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Die Erfindung betrifft ein Korrekturverfahren für die Messung mit einem Koordinatenmessgerät.
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Aus der Praxis sind eindimensionale optische Distanzsensoren bekannt, bei welchen aus der Laufzeit der von einem Sender emittierten Strahlung zu einem Objekt und wieder zurück die Distanz zwischen Objekt und optischem Sensor bestimmt wird.
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Eindimensionale taktile Antastsysteme sind zum Beispiel aus der
DE 196 41 720 A bekannt. Eindimensionale optische Sensoren werden zum Beispiel in der
DE 10 2004 031 024 C5 beschrieben. Eindimensionale optische Sensoren werden auch in Koordinatenmessgeräten (KMG) eingesetzt. Allerdings wird das Problem von Messfehlern aufgrund einer möglichen Verkippung zwischen Messrichtung des Sensors und Oberflächennormale nicht behandelt.
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Durch die Verkippung kann es zu einem Positionsversatz zwischen Sollpunkt und Messpunkt senkrecht zur Messrichtung des Sensors kommen, wenn die Oberflächennormale gegenüber der Ausrichtung des Sensors verkippt ist. Dieser Fehler wird umso größer, je größer der Messbereich des Sensors und damit der Abstand zum messenden Objekt ist. An einer Ebene führt diese Verkippung zu einem Parallelversatz, so dass zumindest die Formgröße des zu messenden Objektes erhalten bleibt. An einer gekrümmten Oberfläche kann eine Verkippung zu Fehlern in den Messungen führen. Bei einer taktilen Antastung mit einem 3D-Taster entstehen diese Probleme nicht, da zum Beispiel bei einer Tastkugel der Berührpunkt bei Vernachlässigung von Reibungskräften zu einer Antastnormalen senkrecht zur Materialoberfläche führt.
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Dass dieses Problem bei einem 3D-Taster nicht auftritt, zeigt die
DE 197 39 674 A1 mit einem Verfahren zur Radiuskorrektur bei Koordinatenmessgeräten, bei dem von einem Tastermittelpunkt in Richtung der lokalen Flächennormalen mit dem Tasterradius auf den Oberflächenpunkt geschlossen wird und bei dem lokale Abweichungen der Messpunkte von der Messlinie genutzt werden, um die lokale Flächennormale zu bestimmen. Gemäß diesem zum Stand der Technik gehörenden Verfahren wird eine Oberfläche gescannt und mehrere Abrollpunkte geben einen Rückschluss auf die Oberfläche. Aus mehreren hieraus bestimmten Ist-Normalen wird eine Radiuskorrektur vorgenommen. Dieses Verfahren ist bei 3D-Tastern, jedoch nicht bei eindimensionalen Sensoren einsetzbar.
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Weiterhin gehört zum Stand der Technik eine Veröffentlichung
"Prüfen von Werkstücken mit gekrümmten Flächen auf Koordinatenmessgeräten", Aufsatz von A. Weckenmann und B. Gawande in "Technisches Messen tm", 54. Jahrgang, Heft 7/8/1987, Seite 277 bis Seite 284, in der ein Verfahren beschrieben ist, bei dem mit einem Taster ein Werkstück angetastet wird. Die Berührkraft bei einem derartigen Taster weist in Richtung der Oberflächennormalen. Bei einer Änderung der Sollnormalenrichtung oder der Istnormalenrichtung ändern sich die Radiuszuordnungen. In diesem Fall ist es bei einer dreidimensionalen Antastung, wie sie gemäß diesem Stand der Technik beschrieben ist, jedoch möglich, eine Istnormale zu bestimmen, wenn die Sollnormale nicht bekannt ist.
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Je nach Krümmungsänderungen oder bei großer Oberflächenrauheit können Fehler beim Berechnen der Istnormalen auftreten. In diesem Fall wird eine ”Pseudotastfläche” berechnet, die gebildet wird durch den geometrischen Ort aller möglichen Tastkugelmittelpunkte beim Antasten an die geometrische ideale Fläche.
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Dieses zum Stand der Technik gehörende Verfahren weist den Nachteil auf, dass es ebenfalls nicht bei eindimensionalen Sensoren, beispielsweise optischen Sensoren einsetzbar ist.
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Darüber hinaus gehört eine Vorrichtung zur Messung der Geometrie von Kanten zum Stand der Technik (
DE 10 2006 064 545 A1 ). Gemäß diesem Stand der Technik werden bei einer dreidimensionalen Kantengeometrie an mehreren Stellen Kantenprofile aufgenommen und es wird dazwischen interpoliert. Es wird eine Relativbewegung zwischen der Kante und einer Messstelle mindestens einer Abstandsmesseinrichtung durchgeführt. Über die Winkeländerungen werden Flächen- oder Linieninformationen ermittelt. Dieses zum Stand der Technik gehörende Verfahren weist den Nachteil auf, dass mit der Messeinrichtung Relativbewegungen durchgeführt werden müssen, um Informationen über das Werkstück zu erhalten, wodurch sich der Messaufwand vergrößert.
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Das der Erfindung zugrunde liegende technische Problem besteht darin, ein Korrekturverfahren für die Messung mit einem eindimensionalen oder zweidimensionalen Sensor mit einem Koordinatenmessgerät anzugeben, welches die genannten Nachteile nicht aufweist.
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Dieses technische Problem wird mit einem Korrekturverfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Das erfindungsgemäße Korrekturverfahren für die Messung mit einem Koordinatenmessgerät mit einem eindimensionalen oder zweidimensionalen Sensor zeichnet sich dadurch aus, dass Abstandsfehler, die in einer Messrichtung entstehen, über eine Lage einer Sollnormalen aus Solldaten zur Korrektur von Messpunkten senkrecht zur Sollnormalen unmittelbar korrigiert werden.
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Die Erfindung löst das Problem des Versatzes zwischen Soll- und Istpunkten für eindimensionale Sensoren oder zweidimenionale Sensoren dadurch, dass eine neue verbesserte Messposition für eine weitere Messung berechnet wird oder aber in einem weiteren Verfahren der Messpunkt automatisch um den Versatz korrigiert wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird der Messpunkt senkrecht zur Sollnormalen bis in einen Schnittpunkt mit der Sollnormalen verschoben. Hierdurch erhält man einen an den Istpunkt zumindest angenäherten Messpunkt. Bei planen Oberflächen liegt der korrigierte Wert nach der Korrektur in dem Ist-Punkt, da der gemessene Wert entlang der Oberfläche bis zum Schnittpunkt mit der Sollnormalen verschoben wird. Bei gekrümmten Oberflächen erhält man einen an den Ist-Punkt angenäherten Messpunkt, da der gemessene Wert nicht auf der Oberfläche verschoben wird, sondern auf einer Senkrechten zur Sollnormalen bis in den Schnittpunkt mit der Sollnormalen.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass durch die Korrektur ein neuer Sollpunkt für eine erneute Antastung generiert wird. Durch die Berechnung eines neuen Sollpunktes aus dem berechneten Versatz kann an einer korrigierten Position eine erneute Messung durchgeführt werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass in einem ersten Schritt ein Sollpunkt generiert und angetastet wird und anschließend iterativ aus dem jeweils ermittelten Antastpunkt ein neuer verbesserter Sollpunkt für die nächste Antastung generiert wird, bis eine erforderte Genauigkeit erreicht ist.
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Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass hierdurch das Korrekturverfahren zu genaueren Messwerten führt.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass während eines kontinuierlichen Messvorganges (Scannen) gewonnene Messpunkte über einen Vergleich mit den Solldaten mit dem Verfahren unmittelbar korrigiert werden. Hierdurch lässt sich die Genauigkeit eines Antastvorganges in Form eines Scanverfahrens deutlich erhöhen.
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Vorteilhaft wird für die Messung ein berührungsloser Sensor verwendet. Es besteht die Möglichkeit, einen optischen und/oder magnetischen und/oder induktiven Sensor zu verwenden. Grundsätzlich lässt sich das erfindungsgemäße Korrekturverfahren auch mit einem ein- oder zweidimensionalen taktilen Sensor durchführen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich anhand der zugehörigen Zeichnung, in der mehrere Ausführungsbeispiele eines Antastvorganges nur beispielhaft dargestellt sind. In der Zeichnung zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Ausrichtung eines Sensors senkrecht zu der Materialoberfläche;
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2 eine nicht senkrechte Ausrichtung von dem Sensor zur Materialoberfläche;
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3 einen Antastvorgang an einer gekrümmten Oberfläche;
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4 ein Antastverfahren mit Berechnung eines neuen Sollpunktes.
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1 zeigt einen Sensor 1 mit einer Messrichtung in Richtung des Pfeiles D →S.
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Ein Werkstück 2 weist eine tatsächliche Materialoberfläche 3 auf mit einer Sollnormalen n → der Materialoberfläche. In 1 ist die tatsächliche Materialoberfläche 3 und eine erwartete Materialoberfläche 4 eingezeichnet. Der Versatz zwischen den Materialoberflächen 3 und 4 wird beispielsweise durch die Aufspannung des Werkstückes 2 verursacht. Grundsätzlich ist die Kontur des Werkstückes 2 bekannt. Das Werkstück 2 wird zur Vermessung aufgespannt und anschließend mit dem Sensor 1 angetastet. Im in 1 dargestellten Beispiel ist das Werkstück 2 weiter hinten als gefordert aufgespannt. Durch die senkrechte Ausrichtung der Messrichtung D →S zu der Materialoberfläche 3 entstehen bei der Antastung gemäß 1 keine Probleme, da der Sensor 1 den Abstand zu der tatsächlichen Materialoberfläche 3 problemlos bestimmen kann.
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Mit dem Sensor 1 lässt sich der Sollwert des Punktes P →s bestimmen. Im vorliegenden Beispiel entspricht der Istwert P →i dem Messwert P →v.
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Gemäß 2 ist die Oberfläche 2 des Werkstückes 2 nicht senkrecht zu einer Messrichtung D →S des Sensors 1 ausgerichtet, das heißt die Sollnormale n → der Materialoberfläche fluchtet nicht mehr mit der Messrichtung D →S.
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In diesem Fall besteht auch wieder ein Versatz der erwarteten Materialoberfläche 4 gegenüber der tatsächlichen Materialoberfläche 3 entweder durch die Aufspannung des Werkstückes 2 oder durch abweichende Konturen des Werkstückes 2. Damit weichen der Messwert P →v und der Istwert P →i voneinander ab. Wäre die tatsächliche Materialoberfläche 3 dort angeordnet, wo die erwartete Materialoberfläche 4 liegt, würde der Sollwert P →s gemessen, der dann gleich P →v und gleich P →i wäre.
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Im vorliegenden Fall wird jedoch der tatsächliche Messwert P →v ermittelt. Dieser weicht von dem eigentlich zu messenden Wert, dem Istwert ab.
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Das bedeutet, dass der Istwert gemäß folgender Formel bestimmt wird P →i = P →s + (n →·(P →v – P →s))·n → mit
- P →i:
- Korrigierter Messpunkt (Istpunkt)
- P →v:
- Gemessener Oberflächenpunkt
- P →s:
- Erwarteter Messpunkt (Sollpunkt)
- n →:
- Sollnormale der Materialoberfläche.
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Da der Sensor 1 den Messwert P →v bestimmt, wird mit dem Korrekturverfahren der Istwert P →i berechnet und P →v wird damit korrigiert.
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3 zeigt den Sensor 1, der eine gekrümmte Materialoberfläche eines Werkstückes 5 antastet. Die tatsächliche Materialoberfläche ist wieder mit 3 bezeichnet, die erwartete Materialoberfläche mit 4.
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Der Sensor 1 tastet den tatsächlichen Messwert P →v an, da er in Bezug auf die erwartete Materialoberfläche 4 den Sollwert P →s antasten soll. Durch den Versatz der tatsächlichen Werkstückoberfläche 3 wird jedoch der Messwert P →v gemessen.
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Der Istwert P →i, das heißt der korrigierte Wert, wird näherungsweise mit der gleichen Formel wie gemäß 2 bestimmt, nämlich P →i ≈ P →s + (n →·(P →v – P →s))·n →.
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Das Korrekturverfahren ist hinreichend genau, wenn der Wert P →i auch bei gekrümmten Oberflächen gemäß der Formel P →i = P →s + (n →·(P →v – P →s))·n → bestimmt wird, wobei
- n →:
- Sollnormale der Materialoberfläche
- P →i:
- Korrigierter Messpunkt (Istpunkt)
- P →s:
- Erwarteter Messpunkt (Sollpunkt)
- P →v:
- Gemessener Oberflächenpunkt
ist.
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Es erfolgt gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren also ein Verschieben des Messwertes P →v senkrecht zur Sollnormalen n → bis in einen Schnittpunkt mit der Sollnormalen n →. Hierdurch erhält man einen an den tatsächlichen Ist-Punkt P →iA angenäherten Wert.
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Soll eine größere Genauigkeit erreicht werden, das heißt der Punkt P →i noch exakter bestimmt werden, ist ein iteratives Verfahren, wie in 4 beschrieben, vorteilhaft.
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In einem geänderten Ausführungsbeispiel gemäß 4 ist eine tatsächliche Materialoberfläche 3 und eine erwartete Materialoberfläche 4 dargestellt. Die erwartete Materialoberfläche 4 ist als Ebene ausgebildet. Die tatsächliche Materialoberfläche 3 weist einen Rücksprung 6 auf.
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Die Antastung des Sollwertes P →s in Messrichtung D →1 ergibt einen tatsächlichen Messwert P →v. Aus P →v wird mit dem erfindungsgemäßen Korrekturverfahren gemäß der Formel P →i = P →s + (n →·(P →v – P →s))·n → berechnet, wobei
- n →:
- Sollnormale der Materialoberfläche
- P →i:
- Korrigierter Messpunkt (Istpunkt)
- P →s:
- Erwarteter Messpunkt (Sollpunkt)
- P →v:
- Gemessener Oberflächenpunkt
ist.
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Der Istwert P →i wird entsprechend berechnet. Dieser Istwert P →i liegt jedoch aufgrund des Rücksprunges 6 nicht auf der tatsächlichen Materialoberfläche 3.
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Aus diesem Grunde wird ein iteratives Verfahren durchgeführt. Iterativ wird aus dem ermittelten Antastpunkt P →i ein neuer verbesserter Sollpunkt P →i' für die nächste Antastung generiert. Hierbei wird ein erneuter Messwert P →v' ermittelt, aus dem mit größerer Genauigkeit der Istwert P →i' ermittelt werden kann. Durch dieses iterative Verfahren wird das Korrekturverfahren genauer.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sensor
- 2
- Werkstück
- 3
- tatsächliche Materialoberfläche
- 4
- erwartete Materialoberfläche
- 5
- Werkstück
- 6
- Rücksprung
- n →
- Sollnormale der Materialoberfläche
- P →s
- Sollwert
- P →i
- Istwert
- P →v
- Messwert
- D →S
- Messrichtung
- D →1
- Messrichtung
- D →2
- Messrichtung
- P →s'
- korrigierter Sollwert
- P →i'
- korrigierter Istwert
- P →v'
- Messwert
- P →iA
- an Istpunkt P →i angenäherter Messwert
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19641720 A [0003]
- DE 102004031024 C5 [0003]
- DE 19739674 A1 [0005]
- DE 102006064545 A1 [0009]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- ”Prüfen von Werkstücken mit gekrümmten Flächen auf Koordinatenmessgeräten”, Aufsatz von A. Weckenmann und B. Gawande in ”Technisches Messen tm”, 54. Jahrgang, Heft 7/8/1987, Seite 277 bis Seite 284 [0006]
