DE102017108033A1

DE102017108033A1 - Method for measuring coordinates or properties of a workpiece surface

Info

Publication number: DE102017108033A1
Application number: DE102017108033.3A
Authority: DE
Inventors: Rainer Doderer; Jonas Michael Frank
Original assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2017-04-13
Filing date: 2017-04-13
Publication date: 2018-10-18

Abstract

Bei einem Verfahren zur Messung von Koordinaten oder Eigenschaften einer Werkstückoberfläche (19) wird ein Koordinatenmessgerät (10) mit einer daran befestigten Positioniereinrichtung (22) bereitgestellt, die mehrere Freiheitsgrade der Bewegung hat und ein Messinstrument (44) trägt. Zunächst wird eine Pose bestimmt, an der sich das Messinstrument (44) während einer an dem Werkstück (18) durchgeführten Messung befinden soll. Für jeden Freiheitsgrad der Bewegung wird ein Wert für einen Steuerungsparameter so bestimmt, dass das Messinstrument (44) die zuvor bestimmte Pose einnimmt. An dieser Pose führt das Messinstrument (44) sodann eine Messung aus. Wenn man nun die Pose desselben Werkstücks (18) verändert oder das Werkstück gegen ein gleichartiges Werkstück (18') austauscht, wird für jeden Freiheitsgrad der Bewegung ein neuer Wert für den jeweiligen Steuerungsparameter bestimmt, und zwar so, dass das Messinstrument (44) die anfangs bestimmte Pose relativ zu demselben beziehungsweise zu dem gleichartigen Werkstück einnimmt. Die neuen Werte für die Steuerungsparameter werden dabei durch inverse Kinematik bestimmt.

In a method for measuring coordinates or properties of a workpiece surface (19), there is provided a coordinate measuring machine (10) with a positioning device (22) attached thereto having a plurality of degrees of freedom of movement and carrying a measuring instrument (44). First, a pose is determined where the gauge (44) is to be located during a measurement made on the workpiece (18). For each degree of freedom of movement, a value for a control parameter is determined so that the gauge (44) takes the previously determined pose. At this pose, the measuring instrument (44) then performs a measurement. If one now changes the pose of the same workpiece (18) or exchanges the workpiece for a similar workpiece (18 '), a new value for the respective control parameter is determined for each degree of freedom of the movement, in such a way that the measuring instrument (44) initially assumes certain pose relative to the same or the same workpiece. The new values for the control parameters are determined by inverse kinematics.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

Gebiet der ErfindungField of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von Koordinaten, der Rauheit oder einer anderen Eigenschaft einer Werkstückoberfläche mit Hilfe einer Positioniereinrichtung, die an einem beweglichen Träger einer Koordinatenmessmaschine befestigt ist und ein Messinstrument trägt.The invention relates to a method for measuring coordinates, roughness or other property of a workpiece surface by means of a positioning device which is attached to a movable carrier of a coordinate measuring machine and carries a measuring instrument.

Beschreibung des Standes der TechnikDescription of the Prior Art

Zur Messungen an Werkstückoberflächen werden häufig Koordinatenmessgeräte (KMG, engl. CMM, coordinate measuring machine) verwendet. Ein Koordinatenmessgerät umfasst üblicherweise einen Tisch, der das zu vermessende Werkstück trägt, ein Messinstrument, das in unmittelbarer Nähe zu dem Werkstück positioniert wird, sowie einen Messkopf, der auf das Messinstrument definierte Stellkräfte ausübt und Kräfte misst, die von dem Messinstrument auf den Messkopf übertragen werden. In der Regel weisen Koordinatenmessgeräte außerdem eine Verfahreinrichtung auf, die den Messkopf in drei orthogonalen Verfahrrichtungen x, y und z relativ zu dem Tisch mit hoher Genauigkeit verfährt. Bekannt sind jedoch auch Koordinatenmessgeräte mit einem Verfahrtisch, der sich relativ zu einem feststehenden Messkopf bewegt. Soweit im Folgenden auf eine Verfahreinrichtung Bezug genommen wird, gelten die betreffenden Anmerkungen für Verfahrtische entsprechend.Coordinate measuring machines (CMM, CMM, coordinate measuring machine) are often used for measurements on workpiece surfaces. A coordinate measuring machine typically includes a table carrying the workpiece to be measured, a measuring instrument positioned in close proximity to the workpiece, and a measuring head that applies set forces to the measuring instrument and measures forces transmitted from the measuring instrument to the measuring head become. As a rule, coordinate measuring machines also have a traversing device which moves the measuring head in three orthogonal traversing directions x, y and z relative to the table with high accuracy. However, coordinate measuring machines with a travel table which moves relative to a stationary measuring head are also known. Insofar as reference is made below to a traversing device, the relevant comments for traversing devices shall apply accordingly.

Zu einem Koordinatenmessgerät gehört außerdem eine Auswerte- und Steuereinrichtung, welche die Bewegungen der Verfahreinrichtung steuert und die von dem Messkopf erzeugten Messsignale auswertet. Falls das Messinstrument ebenfalls Messsignale erzeugt, werden auch diese von der Auswerte- und Steuereinrichtung ausgewertet. Die Verfahreinrichtung verfügt für jede der drei Verfahrrichtungen x, y, z über mindestens einen Wandler, die an die Auswerte- und Steuereinrichtung Informationen über die zurückgelegten Verfahrwege zurückgibt. Dadurch ist die Position einer Kupplung der Verfahreinrichtung, an welcher der Messkopf auswechselbar befestigt ist, in allen Verfahrstellungen mit hoher Genauigkeit bekannt.To a coordinate measuring machine also includes an evaluation and control device which controls the movements of the traversing device and evaluates the measurement signals generated by the measuring head. If the measuring instrument also generates measurement signals, these are also evaluated by the evaluation and control device. The traversing device has at least one transducer for each of the three traversing directions x, y, z, which returns information about the traversed travel paths to the evaluation and control device. As a result, the position of a coupling of the traversing device, to which the measuring head is interchangeably fixed, is known with high accuracy in all traversing positions.

Besteht die durch Messung zu bestimmende Oberflächeninformation in den kartesischen Koordinaten der Werkstückoberfläche, so handelt es sich bei dem Messinstrument meist um einen taktilen Taster. Dieser berührt während der Messung die Oberfläche mit einer vorgegebenen und von dem Messkopf erzeugten Antastkraft. Beim Antasten wird der Taster geringfügig ausgelenkt, was ebenfalls vom Messkopf erfasst wird. Wenn die Lage des Tasters bezüglich der Kupplung der Verfahreinrichtung bekannt ist, lassen sich bei einem Kontakt des Antastelements mit der Werkstückoberfläche die kartesische Koordinaten des Kontaktpunktes genau bestimmen. Anstelle eines taktilen Tasters kann auch ein optischer Taster verwendet werden, der den Abstand zur Werkstückoberfläche berührungslos misst. Solche optischen Taster beruhen z. B. auf dem Prinzip der chromatisch konfokalen Abbildung und sind vor allem für die Vermessung von sehr weichen Werkstücken zweckmäßig.If the surface information to be determined by measurement is in the Cartesian coordinates of the workpiece surface, then the measuring instrument is usually a tactile probe. This touches the surface during the measurement with a predetermined and generated by the probe contact force. When touching the button is slightly deflected, which is also detected by the measuring head. If the position of the probe with respect to the coupling of the displacement device is known, the Cartesian coordinates of the point of contact can be determined precisely when the contact element contacts the workpiece surface. Instead of a tactile probe, an optical probe can be used, which measures the distance to the workpiece surface without contact. Such optical buttons are based z. B. on the principle of chromatic confocal imaging and are particularly useful for the measurement of very soft workpieces.

Wenn die Rauheit von Werkstückoberflächen gemessen werden soll, wird als Messinstrument ein Rauheitssensor eingesetzt, der häufig als Tastschnittgerät ausgebildet ist. Ein Tastschnittgerät weist einen beweglich gelagerten Messarm auf, an dessen Ende ein Tastelement, z.B. eine Diamantspitze, befestigt ist, das während der Messung durch den Kontakt mit der Werkstückoberfläche ausgelenkt wird. Das Tastelement wird während der Messung senkrecht zur Auslenkungsrichtung des Tastelements mit Hilfe einer Vorschubeinheit linear verfahren und auf diese Weise entlang einer Linie über die zu vermessende Werkstückoberfläche geführt. Genaue Messwerte können nur dann erhalten werden, wenn die Auslenkungsrichtung des Tastelements exakt senkrecht zur vermessenden Oberfläche verläuft. Daher muss das Tastelement nicht nur bezüglich seiner kartesischen Koordinaten, sondern auch bezüglich seiner winkelmäßigen Orientierung im Raum sehr genau relativ zum Werkstück ausgerichtet sein.If the roughness of workpiece surfaces is to be measured, a roughness sensor is used as the measuring instrument, which is often designed as a stylus instrument. A stylus device has a movably mounted measuring arm, at the end of which a probe element, e.g. a diamond tip is fixed, which is deflected during the measurement by the contact with the workpiece surface. The probe element is moved linearly during the measurement perpendicular to the deflection direction of the probe element by means of a feed unit and guided in this way along a line over the workpiece surface to be measured. Accurate measured values can only be obtained if the deflection direction of the probe element is exactly perpendicular to the surface to be measured. Therefore, the probe element must be aligned very accurately relative to the workpiece not only with respect to its Cartesian coordinates but also with respect to its angular orientation in space.

Entsprechendes gilt auch für berührungsfrei arbeitende Rauheitssensoren, etwa punktweise oder flächig messende Weißlichtsensoren. Auch solche Sensoren müssen sehr genau relativ zum Werkstück ausgerichtet sein, damit die Messergebnisse nicht verfälscht werden.The same applies to non-contact roughness sensors, such as point-wise or flat measuring white light sensors. Even such sensors must be aligned very accurately relative to the workpiece so that the measurement results are not distorted.

In modernen Produktionsabläufen müssen die Werkstücke inzwischen mit so geringen Toleranzen gefertigt werden, dass eine laufende Prozessüberwachung unverzichtbar ist. Dabei stellt sich immer häufiger das Problem, dass die Werkstücke, deren Oberflächen automatisiert vermessen werden sollen, sehr komplexe Formen haben. Ein Motorblock eines Verbrennungsmotors beispielsweise weist eine Vielzahl von Bohrungen mit unterschiedlichen Innendurchmessern, zahlreiche Hinterschneidungen und unregelmäßig geformten Ausnehmungen auf, an denen es zu vermessende Oberflächen gibt. Herkömmliche Koordinatenmessgeräte mit ihren meist sehr voluminösen Verfahreinrichtungen sind in der Regel nicht in der Lage, ein Messinstrument so in den Öffnungen oder Ausnehmungen eines Motorblocks zu positionieren, dass dort eine Messung durchgeführt werden kann.In modern production processes, the workpieces must now be manufactured with such small tolerances that ongoing process monitoring is indispensable. The problem is that the workpieces, whose surfaces are to be measured automatically, have very complex shapes. An engine block of an internal combustion engine, for example, has a plurality of holes with different inner diameters, numerous undercuts and irregularly shaped recesses on which there are surfaces to be measured. Conventional coordinate measuring machines with their usually very voluminous displacement devices are usually not able to position a measuring instrument in the openings or recesses of an engine block so that a measurement can be carried out there.

Moderne und teilweise auch für die laufende Prozessüberwachung geeignete Messsysteme weisen deswegen häufig eine Positioniereinrichtung auf, die zwischen der Verfahreinrichtung des Koordinatenmessgeräts und dem Messinstrument angeordnet ist. Die Positioniereinrichtung hat die Aufgabe, das Messinstrument unmittelbar über der zu vermessenden Oberfläche zu positionieren. Im Allgemeinen wird die Positioniereinrichtung nicht unmittelbar an der Verfahreinrichtung des Koordinatenmessgeräts, sondern an dem Messkopf befestigt, der von der Verfahreinrichtung getragen wird. Bekannt sind jedoch auch Messsysteme, bei denen der Messkopf zwischen der Positioniereinrichtung und dem Messinstrument angeordnet ist. Das Messinstrument ist dann nicht unmittelbar, sondern mittelbar über den Messkopf an der Positioniereinrichtung befestigt. Modern and partially also suitable for the current process monitoring measuring systems therefore often have a positioning device which is arranged between the traversing device of the coordinate measuring machine and the measuring instrument. The positioning device has the task of positioning the measuring instrument directly above the surface to be measured. In general, the positioning device is not attached directly to the traversing device of the coordinate measuring machine, but to the measuring head which is carried by the traversing device. However, measuring systems are also known in which the measuring head is arranged between the positioning device and the measuring instrument. The measuring instrument is then not attached directly to the positioning device but indirectly via the measuring head.

Solche Positioniereinrichtungen können beispielsweise ein Dreh-Schwenkgelenk aufweisen, wie es in der EP 2 207 006 A2 beschrieben ist. Mithilfe dieser bekannten Positioniereinrichtung kann ein Messinstrument um eine vertikale Achse gedreht und zusätzlich um eine horizontale Achse verschwenkt werden, um das Messinstrument optimal bezüglich der Werkstückoberfläche zu positionieren. Das Messinstrument ist dort zusätzlich noch um eine dritte Drehachse drehbar.Such positioning means may comprise, for example, a rotary swivel joint, as shown in the EP 2 207 006 A2 is described. By means of this known positioning device, a measuring instrument can be rotated about a vertical axis and additionally pivoted about a horizontal axis in order to optimally position the measuring instrument with respect to the workpiece surface. The measuring instrument is there additionally rotatable about a third axis of rotation.

Eine andere Positioniereinrichtung mit drei Drehachsen ist aus der DE 20 2014 101 900 U1 bekannt.Another positioning with three axes of rotation is from the DE 20 2014 101 900 U1 known.

Bevor eine Messung durchgeführt wird, muss zunächst eine Pose bestimmt werden, an der sich das Messinstrument zum Zeitpunkt der Messung befinden soll. Unter der Pose eines Objekts versteht man die Kombination von Position und Orientierung. In der Regel wird die Pose eines Objekts mit drei kartesischen Koordinaten und drei Winkeln angegeben. Die gewünschte Pose des Messinstruments kann dabei entweder relativ zu dem Werkstück oder in einem Koordinatensystem angegeben werden, in dem die Pose des Werkstücks bekannt ist. Es wird dann für jeden Freiheitsgrad der Bewegung der Positioniereinrichtung ein Wert für einen Steuerungsparameter so bestimmt, dass das Messinstrument die gewünschte Pose einnimmt, wenn die Antriebe der Positioniereinrichtung mit Steuersignalen angesteuert werden, die aus den Steuerungsparametern abgeleitet wurden. Der Anwender verwendet dabei ein parametrisches Strukturmodell der Positioniereinrichtung, auf dessen Grundlage simuliert werden kann, welche Pose das Messinstrument bei einem vorgegebenen Satz von Steuerungsparametern einnimmt.Before a measurement is made, a pose must first be determined where the instrument should be located at the time of measurement. The pose of an object is the combination of position and orientation. Typically, the pose of an object is given in three Cartesian coordinates and three angles. The desired pose of the measuring instrument can be specified either relative to the workpiece or in a coordinate system in which the pose of the workpiece is known. A value for a control parameter is then determined for each degree of freedom of the movement of the positioning device so that the measuring instrument assumes the desired pose when the drives of the positioning device are controlled with control signals derived from the control parameters. The user uses a parametric structural model of the positioning device on the basis of which it is possible to simulate which pose the measuring instrument assumes for a given set of control parameters.

Aus der EP 0 866 390 A1 ist ein Verfahren bekannt, wie man die Positioniereinrichtung steuern kann, damit das Messinstrument über dem Werkstück eine gewünschte Bahn abfährt. Beim Abfahren der Bahn wird die Positioniereinrichtung von der Verfahreinrichtung des Koordinatenmessgeräts entlang eines Weges verfahren, der parallel zu der gewünschten Bahn verläuft. Überlagert wird diese translatorische Bewegung des Messinstruments von eine Drehung um eine Drehachse der Positioniereinrichtung, die idealerweise senkrecht zu der Bahn ausgerichtet ist.From the EP 0 866 390 A1 For example, a method is known of how to control the positioning device so that the measuring instrument moves over the workpiece to a desired path. When the web is lowered, the positioning device is moved by the traversing device of the coordinate measuring machine along a path which runs parallel to the desired path. This translatory movement of the measuring instrument is superimposed by a rotation about an axis of rotation of the positioning device, which is ideally aligned perpendicular to the path.

Manchmal ist es erforderlich, dass das Werkstück im Verlauf der Messung in eine andere Pose überführt wird. Dies kann z. B. erforderlich sein, wenn Teile der Oberfläche vermessen werden sollen, die zunächst dem Tisch des Koordinatenmessgeräts oder einer Werkstückaufnahme zugewandt und daher für das Messinstrument nicht erreichbar waren. Bisher war es erforderlich, nach dem Verschieben und/oder Verdrehen des Werkstücks die gewünschte Bahn, d. h. die Abfolge der Posen, an denen Messungen durchgeführt werden sollen, neu zu bestimmen. Hierzu kann die neue Pose des Werkstücks gemessen werden und aus dem Vergleich der Werkstückpose vor und nach dem Verschieben und/oder Verdrehen eine Transformationsmatrix abgeleitet werden. Mithilfe der Transformationsmatrix können die Posen, an denen sich das Messinstrument befinden soll, automatisch umgerechnet werden.Sometimes it is necessary to move the workpiece into a different pose during the measurement. This can be z. B. be required if parts of the surface to be measured, which initially the table of the coordinate measuring machine or a workpiece holder facing and therefore were not available for the measuring instrument. Previously, it was necessary, after moving and / or rotating the workpiece, the desired path, d. H. to redetermine the sequence of poses at which measurements should be taken. For this purpose, the new pose of the workpiece can be measured and a transformation matrix can be derived from the comparison of the workpiece pose before and after the displacement and / or rotation. With the help of the transformation matrix, the poses on which the measuring instrument should be located can be automatically converted.

Es verbleibt dann jedoch die Aufgabe, für die umgerechneten Posen des Messinstruments neue Steuerungsparameter zu bestimmen, auf deren Grundlage die Positioniereinrichtung angesteuert wird. Der Anwender verwendet dabei wieder das parametrische Strukturmodell der Positioniereinrichtung und ermittelt durch eine Simulation, welche Steuerungsparameter zu der gewünschten Pose des Messinstruments führen.However, the task then remains to determine new control parameters for the converted poses of the measuring instrument, on the basis of which the positioning device is actuated. The user again uses the parametric structure model of the positioning device and uses a simulation to determine which control parameters lead to the desired pose of the measuring instrument.

Entsprechendes gilt, wenn gleichartige, d. h. geometrisch im Wesentlichen identische Werkstücke in rascher Folge hintereinander vermessen werden sollen. Dann ist es im Allgemeinen nicht möglich, alle Werkstücke exakt gleich relativ zu dem Tisch der Verfahreinrichtung auszurichten. Auch in diesen Fällen müssen die Steuerungsparameter für die Positioniereinrichtung neu bestimmt werden.The same applies if similar, d. H. geometrically essentially identical workpieces are to be measured one after the other in rapid succession. In that case, it is generally not possible to align all the workpieces exactly the same relative to the table of the displacement device. Even in these cases, the control parameters for the positioning must be redetermined.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Messung von Koordinaten oder Eigenschaften einer Werkstückoberfläche anzugeben, das sich bei Änderungen der Werkstückpose oder einem Austausch von gleichartigen Werkstücken rascher durchführen lässt.The object of the invention is to specify a method for measuring coordinates or properties of a workpiece surface, which can be carried out more quickly when the workpiece pose changes or an exchange of similar workpieces.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Messung von Koordinaten oder Eigenschaften einer Werkstückoberfläche mit folgenden Schritten:

a) Es wird ein Koordinatenmessgerät mit einer daran befestigten Positioniereinrichtung bereitgestellt, die mehrere Freiheitsgrade der Bewegung hat und ein Messinstrument trägt;
b) Es wird eine Pose bestimmt, an der sich das Messinstrument während einer an dem Werkstück durchgeführten Messung befinden soll;
c) Es wird für jeden Freiheitsgrad der Bewegung ein Wert für einen Steuerungsparameter so bestimmt, dass das Messinstrument die in Schritt b) bestimmte Pose einnimmt;
d) Das Messinstrument wird an die in Schritt b) bestimmte Pose bewegt und führt von dort an dem Werkstück eine Messung von Koordinaten oder Eigenschaften einer Oberfläche des Werkstücks aus;
e) Die Pose desselben Werkstücks wird verändert, oder es wird das Werkstück gegen ein gleichartiges Werkstück ausgetauscht;
f) Es wird für jeden Freiheitsgrad der Bewegung ein neuer Wert für den jeweiligen Steuerungsparameter so bestimmt, dass das Messinstrument die in Schritt b) bestimmte Pose relativ zu demselben beziehungsweise zu dem gleichartigen Werkstück einnimmt, wobei die neuen Werte für die Steuerungsparameter durch inverse Kinematik bestimmt werden;
g) Das Messinstrument wird an die in Schritt f) bestimmte Pose bewegt und führt von dort an demselben Werkstück beziehungsweise an dem gleichartigen Werkstück eine Messung von Koordinaten oder Eigenschaften einer Oberfläche des Werkstücks aus.

This object is achieved according to the invention by a method for measuring coordinates or properties of a workpiece surface with the following steps:

a) There is provided a coordinate measuring machine with a positioning device attached thereto, which has a plurality of degrees of freedom of movement and carries a measuring instrument;
b) a pose is determined at which the measuring instrument should be located during a measurement made on the workpiece;
c) For each degree of freedom of movement, a value for a control parameter is determined so that the measuring instrument assumes the pose determined in step b);
d) the measuring instrument is moved to the pose determined in step b) and carries out from there on the workpiece a measurement of coordinates or properties of a surface of the workpiece;
e) The pose of the same workpiece is changed or the workpiece is exchanged for a similar workpiece;
f) For each degree of freedom of movement, a new value for the respective control parameter is determined such that the measuring instrument assumes the pose determined in step b) relative to the same workpiece, the new values for the control parameters being determined by inverse kinematics become;
g) The measuring instrument is moved to the pose determined in step f) and carries out from there on the same workpiece or on the similar workpiece a measurement of coordinates or properties of a surface of the workpiece.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass sich die neuen Werte für die Steuerungsparameter sehr rasch automatisiert durch Anwenden der inversen Kinematik bestimmen lassen. Bei der inversen Kinematik handelt es sich um eine Rückwärtstransformation, mit der sich aus einer vorgegebenen Pose der Positioniereinrichtung die Steuerungsparameter ableiten lassen. Die Rückwärtstransformation ist im Allgemeinen wesentlich schwieriger als die direkte Kinematik, bei der auf der Grundlage der Steuerungsparameter durch Verwendung eines parametrischen Strukturmodels der Positioniereinrichtung ermittelt wird, in welcher Pose sich das Messinstrument befindet, wenn die Positioniereinrichtung mit Steuersignalen angesteuert wird, die aus den Steuerungsparametern abgeleitet wurden. Bei der inversen Kinematik entstehen die Schwierigkeiten zum einen durch Mehrdeutigkeiten, da es häufig mehrere Sätze von Steuerungsparametern gibt, die zur gleichen Pose des Messinstruments führen. Zum anderen sind bei der inversen Kinematik zahlreiche Randbedingungen einzuhalten. So sind in der Regel die zur Verfügung stehenden Drehwinkel und Verfahrstrecken beschränkt. Außerdem muss Kollisionsfreiheit gewährleistet sein, d. h. die Steuerungsparameter müssen so festgelegt werden, dass sich Teile der Positioniereinrichtung und des davon getragenen Messinstruments nicht gegenseitig oder das Werkstück berühren.The invention is based on the recognition that the new values for the control parameters can be determined very quickly automatically by applying the inverse kinematics. Inverse kinematics is a backward transformation with which the control parameters can be derived from a predetermined pose of the positioning device. The backward transformation is generally much more difficult than the direct kinematics, in which, based on the control parameters, by using a parametric structure model of the positioning device, it is determined which pose the measuring instrument is in when the positioning device is driven by control signals derived from the control parameters were. Inverse kinematics, on the one hand, creates ambiguities because there are often multiple sets of control parameters that result in the same pose of the measuring instrument. On the other hand, many inverse kinematics must be complied with. Thus, the available rotation angle and travel distances are usually limited. In addition, collision freedom must be guaranteed, d. H. the control parameters must be set so that parts of the positioning device and the measuring instrument carried thereby do not touch each other or the workpiece.

Wenn die Geometrie des Werkstücks genau bekannt ist, können die für die inverse Kinematik bekannten Algorithmen diese Randbedingungen vollständig berücksichtigen. In vielen Fällen ist die Geometrie des Werkstücks jedoch nicht so rechnerisch erfasst, dass sie den Algorithmen übergeben werden kann. In diesen Fällen ist es zweckmäßig, wenn in Schritt f) die neuen Werte so bestimmt werden, dass sie und die zuvor in Schritt c) bestimmten Werte ein vorgegebenes Abweichungskriterium einhalten. Vorzugsweise werden für die Steuerung der Positioniereinrichtung nur solche neuen Werte für die Steuerungsparameter zugelassen, die sich nur wenig von den vorher bestimmten Werten unterscheiden. Dann kann unterstellt werden, dass auch bei Verwendung der neuen Werte keine Kollisionen mit dem Werkstück auftreten. Solche neuen Werte lassen sich natürlich nur dann erhalten, wenn sich in Schritt e) die Pose desselben oder des gleichartigen Werkstücks nur wenig verändert. Auf diese Weise wird die Überprüfung auf Kollisionen mit dem Werkstück nicht von der inversen Kinematik durchgeführt, sondern in einem nachgelagerten Prüfungsschritt.If the geometry of the workpiece is known exactly, the algorithms known for inverse kinematics can fully take these constraints into account. In many cases, however, the geometry of the workpiece is not computed so that it can be passed to the algorithms. In these cases, it is expedient if, in step f), the new values are determined so that they and the values previously determined in step c) comply with a predetermined deviation criterion. Preferably, only those new values for the control parameters are allowed for the control of the positioning device, which differ only slightly from the previously determined values. Then it can be assumed that no collisions occur with the workpiece even when using the new values. Of course, such new values can only be obtained if, in step e), the pose of the same or the same workpiece changes only slightly. In this way, the check for collisions with the workpiece is not performed by the inverse kinematics, but in a subsequent test step.

Bei der Anwendung des Abweichungskriteriums kann in Schritt f) beispielsweise für jeden Freiheitsgrad der Absolutwert der Differenz zwischen dem in Schritt c) bestimmten Wert und dem neuen Wert ermittelt werden. Das Abweichungskriterium gibt dann beispielsweise an, dass die Summe der Absolutwerte nicht größer ist als ein vorgegebener Grenzwert. Alternativ hierzu kommt in Betracht, die Werte für die Steuerungsparameter unterschiedlich zu gewichten oder ein Abweichungskriterium zu definieren, bei dem nicht die Summe, sondern die Quadrate der Absolutwerte nicht größer als ein vorgegebener Grenzwert sein dürfen.In the application of the deviation criterion, in step f), for example, for each degree of freedom, the absolute value of the difference between the value determined in step c) and the new value can be determined. The deviation criterion then indicates, for example, that the sum of the absolute values is not greater than a predetermined limit value. Alternatively, it is possible to weight the values for the control parameters differently or to define a deviation criterion in which not the sum but the squares of the absolute values may not be greater than a predetermined limit value.

Um die Pose des Messinstruments festzulegen, ist es erforderlich, die Koordinaten des Werkstücks zu kennen. Vorzugsweise werden deswegen vor dem Schritt c) die Koordinaten des Werkstücks und vor dem Schritt f) die veränderten Koordinaten desselben Werkstücks bzw. des gleichartigen Werkstücks in einem Koordinatensystem gemessen. Für die Messung kann beispielsweise ein Taster verwendet werden, der an dem Messkopf des Koordinatenmessgeräts befestigt wird. Derartige Messungen können automatisiert in kurzer Zeit durchgeführt werden. Durch Vergleich der Pose des Werkstücks vor und nach dem Verschieben und/oder Verdrehen bzw. der Posen der gleichartigen Werkstücke lässt sich eine Transformationsmatrix bestimmen, mit deren Hilfe die neue Pose des Messinstruments bestimmt werden kann. In einigen Fällen lässt sich die neue Pose aber auch ohne Messung der Koordinaten des Werkstücks bestimmen, etwa wenn bei einer linearen Verlagerung des Werkstücks der Betrag und die Richtung der Verlagerung genau erfasst werden. In diesem Fall lässt sich die Transformationsmatrix direkt aus dem Verlagerungsvektor ableiten.To determine the pose of the measuring instrument, it is necessary to know the coordinates of the workpiece. Preferably, therefore, before step c), the coordinates of the workpiece and before step f) the changed coordinates of the same workpiece or the like workpiece are measured in a coordinate system. For example, a probe can be used for the measurement, which is attached to the measuring head of the coordinate measuring machine. Such measurements can be carried out automatically in a short time. By comparing the pose of the workpiece before and after the displacement and / or twisting or the poses of similar workpieces, a transformation matrix can be determined with the aid of which the new pose of the meter can be determined. In some cases, however, the new pose can also be determined without measuring the coordinates of the workpiece, for example, if the amount and the direction of the displacement are precisely detected during a linear displacement of the workpiece. In this case, the transformation matrix can be derived directly from the displacement vector.

Um im Schritt c) die Werte für die Steuerungsparameter zu bestimmen, kann ebenfalls auf eine inverse Kinematik zurückgegriffen werden. Dadurch lässt sich auch für die ursprüngliche Pose des Werkstücks sehr rasch ein Satz von Werten für die Steuerungsparameter ermitteln, auf dessen Grundlage das Messinstrument in die gewünschte Pose überführt werden kann.In order to determine the values for the control parameters in step c), an inverse kinematics can likewise be used. As a result, a set of values for the control parameters can also be determined very quickly for the original pose of the workpiece, on the basis of which the measuring instrument can be converted into the desired pose.

Bei einem Ausführungsbeispiel weist die Positioniereinrichtung einen mehrgliedrigen beweglichen Arm auf, der mehrere steuerbare Freiheitsgrade der Bewegung hat, denen jeweils ein Antrieb zugeordnet ist. Das Messinstrument kann dabei unmittelbar oder über einen Messkopf an einem Ende des Arms befestigt sein.In one embodiment, the positioning device comprises a multi-membered movable arm having a plurality of controllable degrees of freedom of movement, each associated with a drive. The measuring instrument can be attached directly or via a measuring head at one end of the arm.

Bei dem Messinstrument kann es sich beispielsweise um einen taktilen oder optischen Taster oder um einen taktilen oder optischen Rauheitssensor handeln.The measuring instrument may, for example, be a tactile or optical probe or a tactile or optical roughness sensor.

Figurenlistelist of figures

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:

1 ein Koordinatenmessgerät mit einer daran befestigten erfindungsemäßen Positioniereinrichtung in einer perspektivischen Darstellung;
2 die in der 1 gezeigte Positioniereinrichtung in vergrößerter Darstellung;
3 bis 5 ein Modell der in den 1 und 2 gezeigten Positioniereinrichtung in unterschiedlichen Konfigurationen des Messarms;
6 einen Ausschnitt aus der 1, in der unterschiedlichen Posen zweier gleichartiger Werkstücke angedeutet sind,

Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawings. In these show:

1 a coordinate measuring machine with an attached thereto inventive positioning in a perspective view;
2 the in the 1 shown positioning in an enlarged view;
3 to 5 a model of in the 1 and 2 shown positioning in different configurations of the measuring arm;
6 a section of the 1 in which different poses of two similar workpieces are indicated,

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELEDESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS

Koordinatenmessgerätcoordinate measuring machine

Die 1 zeigt ein insgesamt mit 10 bezeichnetes Koordinatenmessgerät in einer perspektivischen Darstellung. Das Koordinatenmessgerät 10 umfasst einen Tisch 12, der eine Basis 14 und eine Platte 16 aus Hartgestein umfasst. Die Platte 16 dient zur Aufnahme eines Werkstücks 18 mit Hilfe eines nicht dargestellten Werkstückhalters. In diesem Ausführungsbeispiel wird angenommen, dass die Messaufgabe darin besteht, die Rauheit einer Oberfläche 19 des Werkstücks 18 ortsaufgelöst zu messen.The 1 shows a total of 10 designated coordinate measuring machine in a perspective view. The coordinate measuring machine 10 includes a table 12 who is a base 14 and a plate 16 made of hard rock. The plate 16 serves to accommodate a workpiece 18 with the help of a workpiece holder, not shown. In this embodiment, it is assumed that the measurement task is the roughness of a surface 19 of the workpiece 18 spatially resolved to measure.

Der Tisch 12 trägt eine Verfahreinrichtung 20, mit der sich ein Messkopf 21 und eine daran befestigte Positioniervorrichtung 22 relativ zu dem Tisch 12 mit hoher Genauigkeit positionieren lässt. Die Verfahreinrichtung 20 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel in Portalbauweise ausgeführt und umfasst ein Portal 24, das mit zwei Füßen 26, 28 an den Rändern des Tisches 12 gelagert und in der horizontal verlaufenden x-Richtung entlang des Tisches 12 motorisch verfahrbar ist. An einem Portalquerbalken 30, der die beiden Füße 26, 28 miteinander verbindet, ist ein Ausleger 32 so gelagert, dass er entlang der Längsrichtung des Portalquerbalkens 30, d. h. in der ebenfalls horizontal verlaufenden y-Richtung, motorisch verfahren werden kann, wie dies durch einen Doppelpfeil angedeutet ist. In einer vertikal ausgerichteten Aufnahme 34 des Auslegers 32 ist ein Messträger 36 aufgenommen und entlang der vertikal verlaufenden z-Richtung motorisch verfahrbar.The table 12 carries a moving device 20 with which a measuring head 21 and a positioning device attached thereto 22 relative to the table 12 can be positioned with high accuracy. The moving device 20 is executed in the illustrated embodiment in gantry design and includes a portal 24 that with two feet 26 . 28 at the edges of the table 12 stored and in the horizontal x-direction along the table 12 is movable by motor. At a portal crossbeam 30 who has the two feet 26 . 28 connecting with each other is a boom 32 stored so that it is along the longitudinal direction of the portal crossbeam 30 , ie in the likewise horizontally extending y-direction, can be moved by a motor, as indicated by a double arrow. In a vertically oriented shot 34 of the jib 32 is a measuring carrier 36 taken and motorized along the vertically extending z-direction.

An dem Messträger 36 ist austauschbar der Messkopf 21 befestigt, der die Positioniervorrichtung 22 trägt. Der Messkopf 21 weist im dargestellten Ausführungsbeispiel drei hintereinander angeordnete Federparallelogramme auf, so dass die Positioniervorrichtung 22 über jedes Federparallelogramm in einer Koordinatenrichtung verschiebbar gelagert ist. Zur Erfassung der Auslenkung ist jedem Federparallelogramm ein Wandler in Form eines Tauchspulenmagnetes zugeordnet. Zusätzlich weist jedes Federparallelogramm einen Messkraftgenerator in Form eines Tauchspulenantriebes auf, über den in derjeweiligen Koordinatenrichtung Kräfte auf die Positioniervorrichtung 22 ausgeübt werden können. Der Messkopf 21 kann auf diese Weise definierte Stellkräfte entlang orthogonaler Richtungen x, y und z auszuüben, während die Wandler des Messkopfes 21 die auf die Positioniervorrichtung 22 entlang dieser Richtungen einwirkenden Kräfte messen. Weitere Einzelheiten hierzu können der WO 02/054010 A1 entnommen werden, deren Offenbarung insoweit durch Verweis zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht wird.At the measuring carrier 36 is replaceable the measuring head 21 attached, the positioning device 22 wearing. The measuring head 21 has in the illustrated embodiment, three successively arranged spring parallelograms, so that the positioning device 22 is slidably mounted over each spring parallelogram in a coordinate direction. To detect the deflection of each spring parallelogram, a transducer in the form of a solenoid coil is assigned. In addition, each spring parallelogram on a measuring force generator in the form of a plunger coil drive, on the in the respective coordinate direction forces on the positioning device 22 can be exercised. The measuring head 21 can exert in this way defined actuating forces along orthogonal directions x, y and z, while the transducer of the measuring head 21 the on the positioning device 22 Measure forces acting along these directions. Further details can be the WO 02/054010 A1 are taken, the disclosure of which is made in this respect by reference to the subject of the present application.

Der Raum, der von dem Messträger 36 durch Verfahrbewegungen entlang den Richtungen x, y und z erreicht werden kann, liegt im dargestellten Ausführungsbeispiel in der Größenordnung von etwa 2 m³, so dass auch deutlich größere Werkstücke 18 vermessen werden können, als dies in der 1 dargestellt ist.The space of the measurement carrier 36 can be achieved by traversing along the directions x, y and z, in the illustrated embodiment is of the order of about 2 m ³ , so that significantly larger workpieces 18 can be measured than this in the 1 is shown.

Die Verfahreinrichtung 20 verfügt für jede der drei Richtungen x, y, z über mindestens einen Wandler, die an eine Auswerte- und Steuereinrichtung 38 Informationen über die zurückgelegten Verfahrwege zurückgibt. Dadurch ist die Position der Automatikkupplung, an welcher des Messkopf 21 befestigt ist und die im Wesentlichen dem Tool Center Point (TCP) bei Robotern entspricht, in allen Verfahrstellungen mit hoher Genauigkeit bekannt. The moving device 20 For each of the three directions x, y, z has at least one transducer, which is connected to an evaluation and control device 38 Returns information about the traversed paths. This is the position of the automatic clutch on which the measuring head 21 is fixed and which essentially corresponds to the Tool Center Point (TCP) in robots, known in all traversing with high accuracy.

Die Auswerte- und Steuereinrichtung 38 steuert die Bewegungen der Verfahreinrichtung 20 und wertet die Messwerte aus, die von dem Messkopf 21 und einem an der Positioniervorrichtung 22 befestigten Rauheitssensor 44 erzeugt werden. Die Automatikkupplung des Messträgers 36 kann neben einer mechanischen Verbindung auch eine Kommunikationsverbindung herstellen, damit zwischen dem Messkopf 21, dem Rauheitssensor 44 und der Steuer- und Auswerteeinrichtung 38 Steuer- und Messdaten ausgetauscht werden können. Alternativ hierzu kann diese Kommunikation über eine Funkschnittstelle erfolgen.The evaluation and control device 38 controls the movements of the traversing device 20 and evaluates the readings from the probe 21 and one on the positioning device 22 attached roughness sensor 44 be generated. The automatic coupling of the measuring carrier 36 In addition to a mechanical connection, it is also possible to establish a communication connection, thus between the measuring head 21 , the roughness sensor 44 and the control and evaluation device 38 Control and measurement data can be exchanged. Alternatively, this communication can take place via a radio interface.

Im Folgenden wird mit Bezug auf die 2 der Aufbau der Positioniereinrichtung 22 näher erläutert.The following is with reference to the 2 the structure of the positioning 22 explained in more detail.

Positioniereinrichtungpositioning

Wie in der vergrößerten Darstellung der 2 erkennbar ist, besteht die Positioniervorrichtung 22 im Wesentlichen aus einem Arm 40, der mehrere beweglich miteinander verbundene Glieder umfasst. An dem Arm 40 ist eine Vorschubeinheit 52 eines Rauheitssensors 44 befestigt, dessen Rauheitstaster 58 entlang einer Vorschubrichtung V verfahrbar ist.As in the enlarged view of 2 can be seen, there is the positioning device 22 essentially from one arm 40 which comprises a plurality of movably connected members. On the arm 40 is a feed unit 52 a roughness sensor 44 attached, its roughness button 58 along a feed direction V is movable.

Das in der 2 oben dargestellte Glied des Arms 40 wird im Folgenden als Verbindungsglied 45 bezeichnet und hat eine erste Kupplung, mit der die Positioniervorrichtung 22 an dem Messkopf 21 befestigbar ist, der seinerseits von der Verfahreinrichtung 20 des Koordinatenmessgeräts 10 getragen wird. Die Kupplung verfügt zu diesem Zweck in an sich bekannter Weise über Ausrichtelemente, Befestigungselemente und elektrische oder optische Verbindungselemente, mit denen sich eine Signalverbindung zwischen dem Verbindungsglied 45 und dem Messkopf 21 herstellen lässt.That in the 2 Upper member of the arm shown above 40 is hereafter referred to as a link 45 denotes and has a first coupling, with which the positioning device 22 on the measuring head 21 fastened, in turn, from the traversing device 20 of the coordinate measuring machine 10 will be carried. For this purpose, the coupling has, in a manner known per se, alignment elements, fastening elements and electrical or optical connecting elements with which a signal connection between the connecting member 45 and the measuring head 21 can be produced.

Der Arm 40 hat einen ersten Armabschnitt G1, der unterhalb des Kupplungsglieds 45 angeordnet ist. Der erste Armabschnitt G1 ist relativ zu dem Kupplungsglied 45 um eine erste Drehachse A1 drehbar und verfügt zu diesem Zweck über einen ersten Antrieb, der in der 2 nur schematisch angedeutet und mit M1 bezeichnet ist. Ein zweiter Armabschnitt G2 ist relativ zu dem ersten Armabschnitt G1 um eine zweite Drehachse A2 mithilfe eines zweiten Antriebs M2 drehbar, wobei die zweite Drehachse A2 senkrecht zur ersten Drehachse A1 verläuft. Ein dritter Armabschnitt G3 ist relativ zu dem zweiten Armabschnitt G2 mithilfe eines dritten Antriebs M3 drehbar, und zwar um eine dritte Drehachse A3, die zur zweiten Drehachse A2 senkrecht verläuft. Der Arm 40 ist dabei so ausgelegt, dass die zweite Drehachse A2 sowohl die erste Drehachse A1 als auch die zweite Drehachse A3 schneidet.The arm 40 has a first arm portion G1, which is below the coupling member 45 is arranged. The first arm portion G1 is relative to the coupling member 45 rotatable about a first axis of rotation A1 and has for this purpose a first drive, which in the 2 only schematically indicated and designated M1. A second arm portion G2 is rotatable relative to the first arm portion G1 about a second rotation axis A2 by means of a second drive M2, the second rotation axis A2 being perpendicular to the first rotation axis A1. A third arm portion G3 is rotatable relative to the second arm portion G2 by means of a third drive M3 about a third rotation axis A3 perpendicular to the second rotation axis A2. The arm 40 is designed so that the second axis of rotation A2 intersects both the first axis of rotation A1 and the second axis of rotation A3.

Rauheitssensorroughness sensor

Vom Ende des dritten Armabschnitts G3 erstreckt sich radial nach außen die Vorschubeinheit 52 des Rauheitssensors 44. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Vorschubeinheit 52 dauerhaft mit dem dritten Armabschnitt G3 verbunden und umfasst eine Antriebseinheit 54 sowie ein Kupplungsglied 56 mit einer zweiten Kupplung. Das Kupplungsglied 56 ist linear entlang einer Linearführung in der Vorschubrichtung V relativ zu der Antriebseinheit 54 mit Hilfe eines Antriebs M4 verfahrbar, wie dies in der 2 durch einen Doppelpfeil angedeutet ist. Die Vorschubrichtung V verläuft senkrecht zur dritten Drehachse A3 und wird mit dieser mitgedreht. Über die zweite Kupplung ist der Rauheitstaster 58 auswechselbar an dem Kupplungsglied 56 befestigt. Bei anderen Ausführungsbeispielen ist der gesamte Rauheitssensor 44 lösbar an dem dritten Armabschnitt G3 befestigt, der zu diesem Zweck über eine geeignete Kupplung verfügt.From the end of the third arm portion G3 extends radially outward, the feed unit 52 of the roughness sensor 44 , In the illustrated embodiment, the feed unit 52 permanently connected to the third arm portion G3 and includes a drive unit 54 and a coupling member 56 with a second clutch. The coupling member 56 is linear along a linear guide in the feed direction V relative to the drive unit 54 Movable with the help of a drive M4, as in the 2 indicated by a double arrow. The feed direction V is perpendicular to the third axis of rotation A3 and is rotated with this. About the second clutch is the roughness button 58 replaceable on the coupling member 56 attached. In other embodiments, the entire roughness sensor is 44 releasably secured to the third arm portion G3, which has a suitable coupling for this purpose.

Der Rauheitstaster 58 hat ein Gehäuse 59 mit einer Öffnung, aus der ein Tastarm 60 mit einer Tastspitze 62 hervorragt, bei der es sich zum Beispiel um eine Diamantnadel handeln kann. Ferner ist an dem Gehäuse 59 eine Kufe 64 befestigt, die während der Messung an der Oberfläche 19 des Werkstücks 18 anliegt.The roughness button 58 has a housing 59 with an opening, from which a sensing arm 60 with a stylus tip 62 protrudes, which may be, for example, a diamond needle. Further, on the housing 59 a skid 64 attached to the surface during the measurement 19 of the workpiece 18 is applied.

Rauheitsmessungroughness

Zur Vorbereitung einer Rauheitsmessung bringt die Verfahreinrichtung 20 des Koordinatenmessgeräts 10 die Positioniervorrichtung 22 zunächst in eine Position in der Nähe des Werkstücks 18. Damit die Rauheitsmessung am gewünschten Ort auf der Oberfläche 19 durchgeführt werden kann, positioniert die Positioniervorrichtung 22 den Rauheitssensor 44 anschließend mit hoher Genauigkeit relativ zum Werkstück 18. Dazu werden die Motoren M1, M2 und M3 der Positioniervorrichtung 22 so von der Auswerte- und Steuereinrichtung 38 angesteuert, dass die Tastspitze 62 des Rauheitssensors 44 schließlich an der gewünschten Stelle an der Oberfläche 19 des Werkstücks 18 aufsetzen kann. Im Rahmen der Positionierung wird mindestens eines der Glieder G1, G2, G3 um die zugeordnete Drehachse A1, A2 oder A3 gedreht.To prepare a roughness measurement brings the traversing device 20 of the coordinate measuring machine 10 the positioning device 22 first in a position near the workpiece 18 , So that the roughness measurement at the desired location on the surface 19 can be performed, positioned the positioning device 22 the roughness sensor 44 then with high accuracy relative to the workpiece 18 , For this purpose, the motors M1, M2 and M3 of the positioning device 22 so from the evaluation and control device 38 controlled that the probe tip 62 of the roughness sensor 44 finally at the desired location on the surface 19 of the workpiece 18 can put on. As part of the positioning, at least one of the links G1, G2, G3 is rotated about the associated rotational axis A1, A2 or A3.

Beim Aufsetzen der Tastspitze 62 gelangt auch die Kufe 64 des Rauheitssensors 44 in Anlage mit der Oberfläche 19. Der Messkopf 21 erzeugt dabei die für die Rauheitsmessung benötigte Antastkraft, mit der die Tastspitze 62 auf der Oberfläche 19 des Werkstücks 18 aufliegt. Während der Messung wird der Motor M4 der Vorschubeinheit 54 betätigt, um den Rauheitstaster 58 entlang der Vorschubrichtung V zu verfahren. Die Kufe 64 gleitet dabei über die Oberfläche 19 des Werkstücks 18 hinweg. Wellen oder Stufen auf der Oberfläche führen dabei zu Auslenkungen des Rauheitssensors 44 entlang der Auslenkrichtung D, die von dem Messkopf 21 aufgenommen und gemessen werden. When placing the probe tip 62 also gets the skid 64 of the roughness sensor 44 in contact with the surface 19 , The measuring head 21 generates the necessary for the roughness measurement probing force with the probe tip 62 on the surface 19 of the workpiece 18 rests. During the measurement, the motor M4 of the feed unit 54 pressed to the roughness button 58 to proceed along the feed direction V. The skid 64 slides over the surface 19 of the workpiece 18 time. Waves or steps on the surface lead to deflections of the roughness sensor 44 along the deflection direction D of the measuring head 21 be recorded and measured.

Während des Verfahrvorgangs V wird gleichzeitig der Messarm 60 mit der daran befestigten Tastspitze 62 von kleineren Riefen oder Rillen auf der Oberfläche 19 ausgelenkt. Die Auslenkungen des Messarms 60 entlang der Auslenkrichtung D werden durch einen im Gehäuse 59 angeordneten Wandler erfasst. Die vom Wandler erzeugten Messsignale werden über die Kupplungen der Positioniervorrichtung 22 und über das Koordinatenmessgerät 10 an die Auswerte- und Steuereinrichtung 38 übermittelt. Aus diesen Messsignalen wird schließlich das Rauheitsprofil der Oberfläche 19 abgeleitet.During the movement process V, the measuring arm simultaneously becomes 60 with the probe tip attached to it 62 of smaller grooves or grooves on the surface 19 deflected. The deflections of the measuring arm 60 along the deflection D are by a in the housing 59 arranged transducer detected. The measurement signals generated by the transducer are transmitted via the couplings of the positioning device 22 and about the coordinate measuring machine 10 to the evaluation and control device 38 transmitted. From these measurement signals finally the roughness profile of the surface 19 derived.

Ansteuerung der PositioniereinrichtungControl of the positioning

Die relative Anordnung der vorstehend erwähnten Drehachsen A1, A2, A3, der Vorschubrichtung V und der Auslenkrichtung D ist in der 3 ohne die Abschnitte G1, G2, G3 des Arms 40 dargestellt. In dieser modellhaften Darstellung sind zusätzlich mehrere Koordinatensysteme eingezeichnet. Ein Koordinatensystem mit den Koordinatenachsen X₀, Y₀ und Z₀ ist dem Kupplungsglied 45 zugeordnet, das starr an den Messträger 34 der Verfahreinrichtung 20 angekuppelt ist. Weitere Koordinatensysteme sind für die Armabschnitt G1, G2, G3 eingezeichnet. Der erste Armabschnitt G1 hat dabei das Koordinatensystem mit den Koordinatenachsen X_A1, Y_A1 und Z_A1, das sich um die erste Drehachse A1 bezüglich des Koordinatensystems X₀, Y₀ und Z₀ dreht, wenn der Antrieb M1 entsprechend angesteuert wird. Entsprechend dreht das dem zweiten Armabschnitt G2 zugeordnete Koordinatensystem mit den Koordinatenachsen X_A2, Y_A2 und Z_A2 mit der zweiten Drehachse A2 und das dem dritten Armabschnitt G3 zugeordnete Koordinatensystem mit den Koordinatenachsen X_A3, Y_A3 und Z_A3 mit der dritten Drehachse A3 mit. Die Vorschubeinheit 52 hat nur einen linearen Freiheitsgrad entlang der Vorschubrichtung V. Wie oben bereits erwähnt, dreht sich die Vorschubrichtung V bei einer Drehung des dritten Armabschnitts G3 um die dritte Drehachse A3 mit. Senkrecht zur Vorschubrichtung V und parallel zur dritten Drehachse A3 verläuft die Auslenkrichtung D. Der Arm 40 muss von der Steuer- und Auswerteeinrichtung 38 so angesteuert werden, dass die Auslenkrichtung D stets zumindest im Wesentlichen senkrecht auf einer zu vermessenden Oberfläche 62 des Werkstücks 18 steht.The relative arrangement of the aforementioned axes of rotation A1, A2, A3, the feed direction V and the deflection direction D is in the 3 without the sections G1, G2, G3 of the arm 40 shown. In this model representation, several coordinate systems are additionally drawn. A coordinate system with the coordinate axes X ₀ , Y ₀ and Z ₀ is the coupling member 45 assigned to the measuring carrier 34 the conveyor 20 is coupled. Other coordinate systems are shown for the arm section G1, G2, G3. The first arm section G1 in this case has the coordinate system with the coordinate axes X _A1 , Y _A1 and Z _A1 , which rotates about the first axis of rotation A1 with respect to the coordinate system X ₀ , Y ₀ and Z ₀ , when the drive M1 is driven accordingly. Accordingly, the coordinate system associated with the second arm portion G2 rotates with the coordinate axes X _A2 , Y _A2 and Z _A2 with the second rotation axis A2 and the coordinate system associated with the third arm portion G3 with the coordinate axes X _A3 , Y _A3 and Z _A3 with the third rotation axis A3 , The feed unit 52 has only a linear degree of freedom along the feed direction V. As mentioned above, the feed direction V rotates upon rotation of the third arm portion G3 about the third rotation axis A3. Perpendicular to the feed direction V and parallel to the third axis of rotation A3 extends the deflection D. The arm 40 must from the control and evaluation 38 be controlled so that the deflection D always at least substantially perpendicular to a surface to be measured 62 of the workpiece 18 stands.

Der Ablauf der Messung erfolgt in folgenden Schritten:The measurement procedure is carried out in the following steps:

Zunächst wird die Pose des Werkstücks 18 mithilfe des Koordinatenmessgeräts 10 in an sich bekannter Weise gemessen. Der Rauheitssensor 44 wird dazu gegen einen Taster ausgetauscht, der das Werkstück 18 an mehreren Messpunkten antastet. Auf diese Weise erhält man die Koordinaten des Werkstücks 18 im Koordinatensystem des Koordinatenmessgeräts. Wenn die Geometrie des Werkstücks 18 genau bekannt ist, genügen hierzu weniger Messpunkte. Diese Messung kann automatisiert erfolgen und benötigt nur wenig Zeit.First, the pose of the workpiece 18 using the coordinate measuring machine 10 measured in a conventional manner. The roughness sensor 44 is replaced by a button that the workpiece 18 touched at several measuring points. In this way one obtains the coordinates of the workpiece 18 in the coordinate system of the coordinate measuring machine. If the geometry of the workpiece 18 is known exactly enough, less measuring points are sufficient. This measurement can be automated and takes little time.

Dann wird eine Pose bestimmt, an der sich der Rauheitssensor 44 relativ zu dem Werkstück 18 während der an dem Werkstück 18 durchgeführten Messung befinden soll. Ausgangspunkt ist dabei regelmäßig die Festlegung eines Messpunktes, einer Folge von Messpunkten oder einer Messlinie auf der Oberfläche 19 des Werkstücks 18. Da die Auslenkrichtung D senkrecht zur Oberfläche 19 und die Verfahrrichtung V parallel zur Oberfläche 19 ausgerichtet sein soll, ergibt sich dadurch die erforderlich Pose des Rauheitssensors 44.Then a pose is determined, at which the roughness sensor 44 relative to the workpiece 18 while on the workpiece 18 carried out measurement. The starting point is the definition of a measuring point, a sequence of measuring points or a measuring line on the surface 19 of the workpiece 18 , Since the deflection D perpendicular to the surface 19 and the direction of travel V parallel to the surface 19 should be aligned, this results in the required pose of the roughness sensor 44 ,

In einem zweiten Schritt wird für jeden Freiheitsgrad der Bewegung ein Wert für einen Steuerungsparameter der Positioniereinrichtung 22 so bestimmt, dass der Rauheitssensor 44 die zuvor bestimmte Pose einnimmt. Diese Werte können entweder durch Simulation unter Verwendung des in der 3 gezeigten Strukturmodells oder durch inverse Kinematik bestimmt werden. Zur Lösung des inversen kinematischen Problems gibt es kein allgemein anwendbares Verfahren; im Stand der Technik etabliert haben sich algebraische, geometrische und numerische Methoden, die im Prinzip alle gleichermaßen geeignet sind. In a second step, for each degree of freedom of movement, a value for a control parameter of the positioning device 22 so determined that the roughness sensor 44 takes the previously determined pose. These values can be determined either by simulation using the in 3 shown structure model or by inverse kinematics. There is no generally applicable method for solving the inverse kinematic problem; Algebraic, geometric and numerical methods have been established in the state of the art, all of which are equally suitable in principle.

Bei der in der 2 gezeigten Abtastung der Oberfläche 19 an einem Messpunkt MP ergibt sich beispielsweise der Wertesatz (0, 0, 0) für die Steuerungsparameter, die den Drehachsen A1, A2 bzw. A3 zugeordnet sind. Die in der 3 gezeigte Konfiguation der Positioniereinrichtung 22 stellt somit gewissermaßen die Nullstellung der Positioniereinrichtung 22 dar. Für die in den 4 und 5 dargestellten Konfigurationen der Positioniereinrichtung 22 ist der Wertesatz (-90°, 180°, 0°) bzw. (0°, -90°, -90°).When in the 2 shown scanning the surface 19 at a measuring point MP, for example, the value set ( 0 . 0 . 0 ) for the control parameters associated with the axes of rotation A1, A2 and A3, respectively. The in the 3 shown configuration of the positioning 22 thus effectively provides the zero position of the positioning 22 For the in the 4 and 5 illustrated configurations of the positioning 22 is the value set (-90 °, 180 °, 0 °) or (0 °, -90 °, -90 °).

In den meisten Fällen muss die gesamte Positioniereinrichtung 22 mit Hilfe der Verfahreinrichtung 20 des Koordinatenmessgeräts 10 zusätzlich translatorisch verfahren werden, damit der Rauheitssensor 44 in die gewüschte Pose überführt werden kann. Hierzu sind entsprechende Werte für Steuerungsparameter zu ermitteln, die den translatorischen Freiheitsgraden der Verfahreinrichtung 20 zugeordnet sind. Um die Darstellung der weiteren Schritte nicht unnötig kompliziert zu machen, werden im Folgenden nur die Steuerungsparameter für die Drehachsen A1, A2, A3 diskutiert; für die Verfahrachsen der Verfahreinrichtung 20 gelten entsprechende Überlegungen.In most cases, the entire positioning device needs 22 with the help of the moving device 20 of the coordinate measuring machine 10 In addition translational be moved, so that the roughness sensor 44 into the desired pose can be transferred. For this purpose, appropriate values for control parameters are to be determined, which are the translational degrees of freedom of the travel device 20 assigned. In order not to unnecessarily complicate the presentation of the further steps, only the control parameters for the axes of rotation A1, A2, A3 are discussed below; for the travel axes of the shuttle 20 appropriate considerations apply.

Falls das Werkstück 18 oder Teile des Koordinatenmessgeräts 10 den direkten Weg des Rauheitssensors 44 zu seiner gewünschten Pose versperren, muss ein Umgehungsweg festgelegt werden, der sicherstellt, dass keine Teile des Koordinatenmessgeräts 10 und der daran befestigten Positioniereinrichtung 22 das Werkstück 18 berühren. Vor allem wenn die zu vermessenden Oberflächen sich in Bohrungen oder tiefen Ausnehmungen des Werkstücks 18 befinden, muss zu jedem Zeitpunkt die Pose aller Teile der Positioniereinrichtung 22 exakt bekannt sein, damit es nicht zu Kollisionen kommt, die einen Abbruch des Messvorgangs nach sich ziehen können. Wenn die Geometrie des Werkstücks 18 nicht so rechnerisch erfasst ist, dass sie den Algorithmen einer inversen Kinematik übergeben werden kann, wird der Verfahrweg am besten durch Simulation bestimmt, was allerdings zeitaufwändig ist und menschliches Zutun erfordert.If the workpiece 18 or parts of the coordinate measuring machine 10 the direct path of the roughness sensor 44 To block his desired pose, a bypass path must be established, which ensures that no parts of the coordinate measuring machine 10 and the positioning device attached thereto 22 the workpiece 18 touch. Especially if the surfaces to be measured are in holes or deep recesses of the workpiece 18 must be at any time the pose of all parts of the positioning device 22 be known exactly so that it does not come to collisions, which can lead to a termination of the measurement process. If the geometry of the workpiece 18 is not so computationally recorded that it can be passed to the algorithms of an inverse kinematics, the travel is best determined by simulation, which, however, is time consuming and requires human intervention.

Die durch Simulation oder inverse Kinematik bestimmten Werte für die Steuerungsparameter werden sodann einer Regelungseinrichtung zugeführt, die auf der Grundlage dieser Werte Steuersignale berechnet, die ihrerseits den Antrieben M1, M2 und M3 zugeleitet werden. Infolge dieser Ansteuerung der Antriebe M1, M2, M3 werden die Glieder G1, G2, G3 so verschwenkt, dass der Rauheitssensor 44 die gewünschte Pose einnimmt. Ausgehend von dieser Pose des Rauheitssensors 44 kann die Rauheitsmessung beginnen, wie sie oben unter der Ziffer 4 erläutert wurde.The values for the control parameters determined by simulation or inverse kinematics are then fed to a control device which calculates control signals on the basis of these values, which in turn are supplied to the drives M1, M2 and M3. As a result of this control of the drives M1, M2, M3, the members G1, G2, G3 are pivoted so that the roughness sensor 44 takes the desired pose. Starting from this pose of the roughness sensor 44 The roughness measurement can begin as shown above under the numeral 4 was explained.

Im Folgenden wird unterstellt, dass nach Abschluss der Messung an dem Werkstück 18 ein anderes, aber gleichartiges, d. h. geometrisch im Wesentlichen identisches Werkstück 18' vermessen werden soll. Dazu wird das bereits vermessene Werkstück 18 gegen ein neues Werkstück 18' ausgetauscht. Im Allgemeinen gelingt es jedoch vor allem bei großen Werkstücken wie etwa Motorblöcken nicht oder nur mit großem Aufwand, das neue Werkstück 18' für die Messung exakt in der Pose auf dem Tisch 16 oder einer nicht dargestellten Halterung anzuordnen, in der sich das bereits vermessende Werkstück 18 befand. Die 6, die einen Auschnitt des Tischs 16 des Koordinatengemäßgeräts 10 zeigt, illustriert in einer übertriebenen Darstellung, wie das neue Werkstück 18' gegenüber dem bereits vermessenen Werkstück 18 translatorisch verlagert und zusätzlich verdreht sein kann. Die tatsächlichen Abweichungen sind typischerweise deutlich kleiner als in der 6 angedeutet und liegen bei Verlagerungen in der Größenordnung weniger Millimeter und bei Verdrehungen in der Größenordnung von wenigen Grad.In the following it is assumed that after completion of the measurement on the workpiece 18 another, but similar, ie geometrically substantially identical workpiece 18 ' to be measured. For this purpose, the already measured workpiece 18 against a new workpiece 18 ' replaced. In general, however, it is not possible or especially with large workpieces such as engine blocks, or only with great effort, the new workpiece 18 ' for measuring exactly in the pose on the table 16 or to arrange a holder, not shown, in which the already measuring workpiece 18 was. The 6 making a cut of the table 16 the coordinate device 10 shows, illustrated in an exaggerated representation, as the new workpiece 18 ' opposite the already measured workpiece 18 can be translated translationally and additionally twisted. The actual deviations are typically much smaller than in the 6 indicated and are displacements in the order of a few millimeters and with rotations of the order of a few degrees.

Auch die Pose des neuen Werkstücks 18' wird mit Hilfe des Koordinatenmessgeräts 10 in an sich bekannter Weise gemessen. Durch Vergleich der beiden Posen erhält man eine Transformationsmatrix, mit der sich die für das Werkstück 18 bestimmten Posen in neue Posen für das neue Werkstück 18' umrechnen lassen. Für diese neuen Posen wird nun in einem weiteren Schritt durch inverse Kinematik für jede Drehachse A1, A2, A3 ein neuer Wert für den jeweiligen Steuerungsparameter bestimmt, und zwar so, dass der Rauheitssensor 44 die gleiche Pose relativ zu dem neuen Werkstück 18' einnimmt wie zuvor bei dem Werkstück 18.Also the pose of the new workpiece 18 ' is using the coordinate measuring machine 10 measured in a conventional manner. By comparing the two poses, one obtains a transformation matrix, with which for the workpiece 18 certain poses in new poses for the new workpiece 18 ' let convert. For these new poses, a new value for the respective control parameter is determined in a further step by inverse kinematics for each rotation axis A1, A2, A3, in such a way that the roughness sensor 44 the same pose relative to the new workpiece 18 ' occupies as before with the workpiece 18 ,

Auf der Grundlage der neuen Werte für die Steuerungsparameter werden schließlich die Motoren M1, M2, M3 angesteuert, um den Rauheitssensor 44 in die neue Pose zu überführen. Dort kann für das neue Werkstück 18' die Rauheitsmessung beginnen.On the basis of the new values for the control parameters, finally, the motors M1, M2, M3 are driven to the roughness sensor 44 to convict in the new pose. There can be for the new workpiece 18 ' start the roughness measurement.

Wenn hintereinander bei verschiedenen Werkstücken 18, 18' derselbe Messpunkt MP angefahren, muss die Positioniereinrichtung 22 nur die vergleichsweise kleinen Änderungen der Werkstückpose ausgleichen. Entsprechend gering sind dann die Winkeländerungen bezüglich der Drehachsen A1, A2, A3. In derartigen Fällen können die neuen Werte für die Steuerungsparameter auch mit einer vereinfachten und dadurch besonders schnell durchführbaren inversen Kinematik bestimmt werden, bei der keine Randbedingungen berücksichtigt werden. Unterstellt wird dabei, dass die ursprünglichen Werte für die Steuerungsparameter so gewählt waren, dass auch bei kleineren Abweichungen von diesen Werten Kollisionen vermieden werden. Es ist dann lediglich mithilfe eines Abweichungskriteriums zu prüfen, ob die neuen Werte für die Steuerungsparameter ausreichend nahe an den vorher bestimmten Werten liegen.When consecutively with different workpieces 18 . 18 ' approached the same measuring point MP, the positioning must 22 only compensate for the comparatively small changes in the workpiece pose. The angle changes with respect to the axes of rotation A1, A2, A3 are correspondingly low. In such cases, the new values for the control parameters can also be determined with a simplified inverse kinematics that can be carried out particularly quickly, in which case no boundary conditions are taken into account. It is assumed that the original values for the control parameters were selected in such a way that collisions are avoided even with smaller deviations from these values. It is then only necessary to check, using a deviation criterion, that the new values for the control parameters are sufficiently close to the previously determined values.

Im einfachsten Fall wird für jeden Steuerungsparameter der Absolutwert der Differenz zwischen den neuen und den alten Werten berechnet. Wenn die Summe dieser Absolutwerte kleiner ist als ein vorgegebener Grenzwert, wird davon ausgegangen, dass auch die neuen Werte für die Steuerungsparameter nicht zu einer Kollision führen. Betragen beispielsweise bei der in der 4 gezeigten Konfiguration die alten Werte (-90°, 180°, 0°) und die neuen Werte (-92°, 184°, -3°), so ist die besagte Summe 9°. Wenn der Grenzwert für die Gesamtabweichung 10° beträgt, würde dies bedeuten, dass die Motoren M1, M2, M3 auf der Basis der neuen Werte angesteuert werden können.In the simplest case, the absolute value of the difference between the new and the old values is calculated for each control parameter. If the sum of these absolute values is less than a predetermined limit, it is assumed that even the new values for the control parameters do not lead to a collision. Behavior, for example, in the in the 4 configuration shown, the old values (-90 °, 180 °, 0 °) and the new values (-92 °, 184 °, -3 °), the said sum is 9 °. If the limit value for the total deviation is 10 °, this would mean that the engines M1, M2, M3 can be controlled based on the new values.

Bei einem kleineren Grenzwert von nur 5° hingegen müsste entweder das Werkstück 18' so neu ausgerichtet werden, dass seine Pose nicht so stark von der Pose des zuvor vermessenen Werkstücks 18 abweicht, oder es müsste durch Simulation überprüft werden, ob die eigentlich untolerierbar stark abweichenden Werte für die Steuerungsparameter nicht trotzdem eine kollisionsfreie Anordnung des Rauheitssensors 44 ermöglichen.With a smaller limit of only 5 °, however, either the workpiece would have to 18 ' be reoriented so that his pose is not so much of the pose of the previously measured workpiece 18 deviates, or it would have to be checked by simulation, if the actually intolerable strongly deviating values for the control parameters not still a collision-free arrangement of the roughness sensor 44 enable.

In gleicher Weise ist vorzugehen, wenn das Werkstück 18 nicht gegen ein gleichartiges Werkstück 18' ausgetauscht, sondern nur neu ausgerichtet wird, um beispielsweise einen nicht zugänglichen Teil der Oberfläche 19 erreichen zu können. Wenn dabei größere Verlagerungen und/oder Verdrehungen erforderlich sind, ist es im Allgemeinen erforderlich, bei den Algorithmen der inversen Kinematik alle Randbedingungen zu berücksichten, damit Kollisionen zuverlässig vermieden werden können.In the same way, proceed when the workpiece 18 not against a similar workpiece 18 ' replaced, but only realigned, for example, a non-accessible part of the surface 19 to reach. If larger displacements and / or twists are required, it is generally necessary to consider all boundary conditions in the inverse kinematics algorithms, so that collisions can be reliably avoided.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 2207006 A2
DE 202014101900 U1 [0010]
EP 0866390 A1 [0012]
WO 02/054010 A1 [0028]

Claims

Method for measuring coordinates or properties of a workpiece surface (19), comprising the following steps: a) there is provided a coordinate measuring machine (10) with an attached positioning device (22) having a plurality of degrees of freedom of movement and carrying a measuring instrument (44); b) a pose is determined at which the measuring instrument (44) is to be located during a measurement made on the workpiece (18); c) For each degree of freedom of movement, a value for a control parameter is determined such that the measuring instrument (44) assumes the pose determined in step b); d) the measuring instrument (44) is moved to the pose determined in step b) and carries out from there on the workpiece (18) a measurement of coordinates or properties of a surface (19) of the workpiece (18); e) The pose of the same workpiece (18) is changed or the workpiece is exchanged for a similar workpiece (18 '); f) For each degree of freedom of movement, a new value for the respective control parameter is determined such that the measuring instrument (44) assumes the pose determined in step b) relative to the same or the same workpiece, wherein the new values for the control parameters be determined inverse kinematics; g) The measuring instrument (44) is moved to the pose determined in step f) and carries thereon on the same workpiece (18) relative to the similar workpiece (18 ') a measurement of coordinates or properties of a surface (19) of the workpiece ( 18).

Method according to Claim 1 in which, prior to step c), the coordinates of the workpiece (18) and before step f) the changed coordinates of the same workpiece (18) or of the identical workpiece (18 ') are measured in a coordinate system.

Method according to Claim 1 or 2 in which the values for the control parameters are determined by inverse kinematics in step c).

Method according to one of the preceding claims, wherein in step f) the new values are determined such that they and the values determined in step c) comply with a predetermined deviation criterion.

Method according to Claim 4 in which in step f) the absolute value of the difference between the value determined in step c) and the new value is determined for each degree of freedom, and in that the deviation criterion indicates that the sum of the absolute values is not greater than a predetermined limit value.

Method according to one of the preceding claims, wherein the positioning device (22) comprises a multi-membered movable arm (40) having a plurality of controllable degrees of freedom of movement, each associated with a drive (M1, M2, M3), the measuring instrument (44 ) is attached directly or via a measuring head at one end of the arm (40).

Method according to one of the preceding claims, wherein the measuring instrument comprises a tactile or optical probe or a tactile or optical roughness sensor (44).