, in die eine Feststellschraube 6a z.B. aus Kunststoff eingeschraubt ist. Entsprechendes gilt für die Aufnahmeräume 8b und 8c, die sich im Bereich der einander gegenüberliegenden Enden des Querträgers 2b befinden. Die entsprechenden Feststellschrauben 6b, 6c sind an den stirnseitigen gegenüberliegenden Enden des Querträgers 2b zugänglich. In den Aufnahmeräumen 8b, 8c befindet sich ebenfalls jeweils ein Abstandssensor 5b, 5c. Die Abstandssensoren 5 werden jeweils durch Festziehen der zugeordneten Feststellschraube 6 in einer gegenwärtigen Position innerhalb des Aufnahmeraums 8 fixiert. Auf diese Weise kann auch die Position des Sensors 5 in der axialen Richtung (hier vertikale Richtung) des Aufnahmeraums 8 eingestellt werden. In dem in 4 dargestellten Zustand der Anordnung sind alle drei Abstandssensoren 5 nach unten ausgerichtet und parallel zueinander ausgerichtet. Um die Position der Abstandssensoren 5 auf gleichem Höhenniveau einzustellen, kann der Sensorträger 2a, 2b z.B. parallel zu einer ebenen Unterlage ausgerichtet werden, wobei die Abstandssensoren 5 noch nicht in den Aufnahmeräumen 8 fixiert sind. Die Abstandssensoren 5 liegen daher auf der ebenen Unterlage auf und ragen gleichweit nach unten aus dem Sensorträger 2a, 2b heraus. In diesem Zustand können nun die Feststellschrauben 6 angezogen werden und so die Abstandssensoren 5 fixiert werden.
In den in 4 nach rechts weisenden Oberfläche des Querträgers 2b befinden sich die Öffnungen von zwei weiteren Aufnahmeräumen 8e, 8f, die sowohl den benachbarten Aufnahmeraum 8c bzw. 8b als auch die gemeinsame zugehörige Gewindebohrung für die Feststellschraube 6c bzw. 6b kreuzen. Wie in 6 dargestellt, können daher die Abstandssensoren 5c, 5b alternativ in die Aufnahmeräume 8e, 8f eingebracht werden und wiederum durch Festziehen der Feststellschrauben 6c, 6b fixiert werden. Auf entsprechende Anwendungen der unterschiedlichen Zustände der Sensoranordnung wird noch eingegangen.
5 zeigt ein Kalibriernormal 4, das z.B. das in 1 dargestellte Kalibriernormal 4 ist. Es weist einen quaderförmigen und plattenförmigen Bereich mit ebener Oberfläche 4a als ebene Kalibrierfläche auf. Zwei der seitlichen Ränder 9a, 9b des Quaders sind jedoch erhöht, sodass sie nach oben über das Höhenniveau der ebenen Kalibrierfläche 4a hinausragen und dabei eine ebene Oberfläche 4b, 4c bilden, die senkrecht zueinander verläuft und ebenfalls senkrecht zu der ebenen Kalibrierfläche 4a verläuft. Bei Varianten eines solchen Kalibriernormals kann zumindest eine der beiden ebenen Flächen 4b, 4c in der Z-Richtung (rechts oben in 5 ist ein kartesisches Koordinatensystem dargestellt, die Z-Richtung ist die vertikale Richtung) länger ausgestaltet sein, d.h. die seitlichen Ränder 9a und/oder 9b würden höher nach oben in Z-Richtung aufragen. Dadurch würden sich zusätzliche Möglichkeiten der Bestimmung von geometrischen Fehlern ergeben, nämlich insbesondere Bestimmung der rotatorischen Fehler bei Bewegung in Richtung der Z-Achse.
5 zeigt einen möglichen Bewegungspfad 10, der in Serpentinen über nahezu die gesamte ebene Kalibrierfläche 4a verläuft. Z.B. beginnt der Bewegungspfad links vorne in der Figur und endet rechts hinten. Dabei wird die Ausrichtung der Sensoranordnung 2 relativ zu der ebenen Kalibrierfläche 4a vorzugsweise nicht verändert. Wenn dennoch kleine Veränderungen dieser Ausrichtung stattfinden, sind sie die Folge von rotatorischen Fehlern des KMG.
7 zeigt, wie die Sensoranordnung 2 in dem in 6 dargestellten Zustand die ebene Oberfläche 4c des erhöhten Seitenrandes 9b abtastet. Dazu wird die Sensoranordnung 2 in horizontaler Richtung, hier in Y-Richtung, entlang der ebenen Oberfläche 4c bewegt. Die ebene Oberfläche 4c verläuft parallel zur Y-Richtung und die ebene Oberfläche 4b verläuft parallel zur X-Richtung.
Die Sensoranordnung 2 kann in dem in 6 und 7 dargestellten Zustand der Sensoren um die Z-Achse gedreht werden und somit in die in 8 dargestellte Ausrichtung relativ zu der ebenen Kalibrierfläche 4a gebracht werden. In dieser Ausrichtung ist es möglich, mit den in horizontaler Richtung ausgerichteten Abstandssensoren 5b, 5c die ebene Oberfläche 4b des erhöhten Seitenrandes 9a abzutasten, wobei die Sensoranordnung 2 in X-Richtung entlang der ebenen Oberfläche 4b bewegt wird.
Unter Bezugnahme auf 9 und 10 sowie teilweise auf die bereits zuvor beschriebenen Figuren werden nun weitere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert. In dem ersten Verfahrensschritt S1 des in 9 dargestellten Flussdiagramms wird von zumindest zwei Abstandssensoren einer Sensoranordnung jeweils der Abstand zu einer ebenen Kalibrierfläche gemessen, auf die die Sensoren ausgerichtet sind. Allgemeiner formuliert, messen die beiden Sensoren gleichzeitig oder nacheinander jeweils die Koordinate eines Punktes oder eines kleinen Flächenbereichs der ebenen Kalibrierfläche. Die Messwerte sind dabei einer bestimmten Position und Ausrichtung der Sensoranordnung relativ zu der ebenen Kalibrierfläche zugeordnet, d.h. die Position und Ausrichtung ändert sich nicht, falls die Sensoren die Messwerte nicht gleichzeitig messen.
In Schritt S2, der gleichzeitig mit Schritt S1 ausgeführt werden kann, oder jedenfalls bevor sich die Position und Ausrichtung der Sensoranordnung relativ zu der Kalibrierfläche ändert, wird die Position der Sensoranordnung von dem Positionsbestimmungssystem des KMG ermittelt. Z.B. werden entsprechende Maßstäbe an Achsen des KMG abgelesen bzw. ausgewertet. Im Fall eines Kreuztischs werden z.B. die Werte der X-Achse und der Y-Achse des Kreuztischs und die Werte der Z-Achse des beweglichen Schlittens abgelesen. Die Ausrichtung der Sensoranordnung relativ zu der ebenen Kalibrierfläche wird vorzugsweise lediglich einmal vor der Aufnahme einer Reihe von Messwerten durch die Sensoren eingestellt und/oder ermittelt. Mit Ausnahme der unerwünschten geometrischen Fehler bleibt die Ausrichtung daher konstant.
In Schritt S3 werden die Messwerte der Abstandssensoren aus Schritt S1 den Positionswerten aus Schritt S2 zugeordnet. Alternativ kann zunächst zumindest ein geometrischer Fehler aus den Messwerten der Sensoren ermittelt werden, bevor das Ergebnis den Positionswerten oder der Position aus Schritt S2 zugeordnet wird.
Die zuvor beschriebenen Verfahrensschritte werden für eine Vielzahl von Relativpositionen der Sensoranordnung relativ zu der ebenen Kalibrierfläche wiederholt.
Als Ergebnis stehen geometrische Fehler bei verschiedenen Relativpositionen zur Verfügung, die in Schritt S4 ausgegeben werden. Jeder geometrische Fehler ist dabei abhängig von der Position, die aus dem Positionsbestimmungssystem des KMG berechnet wurde.
Anhand von 10 wird nun erläutert, wie aus den Messwerten von Koordinaten, die von zwei voneinander beabstandeten Sensoren gemessen werden, ein rotatorischer Fehler ermittelt werden kann. Bei den Sensoren handelt es sich z.B. um die Sensoren 5b, 5c der Sensoranordnung in 4 oder 6.
Die beiden Sensoren 5 sind auf eine ebene Kalibrierfläche 4a gerichtet, die z.B. die Kalibrierfläche aus 5 und 7 sein kann. Es wird erwartet bzw. entspricht dem fehlerfreien Zustand, dass die ebene Kalibrierfläche 4a senkrecht zu der Ausrichtung der Sensoren 5b, 5c verläuft, d.h. die Sensoren 5b, 5c denselben Abstand von der ebenen Kalibrierfläche 4a messen. Dies wäre in 10 die horizontale Ausrichtung. Tatsächlich aber verläuft die ebene Kalibrierfläche 4a (wie in 10 übertrieben dargestellt ist) geneigt gegen die Richtung, die senkrecht zu der Ausrichtung der Sensoren 5b, 5c verläuft.
In der Darstellung in 10 sind die Sensoren 5 senkrecht nach unten ausgerichtet. Sie weisen einen bekannten Abstand D zueinander auf. Aufgrund der Neigung der ebenen Kalibrierfläche 4a messen die Sensoren 5 unterschiedlich große Abstände zu der ebenen Kalibrierfläche 4a und die Differenz dieser Abstände ist mit h bezeichnet. Daraus kann nun der rotatorische Fehler um die senkrecht zu der Figurenebene von 10 verlaufende Achse berechnet werden, indem die Gleichung $tan (α) = h/D$
gelöst wird, d.h. der Arcustangens des Quotienten h/D berechnet wird. Als Ergebnis erhält man den Winkel α, der den Rotationsfehler angibt.
Um auf die in 5, 7 und 8 dargestellten Messsituationen zurückzukommen, können bei der in 5 dargestellten Vermessung der Oberfläche der ebenen Kalibrierfläche 4a zunächst der translatorische Fehler XTZ und der translatorische Fehler YTZ (d.h. jeweils die Verschiebung in Z-Richtung) aus den Messwerten jedes der Abstandssensoren 5a, 5b, 5c ermittelt werden. Da bezüglich der Bestimmung dieser geometrischen Fehler redundante Messwerte vorliegen, können z.B. Mittelwerte der Messwerte der drei Sensoren gebildet werden und/oder die Messwerte auf Plausibilität überprüft werden, um etwaige Fehlfunktionen oder fehlerhafte Kalibrierungen der Sensoren zu bemerken. Bei der Mittelwertbildung werden die Abstände der Sensoren berücksichtigt, d.h. es wird berücksichtigt, dass die Sensoren zum gleichen Zeitpunkt an unterschiedlichen Positionen messen. Da aber die Sensoranordnung bewegt wird, kann z.B. aber einer der Sensoren zu einem späteren Zeitpunkt auf einen Punkt der Kalibrierfläche ausgerichtet sein, der zu einem früheren Zeitpunkt von einem anderen der Sensoren vermessen wurde.
Außerdem können durch Auswertung der Messwerte der Sensoren 5b und 5c in der oben anhand von 10 erläuterten Weise der rotatorische Fehler XRX und der rotatorische Fehler YRX bestimmt werden.
Ferner kann durch Bildung des arithmetischen Mittelwertes der Signale der Sensoren 5b, 5c ein Wert ermittelt werden, der einem Sensor entsprechen würde, welcher in der Mitte des Querschenkels 2b in Verlängerung der Längsachse des Längsschenkels 2a des Sensorträgers angeordnet wäre und damit an derselben Y-Position wie der Sensor 5a liegen würde. Der berechnete arithmetische Mittelwert kann nun wie ein Sensorsignal behandelt werden und es können daraus wie oben anhand von 10 beschrieben sowohl der rotatorische Fehler YRY als auch der rotatorische Fehler XRY berechnet werden.
In der in 7 dargestellten Messsituation können mit den horizontal ausgerichteten Sensoren 5b, 5c zum einen der translatorische Fehler YTX als auch zum anderen der rotatorische Fehler YRZ jeweils in Abhängigkeit von der Y-Position entlang dem erhöhten Rand 9b bestimmt werden.
Dementsprechend können in der in 8 dargestellten Messsituation zum einen der translatorische Fehler XTY als auch zum anderen der rotatorische Fehler XRZ bestimmt werden, jeweils in Abhängigkeit von der X-Position entlang dem erhöhten Rand 9a.
Wie erwähnt könnte bei entsprechend höherem seitlichem Rand die Sensoranordnung 2 in den in 7 und 8 dargestellten Messsituationen auch in Z-Richtung bewegt werden, sodass die translatorischen Fehler ZTX und ZTY sowie der rotatorische Fehler ZRZ ermittelt werden können.
Wenn zusätzlich zu den horizontal ausgerichteten Sensoren 5b, 5c noch ein oder mehrere ebenfalls horizontal ausgerichtete Sensoren verwendet werden, der/die an einer anderen Z-Position als die Sensoren 5b, 5c angeordnet ist/sind, können in den in 7 und 8 dargestellten Messsituationen bei erhöhtem Seitenrand 9b bzw. 9b auch der rotatorische Fehler ZRY und der rotatorische Fehler ZRX ermittelt werden.
Anders als bei dem anhand von 4 bis 8 beschriebenen Sensorträger kann bei einem alternativen Sensorträger eine Mehrzahl von Sensoren gleichzeitig getragen werden, von denen zumindest zwei oder drei Sensoren (z.B. wie in 4 gezeigt) parallel nach unten ausgerichtet sind und gleichzeitig (z.B. wie in 6 gezeigt) zumindest zwei Sensoren oder mehr Sensoren horizontal ausgerichtet sind. Daher ist es nicht mehr erforderlich, die Sensoren in anderen Aufnahmeräumen zu platzieren oder auf andere Weise umzurichten. Es könnten daher die anhand von 5, 7 und 8 beschriebenen Messungen automatisch ohne Umrichten von Sensoren nacheinander ausgeführt werden.
Ferner ist es beim Bewegen der Sensorvorrichtung, z.B. der in 7 oder 8 dargestellten Sensoranordnung, entlang einer Kante eines Kalibriernormals möglich, dass gleichzeitig Messwerte von Koordinaten einer ersten ebenen Oberfläche (z.B. ebene Kalibrierfläche 4a) als auch einer zweiten ebenen Oberfläche (z.B. Oberfläche 4b oder 4c) aufgenommen werden.

Claims

Verfahren zum Ermitteln von geometrischen Fehlern eines Koordinatenmessgeräts (1), das einen Halter (18) zum Halten eines Tasters und einen Messtisch (14) zum Positionieren eines von dem Taster abzutastenden Messobjekts auf dem Messtisch (14) aufweist, wobei der Halter (18) und der Messtisch (14) relativ zueinander beweglich sind, um mit dem Taster die Oberfläche des Messobjekts abtasten zu können, und wobei: a) eine von dem Halter (18) gehaltene Sensoranordnung (2), die zumindest zwei voneinander beabstandete Sensoren (5a, 5b, 5c) aufweist, in verschiedene Relativpositionen relativ zu einer an dem Messtisch (14) angeordneten ebenen Kalibrierfläche (4a) gebracht wird, b) dabei die Relativpositionen der Sensoranordnung (2) relativ zu der Kalibrierfläche (4a) bezüglich zweier voneinander unabhängiger translatorischer Bewegungs-Freiheitsgrade (X, Y) variiert werden, die entlang der Oberfläche der Kalibrierfläche (4a) verlaufen, und zwar ohne die Position und Ausrichtung der Kalibrierfläche (4a) relativ zu dem Messtisch (14) zu verändern, c) in den verschiedenen Relativpositionen der Sensoranordnung (2) relativ zu der Kalibrierfläche (4a) von den zumindest zwei Sensoren (5a, 5b, 5c) an unterschiedlichen Flächenpositionen der Kalibrierfläche (4a) jeweils Koordinaten der Kalibrierfläche (4a) gemessen werden, wobei die Koordinaten bezüglich einer Koordinatenachse definiert sind, die quer zur Oberfläche der Kalibrierfläche (4a) verläuft, d) jeweils vor, während und/oder nach der Messung der Koordinaten der Kalibrierfläche (4a) mit einem Positionsbestimmungssystem des Koordinatenmessgeräts (1) Positionswerte bestimmt werden, die momentanen Relativpositionen des Halters (18) und des Messtischs (14) entsprechen, e) die gemessenen Koordinaten der Kalibrierfläche (4a) den mit dem Positionsbestimmungssystem bestimmten Positionswerten zugeordnet werden und aus den Koordinaten die geometrischen Fehler des Koordinatenmessgeräts (1) in Abhängigkeit von der Relativposition des Halters (18) und des Messtischs (14) ermittelt werden.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei aus den Koordinaten in Schritt e) gemäß Anspruch 1 rotatorische geometrische Fehler des Koordinatenmessgeräts (1) bezüglich zweier linear unabhängiger Koordinatenachsen ermittelt werden, die entlang der Oberfläche der Kalibrierfläche (4a) verlaufen, und zwar in Abhängigkeit der Relativposition der Halterung relativ zu dem Messtisch (14).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die ebene Kalibrierfläche (4a) in den Richtungen zweier linear unabhängiger Koordinatenachsen, die entlang der Oberfläche der Kalibrierfläche (4a) verlaufen, über den gesamten Messbereich erstreckt, in dem sich Bereiche von Messobjekten befinden können, die von einem an dem Halter (18) angeordneten Taster vermessbar sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die von dem Halter (18) gehaltene Sensoranordnung (2) in verschiedene Relativpositionen relativ zu der an dem Messtisch (14) angeordneten ebenen Kalibrierfläche (4a) gebracht wird, indem der Messtisch (14) in zwei quer zueinander verlaufenden Bewegungsrichtungen, die entlang der Oberfläche des Messtischs (14) verlaufen, bewegt wird.
Anordnung zum Ermitteln von geometrischen Fehlern eines Koordinatenmessgeräts (1), das einen Halter (18) zum Halten eines Tasters und einen Messtisch (14) zum Positionieren eines von dem Taster abzutastenden Messobjekts auf dem Messtisch (14) aufweist, wobei der Halter (18) und der Messtisch (14) relativ zueinander beweglich sind, um mit dem Taster die Oberfläche des Messobjekts abtasten zu können, und wobei die Anordnung aufweist: • das Koordinatenmessgerät (1), • eine Sensoranordnung (2), die zumindest zwei voneinander beabstandete Abstandssensoren (5a, 5b, 5c) aufweist, wobei die Abstandssensoren (5a, 5b, 5c) ausgestaltet sind, gleichzeitig an unterschiedlichen Oberflächenpositionen Koordinaten einer ebenen Oberfläche bezüglich einer Koordinatenachse zu messen, die quer zu der Oberfläche verläuft, wobei die Abstandssensoren (5a, 5b, 5c) den Abstand zu der Oberfläche und dadurch die jeweilige Koordinate messen, • eine an dem Messtisch (14) angeordnete ebene Kalibrierfläche (4a), • eine Steuerung des Koordinatenmessgeräts (1), die ausgestaltet ist, eine Bewegung der von dem Halter (18) gehaltenen Sensoranordnung (2) in verschiedene Relativpositionen relativ zu der Kalibrierfläche (4a) zu steuern, wobei die Relativpositionen der Sensoranordnung (2) relativ zu der Kalibrierfläche (4a) bezüglich zweier voneinander unabhängiger translatorischer Bewegungs-Freiheitsgrade (X, Y) variiert werden, die entlang der Oberfläche der Kalibrierfläche (4a) verlaufen, und zwar ohne die Position und Ausrichtung der Kalibrierfläche (4a) relativ zu dem Messtisch (14) zu verändern, • eine Auswertungseinrichtung, die ausgestaltet ist, in den verschiedenen Relativpositionen der Sensoranordnung (2) relativ zu der Kalibrierfläche (4a) von den zumindest zwei Abstandssensoren (5a, 5b, 5c) gemessene Koordinaten der Kalibrierfläche (4a) Positionswerten zuzuordnen, die zum Zeitpunkt der Messung der Koordinaten der Kalibrierfläche (4a) der momentanen Relativposition des Halters (18) und des Messtischs (14) entsprechen, und dadurch die geometrischen Fehler des Koordinatenmessgeräts (1) in Abhängigkeit von der Relativposition des Halters (18) und des Messtischs (14) zu ermitteln.
Anordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Auswertungseinrichtung ausgestaltet ist, aus den Koordinaten der Kalibrierfläche (4a) rotatorische geometrische Fehler des Koordinatenmessgeräts (1) bezüglich zweier linear unabhängiger Koordinatenachsen zu ermitteln, die entlang der Oberfläche der Kalibrierfläche (4a) verlaufen, und zwar in Abhängigkeit der Relativposition des Halters (18) relativ zu dem Messtisch (14).
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 oder 6 wobei die Sensoranordnung (2) drei jeweils paarweise zueinander beabstandete Abstandssensoren (5a, 5b, 5c) aufweist, die auf die Oberfläche der ebenen Kalibrierfläche (4a) ausgerichtet sind und an den Eckpunkten eines imaginären Dreiecks angeordnet sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 7 wobei sich die ebene Kalibrierfläche (4a) in den Richtungen zweier linear unabhängiger Koordinatenachsen (X, Y), die entlang der Oberfläche der Kalibrierfläche (4a) verlaufen, über den gesamten Messbereich erstreckt, in dem sich Bereiche von Messobjekten befinden können, die von einem an dem Halter (18) angeordneten Taster vermessbar sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 8 wobei das Koordinatenmessgerät (1) eine Basis aufweist, auf der der Messtisch (14) in zwei quer zueinander verlaufenden Bewegungsrichtungen (X, Y), die entlang der Oberfläche des Messtischs (14) verlaufen, beweglich gelagert ist.