DE102015226387A1

DE102015226387A1 - Verfahren zur Durchführung von Messungen mit einem Prüfelement in einem Koordinatenmessgerät oder einer Werkzeugmaschine

Info

Publication number: DE102015226387A1
Application number: DE102015226387.8A
Authority: DE
Inventors: Dominik Seitz; Rainer Sagemüller
Original assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2015-12-21
Filing date: 2015-12-21
Publication date: 2017-06-22
Anticipated expiration: 2035-12-22
Also published as: DE102015226387B4; GB2547088B; GB201621637D0; US20170176164A1; GB2547088A; US10281255B2

Abstract

Verfahren zur Durchführung von Messungen mit einem Prüfelement (5; 320), umfassend: – Anordnen (S1) eines Prüfelements in einem Messbereich einer Koordinatenmessvorrichtung (1211), wobei das Prüfelement an einer Basis (1201) der Koordinatenmessvorrichtung oder an/auf einem ersten, drehbaren Teil (206) einer innerhalb des Messbereiches angeordneten Drehvorrichtung (201) angeordnet wird und wobei das Prüfelement (5; 320) relativ zu der Basis (1201) oder zu dem ersten Teil (206) in einer ersten Pose angeordnet wird, – Durchführen (S2) einer Messung unter Einbeziehung des Prüfelements in der ersten Pose, – Anordnen (S4) des Prüfelements mit der Bewegungseinrichtung (1202, 1203, 1204, 1205, 1207, 1208, 1210) in einer zweiten Pose an der Basis oder an dem ersten Teil mit der Bewegungseinrichtung, – Durchführen (S5) einer Messung unter Einbeziehung des Prüfelements in der zweiten Pose.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung von Messungen mit einem Prüfelement in einem Koordinatenmessgerät oder einer Werkzeugmaschine, wobei in dem Verfahren das Prüfelement in einer anderen Pose angeordnet wird.
Die Genauigkeitsansprüche an die Positionierung von Drehachsen, beispielsweise Drehgelenken oder Drehvorrichtungen, die in Koordinatenmessgeräten (KMG) oder Werkzeugmaschinen eingesetzt werden, übersteigen häufig die Genauigkeiten der Messsysteme der Drehachsen, beispielsweise eines Winkelmesssystems. Daher ist es üblich, den Fehler des Messsystems oder eines darin enthaltenen Maßstabes in einer geeigneten Art und Weise zu erfassen und nachgelagert zu korrigieren, beispielsweise im Messbetrieb.
Eine mögliche Variante zur Erfassung eines Positionsfehlers einer Drehachse ist die Erfassung des Fehlers mittels eines Spiegelpolygons, bei dem Winkel zwischen den Spiegelflächen exakt bekannt sind. Bei einem solchen Spiegelpolygon handelt es sich um eine Anordnung aus Spiegelflächen, die um einen gemeinsamen Drehpunkt angeordnet sind. Bekannt sind beispielsweise 8-flächige und bis zu 36-flächige Polygone. Die Winkel zwischen den Spiegelflächen sind exakt bekannt, da sie von zertifizierten Stellen hochgenau ermittelt wurden.
Stellt man ein genanntes Polygon auf eine Drehachse, bei welcher der Fehler des Winkelmesssystems ermittelt werden soll, können die Winkel des Polygons beispielsweise in einem Autokollimationsfernrohr oder einem anderen geeigneten Winkelmessgerät vermessen werden. Die Abweichungen zwischen Sollwinkeln des Kalibrierscheins des Polygons und den vom Winkelmesssystem angezeigten Winkeln sind dann Fehler des Winkelmesssystems oder seines Maßstabs selber.
Dieses Verfahren bietet jedoch u.a. folgende Nachteile:

– Eingeschränkte Kalibriergenauigkeit. Die Genauigkeit der Ermittlung des Fehlers des Winkelmesssystems steigt mit der Anzahl an Spiegelflächen. Je mehr Spiegelflächen vorhanden sind, desto genauer kann kalibriert werden. Polygone mit mehr als 36 Flächen sind allerdings nicht mehr praktikabel.
– Ein geeichtes Polygon ist schwer zu beschaffen, da in der Regel mit langen Lieferzeiten zu rechnen ist.
– Hohe Anschaffungskosten für ein geeichtes Polygon.
– Die Spiegelflächen sind sehr empfindlich gegen äußere Einflüsse, was die Handhabung problematisch macht.

In der Patentanmeldung WO 2014/108187 A1 wird vorgeschlagen, die Kalibrierung einer zu prüfenden Drehachse, beispielsweise eines Drehtisches, gegen eine kalibrierte Drehvorrichtung vorzunehmen. Dabei werden beide Drehvorrichtungen aufeinander gestapelt und gegenläufig verdreht. Mittels eines auf dem Stapel gestellten Spiegels wird die Differenz der Drehung beider Drehachsen mit einem Autokollimationsfernrohr erfasst und somit der Drehfehler der zu prüfenden Drehvorrichtung ermittelt. Dieses Verfahren bietet den Vorteil frei wählbarer Stützstellen. Jedoch muss erst die Referenzdrehvorrichtung exakt kalibriert worden sein. Nachteil dabei ist, dass eventuelle Restfehler der Referenzdrehvorrichtung nicht mit berücksichtigt werden, sondern als Fehler der zu prüfenden Drehvorrichtung interpretiert werden. Des Weiteren gestaltet sich eine hochgenaue Kalibrierung der Referenzdrehvorrichtung auch als Herausforderung und ist nicht mit trivialen Mitteln zu lösen.
Zur Lösung des voran genannten Problems schlägt WO 2014/108187 A1 vor, eine sogenannte Umschlagsmessung durchzuführen. Anstatt die Differenz zwischen Winkelmesswerten zwischen der Referenzdrehvorrichtung und der zu prüfenden Drehvorrichtung nur mit einem Spiegel zu vermessen, werden beispielsweise zwei gegenüber angeordnete Spiegel auf der zu prüfenden Drehvorrichtung angebracht, die nacheinander vermessen werden. Ein solches Verfahren ist in WO 2014/108187 A1 anhand der 24a bis 24d, 25 und 26 detailliert beschrieben. Nachteil dieses Verfahrens ist, dass andere Fehleranteile, beispielsweise eine Zweiwelligkeit des Fehlers der Referenzdrehvorrichtung, unberücksichtigt bleiben. Zur Erfassung dieses Restfehlers der Referenzdrehvorrichtung müssten vier Spiegel vorhanden sein, was einen entsprechend höheren Aufwand erfordert. Hierzu, also zur Bereitstellung von vier oder mehr Spiegelflächen, könnte wiederum ein Polygon eingesetzt werden. Bei der Umschlagsmessung kann eine Weiterdrehung des Polygons über zwei aufeinander gestapelte Drehvorrichtungen erfolgen, die sich während der Messung gegenläufig verdrehen. Ein exakt kalibriertes Polygon, bei dem die Winkel zwischen den Spiegelflächen exakt bekannt sind, ist hierzu nicht nötig, da im Verlauf einer solchen Messung die Polygonwinkel bestimmt werden können und nicht von vornherein bekannt sein müssen. Jedoch bleiben andere Nachteile der Verwendung eines Polygons erhalten, vor allem der Nachteil der eingeschränkten Anzahl an Stützstellen, die durch die Anzahl der Spiegelflächen des Polygons bestimmt sind. Unvorteilhaft bei einer solchen Umschlagsmessung mit einem Polygon ist, dass eine Korrektur von Fehlern der Referenzdrehvorrichtung in noch höherer Ordnung nicht möglich ist. Beispielsweise ist es nicht möglich, einen Fehler höherer Ordnung, beispielsweise 30. Welle, mit einem 36-flächigen Polygon zu korrigieren. Grund hierfür ist, dass die Anzahl der Umschlagsmessungen von der Anzahl der Spiegelflächen des Polygons bestimmt ist. Die Anzahl möglicher Umschlagsmessungen ergibt sich aus dem ganzzahligen Teiler der Spiegelflächen, also bei 36 Flächen: 2, 3, 4, 6, 9, 18, 36. Somit müsste für jeden Spezialfall, beispielsweise eine Umschlagsmessung mit einer bestimmten Zahl gewünschter Umschläge, ein eigenes Polygon bereitgestellt werden, was nach Kosten und Aufwand nicht vertretbar wäre. Zudem ist aufgrund der Tatsache, dass die reflektierende Fläche des Polygons eine gewisse Größe nicht unterschreiten darf, die Realisierbarkeit eines Polygons mit mehr als 36 Flächen nicht möglich, ohne die Abmessungen des Polygons selbst zu erhöhen, was aber zu einem zu großen und/oder zu schweren Polygon führen würde.
Aufgabe der Erfindung ist es, für eines oder mehrere der oben genannten Probleme eine Lösung anzugeben.
Nach einer grundlegenden Idee der Erfindung wird ein Prüfelement, insbesondere ein Spiegel oder ein Polygon mit mehreren Spiegelflächen, per Hand oder mit einer Vorrichtung in verschiedene Posen innerhalb eines Koordinatenmessgerätes oder an einer Drehvorrichtung gebracht. Eine Vorrichtung ist insbesondere eine nachfolgend noch beschriebene Bewegungseinrichtung. In jeder dieser Posen kann eine Messung unter Zuhilfenahme, unter Einbeziehung oder unter Verwendung des Prüfelements durchgeführt werden. Die Messung dient insbesondere zur Bestimmung eines Fehlers des Koordinatenmessgeräts oder der Drehvorrichtung, insbesondere eines Drehtisches. Der Fehler ist insbesondere ein Bewegungsfehler des Koordinatenmessgeräts oder ein Drehpositionsfehler der Drehvorrichtung, insbesondere ein Fehler eines Drehpositionsermittlungssystems, mit dem die Drehposition eines Teils der Drehvorrichtung messbar ist.
Nach einer weiteren Idee der Erfindung wird ein Polygon durch einen einzigen Spiegel ersetzt, der nach jeder Messung, beispielsweise einer Umschlagsmessung, um einen bestimmten Winkel und/oder um eine bestimmte Strecke gedreht und/oder versetzt wird. Dadurch kann das Problem eines teuren, hochgenauen und kalibrierten Polygons gelöst werden bzw. ein solches Polygon ersetzt werden. Man verwendet für jede Messung nur einen einzigen Spiegel. Insbesondere kann nach jeder Umschlagsmessung ein Spiegel auf eine andere Winkelposition positioniert werden. Es ist dadurch möglich, kleinste Winkeländerungen einzustellen und beliebig viele Messungen, in jeder neuen Winkelposition, durchzuführen und dadurch die Anzahl der Messungen, die mit einem maximal 36-flächigen Polygon möglich sind, zu übertreffen. Die Verwendung eines einfachen Spiegels stellt eine kostengünstige Möglichkeit dar, ein hochgenaues, vielflächiges Polygon zu ersetzen.
Nach einer weiteren Idee der Erfindung können neben erwähnten Spiegelpolygonen und Spiegeln auch andere Prüfkörper verwendet werden, wie beispielsweise antastbare Kalibrierkörper.
Nach noch einer Idee der Erfindung kann eine Umpositionierung eines Prüfelements mit einer Bewegungseinrichtung vorgenommen werden. Die Bewegungseinrichtung kann insbesondere eine externe Bewegungseinrichtung sein oder eine Bewegungseinrichtung, die Teil einer Koordinatenmessvorrichtung ist. Besonders geeignet ist eine Bewegungseinrichtung einer Koordinatenmessvorrichtung, insbesondere eine Bewegungseinrichtung mit der ein Messsystem der Koordinatenmessvorrichtung beweglich, insbesondere verfahrbar und/oder drehbar ist. Die Bewegungseinrichtung kann grundsätzlich jedes bewegliche Teil oder jede Kombination beweglicher Teile einer Koordinatenmessvorrichtung sein.
Ein Messsystem der Koordinatenmessvorrichtung wird auch als Sensor bezeichnet. Daher wird die Bewegungseinrichtung, mit der ein Messsystem der Koordinatenmessvorrichtung bewegbar ist, auch als Sensorbewegungseinrichtung bezeichnet. Ein beliebiges Teil oder eine beliebige (Unter)Komponente einer Sensorbewegungseinrichtung kann erfindungsgemäß als Bewegungseinrichtung verwendet werden. Die Bewegungseinrichtung kann für einen taktilen Sensor und/oder einen optischen Sensor eingerichtet sein. Ein taktiles Messsystem kann als Komponenten einen Messkopf und ein Tastsystem aufweisen. Das Tastsystem kann einen Tasterschaft und ein Tastelement, auch bezeichnet als Taster, aufweisen, beispielsweise eine Tastkugel.
Eine Sensorbewegungseinrichtung ist insbesondere eine Einrichtung zum translatorischen und/oder rotatorischen Bewegen eines Sensors. Eine translatorische Bewegung ist insbesondere in drei Freiheitsgraden oder Raumrichtungen ermöglicht. Eine rotatorische Bewegung ist in einem oder mehr Freiheitsgraden ermöglicht. Mit einer Sensorbewegungseinrichtung kann ein Prüfelement verfahrbar und/oder drehbar sein. Eine Sensorbewegungseinrichtung weist beispielsweise eine Einrichtung zum Verfahren eines Sensors entlang einer oder mehrerer Raumachsen auf, vorzugsweise von drei Raumachsen innerhalb eines kartesischen Koordinatensystems. Eine Sensorbewegungseinrichtung kann weiterhin eine Einrichtung zum rotatorischen Bewegen eines Sensors aufweisen, beispielsweise ein Drehgelenk. Eine Sensorbewegungseinrichtung weist insbesondere ein Kopplungsmittel zum Ankoppeln eines Sensors oder eines Messkopfs auf. Die Sensorbewegungseinrichtung kann insbesondere eine Bewegungseinrichtung für einen optischen oder einen taktilen Sensor sein.
Mit einer Sensorbewegungseinrichtung kann nach einer Idee der Erfindung ein Prüfelement besonders zielgerichtet und besonders genau von einer Pose in eine andere Pose verbracht werden. Mit dem Begriff Pose ist gemeint: „Position und/oder Orientierung“, vorzugsweise „Position und Orientierung“.
Eine Sensorbewegungseinrichtung kann so ausgestaltet sein, dass ein Sensor zur Koordinatenmessung alternativ zu dem Prüfelement oder zusätzlich zu dem Prüfelement ankoppelbar ist. Entsprechend kann die Sensorbewegungseinrichtung Kopplungsmittel zum Ankoppeln eines Sensors und/oder zum Ankoppeln eines Prüfelements aufweisen.
In einer speziellen Variante kann das Ankoppeln des Prüfelements an einen Messkopf einer Koordinatenmessvorrichtung erfolgen. Der Messkopf kann an das Sensorbewegungssystem gekoppelt sein. Der Messkopf weist vorzugsweise ein Kopplungselement auf, woran ein Tastsystem gekoppelt werden kann und alternativ ein P rüfelement gekoppelt werden kann. Der Messkopf kann neben einem Kopplungselement für ein Tastsystem ein zusätzliches Kopplungselement für ein Prüfelement aufweisen.
Eine Ankopplung an einen Messkopf ist besonders vorteilhaft, wenn dieser ein Kopplungselement für ein Tastsystem aufweist. Alternativ zu einem Tastsystem kann ein Prüfelement angekoppelt werden, beispielsweise mit einen noch genannten ersten Kopplungselement. Der Messkopf kann, als Teil eines Sensors, mit dem Sensorbewegungssystem bewegt werden. Somit kann auch ein an einen Messkopf angekoppeltes Prüfelement mit dem Sensorbewegungssystem bewegt werden. In dieser Variante wird also ein Prüfelement über einen Messkopf, der (als Teil eines Sensors) an die Sensorbewegungseinrichtung gekoppelt ist, an das Sensorbewegungssystem gekoppelt. Der Begriff „koppeln“ bedeutet in dieser Erfindung das direkte oder indirekte Verbinden von zwei Komponenten oder Teilen. Es kann vorteilhaft mit dem Messkopf festgestellt werden, ob das Prüfelement bei dem Anordnen bereits auf einem Untergrund abgesetzt ist, da der Messkopf eine Sensorik aufweist, die dafür verwendet werden kann. Ein Messkopf kann ein messender Messkopf oder ein schaltender Messkopf sein, wobei ein messender Messkopf zu vorangehend genanntem Zweck besonders vorteilhaft ist.
Insbesondere wird von der Erfindung ein Verfahren zur Durchführung von Messungen mit einem Prüfelement angegeben, umfassend:

– Anordnen eines Prüfelements in einem Messbereich einer Koordinatenmessvorrichtung, insbesondere eines Koordinatenmessgeräts (KMG), wobei das Prüfelement an einer Basis der Koordinatenmessvorrichtung oder an/auf einem ersten, drehbaren Teil einer innerhalb des Messbereiches angeordneten Drehvorrichtung angeordnet wird und wobei das Prüfelement relativ zu der Basis oder zu dem ersten Teil in einer ersten Pose angeordnet wird,
– Durchführen einer Messung unter Einbeziehung des Prüfelements in der ersten Pose,
– Anordnen des Prüfelements in einer zweiten Pose an der Basis oder an dem ersten Teil, insbesondere mit oder Verwendung einer Bewegungseinrichtung,
– Durchführen einer Messung unter Einbeziehung des Prüfelements in der zweiten Pose.

Eine Messung unter Einbeziehung des Prüfelements ist insbesondere eine Messung an dem Prüfelement.
Das erstgenannte Anordnen eines Prüfelements in einem Messbereich einer Koordinatenmessvorrichtung kann mit der Bewegungseinrichtung erfolgen.
Die Bewegungseinrichtung kann eine separate Bewegungseinrichtung sein, insbesondere eine Hebe- und Senkvorrichtung, die das Prüfelement bewegen kann, insbesondere abheben und wieder absenken kann. Die Bewegungseinrichtung kann eine von der Koordinatenmessvorrichtung getrennte Vorrichtung sein, die im Messbereich der Koordinatenmessvorrichtung angeordnet werden kann. Die Bewegungseinrichtung kann eine manuell oder maschinell zu bedienende Einrichtung sein. Die Bewegungseinrichtung kann eine manuell betriebene, insbesondere eine manuell bzw. von Hand geführte Einrichtung sein (die menschliche Hand allein ist im Sinne der Erfindung nicht als „Bewegungseinrichtung“ zu verstehen). Die Bewegungseinrichtung kann eine mit rechnergestützter numerischer Steuerung (CNC) betriebene Bewegungseinrichtung sein.
Die Bewegungseinrichtung kann eine Greifeinrichtung aufweisen, mit der das Prüfelement greifbar ist, und/oder eine Kopplungseinrichtung aufweisen, mit welcher das Prüfelement an die Bewegungseinrichtung ankoppelbar ist. Eine Kopplungseinrichtung kann insbesondere mechanisch und/oder (elektromagnetisch) ausgebildet sein.
In einer speziellen Ausführungsform ist die Bewegungseinrichtung eine bereits erläuterte Sensorbewegungseinrichtung. Die Sensorbewegungseinrichtung kann so ausgestaltet sein, dass damit das Prüfelement alternativ zu einem Sensor bewegbar ist, oder so ausgestaltet sein, dass damit das Prüfelement zusätzlich zu einem Sensor, insbesondere zeitgleich zu einem Sensor, bewegbar ist.
Das Verfahren kann als Schritt das Ankoppeln des Prüfelements an die Bewegungseinrichtung aufweisen. Dieser Schritt wird vorzugsweise vor dem Anordnen des Prüfelements mit der Bewegungseinrichtung in einer zweiten Pose an der Basis oder an dem ersten Teil mit der Bewegungseinrichtung durchgeführt. In einer speziellen Ausführungsform wird das Prüfelement an einen Messkopf eines Sensors angekoppelt, wie bereits erwähnt. Das Prüfelement kann insbesondere an eine Kopplungsstelle angekoppelt werden, die an sich oder alternativ zum Ankoppeln eines Tasters oder Tastsystems vorgesehen oder eingerichtet ist. In dieser Ausführungsform kann auf einfache Weise zwischen einem Taster und einem Prüfelement gewechselt werden.
Das Verfahren kann als weiteren Schritt, vorzugsweise nach dem Anordnen des Prüfelements in einer zweiten Pose, das Entkoppeln des Prüfelements von der Bewegungseinrichtung umfassen.
Die Schritte des Ankoppelns und Entkoppelns können beispielsweise dann entfallen, wenn die Bewegungseinrichtung so beschaffen ist, dass das Durchführen einer Messung unter Einbeziehung des Prüfelements in der zweiten Pose durch die Bewegungseinrichtung nicht behindert wird, insbesondere wenn bei dem Messen das Prüfelement bewegt wird. Beispielweise kann die Bewegungseinrichtung derart flexibel ausgestaltet sein, dass eine Bewegung des Prüfelements bei einer Messung ermöglicht wird, ohne dass dabei die Bewegungseinrichtung aktiv bewegt wird.
Wenn die Bewegungseinrichtung eine Sensorbewegungseinrichtung ist, kann das Prüfelement zusätzlich zu einem bereits an die Sensorbewegungseinrichtung angekoppelten Sensor an die Sensorbewegungseinrichtung angekoppelt bzw. davon entkoppelt werden. Alternativ kann zur Durchführung der Verfahrensschritte ein zuvor an die Sensorbewegungseinrichtung angekoppelter Sensor oder ein an einen Masskopf angekoppeltes Tastsystem entkoppelt werden, um stattdessen ein Prüfelement an die Sensorbewegungseinrichtung anzukoppeln und erwähnte Verfahrensschritte durchzuführen. Anschließend kann der Sensor oder das Tastsystem wieder angekoppelt werden.
Die Koordinatenmessvorrichtung ist insbesondere ein Koordinatenmessgerät oder eine Werkzeugmaschine. Bei einer Werkzeugmaschine ist die Bewegungseinrichtung vorzugsweise eine Werkzeugaufnahme. Wenn nachfolgend von einem Koordinatenmessgerät die Rede ist, ist die Offenbarung auch auf eine allgemeiner definierte Koordinatenmessvorrichtung zu lesen.
Die Messung unter Einbeziehung des Prüfelements des erfindungsgemäßen Verfahrens ist insbesondere eine Kalibriermessung. Das Prüfelement ist insbesondere ein Prüfelement zur Ermittlung von Kalibrierinformationen. Eine Kalibriermessung ist insbesondere eine Messung zur Kalibrierung eines Winkelmesssystems einer Drehvorrichtung.
Die Messung unter Einbeziehung des Prüfelements kann mit einem Messsystem oder einem Sensor einer Koordinatenmessvorrichtung durchgeführt werden. Hierzu kann, nach Anordnung des Prüfelements in einer geänderten Pose, ein Sensor oder ein Tastsystem wieder an eine Sensorbewegungseinrichtung angekoppelt werden. Eine Messung unter Einbeziehung des Prüfelements kann alternativ oder zusätzlich mit einer weiteren Einrichtung erfolgen, die beispielsweise ausgewählt ist aus zumindest einem Abstandssensor, einem Autokollimator, einem Interferometer oder einer Kombination aus zwei oder mehr davon.
Eine Drehvorrichtung ist insbesondere ein Drehtisch, ein Drehgelenk, ein Dreh-Schwenkgelenk.
Das erste Teil der Drehvorrichtung ist beispielsweise ein Rotor, ein Drehteller oder eine Planscheibe.
Das Prüfelement kann ein Endmaß, ein Spiegel, ein Spiegelpolygon, ein antastbarer Kalibrierkörper oder eine Kalibrierschablone sein. Ein Spiegel wird erfindungsgemäß auch als Reflektor bezeichnet. Ein Spiegelpolygon kann ein kalibriertes Spiegelpolygon sein, bei dem Winkel zwischen Spiegelflächen hochgenau bekannt sind, oder ein unkalibriertes Spiegelpolygon. Ein Spiegel ist beispielsweise ein Planspiegel.
In einer Variante der Erfindung weist das Prüfelement ein erstes Kopplungselement zum Ankoppeln an die Bewegungseinrichtung auf. Das Kopplungselement ist insbesondere dazu ausgestaltet oder eingerichtet, an einen Messkopf einer Sensorbewegungseinrichtung gekoppelt zu werden. Ein beispielhaftes Kopplungselement weist eine Dreipunktlagerung auf. Die Dreipunktlagerung kann insbesondere ein Kugelpaar-Tripel oder ein Walzentripel aufweisen. Durch eine Dreipunktlagerung kann eine hochpräzise Ausrichtung des Prüfelements in einer zweiten Pose erzielt werden.
Die Bewegungseinrichtung kann ein weiteres (z.B. in einer Nummerierung dieser Erfindung viertes) Kopplungselement aufweisen, das mit dem ersten Kopplungselement zusammen wirkt, beispielsweise ein an einem Messkopf vorhandenes Kopplungselement.
Ein erwähntes Kopplungselement kann, zusätzlich zum erfindungsgemäßen Verfahren, dazu dienen, das Prüfelement an einer Lagerstelle abzusetzen, beispielsweise einem Tasterwechselmagazin.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist das Prüfelement ein zweites Kopplungselement auf, mit dem das Prüfelement an die Basis oder das erste Teil der Drehvorrichtung angekoppelt werden kann. Hiermit kann eine wiederholbare, genaue und stabile Positionierung des Prüfelements erreicht werden.
Die Basis oder das erste Teil der Drehvorrichtung, das ein drehbares Teil ist, können ein drittes Kopplungselement aufweisen, das mit dem zweiten Kopplungselement, das an dem Prüfelement vorgesehen ist, zusammenwirkt. Das zweite und das dritte Kopplungselement können beispielsweise formschlüssig miteinander zusammenwirken. Das zweite und das dritte Kopplungselement können eine Magnetkopplung ausbilden.
In einer Ausführungsform weist das Prüfelement ein Identifikationsmerkmal auf. Das Identifikationsmerkmal ist insbesondere ein elektronisch auslesbares Identifikationsmerkmal, beispielsweise ein ID-Chip. Ein solches Merkmal kann mit einem Messsystem des KMG ausgelesen werden. Es ist die Möglichkeit eröffnet, während einer automatischen Messung festzustellen, ob das richtige Prüfelement verwendet wird. Somit kann die Fehleranfälligkeit minimiert und die Sicherheit erhöht werden.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird mit einer Messung unter Einbeziehung des Prüfelements oder mit mehreren Messungen unter Einbeziehung des Prüfelements ein Fehler eines Drehpositionsermittlungssystems der Drehvorrichtung ermittelt. Anders ausgedrückt ist die Messung unter Einbeziehung des Prüfelements eine Fehlerbestimmung des Drehpositionsermittlungssystems der Drehvorrichtung oder eine Messung, die zu einer solchen Fehlerbstimmung dient, oder die ein Schritt in einer solchen Fehlerbestimmung ist. Insbesondere wird ein Fehler eines Winkelmesssystems einer Drehvorrichtung ermittelt. Zur genauen Durchführung eines beispielhaften Verfahrens wird auf die beigefügten Beispiele verwiesen.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das Anordnen des Prüfelements mit der Bewegungseinrichtung in der zweiten Pose auf:

– Abheben des in der ersten Pose befindlichen Prüfelements von dem ersten Teil der Drehvorrichtung mit der Bewegungseinrichtung, sodass das Prüfelement und das erste Teil voneinander getrennt werden,
– Drehen des ersten Teils der Drehvorrichtung relativ zu dem abgehobenen Prüfelement um einen Drehwinkel, und/oder Drehen und/oder translatorisches Bewegen des Prüfelements mit der Bewegungseinrichtung,
– Absetzen des Prüfelements auf das erste Teil, sodass das Prüfelement auf dem ersten Teil und relativ zu dem ersten Teil in der zweiten Pose angeordnet wird.

Ein bevorzugtes Prüfelement in vorangehend genannter Verfahrensvariante ist ein Spiegel, insbesondere ein Planspiegel, oder ein Spiegelpolygon. Beispielsweise kann ein Spiegelpolygon abgehoben und mit der Bewegungseinrichtung gedreht und anschließend wieder abgesetzt werden.
In einer speziellen Ausführungsform ist die Drehvorrichtung, insbesondere ein Drehtisch, an eine Referenzdrehvorrichtung gekoppelt und es werden

– bei dem Durchführen der Messung unter Einbeziehung des Prüfelements die Drehvorrichtung und die Referenzdrehvorrichtung gegenläufig verdreht, sodass die Pose des Prüfelements in einem Gerätekoordinatensystem der Koordinatenmessvorrichtung unverändert bleibt oder verändert wird, und
– im Fall einer unveränderten Pose des Prüfelements ein Drehpositionswert eines Drehpositionsermittlungssystems der Drehvorrichtung und ein Drehpositionswert eines Drehpositionsermittlungssystems der Referenzdrehvorrichtung verglichen und es wird ein Fehler des Drehpositionsermittlungssystems der Drehvorrichtung ermittelt, oder
– im Fall einer veränderten Pose des Prüfelements die Veränderung der Pose des Prüfelements ermittelt und damit der Fehler
– des Drehpositionsermittlungssystems der Drehvorrichtung ermittelt.

Diese Verfahrensvariante ist besonders geeignet zur Ermittlung eines Drehpositionsfehlers des Drehpositionsermittlungssystems einer Drehvorrichtung. Diese Verfahrensvariante ist eine Weiterentwicklung des in WO 2014/108187 A1 beschriebenen Verfahrens zur Ermittlung eines Fehlers eines Drehpositionsermittlungssystems. In dieser WO-Schrift beschriebene Umschlagsmessungen können mehrfach durchgeführt werden, wobei für jede Umschlagsmessung der Spiegel in eine andere Pose gebracht wird. Insbesondere kann eine Veränderung der Pose des Prüfelements oder eine unveränderte Pose des Prüfelements während des Durchführens der Messung mit einer Ermittlungseinrichtung ermittelt werden, die mit dem Prüfelement zusammenwirkt. Beispielhafte Ermittlungseinrichtungen sind ein Autokollimator, ein optischer Sensor eines Koordinatenmessgeräts, ein taktiler Sensor eines Koordinatenmessgeräts, ein Laserinterferometer, ein Abstandssensor oder eine beliebige Kombination einer oder mehrerer davon.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:
1 ein Verfahrensablauf als schematische Darstellung mit Bezeichnung der Verfahrensschritte,
2 einen Verfahrensaufbau zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
3 den Verfahrensaufbau aus 1 innerhalb eines Koordinatenmessgeräts,
4a–c den Verfahrensaufbau aus 1 von oben, und die Verfahrensschritte Ankoppeln des Prüfelements an eine Sensorbewegungseinrichtung einer Koordinatenmessvorrichtung und Anordnen des Prüfelements mit der Sensorbewegungseinrichtung in einer zweiten Pose an dem ersten Teil der Drehvorrichtung mit der Sensorbewegungseinrichtung,
5a–d den Verfahrensaufbau aus 1 von oben, und die Verfahrensschritte Ankoppeln des Prüfelements an eine Sensorbewegungseinrichtung einer Koordinatenmessvorrichtung und Anordnen des Prüfelements mit der Sensorbewegungseinrichtung in einer zweiten Pose an dem ersten Teil der Drehvorrichtung mit der Sensorbewegungseinrichtung, gemäß einer weiteren Ausführungsform,
6a–d Eine weitere Darstellung und bauliche Konkretisierung des Verfahrensablaufes nach 5a–d,
7 ein Beispiel für ein Prüfelement, das ein erstes Kopplungselement zum Ankoppeln an eine Sensorbewegungseinrichtung eines Koordinatenmessgeräts aufweist,
8a–c Beispiele für eine Kopplung zwischen Prüfelement und Drehvorrichtung unter Verwendung von Kopplungselementen,
9 Eine zusätzliche magnetische Kopplung zwischen Prüfelement und Drehvorrichtung,
10a, b Ein Beispiel für ein erfindungsgemäßes Verfahren unter Verwendung eines Spiegelpolygons als Prüfelement.
In 1 ist ein erfindungsgemäßer Verfahrensablauf schematisch dargestellt:
Schritt S1: Anordnen eines Prüfelements in einem Messbereich einer Koordinatenmessvorrichtung, wobei das Prüfelement an einer Basis der Koordinatenmessvorrichtung oder an/auf einem ersten, drehbaren Teil einer innerhalb des Messbereiches angeordneten Drehvorrichtung angeordnet wird und wobei das Prüfelement relativ zu der Basis oder zu dem ersten Teil in einer ersten Pose angeordnet wird.
Schritt S2: Durchführen einer Messung unter Einbeziehung des Prüfelements in der ersten Pose.
Schritt S3: Ankoppeln des Prüfelements an eine Sensorbewegungseinrichtung der Koordinatenmessvorrichtung, insbesondere an einen Messkopf.
Schritt S4: Anordnen des Prüfelements mit der Sensorbewegungseinrichtung in einer zweiten Pose an der Basis oder an dem ersten Teil mit der Sensorbewegungseinrichtung.
Schritt S5: Durchführen einer Messung unter Einbeziehung des Prüfelements in der zweiten Pose.
Alternativ zur Durchführung des Schrittes S5 nach Schritt S4 kann zuvor das Prüfelement in Schritt S6 von der Sensorbewegungseinrichtung, insbesondere von dem Messkopf entkoppelt werden.
Die genannten Verfahrensschritte S1, S2, S3, S4, S5 werden in den nachfolgenden Beispielen weiter erläutert.
Ein möglicher Aufbau für ein erfindungsgemäßes Verfahren ist in 2 gezeigt: Auf einer Referenzdrehvorrichtung 60, hier ein Drehtisch, der ein Unterteil 62 und einen Drehteller 61 aufweist, ist eine Drehvorrichtung 201 aufgesetzt. Die Drehvorrichtung 201 ist in diesem Beispiel ebenfalls ein Drehtisch, bei dessen Drehwinkelmesssystem (nicht dargestellt) der Drehwinkelfehler ermittelt werden soll. Der Drehtisch 201 weist ein Unterteil 205 und einen Drehteller 206 auf. Das Unterteil 205 des Drehtisches 201 ist auf den Drehteller 61 der Referenzdrehvorrichtung 60 aufgesetzt. Aufgrund der Reibung zwischen dem Teller 61 und dem Unterteil 205 sowie dem Eigengewicht des Drehtisches 201 ist das Unterteil 205 mit dem Drehteller 61 drehfest verbunden. Der Teller 61 des Referenzdrehtisches 60 ist gegen das Unterteil 62 um die Achse R der Referenzdrehvorrichtung drehbar. Der Teller 206 des Drehtisches 201 ist gegen das Unterteil 205 um die Achse D drehbar. Die Achsen D und R sind im Wesentlichen koaxial angeordnet.
Die Referenzdrehvorrichtung ist vorzugsweise eine kalibrierte oder ein selbstkalibrierende Drehvorrichtung, insbesondere ein selbstkalibrierender Drehtisch. Eine selbstkalibrierende Drehvorrichtung ist im Dokument von Geckeler, R.; Fricke, A.; Elster, C.: „Calibration of angle encoders using transfer functions" Aus: Measurement Science and Technology Vol. 17 (2006) offenbart. Die veränderte Drehposition oder die Änderung der Drehposition bei der Referenzdrehvorrichtung kann auch anderweitig, ohne Einsatz eines Drehpositionsmesssystems genau bekannt oder einstellbar sein, beispielsweise aufgrund einer hoch genauen mechanischen Stellvorrichtung, wie z.B. einer Hirth-Verzahnung.
Auf dem Teller 206 des Drehtisches 201 ist als Prüfelement 5 ein Spiegel angeordnet, der in Richtung eines Autokollimationsfernrohres (AKF) 88 ausgerichtet ist. Der Messtrahl S des AKF 88 trifft auf die Oberfläche des Spiegels 5.
Die Reihenfolge, in denen die Referenzdrehvorrichtung 60, die Drehvorrichtung 201 und der Spiegel 5, mit zugeordnetem AKF 88, zu einander stehen, ist variabel. Es wäre auch denkbar, dass das AKF 88 auf der Drehvorrichtung 201 steht und der Spiegel 5 extern befestigt wird. Zudem könnte, beispielsweise bei Kalibrierung einer sehr großen Drehvorrichtung 201, die Referenzdrehvorrichtung 60 auf der Drehvorrichtung 201 stehen.
Die 2 zeigt ferner eine Fehlerermittlungseinrichtung 1001, die beispielsweise eine Recheneinheit ist, insbesondere ein Computer, der eine Berechnung nach einem vorgegebenen Programmablauf vornehmen kann. Neben der Fehlerermittlung können mit dem Computer 1001 auch Steuerungssignale an den Stator 205 des Drehtisches 201 und an den Stator 62 des Referenzdrehtisches 60 gesendet werden, insbesondere Signale zur Steuerung der Bewegungen der Rotoren 61 und 206. Neben der Fehlerermittlung können an den Computer 1001 auch Messsignale vom Stator 205 des Drehtisches 201 und vom Stator 62 des Referenzdrehtisches 60 gesendet werden, insbesondere Messsignale, die Auskunft über die Drehposition der Rotoren 61 und 206 geben. Ein Kabel 801 dient der Signalübertragung vom Stator 205 des Drehtisches 201 zur Fehlerermittlungseinrichtung 1001, und ein Kabel 802 dient der Signalübertragung vom Stator 62 des Referenzrehtisches 60 zur Fehlerermittlungseinrichtung 1001. Ferner dienen die Kabel 801 und 802 auch der Energieübertragung. Selbstverständlich können statt jeweils eines Kabels 801 oder 802 auch jeweils mehrere Kabel vorgesehen sein, beispielsweise eines für eine Signalübertragung und eines für eine Energieübertragung. Nicht gezeigt sind in dieser und folgenden Figuren Signal- und Energieübertragungseinrichtungen zu einem AKF oder zu Sensoren und weitere Steuer- oder Auswerteeinrichtungen. Nicht dargestellt sind ferner Benutzerschnittstellen an dem nur schematisch dargestellten Computer 1001 oder ein Display.
Nachfolgend ist die Durchführung von Messungen mit dem Prüfelement beschrieben, was den Schritten S2 oder S5 (in anderer Pose des Prüfelements als in S2) aus 1 entspricht. Ermittelt werden soll der Drehpositionsfehler des Drehpositionsermittlungssystems des Drehtisches 201.
Der allgemeine Ablauf der Ermittlung des Drehpositionsfehlers ist wie folgt. Ergänzend wird hierzu auf WO 2014/108 187 A1 verwiesen:
Die Drehvorrichtung weist das sogenannte zweite Teil 205 auf, das relativ zu dem ersten Teil um eine Drehachse D der Drehvorrichtung 201 drehbar ist, und in dem Verfahren wird eine Referenzdrehvorrichtung 60 verwendet, die zwei zueinander drehbare Teile 61, 62, aufweist, wobei eines der zwei Teile ein drittes Teil 61 ist, das bezüglich der Drehachse drehfest mit dem zweiten Teil 205 der Drehvorrichtung 201 gekoppelt ist, und das andere Teil der zwei Teile der Referenzdrehvorrichtung ein viertes Teil 62 ist, das relativ zu dem dritten Teil 61 um eine Drehachse R der Referenzdrehvorrichtung drehbar ist. Das Durchführen von Messungen unter Einbeziehung des Prüfelements in der ersten und in der zweiten Pose weist dann jeweils die folgenden Schritte auf:

a) Ermitteln einer ersten Drehposition der Drehvorrichtung 201, wobei eine erste Drehposition des ersten Teils 206 relativ zu dem zweiten Teil 205 der Drehvorrichtung ermittelt wird,
b) Ermitteln einer ersten Drehposition einer Referenzdrehvorrichtung 60, wobei eine erste Drehposition des dritten Teils 61 relativ zu dem vierten Teil 62 ermittelt wird,
c) Variieren der Drehposition der Drehvorrichtung 201 zu einer zweiten Drehposition der Drehvorrichtung, Ermitteln der zweiten Drehposition der Drehvorrichtung mit einem Drehpositionsermittlungssystem der Drehvorrichtung, Variieren der Drehposition der Referenzdrehvorrichtung 60 zu einer zweiten Drehposition der Referenzdrehvorrichtung, Ermitteln der zweiten Drehposition der Referenzdrehvorrichtung 60, Ermitteln von einer durch das Variieren der Drehpositionen veränderten resultierenden Drehposition des ersten Teils 206 und des vierten Teils 62 relativ zueinander, Ermitteln des Drehpositionsfehlers des Drehpositionsermittlungssystems aus der veränderten resultierenden Drehposition des ersten Teils 206 und des vierten Teils 62 relativ zueinander, und/oder, alternativ oder zusätzlich zu Schritt c),
d) Variieren der Drehposition der Drehvorrichtung 201 zu einer zweiten Drehposition der Drehvorrichtung und Variieren der Drehposition der Referenzdrehvorrichtung 60 zu einer zweiten Drehposition der Referenzdrehvorrichtung 60, sodass die resultierende Drehposition des ersten Teils 206 und des vierten Teils 62 nicht verändert ist, Ermitteln der zweiten Drehposition der Drehvorrichtung 201, Ermitteln der zweiten Drehposition der Referenzdrehvorrichtung 60, und Ermitteln des Drehpositionsfehlers des Drehpositionsermittlungssystems der Drehvorrichtung aus den Drehpositionen der Drehvorrichtung 201 oder der Änderung der Drehposition der Drehvorrichtung, und aus den Drehpositionen der Referenzdrehvorrichtung 60 oder der Änderung der Drehposition der Referenzdrehvorrichtung.

Es wird weiterhin die Ermittlungseinrichtung 88 verwendet, und die Drehposition des ersten Teils 206 und des vierten Teils 62 relativ zueinander mit Hilfe des Prüfelements 5 ermittelt, wobei mit der Ermittlungseinrichtung 88 die Drehposition oder Drehpositionsänderung des Prüfelements relativ zu der Ermittlungseinrichtung 88 ermittelt wird.
Nachfolgend werden die oben allgemeiner formulierten Schritte zur Fehlerbestimmung noch näher erläutert.
Der Teller 61 des Referenzdrehtisches 60 wird zum Unterteil 62 so positioniert, dass das Drehpositionsermittlungssystem des Referenzdrehtisches 60 auf seiner Referenz- bzw. Nullmarke steht. Ebenso wird der Teller 206 des Drehtisches 201 zum Unterteil 205 so positioniert, dass das Drehpositionsermittlungssystem des Drehtisches 201 auf seiner Referenz- bzw. Nullmarke steht. Statt der Nullmarken kann jede beliebige Drehposition als erste Drehposition verwendet werden.
Nun kann der Drehpositionswinkel des Spiegels 5, der nachfolgend als Offset-Winkel bezeichnet wird, mit dem AKF 88, oder alternativ mit einem anderen Winkelmessgerät erfasst werden. Der Offset Winkel kann im Spezialfall auch Null betragen, d.h. es wäre in diesem Fall kein Offset vorhanden.
Zur Fehlererfassung des Drehpositionsermittlungssystems des Drehtisches 201 werden zunächst Stützstellen für die Fehlererfassung definiert. Diese können dabei unregelmäßig, wie auch regelmäßig auf eine oder mehrere Umdrehungen des Tellers 61 des Referenzdrehtisches 60 verteilt werden, wobei als eine zu wählende Schrittweite die Variante der ganzzahligen Teiler von 360° bevorzugt ist. Hierdurch bleiben Fehler durch ein schlecht eingestelltes Messsystem unberücksichtigt.
Ob der Teller 61 von oben betrachtet in positiver oder negativer Richtung gedreht wird, ist für das Verfahren nicht maßgeblich, d.h. beide Varianten sind gleichwertig. Es kann aber in positiver und negativer Drehrichtung verdreht werden, um Hysterese-Effekte festzustellen.
Für eine negative Drehrichtung des Tellers 61 wären die anzufahrenden Drehwinkelpositionen (Sollpositionen) bei einer Anzahl von sechs Schritten für die Referenzachse z.B. 0°, –60°, –120°, –180°, –240° und –300°. Die Anzahl kann allerdings nahezu beliebig erhöht werden, wenn z.B. kurzperiodische Fehler der zu kalibrierenden Drehachse erfasst werden sollen, bzw. Aliasing-Effekten vorgebeugt werden soll.
Bei der Variation der Drehposition des Tellers 61 des Referenzdrehtisches 60 und des Tellers 206 des Drehtisches wird vorzugsweise eine der folgenden Positionierungsstrategien angewandt:
Das Prüfelement befindet sich in dem Aufbau der 2 in einer bestimmten Pose bezüglich des Tellers 206 des Drehtisches.
Nachfolgend werden verschiedene Varianten genauer aufgezeigt, wie unter Verwendung des Prüfelements 5 Messungen durchgeführt werden können, die zur Ermittlung des Fehlers des Drehwinkelmesssystems der Drehvorrichtung dienen. Es werden also spezielle Schritte S2, oder S5, des Verfahrens gemäß 1 beschrieben. Zur Erläuterung wird ergänzend auch auf die WO 2014/108 187 A1 verwiesen.
Variante 1:
Für die jeweilige Stützstelle werden die Einstellungen folgendermaßen vorgenommen:
Der Teller 61, auch bezeichnet als Rotor, des Referenzdrehtisches 60 wird auf einer negativen vorgegebenen Solldrehposition positioniert, hier beispielsweise –60°. Erzeugt wird eine veränderte Drehposition der Referenzdrehvorrichtung, d.h. die veränderte Drehposition des dritten Teils 61 (hier der Teller) und vierten Teils 62 (hier das Unterteil 62, auch bezeichnet als Stator) relativ zueinander, erhalten durch Variieren der Drehposition des Referenzdrehtisches 60.
Die veränderte Drehposition der Referenzdrehvorrichtung ist genau bekannt, weil das Winkelmesssystem des Referenzdrehtisches 60 kalibriert ist. Diese Größe soll nachfolgend als X bezeichnet werden.
Der Teller 206 des Drehtisches 201, auch bezeichnet als Rotor des Drehtisches 201, wird auf den negierten Wert der Solldrehposition des Referenztisches positioniert, in diesem Fall +60°, wobei die negative Sollposition mit Hilfe des fehlerbehafteten Drehpositionsermittlungssystems des Drehtisches 201 eingestellt wird. Erzeugt wird eine veränderte Drehposition der Drehvorrichtung 201, d.h. die veränderte Drehposition des ersten Teils (hier der Teller 206) und zweiten Teils (hier das Unterteil 205, auch bezeichnet als Stator) relativ zueinander, erhalten durch Variieren der Drehposition des Drehtisches 201.
Die veränderte Drehposition der Drehvorrichtung wird durch das Drehpositionsermittlungssystem angezeigt, dessen Fehler bestimmt werden soll. Diese Größe soll nachfolgend als Y bezeichnet werden.
Wenn das Drehpositionsermittlungssystem des Drehtisches 201 fehlerhaft ist, wenn also der reale Drehwinkel von +60° abweicht, dann hat dies zur Folge, dass die relative Drehposition des ersten Teils 206 und des vierten Teils 62 relativ zueinander im Vergleich zum Ausgangszustand verändert ist. Im Ausgangszustand wurde der Offset-Winkel des Spiegels 5 mit dem AKF 88 ermittelt, wie oben beschrieben, wobei der Offset Winkel im Spezialfall auch Null betragen kann. Die Veränderung der relativen Drehposition des ersten Teils 206 und des vierten Teils 62 relativ zueinander, die als Größe Z bezeichnet werden soll, entspricht: Z = Winkel, der vom AKF nach Variieren der Drehpositionen ermittelt wird – Offsetwinkel
Der Drehpositionsfehler F (in diesem Fall der Winkelpositionsfehler) des Drehpositionsermittlungssystems des Drehtisches 201 wird mit der Fehler-Ermittlungseinrichtung 1001 ermittelt.
Der Drehpositionsfehler entspricht in diesem Beispiel: F = Z.
Der Drehpositionsfehler in der speziellen Variante 1 entspricht also der Differenz zwischen dem vom AKF 88 erfassten Winkel und dem vorangehend genannten Offset-Winkel des Spiegels. Der nominelle (fehlerbehaftete) Drehwinkel des ersten Teils 206 und zweiten Teils 205 zueinander (Y) und der nominelle Drehwinkel des dritten Teils 61 und des vierten Teils 62 relativ zueinander (X) addieren sich zu Null. Mit dem nominellen Drehwinkel ist der angezeigte Winkel gemeint, der hier auf einer Vorgabe beruht.
Es ist in einer anderen Verfahrensvariante auch möglich, die nominellen Winkel X und Y so zu wählen, dass Sie sich nicht zu Null addieren, und die Drehpositionen der Drehvorrichtung und der Referenzdrehvorrichtung so vorzunehmen, dass die Drehposition des ersten Teils 206 und des vierten Teils 62 relativ zueinander im Vergleich zum Ausgangszustand verändert ist, das AKF also eine Winkelabweichung Z misst. Der Fehler F ergibt sich dann aus F = Z – (Differenzbetrag der nominellen Winkel X und Y)
Variante 2:
Der Teller 61 des Referenzdrehtisches wird auf einer negativen vorgegebenen Solldrehposition positioniert, z.B. –60°. Erzeugt wird eine veränderte Drehposition der Referenzdrehvorrichtung, d.h. veränderte Drehposition des dritten Teils 61 (hier der Teller) und vierten Teils 62 (hier das Unterteil) relativ zueinander, die genau bekannt ist, weil das Winkelmesssystem des Referenzdrehtisches 60 kalibriert ist. Diese Größe soll nachfolgend als X bezeichnet werden.
Der Teller 206 des Drehtisches 201 wird so positioniert, dass der vom externen AKF 88 gemessene Winkel exakt dem vor Variieren der Drehpositionen gemessenen Offset-Winkel entspricht. Dies bedeutet, dass die Drehposition des Spiegels 5 relativ zum AKF 88 im Vergleich zu vorher (vor Variieren der Drehpositionen) unverändert ist. Dies bedeutet weiterhin, dass die resultierende Drehposition des ersten Teils 206 und des vierten Teils 62 nicht verändert ist oder im Wesentlichen nicht verändert ist. Der vom AKF angezeigte Winkelwert abzüglich des zuvor bestimmten Offsets ergibt also im Idealfall Null. Der Idealfall wird aufgrund von Messfehlern oder Einstellungenauigkeiten in der Regel nicht erreicht, weshalb im Realfall der vom AKF angezeigte Winkelwert abzüglich dem zuvor bestimmten Offset im Rahmen des Messfehlers oder der Einstellungenauigkeit etwas um Nullschwankt.
Am Drehpositionsermittlungssystem wird der Winkel Y abgelesen, der sich durch die oben beschriebenen Einstellungen ergibt. Die Einstellung des Drehtisches erzeugt eine veränderte Drehposition der Drehvorrichtung, d.h. eine veränderte Drehposition des ersten Teils (hier der Teller 206) und zweiten Teils (hier das Unterteil 205) relativ zueinander, angezeigt durch das Drehpositionsermittlungssystem, dessen Fehler (F) bestimmt werden soll. Die Winkelposition des Tellers 206 des zu kalibrierenden Drehtisches 201 entspricht: Y = +60° + Drehpositionsfehler des Drehpositionsermittlungssystems des Drehtisches 201 Y = –X + F
Der Drehpositionsfehler F (in diesem Fall der Winkelpositionsfehler) des Drehpositionsermittlungssystems des Drehtisches 201 wird mit einer Fehler-Ermittlungseinrichtung 1001 ermittelt. Der Drehpositionsfehler F entspricht: F = X + Y
Dabei entspricht Y dem vom fehlerbehafteten Messsystem angezeigten, nominellen Winkelwert.
also der Summe der Drehwinkel, die von dem Drehpositionsermittlungssystem des Referenzdrehtisches 60 und dem Drehpositionsermittlungssystem des Drehtisches 201 angezeigt werden. Im Gegensatz zu Variante 1 bleibt Z bei der Berechnung unberücksichtigt, da der Wert (annähernd) Null beträgt.
Variante 3 des Verfahrens:
Der Teller 206 des Drehtisches 201 wird auf einer positiven vorgegebenen Solldrehposition positioniert, z.B. +60°, angezeigt durch das (fehlerhafte) Drehpositionsermittlungssystem des Drehtisches 201. Erzeugt wird eine veränderte Drehposition der Drehvorrichtung, d.h. veränderte Drehposition des ersten Teils 206 (hier der Teller) und zweiten Teils 205 (hier das Unterteil) relativ zueinander. Diese Größe soll nachfolgend als Y bezeichnet werden.
Der Teller 61 des Referenzdrehtisches 60 wird so positioniert, dass der vom externen Winkelmessgerät 88 gemessene Winkel exakt dem zuvor gemessenen Offset-Winkel entspricht. Dies bedeutet, dass die Drehposition des Spiegels 5 relativ zum AKF 88 im Vergleich zu vorher (vor Variieren der Drehpositionen) unverändert ist. Dies bedeutet weiterhin, dass die resultierende Drehposition des ersten Teils 206 und des vierten Teils 62 nicht verändert ist.
Am kalibrierten Winkelmesssystem des Referenzdrehtisches 60 wird der Winkel X abgelesen, der sich durch die oben beschriebenen Einstellungen ergibt. Die Einstellung des Referenzdrehtisches führt zu einer veränderten Drehposition der Referenzdrehvorrichtung 60, d.h. der veränderten Drehposition des dritten Teils (hier der Teller 61) und vierten Teils (hier das Unterteil 62) relativ zueinander, angezeigt durch das kalibrierte Winkelmesssystem. Die Winkelposition des Tellers 61 des Referenzdrehtisches 60 entspricht: X = –60° + Drehpositionsfehler des Drehpositionsermittlungssystems des Drehtisches 201 = –Y + F
Der Drehpositionsfehler F (in diesem Fall der Winkelpositionsfehler) des Drehpositionsermittlungssystems des Drehtisches 201 wird mit einer Fehler-Ermittlungseinrichtung (nicht gezeigt) ermittelt. Der Drehpositionsfehler entspricht: F = X + Y also der Summe der Drehwinkel, die von dem Drehpositionsermittlungssystem des Referenzdrehtisches 60 und dem Drehpositionsermittlungssystem des Drehtisches 201 angezeigt werden, wie bei der oben beschriebenen Variante 2. Im Gegensatz zu Variante 1 bleibt Z bei der Berechnung unberücksichtigt, da der Wert Null beträgt.
Bei allen Varianten können in weiteren Verfahrensschritten weitere Winkel eingestellt werden und andere Drehrichtungen gewählt werden.
Die oben beispielhaft aufgeführten Varianten 1–3 unterscheiden sich folgendermaßen:
Variante 1 bietet gegenüber Variante 2 und Variante 3 einen Geschwindigkeitsvorteil, da bei Variante 2 und 3 die Drehposition der zu kalibrierenden Drehachse bzw. der Referenzachse auf eine externe Referenz geregelt werden muss. Die Regelung auf eine Drehposition des eigenen Messsystems ist in der Regel schneller. Bei Anwendung der Variante 2 und 3 ist man allerdings unabhängig von der Genauigkeit des externen Winkelmessgeräts (AKF), da man immer auf denselben (unter Umständen ungenauen) angezeigten Winkel positioniert. Man ist aber abhängig von der Reproduzierbarkeit des AKF-Messsystems.
Das in 3 dargestellte Koordinatenmessgerät (KMG) 1211 in Portalbauweise weist einen Messtisch 1201 auf, über der Säulen 1202, 1203 in Y-Richtung eines kartesischen Koordinatensystems beweglich angeordnet sind. Die Säulen 1202, 1203 bilden zusammen mit einem Querträger 1204 ein Portal des KMG 1211. Der Querträger 1204 ist an seinen gegenüberliegenden Enden mit den Säulen 1202 bzw. 1203 verbunden. Nicht näher dargestellte Elektromotoren verursachen die Linearbewegung der Säulen 1202, 1203 in Y-Richtung, entlang der Y-Bewegungs-Achse. Dabei ist z. B. jeder der beiden Säulen 1202, 1203 ein Elektromotor zugeordnet. Der Querträger 1204 ist mit einem Querschlitten 1207 kombiniert, welcher luftgelagert entlang dem Querträger 1204 in X-Richtung des kartesischen Koordinatensystems beweglich ist. Die momentane Position des Querschlittens 1207 relativ zu dem Querträger 1204 kann anhand einer Maßstabsteilung 1206 festgestellt werden. Die Bewegung des Querträgers 1204 in X-Richtung, d.h. entlang der X-Bewegungs-Achse, wird durch einen weiteren Elektromotor angetrieben. An dem Querschlitten 1207 ist eine in vertikaler Richtung bewegliche Pinole 1208 gelagert, die an ihrem unteren Ende über eine Montageeinrichtung 1210 und eine Drehvorrichtung 1205 mit einem Messkopf 1209 verbunden ist.
An den Messkopf 1209 ist das abgewinkelte Drehgelenk 1215 angekoppelt, woran der den Taststift 1111 und als Tastelement die Tastkugel 1121 angebracht sind. Der Messkopf 1209, das Drehgelenk 1215, der Taststift 1111 und die Tastkugel 1121 bilden zusammen einen taktilen Sensor des KMG 1211.
Eine Sensorbewegungseinrichtung wird durch die oben erläuterten beweglichen Teile 1202, 1203, 1204, 1205, 1207, 1208, 1210 gebildet. Eine Sensorbewegungseinrichtung wird so bezeichnet, weil daran, hier an die Komponente 1205, der Sensor mit dem Komponenten Messkopf 1209, Drehgelenk 1215, Taststift 1111 und Tastkugel 1121 gekoppelt wird und damit bewegt wird.
Die Ankopplung des Sensors erfolgt über den Messkopf 1209 bzw. zwischen Messkopf 1209 und dem Teil 1205.
Mit der Sensorbewegungseinrichtung ist der Sensor in die gezeigten Raumrichtungen X, Y, Z bewegbar und zusätzlich rotierbar. Der Messkopf 1209 kann angetrieben durch einen weiteren Elektromotor relativ zu dem Querschlitten 1207 in Z-Richtung, entlang der Z-Bewegungs-Achse, des kartesischen Koordinatensystems bewegt werden. Durch die Elektromotoren des KMG kann der Messkopf 1209 in dem Bereich unterhalb des Querträgers 1204 in nahezu beliebige Positionen bewegt werden. Ferner kann die Drehvorrichtung 1205 das Drehgelenk 1215 um die Z-Achse drehen, sodass der Taststift 1111 in unterschiedliche Richtungen ausgerichtet werden kann. Nicht dargestellt ist eine Steuerung, die die Bewegung der beweglichen Teile des KMG entlang der Bewegungs-Achsen steuert. Die Steuerung ist eingerichtet zur Durchführung einer oder mehrerer der im allgemeinen Beschreibungsteil erläuterten Schritte.
An dem Messtisch 1201 des Koordinatenmessgeräts 1211 ist der in 2 gezeigte Aufbau aus Referenzdrehtisch 60 und Drehtisch 201 angeordnet. Neben dem KMG 1211 ist das AKF 88 angeordnet, dessen Messstrahl S auf den Spiegel 5 gerichtet ist.
Das Prüfelement 5 kann prinzipiell an ein beliebiges Teils der Bewegungseinrichtung angekoppelt und damit bewegt werden, was ein allgemeines Prinzip der Erfindung ist. Das Prüfelement 5 kann prinzipiell an verschiedene Stellen einer Bewegungseinrichtung des KMG 1211 gekoppelt werden. In einer Variante kann das Prüfelement 5 direkt an oben bezeichnete Sensorbewegungseinrichtung aus den Teilen 1202, 1203, 1204, 1205, 1207, 1208, 1210 angekoppelt werden, wobei in diesem Beispiel eine Ankopplung an dem dem Teil 1205 erfolgt. In einer anderen Variante kann das Prüfelement 5 an den Messkopf 1209 gekoppelt werden, alternativ zu dem Tastsystem, das aus den Teilen 1215, 1111 und 1121 gebildet ist. Diese Variante ist in den 5a–5c und 6a–6d gezeigt. Hierbei erfolgt ein Ankoppeln des Prüfelements 5 an die Sensorbewegungseinrichtung über den Messkopf 1209, der seinerseits an die Sensorbewegungseinrichtung gekoppelt ist.
In den 4a bis 4c wird die Umpositionierung des Spiegels 5 von einer ersten in eine zweite Pose bezüglich des Drehtellers 206 dargestellt. Der Blick fällt auf den Aufbau aus 2 von oben, wobei der Spiegel 5 im Unterschied zu 2 nicht auf der Drehachse D, sondern exzentrisch dazu positioniert ist.
Die in 4a bis 4c dargestellten Verfahrensschritte entsprechend den Verfahrensschritten S3 und S4 des Verfahrensschemas aus 1.
4a stellt die Situation nach Durchführung des oben erläuterten Verfahrensschrittes S2 dar, bei dem ein Drehpositionsfehler ermittelt wurde. Die in 4a dargestellte Position wird auch als das „Ende der ersten Umschlagsmessung“ bezeichnet. Die in 4a dargestellte Situation kann die Anfangssituation oder die Endsituation nach einem Messzyklus darstellen, der oben zur Ermittlung des Drehpositionsfehlers des Drehtisches 201 erläutert wurde. Die Dreieckssymbole 300, 301 zeigen die relative Position von Drehtischrotor 206 (Symbol 300) zu Drehtischstator 205 (Symbol 301). Die Strichsymbole 302, 303 zeigen die relative Position von Referenzdrehtisch-Rotor 61 zu Referenzdrehtisch-Stator 62. Sowohl der Rotor 206 des Drehtisches 201 als auch der Rotor 61 des Referenzdrehtisches stehen auf der Nullposition der jeweiligen Winkelmesssysteme.
In 4b wird eine veränderte Situation hergestellt. Zunächst wird, was hier nicht explizit gezeigt ist, der Spiegel 5 an den Messkopf 1209 des Koordinatenmessgeräts 1211 angekoppelt. Zuvor wird der taktile Sensor 1215 von dem Messkopf 1209 abgekoppelt, um die Kopplungsstelle zur Verfügung zu haben. Der Spiegel 5 wird durch Verfahren der Pinole 1208 in Z-Richtung abgehoben und in X- und/oder Y-Richtung verfahren, durch Bewegung des Portals 1204 in Y-Richtung und/oder Bewegung des Querschlittens 1207 in Z-Richtung. Ferner wird der Spiegel 5 durch Rotieren des Messkopfes 1209 um einen Winkelbetrag rotiert. Auf die Ankopplung des Spiegels 5 an den Messkopf 1209 wird später noch eingegangen.
Der Spiegel 5 wird in der in 4b gezeigten Position auf dem Rotor 206 abgesetzt und vom Messkopf 1209 entkoppelt. Im Ergebnis wurde der Spiegel 5 um den Winkel α auf dem Rotor 206 versetzt. Der Winkel α entspricht vorzugsweise einem Wert von 360°/n, wobei n eine Ganze Zahl ist und die Anzahl insgesamt durchzuführender Umschlagsmessungen angibt. Es kann somit der Spiegel 5 solange um einen Winkel α versetzt werden, bis die in 4a dargestellte Pose des Spiegels 5, bezogen auf den Rotor 206 bzw. seinen Bezugspunkt 300, wieder hergestellt ist.
Eine Abweichung der Winkelpositionierung von einer Sollposition sollte weniger als ein 20stel des Messbereichs des Messgeräts, hier des AKF 88 betragen.
In 4b ist der Spiegel 5 so versetzt, dass der Messstrahl S des AKF 88 verlassen wurde. Daher wird die in 4c dargestellte Situation hergestellt, um den Spiegel 5 wieder in den Messstrahl S zu drehen. Es wird der Rotor 61 des Referenzdrehtisches 60 um den Winkel α gegen den Uhrzeigersinn verdreht, sodass der Rotor 61 gegenüber der Nullmarke 303 des Winkelpositionsmesssystems des Referenzdrehtisches 60 um den Winkel α verdreht ist. Bei dem Drehtisch 201, dessen Winkelmesssystem zu prüfen bzw. zu kalibrieren ist, steht der Rotor 206 auf der Nullposition. In der gezeigten modifizierten Drehposition des Referenzdrehtisches 60 kann eine Referenzmarke oder Nullmarke des Drehpositionsermittlungssystems des Referenzdrehtisches 60 gesetzt werden, als Startpunkt für die Messung, oder der neu eingestellte Winkel α des Referenzdrehtisches 60 wird als Offset-Winkel des Referenzdrehtisches vermerkt und berücksichtigt. Ausgehend von der in 4c dargestellten Drehposition kann erneut der Fehler des Drehpositionsermittlungssystems des Drehtisches 201 ermittelt werden, was im Verfahrensablauf der 1 dem Schritt S5 entspricht. Der Schritt S5, der im Prinzip mehreren Einzelschritten entspricht, ist die Ermittlung des Drehpositionsfehlers des Drehtisches 201 und wird analog durchgeführt wie oben dargestellt, nur ausgehend von einer anderen Ausgangsposition des Referenzdrehtisches und ausgehend von einer anderen Pose des Spiegels 5 bezüglich des Rotors 206 des Drehtisches 201. Zur weiteren Erläuterung wird auch auf WO 2014/108187 verwiesen, insbesondere auf die dortigen 24a, 24b, 24c und 24d und die Erläuterungen dazu in der Figurenbeschreibung WO 2014/108187 . Im Unterschied zur zitierten WO-Schrift sind nicht nur zwei Umschlagspositionen herstellbar, die sich um 180° unterscheiden, sondern es ist der Winkel α beliebig einstellbar, wobei der Winkel α vorzugsweise einem Wert von 360°/n entsprechen sollte. Des Weiteren ist der Winkel α auf einem beliebig kleinen Wert einstellbar, da der Spiegel 5 durch das Sensorbewegungssystem des KMG 1211 (siehe 3) mit entsprechender Feinheit einstellbar ist. Insbesondere ist der Winkel α auf einen Wert einstellbar, der kleiner ist als 360°/12. Ein Wert von 360°/12 ist der minimale mit einem Spiegelpolygon erzielbare Wert, da ein Spiegelpolygon mit mehr als 12 Flächen nicht verfügbar oder nicht wirtschaftlich herstellbar ist. Durch Wahl eines kleinen Winkels α bzw. eines großen Wertes von n (wenn α = 360°/n) kann eine hohe Anzahl Umschlagsmessungen ermöglicht werden und dadurch deutlichere Reduzierung der Fehler des Referenzdrehtisches 60 erzielt werden.
Nach Durchführung einer erneuten Ermittlung des Drehpositionsfehlers, ausgehend von der in 4c gezeigten Position, kann der Reflektor 5 erneut um einen Winkel α versetzt werden, wie in 4b gezeigt. Bezogen auf die Positionsmarke 300 wäre der Spiegel 5 dann um zweimal α versetzt bzw. nach Neuausrichtung auf den Messstrahl S wäre der Rotor 61 des Referenzdrehtisches 60 um zweimal α verdreht. Ausgehend von einer solchen Position kann eine weitere Messung, bezeichnet als zweiter Umschlag, des Winkelpositionsfehlers des Drehtisches 201 erfolgen. Dieses Prinzip kann fortgesetzt werden, bis eine Anzahl von n Umschlagsmessungen erhalten wurde. Durch eine möglichst hohe Zahl Umschlagsmessungen, also durch möglichst kleine Werte des Winkels α, werden Restfehler des Referenzdrehtisches 60 wirksam eliminiert. Hierzu wird auch auf WO 2014/108187 und die dortigen Erläuterungen zu 25 und 26 verwiesen, worin das Prinzip der Umschlagsmessung nochmals dargelegt ist.
In 5a bis 5d ist ein weiteres spezielles Verfahren gezeigt, wie die Pose des Prüfelements 5 auf den drehbaren Teil 206 der Drehvorrichtung 201 geändert werden kann. 5a stellt eine erste Pose des Spiegels 5 auf den Drehteller 206 dar und 5b stellt eine zweite Pose bezüglich des Drehtellers 206 dar. Bezüglich der Referenzmarke 300 wurden sowohl Position als auch Orientierung des Spiegels 5 auf den Drehteller 206 geändert. Die Posenänderung ist analog wie in 4 gezeigt, wo 4a eine erste Pose und 4c eine zweite Pose des Spiegels 5 auf den Drehteller 206 darstellt. Allerdings ist die Art der Umpositionierung des Spiegels 5 eine andere.
In 5a bis 5d sind der Einfachheit halber von dem Aufbau aus Drehtisch und Referenzdrehtisch nur der Drehteller 206 des Drehtisches 201 und der Spiegel 5 dargestellt. Der Aufbau ist aber an sich analog wie in 4, mit einem unter dem Drehtisch 201 angeordneten Referenzdrehtisch, d.h. im Vergleich zur 4 sind auch im Aufbau der 5 ein Drehteller 61 des Referenzdrehtisches sowie die Markierungen 301, 302 und 303 vorhanden, nur sind sie in 5 nicht bezeichnet.
In 5a ist die Ausgangssituation dargestellt, die der 4a entspricht. Dargestellt ist ferner der Messkopf 1209 des Koordinatenmessgeräts 1211 (siehe 3) mit einem Kopplungselement 1212. In 5b wird der Spiegel 5, der über ein hier nicht gezeigtes, aber in nachfolgenden Figuren erläutertes Kopplungselement verfügt, an das Kopplungselement 1212 angekoppelt. Der Messkopf 1209 wird an die entsprechende Position verfahren, die das Ankoppeln des Spiegels 5 erlaubt. Anschließend wird der Spiegel 5 nach oben, in Z-Richtung von dem Drehteller 206 abgehoben, was in 5b schematisch dargestellt ist. An sich erfolgt das Abheben in Blickrichtung des Betrachters, auf den Betrachter zu. In der zeichnerischen Darstellung ist dies etwas verzerrt dargestellt, um das Prinzip zu verdeutlichen.
Nach Trennung des Spiegels 5 von dem Drehteller 206 wird der Drehteller 206 der Drehvorrichtung 201 relativ zu dem abgehobenen Spiegel 5 um den Drehwinkel α verdreht, was in 5c dargestellt ist. Währenddessen bleibt der Spiegel 5 an dem Messkopf 1209 angekoppelt. Die Verdrehung des Drehtellers 206 relativ zum abgehobenen Spiegel 5 erfolgt analog wie in 4c dargestellt, d.h. es wird der Drehteller 61 des Referenzdrehtisches 60 um den Winkel α verdreht, wodurch gleichzeitig auch der Drehteller 206 verdreht wird.
In 5d wird der Spiegel 5 wieder auf dem Drehteller 206 abgesetzt, durch Verfahren des Messkopfs 1209 in Z-Richtung. Anschließend wird der Spiegel 5 von dem Messkopf 1209 bzw. dem Kopplungselement 1212 abgekoppelt und der Messkopf 1209 wieder von dem Spiegel 5 entfernt. Ausgehend von der in 5d gezeigten Situation kann eine zweite Umschlagsmessung erfolgen, wie zuvor anhand der 4 erläutert.
Statt der gezeigten Sensorbewegungseinrichtung, von der der Messkopf 1209 ein Teil ist, kann auch eine anderweitige Bewegungseinrichtung zum Versetzen eines Prüfelements verwendet werden, wobei nach dem Prinzip der 4 oder 5 vorgegangen werden kann. Denkbar ist beispielsweise eine Separate Hebe- und Senkvorrichtung, die den Spiegel nach dem in 5 gezeigten Prinzip abheben und wieder absenken kann, und die nicht unbedingt Teil des Koordinatenmessgeräts 1211 sein muss, sondern eine davon an sich getrennte Vorrichtung sein kann, die aber im Messbereich des KMG 1211 angeordnet werden kann.
Der in 5 schematisch dargestellte Ablauf von Verfahrensschritten ist in 6 anhand konkreterer Ausgestaltungen gezeigt. In 6a ist ein konkretes Beispiel eines Drehtellers 206 zu sehen, auf dem ein Spiegel 5 angeordnet ist. Der Spiegel 5 ist über das Verbindungselement 304 mit dem Kopplungselement 305 verbunden, über welches der Spiegel 5 an den Messkopf 1209 angekoppelt ist bzw. werden kann. In 6a ist ein abgekoppelter Zustand zu sehen. Der Messkopf 1209 verfährt aber nach unten in Richtung Kopplungselement 305, verdeutlicht durch einen nach unten weisenden Pfeil neben dem Messkopf 1209.
Die Ausführungsform der 6 zeigt einen CNC-wechselfähigen Messkopf 1209 eines KMG. Der Messkopf ist mit gleichem Bezugszeichen versehen wie in 3, auch wenn er in 3 schematischer und etwas abweichend dargestellt ist. Durch die Verwendung eines CNC-wechselfähigen Messkopfes als Hebevorrichtung für das Prüfelement ergeben sich in allgemeiner Weise u.a. folgende Vorteile:

– Durch die Dreipunktlagerung des Tellers 305 im Messkopf 1209 kann eine wiederholt genaue Ausrichtung beim Absetzen des Spiegels gewährleistet werden. Versuche ergaben, dass der Spiegel 5 ohne weitere Optimierungen in einem Genauigkeitsbereich von weniger als einer Bogenminute (weniger als 1/60°) abgesetzt werden kann. Durch weitere Maßnahmen lässt sich dies noch steigern.
– Im Teller des Kopplungselements 305 kann ein ID-Chip verbaut sein. Dieser kann von dem Messkopf 1209 ausgelesen werden. Es wird die Möglichkeit eröffnet, während einer automatischen Messung festzustellen, ob der richtige Spiegel 5 eingesetzt bzw. eingewechselt wurde. Somit kann die Fehleranfälligkeit minimiert werden, beispielsweise wenn der Spiegel 5 einmal nicht richtig angekoppelt wurde bzw. die Sicherheit erhöht werde.
– Es lässt sich unter Verwendung eines Kopplungsmittels 305 der Spiegel 5 in ein bereits gebräuchliches und erhältliches Tasterwechselmagazin ablegen, wenn dieser nach der Messung nicht mehr gebraucht wird.
– Durch die Verwendung eines solchen Kopplungsmittels 305 ist der Ablauf komplett automatisierungsfähig, u.a. weil das Kopplungsmittel 305 ein standardisiertes Kopplungsmittel ist. Trotz Automatisierung kann eine sehr hohe Genauigkeit erreicht werden.

In 6b wird, analog zu 5b, gezeigt, wie der Spiegel 5 an den Messkopf 1209 angekoppelt und nach oben abgehoben wird. Es ist an der Unterseite ein Kopplungselement an dem Messkopf vorhanden, das hier nicht sichtbar ist. Dieses dient wirkt mit dem Kopplungselement 305 zusammen. Eine Punktmarkierung 306 ist auf dem Drehteller eingezeichnet, um die Drehposition des Drehtellers 206 darzustellen.
6c entspricht im Verfahrensablauf der 5c. Der Drehtischteller 206 wird um einen Winkel α gegen den Uhrzeigersinn gedreht, was an der veränderten Position der Markierung 306 sichtbar ist. Die Drehung ist mit einem Pfeil dargestellt. Die Position 306‘ zeigt die vorherige Position der Markierung.
6d entspricht im Verfahrensablauf der 5d. Ausgehend von der in 6c dargestellten Situation wurde nach Drehung des Drehtellers 206 der Spiegel 5 nach unten auf dem Drehteller 206 abgesetzt und der Messkopf 1209 von dem Kopplungselement 305 entkoppelt und wieder nach oben bewegt.
7 zeigt das Prüfelement 5 mit dem ersten Kopplungselement im größeren Detail. Es ist erkennbar, dass das erste Kopplungselement 305 eine Dreipunktlagerung aufweist, mit drei im Winkel von 120° angeordneten Walzen 306. Solche Kopplungsmittel sind aus der Ankopplung von Taststiften an Messköpfe bekannt. Am Messkopf 1209 ist ein komplementäres Kopplungsmittel vorgesehen.
8a bis 8c zeigt ein zweites Kopplungselement 310, mit dem das Prüfelement 5, in diesem Fall ein Spiegel, an die Basis oder das erste Teil 206 der Drehvorrichtung 201 angekoppelt wird. Diese Ausführungsform kann eine für eine Messung noch genauere und stabilere Absatzposition des Spiegels 5 auf den Drehteller 206 erreicht werden. Im dargestellten Beispiel wird eine Kegel-Pfanne-Verbindung verwendet, wobei das zweite Kopplungselement 310 als Kegel ausgeführt ist und ein komplementäres weiteres Kopplungselement 311, das auf dem Drehteller 206 angeordnet ist, als Pfanne ausgeführt ist. Das Kopplungselement 310 oder das Kopplungselement 311 können aus einem ferromagnetischen Stoff gefertigt sein, um zusätzlich eine magnetische Kopplung herzustellen.
In 8c ist die Kopplung des Prüfelements 5 mit Hilfe der Kopplungselemente 310, 311 gezeigt. Der Spiegel 5 ist in der Kegelpfanne 311 abgesetzt und sitzt während einer Messung, also insbesondere während der Verfahrensschritte S2 und S5, stabil und drehfest in der Fassung 311.
In 8b ist alternativ zu einem Drehtisch als spezielle Ausführungsform einer Drehvorrichtung ein Drehgelenk 312 gezeigt, das mit einer Pfanne 311 versehen ist. Das Drehgelenk 312 weist die Drehachse D2 auf (weitere Drehachsen können vorhanden sein). Mit einem angekoppelten Spiegel 5 kann ein Messaufbau hergestellt werden, wie er in WO 2014/108187 in 12 gezeigt und erläutert ist.
9 zeigt eine Variante der Kopplung nach 8. In dieser Variante ist in der Kegelpfanne 311 ein Magnet 313 angebracht, um eine zusätzliche magnetische Kopplung herzustellen. Alternativ könnte der Magnet 313 an dem Kegelstumpf 310 angebracht sein. Es kann ein Permanent- oder ein Elektromagnet verwendet werden oder eine Kombination aus beiden. Möglich ist eine elektrische Kompensation einer Kraft des Permanentmagneten, wenn das Prüfelement 5 entnommen werden soll.
In 10a, 10b ist ein alternatives Verfahren zur Durchführung von Messungen mit einem Prüfelement 320 verdeutlicht. In diesem Fall ist das Prüfelement 320 ein Spiegelpolygon mit den Spiegelflächen a, b, c, d, e, f, in Form eines regelmäßigen Sechsecks. Die Spiegelflächen a–f stehen senkrecht zum Betrachter. In 10a ist auf die Spiegelfläche a der Messstrahl S des AKF 88 gerichtet. Bei dem Aufbau der 10 ist kein Referenzdrehtisch 60 vorhanden, der in den Ausführungsformen der 4–6 verwendet wird. Es wird also nur der Drehtisch 201 mit dem Drehteller 206 eingesetzt, der in dieser Darstellung von oben zu sehen ist.
Im Schritt S2 des Verfahrens werden folgende Messungen durchgeführt: Die Spiegelflächen a–f werden sukzessive, durch Drehen des Drehtellers 206 im Uhrzeigersinn in den Messstrahl S hineinbewegt, bis sie senkrecht zu dem Messstrahl S stehen, was durch das AKF detektiert werden kann. Ein entsprechender Winkeldrehwert wird am Winkelmesssystem des Drehtisches 201 detektiert, also beispielsweise der Drehwinkel, der nötig ist, um von der Spiegelfläche a ausgehend die Spiegelfläche b in den Messstrahl S zu drehen. Selbstverständlich können die Spiegelflächen a–f auch in umgekehrter Reihenfolge vermessen werden, also a, f, e, d, c, b.
Am Ende des Messzyklus ist wieder der Zustand der 10a hergestellt, bei dem die Spiegelfläche a im Messstrahl S steht. Anschließend wird das Spiegelpolygon 320 an den Messkopf 1209 angekoppelt und vom Drehteller 206 abgehoben. Beispielsweise kann das Spiegelpolygon 320 mit einem Kopplungsmittel 305 versehen sein, wie in 6 gezeigt. Nach dem Abheben des Spiegelpolygons wird der Drehteller 206 im Gegenuhrzeigersinn (oder alternativ im Uhrzeigersinn) um den Winkel α verdreht. Anschließend wird das Spiegelpolygon wieder mit dem Messkopf 1209 auf dem Drehteller 206 abgesetzt und der Messkopf 1209 entkoppelt und nach oben bewegt. Es wird der in 10b gezeigte Zustand erhalten, in dem die Spiegelfläche a im Messstrahl S steht, der Drehteller 206 aber um den Winkel α verdreht ist. Anschließend kann die oben genannte Messsequenz wiederholt werden, also die Spiegelflächen a–f sukzessive in den Messstrahl S gedreht werden und entsprechende Winkelpositions- oder Winkeländerungswerte mit dem Winkelmesssystem des Drehtisches 201 aufgenommen werden. Anschließend kann das Polygon 320 erneut abgehoben werden, der Drehteller 206 wieder um einen Winkel verdreht werden, das Polygon wieder abgesetzt werden und ein erneuter Messzyklus erfolgen usw.
Der Winkel α kann beliebig gewählt werden, entspricht vorzugsweise aber einem Wert von 360°/n, wobei n eine ganze Zahl ist. n muss aber nicht identisch sein zur Anzahl der Spiegelflächen. Vorteil ist auch bei diesem Verfahren, dass α beliebig klein gewählt werden kann und mit Hilfe des Sensorbewegungssystems des KMG 1211 eine Positionierung bzw. Wiederpositionierung des Polygons 320 sehr genau möglich ist.
Nach Durchführung mehrerer Posenneueinstellung des Polygons 320 auf dem Drehteller 206 (10a zeigt eine erste Pose, 10b zeigt eine zweite Pose des Prüfelements 320 auf der Drehvorrichtung 201) und nach Durchführung mehrerer Messzyklen wie oben beschrieben werden erhalten:

– Winkel der Polygonflächen untereinander, wie Winkel a zu b, Winkel b zu c, Winkel d zu e usw.
– Fehler des Drehpositionsmesssystems des Drehtisches 201.

Das anhand 10 erläuterte Messprinzip ist ein Selbstkalibrierverfahren, bei dem die Winkel der Spiegelflächen a–f untereinander nicht exakt von vornherein bekannt sein müssen. Es kann der Fehler des Winkelmesssystems des Drehtisches 201, insbesondere der Fehler des Maßstabes, direkt aus n² Messstellen berechnet werden. Nebenbei können mit den so gewonnenen Daten über geeignete Auswertung rückwirkend die Winkel des Polygons berechnet werden. Ein solches Verfahren zur Ermittlung des Fehlers des Drehpositionsmesssystems und zur Ermittlung der Winkel des Polygons ist an sich bekannt und beispielsweise beschrieben in: Geckeler et al, Calibration of angle encoders using transfer functions, Measurement Science and Technology, 20061001 IOP, Bristol, GB, Vol: 17, Nr: 10, Page(s): 2811–2818 und in WO 2014/108 187 A1 .
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2014/108187 A1 [0006, 0007, 0007, 0045, 0066, 0075, 0132]
WO 2014/108187 [0109, 0109, 0110, 0125]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Geckeler, R.; Fricke, A.; Elster, C.: „Calibration of angle encoders using transfer functions" Aus: Measurement Science and Technology Vol. 17 (2006) [0061]
Geckeler et al, Calibration of angle encoders using transfer functions, Measurement Science and Technology, 20061001 IOP, Bristol, GB, Vol: 17, Nr: 10, Page(s): 2811–2818 [0132]

Claims

Verfahren zur Durchführung von Messungen mit einem Prüfelement (5; 320), umfassend: – Anordnen (S1) eines Prüfelements (5; 320) in einem Messbereich einer Koordinatenmessvorrichtung (1211), wobei das Prüfelement an einer Basis (1201) der Koordinatenmessvorrichtung oder an/auf einem ersten, drehbaren Teil (206) einer innerhalb des Messbereiches angeordneten Drehvorrichtung (201) angeordnet wird und wobei das Prüfelement (5; 320) relativ zu der Basis (1201) oder zu dem ersten Teil (206) in einer ersten Pose angeordnet wird, – Durchführen (S2) einer Messung unter Einbeziehung des Prüfelements in der ersten Pose, – Anordnen (S4) des Prüfelements (5; 320) mit oder unter Verwendung einer Bewegungseinrichtung (1202, 1203, 1204, 1205, 1207, 1208, 1210) in einer zweiten Pose an der Basis oder an dem ersten Teil, – Durchführen (S5) einer Messung unter Einbeziehung des Prüfelements in der zweiten Pose.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Bewegungseinrichtung (1202, 1203, 1204, 1205, 1207, 1208, 1210) eine Sensorbewegungseinrichtung der Koordinatenmessvorrichtung (1211) ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, aufweisend das Ankoppeln (S3) des Prüfelements (5; 320) an die Bewegungseinrichtung (1202, 1203, 1204, 1205, 1207, 1208, 1210; 1202, 1203, 1204, 1205, 1207, 1208, 1210, 1209).
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Ankoppeln des Prüfelements (5; 320) an einen Messkopf (1209) der Koordinatenmessvorrichtung (1211) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, aufweisend das Entkoppeln (S6) des Prüfelements (5; 320) von der Bewegungseinrichtung (1202, 1203, 1204, 1205, 1207, 1208, 1210; 1202, 1203, 1204, 1205, 1207, 1208, 1210, 1209).
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Koordinatenmessvorrichtung ein Koordinatenmessgerät (1211) oder eine Werkzeugmaschine ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Prüfelement (5) ein Endmaß, ein Spiegel (5), ein Spiegelpolygon (320), ein antastbarer Kalibrierkörper oder eine Kalibrierschablone ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Prüfelement (5) ein erstes Kopplungselement (305) zum Ankoppeln an die Bewegungseinrichtung (1202, 1203, 1204, 1205, 1207, 1208, 1210) aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Prüfelement (5) ein zweites Kopplungselement (310) aufweist, mit dem das Prüfelement (5) an die Basis oder das erste Teil der Drehvorrichtung (206) angekoppelt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Basis oder das erste Teil der Drehvorrichtung ein drittes Kopplungselement (311) aufweist, das mit dem zweiten Kopplungselement (310) zusammen wirkt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Prüfelement (5) ein Identifikationsmerkmal aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mit den Messungen (S2, S5) unter Einbeziehung des Prüfelements (5) ein Fehler eines Drehpositionsermittlungssystems der Drehvorrichtung (201) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Anordnen des Prüfelements (5) mit oder unter Verwendung der Bewegungseinrichtung (1202, 1203, 1204, 1205, 1207, 1208, 1210) in der zweiten Pose aufweist: – Abheben des in der ersten Pose befindlichen Prüfelements (5) von dem ersten Teil (206) der Drehvorrichtung mit der Bewegungseinrichtung (1202, 1203, 1204, 1205, 1207, 1208, 1210), sodass das Prüfelement (5) und das erste Teil (206) voneinander getrennt werden, – Drehen des ersten Teils (206) der Drehvorrichtung (201) relativ zu dem abgehobenen Prüfelement (5) um einen Drehwinkel (α), und/oder Drehen und/oder translatorisches Bewegen des Prüfelements mit der Bewegungseinrichtung (1202, 1203, 1204, 1205, 1207, 1208, 1210), – Absetzen des Prüfelements (5) auf das erste Teil (206), sodass das Prüfelement auf dem ersten Teil (206) und relativ zu dem ersten Teil in der zweiten Pose angeordnet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Drehvorrichtung an eine Referenzdrehvorrichtung (60) gekoppelt ist und – bei dem Durchführen der Messung unter Einbeziehung des Prüfelements (5) die Drehvorrichtung (201) und die Referenzdrehvorrichtung (60) gegenläufig verdreht werden, sodass die Pose des Prüfelements in einem Gerätekoordinatensystem der Koordinatenmessvorrichtung unverändert bleibt oder verändert wird, und – im Fall einer unveränderten Pose des Prüfelements (5) ein Drehpositionswert eines Drehpositionsermittlungssystems der Drehvorrichtung (201) und ein Drehpositionswert eines Drehpositionsermittlungssystems der Referenzdrehvorrichtung (60) verglichen werden und ein Fehler des Drehpositionsermittlungssystems der Drehvorrichtung (201) ermittelt wird, oder – im Fall einer veränderten Pose des Prüfelements (5) die Veränderung der Pose des Prüfelements (5) ermittelt wird und damit der Fehler des Drehpositionsermittlungssystems der Drehvorrichtung (201) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei eine Veränderung der Pose des Prüfelements, oder eine unveränderte Pose des Prüfelements (5) mit einer Ermittlungseinrichtung (88) ermittelt wird, die mit dem Prüfelement zusammen wirkt.