DE102018208189A1 - Method and device for determining the torsional errors of a machine axis - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln von Torsionsfehlerwerten (zRz) bei einer vorzugsweise als Koordinatenmessgerät ausgebildeten Vorrichtung (10), die wenigstens eine ansteuerbare Maschinenachse (X, Y, Z) umfasst, umfassend:
- Ermitteln von Translationsfehlerwerten (zTy1,2) für die Maschinenachse (X, Y, Z) basierend auf Messwerten, die auf Basis eines Bewegens der Maschinenachse (X, Y, Z) entlang einer Messtrecke (M) gewonnen wurden;
- Ermitteln von ersten Torsionsfehlerwerten (zRz) für die Maschinenachse (X, Y, Z) basierend auf Messwerten, die entlang einer Kurzmessstrecke (A) gewonnen wurden, wobei die Kurzmessstrecke (A) kürzer als die Messstrecke (M) ist;
- Ermitteln einer Fehlergröße (Δs̃) basierend auf den ersten Torsionsfehlerwerten (zRz);
- Berechnen von zweiten Torsionsfehlerwerten (zRz) für die Maschinenachse (X, Y, Z) auf Basis der Fehlergröße (Δs̃) und der Translationsfehlerwerte (zTy1,2).
Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung (10) insbesondere in Form eines Koord i naten messgeräts.
The invention relates to a method for determining torsional error values (zRz) in a device (10) which is preferably designed as a coordinate measuring machine and comprises at least one controllable machine axis (X, Y, Z), comprising:
- determining translation error values (zTy 1,2 ) for the machine axis (X, Y, Z) based on measurements obtained based on moving the machine axis (X, Y, Z) along a measurement path (M);
- determining first torsional error values (zRz) for the machine axis (X, Y, Z) based on measured values obtained along a short measuring path (A), the short measuring path (A) being shorter than the measuring path (M);
- determining an error quantity (Δs) based on the first torsional error values (zRz);
Calculating second torsional error values (zRz) for the machine axis (X, Y, Z) on the basis of the error quantity (Δs) and the translation error values (zTy 1,2 ).
Furthermore, the invention relates to a device (10), in particular in the form of a Koord i naten measuring device.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln der Torsionsfehler für eine ansteuerbare Maschinenachse, insbesondere in Bezug auf Koordinatenmessgeräte und/oder auf eine als Koordinatenmessgerät ausgebildete Vorrichtung.The invention relates to a method and a device for determining the torsional errors for a controllable machine axis, in particular in relation to coordinate measuring machines and / or on a device designed as a coordinate measuring device.
Koordinatenmessgeräte, Werkzeugmaschinen, Maschinenkinematiken oder allgemeine technische Systeme können in an sich bekannter Weise ansteuerbare Maschinenachsen umfassen, um vorbestimmte Bewegungen auszuführen. Hierbei kann es sich z.B. um Translations- oder Rotationsachsen handeln. Die Bewegungen können durch einen der Maschinenachse vorzugsweise individuell zugeordneten Antrieb realisiert werden, der z.B. einen Elektromotor umfassen kann. Dieser kann zum Ausführen gewünschter Bewegungen in an sich bekannter Weise angesteuert werden, beispielsweise mittels einer elektronisch und/oder digital betreibbaren Steuereinrichtung. Die für das Ansteuern verwendeten Steuersignale können die Achse dazu veranlassen, eine gewünschte Bewegung auszuführen und z.B. eine hierfür aufzubringende Antriebsleistung angeben.Coordinate measuring machines, machine tools, machine kinematics or general technical systems can comprise controllable machine axes in a manner known per se in order to carry out predetermined movements. This may be e.g. to act translation or rotation axes. The movements can be realized by a drive which is preferably assigned individually to the machine axis and which can be e.g. may include an electric motor. This can be controlled to perform desired movements in a conventional manner, for example by means of an electronically and / or digitally operable control device. The control signals used for the driving may cause the axis to perform a desired movement, e.g. specify a drive power to be applied for this purpose.
Ein Koordinatenmessgerät, mit dem in bekannter Weise Objektkoordinaten bspw. von einem industriell gefertigten Werkstück erfasst werden können, umfasst typischerweise wenigstens drei ansteuerbare Maschinenachsen, die derart angeordnet sind, dass eine hiervon bewegte Messeinrichtung (z.B. ein das Objekt taktil oder berührungslos abtastender Messsensor) an beliebige Positionen in einem kartesischen Koordinatensystem bewegbar ist. Hierfür können die Maschinenachsen selbst entlang der entsprechenden Achsen des Koordinatensystems ausgerichtet sein und/oder jeweils eine Bewegung entlang einer dieser Achsen ermöglichen (d.h. jeweils eine Maschinenachse kann jeweils einer Koordinatenachse zugeordnet sein). In der Folge weist ein Koordinatenmessgerät typischerweise zwei sich in der Horizontale erstreckende sowie rechtwinklig zueinander verlaufende Maschinenachsen auf (typischerweise als
Es ist ferner bekannt, dass derartige Maschinenachsen sogenannte Führungsfehler aufweisen können. Hierbei handelt es sich z.B. um Translations- oder Rotationsfehler, die bei einem Bewegen entlang der Maschinenachse die eigentlich gewünschte Bewegung überlagern und insbesondere in Bewegungskomponenten resultieren, die entlang oder um von der Maschinenachse abweichenden Koordinatenachsen vorliegen (d.h. in von einer Soll-Bewegungsrichtung der Maschinenachse abweichenden Richtungen vorliegen). Zusätzlich können beim Bewegen entlang einer Maschinenachse auch Torsionsfehler auftreten, welche eine Verdrehung der Maschinenachse um sich selbst bzw. um ihre eigene Längsachse betreffen.It is also known that such machine axes can have so-called guiding errors. These are e.g. translational or rotational errors which, when moved along the machine axis, interfere with the actual desired motion, and in particular result in motion components that are along or about coordinate axes other than the machine axis (i.e., in directions different from a desired machine axis direction of travel). In addition, when moving along a machine axis, torsional errors can also occur which relate to a rotation of the machine axis about itself or about its own longitudinal axis.
Derartige Führungsfehler können verschiedene Ursachen haben und z.B. aus Fertigungsungenauigkeiten der Führungen, der Maßstäbe und/oder der Lager einer Maschinenachse resultieren. Nachstehend sind die bei einem Bewegen einer mit
- - Ein Positionsfehler zTx(zi) betrifft die Verschiebung der Maschinenachse
Z in Richtung derx -Achse am Ortzi ; - - Ein Translationsfehler zTy(zi) betrifft die Verschiebung der Maschinenachse
Z in Richtung dery -Achse am Ortzi ; - - Ein Translationsfehler zTz(zi) betrifft die Verschiebung der Maschinenachse
Z in Richtung derz - Achse am Ortzi ; - - Ein Torsionsfehler zRx(zi) betrifft die Verdrehung der Maschinenachse
Z um diex -Achse am Ortzi ; - - Ein Rotationsfehler zRy(zi) betrifft die Verdrehung der Maschinenachse
Z um diey -Achse am Ortzi ; - - Ein Rotationsfehler zRz(zi) betrifft die Verdrehung der Maschinenachse
Z um diez -Achse am Ortzi .
- - A position error zTx (z i ) relates to the displacement of the machine axis
Z in the direction ofx -Axis at the placez i ; - - A translation error zTy (z i ) relates to the displacement of the machine axis
Z in the direction ofy -Axis at the placez i ; - - A translation error zTz (z i ) relates to the displacement of the machine axis
Z in the direction ofz - axle at the placez i ; - - A torsion error zRx (z i ) relates to the rotation of the machine axis
Z to thex -Axis at the placez i ; - - A rotation error zRy (z i ) relates to the rotation of the machine axis
Z to they -Axis at the placez i ; - - A rotation error zRz (z i ) relates to the rotation of the machine axis
Z to thez -Axis at the placez i ,
Die Orte
Es versteht sich, dass die Nomenklatur in analoger Weise auch auf eine sich entlang (bzw. parallel zu) der
Es ist ferner bekannt, derartige Führungsfehler in Form konkreter Führungsfehlerwerte an den einzelnen
Die Erfindung betrifft speziell Möglichkeiten zum Bestimmen derartiger Führungsfehler. Diese können dann anschließend in an sich bekannter Weise für ein Kalibrieren der Maschinenachse und/oder einer Vorrichtung umfassend mehrere Maschinenachsen verwendet werden. Für das Bestimmen von Führungsfehlern sind verschiedene Ansätze aus dem Stand der Technik bekannt.The invention specifically relates to ways of determining such guiding errors. These can then be used in a manner known per se for calibrating the machine axis and / or a device comprising a plurality of machine axes. Various approaches in the prior art are known for determining guide errors.
In der
Ein Nachteil dieser Lösung besteht darin, dass der Referenzkörper insbesondere für Torsionsfehlermessungen mindestens so lang wie eine Messstrecke sein muss, entlang derer Achsfehlerwerte bestimmt werden sollen (d.h. der Referenzkörper muss in der Regel so lang wie eine maximale Bewegungsstrecke einer einzelnen Maschinenachse sein). Die Länge und das Gewicht eines solchen Referenzkörpers fallen daher entsprechend hoch aus. Soll ein Koordinatenmessgerät nach bereits erfolgter Auslieferung an den Kunden kalibriert werden, muss der Kunde entweder über einen eigenen entsprechend großen und daher kostspieligen Referenzkörper verfügen oder der Referenzkörper muss mit einem entsprechend hohen Transportaufwand bedarfsweise an den Kunden geliefert werden.A disadvantage of this solution is that the reference body, in particular for torsional error measurements, must be at least as long as a measuring distance along which the axis error values are to be determined (i.e., the reference body usually has to be as long as a maximum moving distance of a single machine axis). The length and the weight of such a reference body therefore fall accordingly high. If a coordinate measuring machine is to be calibrated after delivery has already been made to the customer, the customer must either have their own correspondingly large and therefore expensive reference body or the reference body must be supplied to the customer as required with a correspondingly high transport cost.
Die
Weitere Hintergründe zum Ermitteln von Führungsfehlern mittels Laserinterferometern finden sich auch in der
In der Praxis werden zum Ermitteln von Torsionsfehlern, die nicht direkt mit Lasern erfassbar sind, oft auch teure Neigungswagen verwendet. Diese erfordern ebenfalls einen gewissen Einrichtungsaufwand bei einem Anbringen an einer Maschinenachse. Für vertikale Maschinenachsen, bei denen derartige Neigungswagen nicht verwendbar sind, müssen Torsionsfehler auf andere Weise ermittelt werden. In diesem Fall kann z.B. wieder auf das Vermessen entlang eines entsprechend lang auszubildenden Referenzkörpers zurückgegriffen werden, wie in der
Zusammengefasst besitzen die bisherigen Ansätze jeweils Nachteile in Form kostspieliger und/oder aufwendig einzustellender Messaufbauten, insbesondere wenn Torsionsfehler um eine Maschinenachse bestimmt werden sollen. In summary, the previous approaches each have disadvantages in the form of costly and / or expensive set up measurement setups, especially when torsion should be determined around a machine axis.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine präzise Ermittlung von Torsionsfehlern einer Maschinenachse mit einem vertretbaren Kosten- und Einrichtungsaufwand zu ermöglichen.An object of the present invention is therefore to enable a precise determination of torsional errors of a machine axis with a reasonable cost and installation costs.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß den beigefügten unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Ferner versteht es sich, dass die in der einleitenden Beschreibung erwähnten Merkmale einzeln oder in beliebiger Kombination auch bei der vorliegend offenbarten Lösung vorgesehen sein können, sofern nicht anders angegeben oder ersichtlich.This object is achieved by a method and an apparatus according to the attached independent claims. Advantageous developments are specified in the dependent claims. Furthermore, it is understood that the features mentioned in the introductory description can be provided individually or in any combination also in the case of the presently disclosed solution, unless stated otherwise or obvious.
Die Erfindung ermöglicht, den Torsionsfehler für eine Achse zu berechnen, ohne hierfür Torsionsfehler-Messwerte entlang der gesamten Maschinenachse (d.h. entlang einer gesamten Mess- bzw. Bewegungsstrecke dieser Maschinenachse) erfassen zu müssen. Stattdessen kann eine Fehlergröße ermittelt werden, die anhand des Vermessens entlang einer vergleichsweise kurzen Strecke (im Folgenden Kurzmessstrecke) bestimmt wird, und die Torsionsfehlerwerte können darauf basierend entlang vorzugsweise der gesamten Messstrecke berechnet werden, ohne aber notwendigerweise entlang dieser gesamten Messstrecke gemessen zu werden.The invention makes it possible to calculate the torsion error for an axis without having to detect torsional error measurement values along the entire machine axis (i.e., along an entire measuring path of this machine axis). Instead, an error quantity can be determined, which is determined by means of the measurement along a comparatively short distance (hereinafter short measuring distance), and the torsional error values can be calculated thereon along preferably the entire measuring distance, but without necessarily being measured along this entire measuring distance.
Das Ermitteln der Fehlergröße kann z.B. dazu beitragen, den Einrichtungsaufwand zu reduzieren, da diese nicht durch aufwendige und vor allem zeitintensive manuelle Einstellungen eliminiert werden muss. Stattdessen kann sie ermittelt und daher rechnerisch berücksichtigt werden. Gleichzeitig erfolgt dies jedoch entlang einer vergleichsweise kurzen Kurzmessstrecke, die insbesondere kürzer als eine insgesamt für die Maschinenachse betrachtete Messstrecke (und/oder maximale Bewegungsstrecke der Maschinenachse) sein kann. Wird hierfür ein Referenzkörper verwendet, kann dieser ebenfalls entsprechend kurz und somit auch leichter ausfallen, wodurch die mit dem Verwenden eines Referenzkörpers einhergehende Kosten und/oder ein hiermit verbundener Transportaufwand ebenfalls reduziert werden können. Werden die Messwerte entlang der Kurzmessstrecke auf andere Weise gewonnen (zum Beispiel per optischen Messungen) muss die verwendete Messvorrichtung nur entlang einer entsprechend kurzen Strecke eingerichtet und/oder kalibriert werden, was den erforderlichen Aufwand reduziert. Da aber dennoch die erwähnte Fehlergröße berücksichtigt wird, ist eine ausreichende Präzision der ermittelten Führungsfehlerwerte gewährleistet. Weiter kann durch das lediglich kurze sowie aufwandsarme Vermessen und anschließende Berechnen der Torsionsfehlerwerte ermöglicht werden, dass auf insbesondere für das Messen an vertikalen Achsen bisher durchgeführte umständliche Torsionsmessverfahren verzichtet werden kann. An horizontalen Achsen können hingegen bisher benötigte Referenzgeräte wie zum Beispiel teure Neigungswaagen entfallen.The determination of the error magnitude may e.g. help to reduce the set-up effort, as it does not have to be eliminated through time-consuming manual adjustments. Instead, it can be determined and therefore taken into account mathematically. At the same time, however, this takes place along a comparatively short short measuring path, which in particular may be shorter than a measuring path considered overall for the machine axis (and / or maximum distance of movement of the machine axis). If a reference body is used for this purpose, it can likewise be correspondingly short and therefore also lighter, as a result of which the costs associated with the use of a reference body and / or a transport effort associated therewith can also be reduced. If the measured values along the short measuring path are obtained in another way (for example by optical measurements), the measuring device used must be set up and / or calibrated only along a correspondingly short distance, which reduces the required outlay. Since, however, the mentioned error size is taken into account, sufficient precision of the determined guide error values is ensured. Furthermore, the only short and low-cost measurement and subsequent calculation of the torsional error values make it possible to dispense with the cumbersome torsional measuring method previously carried out for measuring on vertical axes. On horizontal axes, however, previously required reference devices such as expensive tilt scales can be omitted.
Im Detail wird ein Verfahren zum Ermitteln von Torsionsfehlerwerten bei einer vorzugsweise als Koordinatenmessgerät ausgebildeten Vorrichtung vorgeschlagen, die wenigstens eine ansteuerbare Maschinenachse umfasst, umfassend:
- - Ermitteln von Translationsfehlerwerten für die Maschinenachse basierend auf Messwerten, die durch (oder, mit anderen Worten, auf Basis von oder bei) ein(em) Bewegen der Maschinenachse entlang einer Messtrecke gewonnen wurden;
- - Ermitteln von ersten (per Messung ermittelten) Torsionsfehlerwerten für die Maschinenachse basierend auf Messwerten, die entlang einer Kurzmessstrecke gewonnen wurden, wobei die Kurzmessstrecke kürzer als die Messstrecke ist;
- - Ermitteln einer Fehlergröße basierend auf den ersten Torsionsfehlerwerten;
- - Berechnen von zweiten (per Rechnung ermittelten) Torsionsfehlerwerten für die Maschinenachse auf Basis der Fehlergröße und der Translationsfehlerwerte.
- - determining translation error values for the machine axis based on measurements obtained by (or, in other words, based on or at) moving the machine axis along a measurement path;
- - Determining first (measured by measurement) torsional error values for the machine axis based on measured values obtained along a short measuring distance, wherein the short measuring distance is shorter than the measuring distance;
- - determining an error quantity based on the first torsional error values;
- Calculation of second (calculated by calculation) torsional error values for the machine axis on the basis of the error size and the translation error values.
Wie geschildert, kann die Vorrichtung eine Mehrzahl von ansteuerbaren Maschinenachsen umfassen, insbesondere drei Maschinenachsen, die Bewegungen entlang sämtlicher Achsen eines kartesischen Koordinatensystems ermöglichen und insbesondere entlang jeweils einer Achse eines solchen Koordinatensystems ausgerichtet sind. Insbesondere können zwei der Maschinenachsen sich in der Horizontalen erstrecken und eine vertikal hierzu. Sofern die Vorrichtung als Koordinatenmessgerät ausgebildet ist, kann diese gemäß jeglicher Bauart realisiert sein, z.B. gemäß einer sogenannten Portalbauweise oder als Horizontalarmmessgerät.As described, the device may comprise a plurality of controllable machine axes, in particular three machine axes, which enable movements along all the axes of a Cartesian coordinate system and in particular are aligned along each axis of such a coordinate system. In particular, two of the machine axes may extend horizontally and one vertically thereto. If the device is designed as a coordinate measuring machine, this can be realized according to any type, e.g. according to a so-called gantry design or as horizontal arm measuring device.
Das Ermitteln der Translations- und Torsionsfehler für die Maschinenachse kann derart verstanden werden, dass bei einem Bewegen entlang der Maschinenachse und/oder in verschiedenen Positionen entlang dieser Maschinenachse entsprechende Fehlerwerte ermittelt werden. Insbesondere können die Fehlerwerte basierend auf an den verschiedenen Positionen entlang der Maschinenachse ermittelten Messwerten bestimmt werden. Allgemein können die Translationsfehlerwerte Verschiebungen der betrachteten Maschinenachse entlang einer hiervon abweichenden Koordinatenachse (und/oder weiteren Maschinenachse) betreffen. Bevorzugt betreffen die Translationsfehlerwerte dabei Verschiebungen der betrachteten Maschinenachse entlang (bzw. in Richtung) einer gemeinsamen Koordinatenachse, wobei diese Koordinatenachse vorzugsweise in einem Winkel zu der betrachteten Maschinenachse verläuft. Im Folgenden Bezug nehmend auf die einleitend aufgelistete Nomenklatur können als Translationsfehlerwerte, um einen Torsionsfehler entlang z.B. einer Z-Maschinenachse zu ermitteln, zTy(zi)-Werte oder aber zTx(zi)-Werte betrachtet werden. Sämtliche der vorstehenden oder nachstehenden Ausführungen bezüglich der Z-Maschinenachse gelten sinngemäß auch für die X- und Y-Maschinenachse. The determination of the translation and torsion errors for the machine axis can be understood such that corresponding error values are determined when moving along the machine axis and / or in different positions along this machine axis. In particular, the error values can be determined based on measured values determined at the various positions along the machine axis. In general, the translation error values may relate to displacements of the considered machine axis along a coordinate axis (and / or further machine axis) deviating therefrom. Preferably, the translation error values relate to displacements of the machine axis under consideration along (or in the direction of) a common coordinate axis, wherein this coordinate axis preferably extends at an angle to the machine axis under consideration. Referring now to the introduction listed nomenclature ZTY (z i) values or Ztx (z i) values can be used as translational error values to a Torsionsfehler along, for example, to determine a Z-axis machines, are considered. All of the above or below statements with regard to the Z-machine axis apply mutatis mutandis to the X and Y machine axis.
Die Messstrecke kann durch entsprechendes Ansteuern oder Antreiben der Maschinenachse abgefahren werden und vorzugsweise ohne zusätzliches Ansteuern und/oder Antreiben weiterer Maschinenachsen. Die Messstrecke kann der maximalen Bewegungsstrecke der Maschinenachse entsprechen oder wenigstens einen Teil dieser Bewegungsstrecke einnehmen.The measuring path can be traveled by appropriate driving or driving the machine axis and preferably without additional driving and / or driving other machine axes. The measuring section can correspond to the maximum movement path of the machine axis or occupy at least part of this movement path.
Die Messwerte können in an sich bekannter Weise auf Basis der einleitend geschilderten Laserinterferometrie ermittelt werden. Hierfür kann eine Laser Interferometer Anordnung vorgesehen und z.B. von der nachstehend geschilderten Vorrichtung umfasst sein (und/oder bedarfsweise darin anordenbar sein). Die Laser Interferometer Anordnung kann eine Strahlquelle umfassen, die z.B. im Messvolumen der Vorrichtung positioniert oder positionierbar sein kann (vorzugsweise ortsfest). Ferner kann die Laser Interferometer Anordnung wenigstens eine hiervon bestrahlte optische Einheit umfassen, die vorzugsweise gemeinsam mit der Maschinenachse bewegbar ist. Die optische Einheit kann z.B. an einer Pinole des Koordinatenmessgeräts angeordnet sein und/oder wenigstens einen Reflektor umfassen oder als ein solcher realisiert sein. Allgemein kann die optische Einheit dazu eingerichtet sein, die eintreffende Strahlung zu reflektieren, insbesondere in Richtung einer Strahlauswertungseinheit, die z.B. wenigstens einen Interferometerkopf und/oder wenigstens eine Prisma-Einheit (z.B. mit einem Wollaston-Prisma) umfassen kann.The measured values can be determined in a manner known per se on the basis of the initially described laser interferometry. For this purpose, a laser interferometer arrangement may be provided and e.g. from the device described below may be (and / or if necessary be arranged in it). The laser interferometer arrangement may comprise a beam source, e.g. can be positioned or positionable in the measurement volume of the device (preferably stationary). Furthermore, the laser interferometer arrangement may comprise at least one optical unit irradiated therefrom, which is preferably movable together with the machine axis. The optical unit may e.g. be arranged on a sleeve of the coordinate measuring machine and / or comprise at least one reflector or be realized as such. In general, the optical unit can be designed to reflect the incident radiation, in particular in the direction of a beam evaluation unit, which is e.g. at least one interferometer head and / or at least one prism unit (e.g., with a Wollaston prism).
Die Translationsfehlerwerte können im Wesentlichen gleichzeitig und/oder im Rahmen eines gemeinsamen Bewegungsvorgangs entlang der Maschinenachse erfasst werden. Die Translationsfehlerwerte können jeweils basierend auf Messwerten ermittelt werden, die von unterschiedlichen Messeinrichtungen (z.B. unterschiedlichen Photodetektoren oder Interferometer Köpfen) erfasst werden. Beispielsweise können für die nachfolgend erläuterten ersten Translationsfehlerwerte erste Messwerte und für die nachfolgend erläuterten zweiten Translationsfehlerwerte zweite Messwerte erfasst und betrachtet werden. Gemäß einer Variante werden Messwerte zum Ermitteln der ersten Translationsfehlerwerte mit Hilfe einer ersten optischen Einheit erzeugt und/oder erfasst und Messwerte zum Ermitteln der zweiten Translationsfehlerwerte mit Hilfe einer zweiten optischen Einheit erzeugt und/oder erfasst. Die erste und zweite optische Einheit befinden sich dabei vorzugsweise in unterschiedlichen Positionen. Es kann auch eine optische Einheit mit z.B. zwei Reflektoren an entsprechend unterschiedlichen Positionen vorgesehen sein. Die unterschiedlichen Positionen können sich auf eine von der betrachteten Maschinenachse abweichende Koordinatenachse und/oder Maschinenachse beziehen bzw. entlang dieser angeordnet sein. Dabei kann es sich insbesondere um die verbleibende Koordinatenachse und/oder Maschinenachse handeln, auf welche sich die Translationsfehlerwerte nicht beziehen (d.h. diejenige Achse, für die weder die Verschiebung bzw. der Führungsfehler betrachtet wird, noch die Richtung, in der diese Verschiebung stattfindet). Die unterschiedlichen Positionen können bezogen auf die betrachtete Maschinenachse somit auch als Quer-Positionen bezeichnet werden. Werden z.B. Translationsfehlerwerte zTy(zi) betrachtet, können die unterschiedlichen Positionen entlang der x-Achse angeordnet sein.The translation error values can be detected substantially simultaneously and / or as part of a common movement process along the machine axis. The translation error values can each be determined based on measured values which are detected by different measuring devices (eg different photodetectors or interferometer heads). By way of example, first measured values can be detected and considered for the first translational error values explained below, and second measured values for the second translational error values explained below. According to a variant, measured values for determining the first translation error values are generated and / or recorded with the aid of a first optical unit, and measured values for determining the second translation error values are generated and / or recorded with the aid of a second optical unit. The first and second optical units are preferably located in different positions. It is also possible to provide an optical unit with, for example, two reflectors at correspondingly different positions. The different positions may relate to a coordinate axis and / or machine axis deviating from the considered machine axis or may be arranged along the latter. This may in particular be the remaining coordinate axis and / or machine axis to which the translation error values do not relate (ie the axis for which neither the displacement or the guide error is considered, nor the direction in which this displacement takes place). The different positions can thus also be referred to as transverse positions in relation to the machine axis under consideration. If, for example, translation error values zTy (z i ) are considered, the different positions can be arranged along the x-axis.
Prinzipiell können die unterschiedlichen Positionen zum Erfassen der Messwerte auch dadurch bereitgestellt werden, dass lediglich eine Messeinheit und/oder optische Einheit (z.B. umfassend lediglich einen Reflektor) verwendet wird, diese aber für das Erfassen der einzelnen Messwerte in entsprechend unterschiedliche Positionen bewegt oder in diesen neu montiert wird.In principle, the different positions for acquiring the measured values can also be provided by using only one measuring unit and / or optical unit (eg comprising only one reflector), but moving them into correspondingly different positions for acquiring the individual measured values is mounted.
Die per Messung ermittelten Translationsfehlerwerte können neben einem auf den eigentlich gesuchten Führungsfehler zurückgehenden Anteil auch anderweitige Translationsfehleranteile umfassen, die z.B. aus Messungenauigkeiten und/oder dem allgemeinen Messaufbau resultieren können. Wie nachstehend noch näher erläutert, kann gemäß bestimmter Ausführungsformen davon ausgegangen werden (d.h. kann im Rahmen des Verfahrens und insbesondere zum Ermitteln und/oder Berechnen der gesuchten Werte die Annahme getroffen werden), dass die ermittelten Translationsfehlerwerte mehrere voneinander unterschiedliche Translationsfehleranteile umfassen können, von denen wenigstens einer z.B. auf Messungenauigkeiten und/oder den Messaufbau zurückzuführen sein kann. Zusätzlich kann aber die Annahme getroffen werden, dass die Translationsfehlerwerte (z.B. wenn diese erste und Translationsfehlerwerte umfassen) auch wenigstens einen identischen bzw. gleichen Translationsfehleranteil umfassen, welcher z.B. den eigentlichen Translations-Führungsfehler betrifft, der unabhängig von dem verwendeten Messverfahren ist.The translation error values determined by measurement can comprise, in addition to a portion attributable to the actually sought-after guide error, also other translational error components which can result, for example, from measurement inaccuracies and / or the general measurement setup. As will be explained in more detail below, according to certain embodiments, this can be assumed (ie in the context of the method and in particular for determining and / or calculating the values sought, the assumption be taken) that the determined translational error values may comprise a plurality of mutually different translation error components, of which at least one may be due for example to measurement inaccuracies and / or the measurement setup. In addition, however, the assumption can be made that the translation error values (eg if these comprise first and translation error values) also comprise at least one identical translation error component, which relates, for example, to the actual translation guidance error, which is independent of the measurement method used.
Ein möglicher den Messaufbau betreffender Translationsfehleranteil kann sich daraus ergeben, dass die Messwerte in einer von der betrachteten Maschinenachse beabstandeten Position zumindest mittelbar erzeugt und/oder erfasst werden, beispielsweise da sich dort eine optische Einheit der vorstehend erläuterten Art befindet. Im Zusammenspiel mit einer Torsion um die betrachtete Maschinenachse können Messeinheiten zum Erfassen der Messwerte in derartigen beabstandeten Positionen in einer orthogonal zu der Maschinenachse verlaufenden Ebene verkippt und/oder verschwenkt werden, was in entsprechenden Translationsfehleranteilen resultiert (s.a. folgende
Bei den ersten Torsionsfehlerwerten kann es sich im Gegensatz zu den zweiten Torsionsfehlerwerten um messtechnisch oder zumindest mittelbar auf Basis eines tatsächlichen Vermessungsvorgangs ermittelte Werte handeln. Anders ausgedrückt können die ersten Torsionsfehlerwerte das zumindest mittelbare Resultat einer Vermessung und insbesondere Abtastung eines Referenzkörpers darstellen, wohingegen die zweiten Torsionsfehlerwerte das vorzugsweise unmittelbare Resultat einer nachstehend erläuterten Berechnung darstellen können. Das Abtasten kann taktil (z.B. mittels eines Messfühlers) oder berührungslos (z.B. mittels optischer oder kapazitiver Sensoren) erfolgen. Die Kurzmessstrecke kann sich entlang der Messstrecke erstrecken oder, anders ausgedrückt, mit einem Abschnitt hiervon zusammenfallen (d.h. die Kurzmessstrecke liegt innerhalb der Messstrecke). Folglich kann sich die Kurzmessstrecke wiederum entlang der Maschinenachse und/oder einer Bewegungsachse hiervon erstrecken.In contrast to the second torsional error values, the first torsional error values may be values determined by measurement or at least indirectly on the basis of an actual measurement process. In other words, the first torsional error values may represent the at least indirect result of a survey, and in particular sampling of a reference body, whereas the second torsional error values may represent the preferably immediate result of a calculation explained below. The scanning may be tactile (e.g., by a probe) or non-contact (e.g., by optical or capacitive sensors). The short measurement path may extend along the measurement path or, in other words, coincide with a section thereof (i.e., the short measurement path is within the measurement path). Consequently, the short measuring path may in turn extend along the machine axis and / or a movement axis thereof.
Die Messwerte entlang der Kurzmessstrecke können prinzipiell mittels eines beliebigen Messverfahrens gewonnen werden z.B. mittels optischer Messungen.The measured values along the short measuring path can in principle be obtained by means of an arbitrary measuring method, e.g. using optical measurements.
Eine Weiterbildung des Verfahrens und der Vorrichtung sieht vor, dass sich die Kurzmessstrecke entlang eines Referenzkörpers erstreckt und die Messwerte durch Abtasten des Referenzkörpers gewonnen wurden. Das Abtasten kann z.B. taktil, kapazitiv oder optisch erfolgen.A development of the method and the device provides that the short measuring path extends along a reference body and the measured values were obtained by scanning the reference body. The scanning may e.g. tactile, capacitive or optical.
Der Referenzkörper kann (zumindest in einer Dimension) im Wesentlichen dieselbe Länge wie die Kurzmessstrecke und vorzugsweise keine wesentliche größere Abmessung als die Kurzmessstrecke aufweisen. Beispielsweise kann eine der Kurzmessstrecke im Wesentlichen entsprechende Länge des Referenzkörpers größer als dessen Höhe und/oder Breite sein. Der Referenzkörper weist vorzugsweise wenigstens eine plane Fläche auf, entlang derer sich die die Kurzmessstrecke erstreckt. Alternativ kann der Referenzkörper eine Doppelreihe (d. h. sich parallel zueinander erstreckende Reihen) von vorbestimmten geometrischen Elementen mit bekannten (d. h. kalibrierten) Positionen umfassen. Bei den Elementen kann es sich zum Beispiel um Kugeln, Zylinder oder Bohrungen handeln.The reference body may have (at least in one dimension) substantially the same length as the short measurement path and preferably no substantial larger dimension than the short measurement path. For example, one of the short measuring section substantially corresponding length of the reference body may be greater than its height and / or width. The reference body preferably has at least one planar surface along which the short measuring path extends. Alternatively, the reference body may comprise a double row (i.e., rows extending parallel to each other) of predetermined geometric elements having known (i.e., calibrated) positions. The elements may, for example, be balls, cylinders or bores.
Die Kurzmessstrecke, welche einer Länge des Referenzkörpers entsprechen kann, umfasst vorzugsweise nur einen Teil einer maximal möglichen Bewegungsstrecke (im Folgenden auch maximale Bewegungsstrecke) der Maschinenachse. In einer Variante ist die Kurzmessstrecke kürzer als 1 m und vorzugsweise kürzer als 0,5 m (z.B. 30 cm). Die maximale Bewegungsstrecke kann hingegen wenigstens 1,5 m, wenigstens 2 m oder auch bis zu 2,5 m betragen oder eine beliebige Länge aufweisen, welche größer als diejenige der Kurzmessstrecke ist.The short measuring path, which may correspond to a length of the reference body, preferably comprises only a part of a maximum possible movement distance (hereinafter also maximum movement distance) of the machine axis. In one variant, the short measuring distance is shorter than 1 m and preferably shorter than 0.5 m (for example 30 cm). By contrast, the maximum movement distance can be at least 1.5 m, at least 2 m or even up to 2.5 m or have any length which is greater than that of the short measurement path.
Als Referenzkörper kommen beispielsweise eine Kugelplatte, eine Planfläche oder ein Block (z.B. Granitblock) bzw. Quader in Betracht. Hintergründe zum Ermitteln von Abtastwerten mit Hilfe eines Referenzkörpers finden sich in der vorstehend erläuterten
Allgemein kann das Abtasten des Referenzkörpers im Anschluss (oder auch vorab) zu dem vorzugsweise optischen Ermitteln der Translationsfehlerwerte erfolgen. Je nach konkreter Ausgestaltung der Vorrichtung kann der Referenzkörper dabei auch beim Ermitteln der Translationsfehlerwerte (bzw. Erfassen der hierfür benötigten Messwerte) an oder in der Vorrichtung verbleiben, sodass sämtliche Messwerte prinzipiell ohne zusätzliche Umrüst- oder Einrichtungsmaßnahmen erfasst werden können.In general, the scanning of the reference body can take place subsequently (or also beforehand) for the preferably optical determination of the translation error values. Depending on the specific embodiment of the device, the reference body can also remain on or in the device when determining the translation error values (or acquiring the measured values required for this), so that all measured values can in principle be detected without additional conversion or setup measures.
Die Fehlergröße kann wenigstens einen, vorzugsweise aber wenigstens zwei, Translationsfehleranteile umfassen (oder, mit anderen Worten, von diesen gebildet werden). Insbesondere kann die Fehlergröße Translationsfehleranteile umfassen, welche auf messtechnisch bedingte Ungenauigkeiten zurückzuführen sind und/oder nicht aufgrund eigentlicher Führungsfehler der betrachteten Maschinenachse erzeugt werden. Allgemein kann es sich bei Translationsfehleranteilen um Fehleranteile handeln, die beim Einrichten eines Messsystems beispielsweise durch Vornehmen präziser Einstellungen und/oder durch das Verwenden weiterer (z.B. benachbarter) Maschinenachsen mit idealen Eigenschaften vermeidbar wären. Im Rahmen des Verfahrens ist jedoch allgemein vorgesehen, derartige Fehleranteile nicht durch möglichst umfassende und präzise Einrichtung des Messsystems und/oder der Vorrichtung zu vermeiden (was prinzipiell aber ebenso als zusätzliche Maßnahme vorgesehen sein kann), sondern die Fehlergröße z.B. rechnerisch zu ermitteln oder zumindest anzunähern, um diese rechnerisch kompensieren und/oder berücksichtigen zu können. The error magnitude may include (or, in other words, be formed by) at least one, but preferably at least two, translation error portions. In particular, the error variable may include translational error components which are due to measurement-related inaccuracies and / or are not generated due to actual guiding errors of the considered machine axis. In general, translational error components can be error components which would be avoidable when setting up a measuring system, for example by making precise adjustments and / or by using further (eg adjacent) machine axes with ideal properties. In the context of the method, however, it is generally provided that such error components should not be avoided by as comprehensive and precise a means as possible of the measuring system and / or the device (which may in principle also be provided as an additional measure), but to determine or at least approximate the error size, for example in order to computationally compensate for and / or account for them.
Dies kann insbesondere in der Weise erfolgen, dass die Fehlergröße zum Berechnen der zweiten Torsionsfehlerwerte herangezogen wird. Wie geschildert, können die zweiten Torsionsfehlerwerte rechnerisch und insbesondere ausschließlich rechnerisch ermittelt werden. Anders ausgedrückt können hierfür lediglich Werte herangezogen werden, die auf Basis bereits abgeschlossener Vermessungen ermittelt wurden und vorliegen, nicht aber zusätzliche Messwerte, die erst noch erfasst werden müssten (bspw. mittels gesonderter Achsbewegungen). Die zweiten Torsionsfehlerwerte können zusätzlich auf Basis der ersten Translationsfehlerwerte und/oder der zweiten Translationsfehlerwerte ermittelt und insbesondere berechnet werden. Die Fehlergröße (und/oder die Translationsfehlerwerte) können z.B. als Parameterwerte in einer zum Ermitteln der zweiten Torsionsfehlerwerte verwendeten Gleichung eingesetzt werden.This can be done in particular in such a way that the error quantity is used to calculate the second torsional error values. As described above, the second torsional error values can be determined mathematically and in particular exclusively mathematically. In other words, it is only possible to use values which were and are determined on the basis of surveys which have already been completed, but not additional measured values which would have yet to be recorded (for example by means of separate axis movements). The second torsional error values can additionally be determined on the basis of the first translation error values and / or the second translation error values and, in particular, calculated. The error size (and / or the translation error values) may be e.g. are used as parameter values in an equation used to determine the second torsional error values.
Wie nachstehend erläutert, können die Translationsfehlerwerte aber auch weitere Translationsfehleranteile und insbesondere von der Fehlergröße unabhängige Translationsfehleranteile umfassen, insbesondere solche, die auf tatsächliche Führungsfehler der betrachteten Maschinenachse zurückzuführen sind.As explained below, however, the translational error values may also include further translational error components and, in particular, error error components that are independent of the error variable, in particular those that are due to actual guidance errors of the considered machine axis.
Eine Weiterbildung des Verfahrens und der Vorrichtung sieht vor, dass die zweiten Torsionsfehlerwerte für einen Bereich berechnet werden, der außerhalb der Kurzmessstrecke liegt. Bei dem Bereich kann es sich zum Beispiel um einen Streckenteil der Messstrecke handeln (oder auch um die gesamte Messstrecke), entlang derer die Translationsfehlerwerte erfasst wurden. Während die ersten Torsionsfehlerwerte lediglich anhand von Messwerten entlang der Kurzmessstrecke ermittelt wurden, wird hierdurch das Ermitteln von Torsionsfehlerwerten auch außerhalb der Kurzmessstrecke ermöglicht.A development of the method and the device provides that the second torsional error values are calculated for a range which lies outside the short measuring path. The region may be, for example, a section of the measuring section (or also the entire measuring section) along which the translation error values were recorded. While the first torsional error values were determined only on the basis of measured values along the short measuring path, this also makes it possible to determine torsion error values outside of the short measuring path.
Insbesondere kann vorgesehen sein, zweite Torsionsfehlerwerte entlang der gesamten Messstrecke zu berechnen (d. h. die Torsionsfehlerwerte innerhalb der gesamten Messstrecke zu ermitteln) oder aber wenigstens entlang der Hälfte oder wenigstens zwei Dritteln der Länge der Messstrecke entlang derer auch die Translationsfehlerwerte erfasst wurden. Hierfür kann z.B. die Annahme getroffen werden, dass die mit Bezug auf die Kurzmessstrecke ermittelte Fehlergröße im Wesentlichen auch außerhalb der Kurzmessstrecke vorliegt und/oder gültig ist (oder, mit anderen Worten, entlang der Messstrecke konstant ist). Dies rechtfertigt ein Verwenden bzw. Berücksichtigen der Fehlergröße zum Berechnen von Torsionsfehlerwerten auch außerhalb der Kurzmessstrecke. Die weiteren zum Berechnen von Torsionsfehlerwerten verwendeten Größen z.B. in Form der (ersten und zweiten) Translationsfehlerwerte können durch das Erfassen entsprechender Messwerte entlang der Messstrecke ohnehin bereits außerhalb der Kurzmessstrecke vorliegen.In particular, provision may be made for calculating second torsional error values along the entire measuring path (that is to say determining the torsional error values within the entire measuring path) or at least along half or at least two thirds of the length of the measuring path along which the translation error values were also recorded. For this purpose, e.g. the assumption is made that the error variable determined with reference to the short measuring path is substantially also present outside the short measuring path and / or is valid (or, in other words, constant along the measuring path). This justifies using the error quantity to calculate torsional error values even outside the short measurement path. The further quantities used to calculate torsional error values e.g. in the form of the (first and second) translation error values can already be present outside of the short measuring path by detecting corresponding measured values along the measuring path.
Bei einer weiteren Variante des Verfahrens und der Vorrichtung umfassen die Translationsfehlerwerte erste und zweite Translationsfehlerwerte für die Maschinenachse, die jeweils basierend auf Messwerten ermittelt werden, die auf Basis eines Bewegens der Maschinenachse entlang der Messtrecke gewonnen wurden (z.B. erste Messwerte zum Ermitteln der ersten Translationsfehlerwerte und zweite Messwerte zum Ermitteln der zweiten Translationsfehlerwerte).In a further variant of the method and the device, the translation error values comprise first and second translation error values for the machine axis, which are respectively determined based on measured values obtained on the basis of moving the machine axis along the measurement path (eg first measured values for determining the first translation error values and second measured values for determining the second translation error values).
Bevorzugt wird dabei, dass die ersten und zweiten Translationsfehlerwerte auf Basis von Messwerten ermittelt werden, die in zu der Maschinenachse beabstandeten Messpositionen ermittelt werden, z.B. erste Messwerte (für erste Translationsfehlerwerte) in ersten Messpositionen und zweite Messwerte (für zweite Translationsfehlerwerte) in zweiten Messpositionen, wobei die ersten und zweiten Messpositionen voneinander verschieden sind). Anders ausgedrückt können sich die Messwerte auf zu der Maschinenachse (und insbesondere zu einer Längsachse, zentralen Mittellinie und/oder Bewegungsachse der Maschinenachse) beabstandete Position beziehen und/oder die Messpositionen können in einem Abstand zu bzw. neben der Maschinenachse liegen. Folglich können die Messpositionen als auch Quer-Positionen bezogen auf die betrachtete Maschinenachse bezeichnet werden. Insbesondere können die Messwerte in diesen Positionen zumindest mittelbar erfasst und/oder erzeugt werden. Dies kann zum Beispiel dadurch erfolgen, dass in den entsprechenden Positionen optische Einheiten und insbesondere Reflektoren zum Wechselwirken mit einem optischen Messstrahl angeordnet sind. Achsen, entlang derer die entsprechend beabstandeten Positionen vorliegen und/oder angeordnet sein können, können zum Beispiel in Form von sich in einem Winkel zu der Maschinenachse erstreckenden Koordinatenachsen und/oder Längs- bzw. Bewegungsachsen weiterer Maschinenachsen vorliegen. Vorzugsweise beziehen sich die ersten und zweiten Translationsfehlerwerte auf voneinander unterschiedliche Positionen z.B. entlang einer solchen Achse.It is preferred that the first and second translation error values are determined on the basis of measured values which are determined in measuring positions spaced from the machine axis, eg first measured values (for first translation error values) in first measuring positions and second measured values (for second translation error values) in second measuring positions, wherein the first and second measuring positions are different from each other). In other words, the measured values can relate to the position spaced apart from the machine axis (and in particular to a longitudinal axis, central centerline and / or movement axis of the machine axis) and / or the measuring positions can be located at a distance to or next to the machine axis. Consequently, the measuring positions as well as transverse positions with respect to the considered machine axis can be designated. In particular, the measured values in these positions can be detected and / or generated at least indirectly. This can be done, for example, in that in the corresponding positions optical units and in particular reflectors for interacting with an optical measuring beam are arranged. Axes along which the correspondingly spaced positions may be present and / or arranged may, for example, be in the form of coordinate axes extending at an angle to the machine axis and / or longitudinal or moving axes of further machine axes. Preferably, the first and second translation error values relate to different positions, eg, along such an axis.
Zusammengefasst können die ersten Translationsfehlerwerte und die zweiten Translationsfehlerwerte somit in voneinander unterschiedlichen Quer-Positionen bezogen auf eine betrachtete Maschinenachse ermittelt werden. Allgemein können die ersten und zweiten Translationsfehlerwerte jeweils in mehreren Messpositionen erfasst werden, wobei für jede Messposition der ersten Translationsfehlerwerte eine Messposition der zweiten Translationsfehlerwerte mit zwei identischen und einem unterschiedlichen Koordinatenwert existiert. Der unterschiedliche Koordinatenwert liegt dabei vorzugsweise entlang einer sich in einem Winkel zu der betrachteten Maschinenachse erstreckenden Koordinatenachse vor (z.B. unterschiedliche x-Koordinaten beim Betrachten der Z-Maschinenachse).In summary, the first translation error values and the second translation error values can thus be determined in mutually different transverse positions with respect to a machine axis under consideration. In general, the first and second translation error values can each be detected in a plurality of measurement positions, wherein a measurement position of the second translation error values with two identical and one different coordinate value exists for each measurement position of the first translation error values. The different coordinate value is preferably along a coordinate axis extending at an angle to the machine axis under consideration (for example different x-coordinates when viewing the Z-machine axis).
In einer weiteren Ausführungsform von Vorrichtung und Verfahren ist die Maschinenachse eine sich in einem Winkel zur Horizontalen (d. h. Horizontale in einem Raumkoordinatensystem) erstreckende Maschinenachse. Insbesondere kann sich die Maschinenachse entlang einer Vertikalen erstrecken und/oder entlang einer Achse, die parallel zur Richtung der Gravitationskraft und vorzugsweise entgegengesetzt hierzu orientiert ist. Die Maschinenachse kann auch als
Gemäß einer Weiterbildung von Vorrichtung und Verfahren werden die (z.B. ersten und/oder zweiten) Translationsfehlerwerte basierend auf mittels wenigstens einer optischen Messeinrichtung erfassten Messwerten bestimmt. Die optische Messeinrichtung kann die Messwerte auf Basis von Laserstrahlung und/oder Laserinterferometrie erfassen. Insbesondere kann es sich bei der Messeinrichtung um eine vorstehend geschilderte Laser Interferometer Anordnung handeln. Dies bietet den Vorteil, dass zumindest die Translationsfehlerwerte mittels eines vergleichsweise genauen optischen Messverfahrens ermittelt und ohne Zuhilfenahme speziell hierfür vorzusehender (und/oder anzufertigender) Referenzkörper bestimmt werden können.According to a development of the device and method, the (for example first and / or second) translation error values are determined based on measured values acquired by at least one optical measuring device. The optical measuring device can record the measured values on the basis of laser radiation and / or laser interferometry. In particular, the measuring device may be an above-described laser interferometer arrangement. This offers the advantage that at least the translational error values can be determined by means of a comparatively precise optical measuring method and determined without the aid of special reference bodies to be provided (and / or to be manufactured).
Die Fehlergröße kann allgemein Translationsfehleranteile bezogen auf sowohl die ersten und auch die zweiten Translationsfehlerwerte umfassen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Fehlergröße für wenigstens einen der hierin geschilderten Translationsfehleranteile (d.h. für eine Art von Translationsfehleranteil) sowohl einen sich auf die ersten als auch einen sich auf die zweiten Translationsfehlerwerte beziehenden Translationsfehleranteil umfasst, sofern entsprechende erste und zweite Translationsfehlerwerte vorhanden sind. Ein Beispiel findet sich in der nachstehenden Gleichung (5).The error magnitude may generally include translational error portions related to both the first and second translational error values. In particular, it may be provided that the error quantity for at least one of the translation error components described here (i.e., for one type of translation error component) comprises both a translation error component relating to the first and a second translation error values, if corresponding first and second translation error values are present. An example can be found in equation (5) below.
Wie geschildert, kann die Fehlergröße wenigstens einen Translationsfehleranteil umfassen, der nicht auf einen eigentlichen Führungsfehler der Maschinenachse zurückzuführen ist. Ein Beispiel für einen Translationsfehleranteil, der maßgeblich auf das verwendete Messverfahren und/oder den verwendeten Messaufbau zurückzuführen ist, ist ein erster von der Fehlergröße optional umfasster Translationsfehleranteil, der aus einem nicht-idealen Verlauf eines optischen Messstrahls resultiert. Dieser kann auch als ein optischer Translationsfehleranteil bezeichnet werden. Bei dem optischen Messstrahl kann es sich um einen Laserstrahl handeln, der zum Erfassen und/oder Erzeugen der Messwerte und insbesondere der Translationsfehlerwerte verwendet wird. Insbesondere kann es sich um einen in Richtung einer gemeinsam mit der Maschinenachse bewegten optischen Einheit (z.B. einem Reflektor) ausgesendeten und vorzugsweise noch nicht rückreflektierten Messstrahl bzw. Strahlungsanteil handeln. Der ideale Verlauf des optischen Messstrahls kann allgemein einen sich parallel zu der Maschinenachse und/oder Messstrecke erstreckenden Verlauf betreffen, wobei auch ein rückreflektierter und zum Ermitteln der Translationsfehleranteile verwendeter Strahlungsanteil vorzugsweise parallel zu der Messstrecke und/oder Maschinenachse verlaufen kann. Ein derartiger Verlauf wird aber nur mit einem entsprechend hohen Einrichtungs- und insbesondere Strahlausrichtungsaufwand erreicht. Abweichungen von dem idealen Verlauf des optischen Messstrahls und insbesondere dem geschilderten parallelen Verlauf können allgemein als ein schräger Verlauf des optischen Messstrahls bezeichnet werden und/oder in Form eines solchen schrägen Verlaufs vorliegen (d.h. schräg bezogen auf die Achse, zu der sich der Strahl idealerweise parallel erstrecken soll). Dieser schräge Verlauf kann in einem damit einhergehenden Translationsfehleranteil resultieren oder, anders ausgedrückt, zu dem ermittelten Translationsfehlerwert beitragen, beispielsweise da die darauf basierend ermittelten Messwerte in einer nach Maßgabe der Schrägstellung verschobenen Position erfasst und/oder erzeugt werden.As described, the error quantity may comprise at least one translation error component that is not attributable to an actual guidance error of the machine axis. An example of a translation error component, which is largely attributable to the measurement method used and / or the measurement setup used, is a first translation error component, optionally encompassed by the error variable, which results from a non-ideal course of an optical measurement beam. This may also be referred to as an optical translation error component. The optical measuring beam may be a laser beam which is used for detecting and / or generating the measured values and in particular the translation error values. In particular, it may be a measuring beam or radiation component emitted in the direction of an optical unit (eg, a reflector) moved together with the machine axis and preferably not yet reflected back. The ideal course of the optical measuring beam can generally relate to a course extending parallel to the machine axis and / or measuring path, wherein a radiation component used for retro-reflection and used for determining the translational error components is preferably also parallel can run to the measuring section and / or machine axis. However, such a course is achieved only with a correspondingly high setup and in particular Strahlausrichtungsaufwand. Deviations from the ideal course of the optical measuring beam and in particular the described parallel course can generally be referred to as an oblique course of the optical measuring beam and / or in the form of such an oblique course (ie obliquely with respect to the axis to which the beam is ideally parallel should extend). This oblique course can result in a translational error component associated therewith or, in other words, contribute to the determined translational error value, for example because the measured values determined thereon are detected and / or generated in a position shifted in accordance with the inclination.
Zusammengefasst kann sich der ideale Verlauf also auf eine gewünschte Ausrichtung und/oder einen gewünschten Verlauf des Messstrahls beziehen, wohingegen der nichtideale Verlauf z.B. in Form einer Schrägstellung hiervon abweichen kann.In summary, therefore, the ideal course may relate to a desired orientation and / or a desired course of the measuring beam, whereas the non-ideal course may be e.g. may deviate in the form of an inclination thereof.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform von Verfahren und Vorrichtung umfasst die Fehlergröße wenigstens einen (zweiten) Translationsfehleranteil, der zumindest anteilig aus einem Führungsfehler entlang einer weiteren Maschinenachse resultiert. Dieser kann auch als ein Zusatzführungs-Translationsfehleranteil bezeichnet werden. Bei dem Führungsfehler kann es sich um einen Translations-, Rotations- oder Torsionsfehler handeln und/oder bei der weiteren Maschinenachse um eine von der betrachteten Maschinenachse verschiedene Maschinenachse. Insbesondere kann es sich um eine Maschinenachse handeln, entlang derer weder die (z.B. ersten oder zweiten) Translationsfehlerwerte betrachtet werden, noch um diejenige Koordinaten- und/oder Maschinenachse, entlang derer die betrachtete Maschinenachse aufgrund dieser Translationsfehler verschoben wird. Wird beispielsweise eine Verschiebung einer Z-Maschinenachse in eine y-Koordinatenachse betrachtet, kann ein Führungsfehler entlang der X-Maschinenachse den Translationsfehleranteil verursachen. Vorzugsweise wird als Führungsfehler ein Torsionsfehler um eben diese weitere Maschinenachse betrachtet.According to a further embodiment of the method and apparatus, the error variable comprises at least one (second) translation error component, which results at least partially from a guide error along a further machine axis. This may also be referred to as an additional guidance translation error component. The guide error can be a translation, rotation or torsion error and / or the other machine axis about a machine axis different from the considered machine axis. In particular, it may be a machine axis along which neither the (e.g., first or second) translational error values are considered, nor that coordinate and / or machine axis along which the machine axis under consideration is translated due to these translation errors. If, for example, a shift of a Z-machine axis into a Y-coordinate axis is considered, a guide error along the X-machine axis can cause the translation error component. Preferably, a torsional error is considered as a guide error about just this additional machine axis.
Die Erfinder haben erkannt, dass sich durch das Berücksichtigen dieses weiteren Translationsfehleranteils eine besonders genaue Ermittlung der Fehlergröße bzw. der schlussendlich daraus berechneten Torsionsfehlerwerte erreichen lässt. Dies ist beispielsweise darauf zurückzuführen, dass anhand der Fehlergröße und somit im Rahmen der Berechnung zwischen eigentlich tatsächlich führungsfehlerbedingten Fehlerwerten entlang der betrachteten Maschinenachse und hiervon unabhängigen Führungsfehlern entlang der weiteren Maschinenachse differenziert werden kann und/oder dass diese weiteren Führungsfehler überhaupt berücksichtigt werden können.The inventors have recognized that by taking account of this further translation error component, a particularly accurate determination of the error quantity or of the torsional error values finally calculated therefrom can be achieved. This can be attributed, for example, to the fact that, based on the size of the error and thus in the context of the calculation, it is possible to differentiate between actually error-related error values along the considered machine axis and independent guide errors along the further machine axis and / or that these further guiding errors can even be taken into account.
Das Verfahren und die Vorrichtung können ferner vorsehen, dass (beispielsweise zum Berechnen der zweiten Torsionsfehlerwerte) davon ausgegangen bzw. die Annahme getroffen wird, dass die Fehlergröße zumindest anteilig konstant entlang der Messstrecke ist. Unter der zumindest anteiligen Konstanz kann verstanden werden, dass zumindest einer der vorstehend oder nachstehend erläuterten Translationsfehleranteile, vorzugsweise aber sämtliche Translationsfehleranteile und somit die Fehlergröße an sich, konstant entlang der Messstrecke ist. Hierdurch kann im Wesentlichen ohne zusätzlichen Berechnungs- und/oder Messaufwand ermöglicht werden, dass auch Torsionsfehlerwerte außerhalb der Kurzmessstrecke (innerhalb derer tatsächliche Messwerte für die Fehlergröße ermittelt wurden) berechnet werden können. Dies trägt dazu bei, dass die Kurzmessstrecke und somit der Referenzkörper entsprechend kurz ausfallen können.The method and the apparatus may also provide that it is assumed (for example, for calculating the second torsional error values) or the assumption is made that the error variable is at least partially constant along the measuring path. The at least proportional constancy can be understood to mean that at least one of the translation error components explained above or below, but preferably all translation error components and thus the error variable per se, is constant along the measurement path. As a result, essentially without additional calculation and / or measuring effort, torsional error values outside of the short measuring path (within which actual measured values for the error variable were determined) can be calculated. This helps to ensure that the short measuring path and thus the reference body can be correspondingly short.
Bei einer Weiterbildung der Vorrichtung und des Verfahrens wird davon ausgegangen bzw. die Annahme getroffen, dass die ersten und zweiten Translationsfehlerwerte an einer (und vorzugsweise jeder) gegebenen Position entlang der Messstrecke (und/oder entlang einer Bewegungsstrecke der Messachse) zumindest einen identischen Translationsfehleranteil umfassen. Dieser kann auch als ein Führungs-Translationsfehleranteil bezeichnet werden. Bei diesem Translationsfehleranteil kann es sich um einen von dem vorstehend geschilderten ersten und zweiten Translationsfehleranteil verschiedenen Translationsfehleranteil handeln. Insbesondere kann es sich um einen Translationsfehleranteil handeln, der auf einen eigentlichen Führungsfehler um die betrachtete Maschinenachse zurückzuführen ist. Die Annahme eines identischen Translationsfehleranteils kann im Rahmen des Verfahrens Vorteile hinsichtlich der Ermittlung insbesondere von den zweiten Torsionsfehlerwerten ermöglichen, da beispielsweise bestimmte Zusammenhänge in Anbetracht der identischen Translationsfehleranteile geeignet kombiniert und/oder einander gleichgesetzt werden können.In a refinement of the device and the method, it is assumed or assumed that the first and second translational error values at one (and preferably each) given position along the measurement path (and / or along a movement path of the measurement axis) comprise at least one identical translation error component , This may also be referred to as a leader-translation error fraction. This translation error component may be a translation error component that is different from the first and second translation error components described above. In particular, it may be a translation error component, which is due to an actual guidance error about the considered machine axis. The assumption of an identical translation error component can in the context of the method provide advantages with regard to the determination, in particular of the second torsional error values, since, for example, certain relationships can be suitably combined and / or equated with one another in view of the identical translation error components.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung, insbesondere ein Koordinatenmessgerät, mit wenigstens einer ansteuerbaren Maschinenachse, einer Auswerteeinrichtung und einer Berechnungseinrichtung, wobei die Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet ist:
- - Translationsfehlerwerte für die Maschinenachse basierend auf Messwerten zu ermitteln, die durch ein Bewegen der Maschinenachse entlang einer Messstrecke gewinnbar sind (oder gewonnen wurden);
- - erste Torsionsfehlerwerte für die Maschinenachse basierend auf Messwerten zu ermitteln, die durch ein Abtasten eines Referenzkörpers entlang einer Kurzmessstrecke gewinnbar sind (oder gewonnen wurden), wobei die Kurzmessstrecke kürzer als die Messstrecke ist; und
- - eine Fehlergröße basierend auf den ersten Torsionsfehlerwerten zu ermitteln;
und wobei die Berechnungseinrichtung dazu eingerichtet ist, zweite Torsionsfehlerwerte für die Maschinenachse auf Basis der Fehlergröße und der Translationsfehlerwerte zu berechnen.The invention further relates to a device, in particular a coordinate measuring machine, with at least one controllable machine axis, an evaluation device and a calculation device, wherein the evaluation device is adapted to:
- - Determine translation error values for the machine axis based on measurements obtainable (or obtained) by moving the machine axis along a measurement path;
- determine first torsional error values for the machine axis based on measured values obtainable (or obtained) by scanning a reference body along a short measuring path, the short measuring path being shorter than the measuring path; and
- to determine an error quantity based on the first torsional error values;
and wherein the calculating means is adapted to calculate second torsional error values for the machine axis based on the error magnitude and the translation error values.
Die Vorrichtung kann jegliche Weiterbildung und jegliches weitere Merkmal umfassen, um sämtliche der vorstehenden oder nachstehenden Schritte, Betriebszustände und Funktionen bereitzustellen oder auszuführen. Insbesondere kann die Vorrichtung dazu eingerichtet sein, ein Verfahren gemäß jeglichen der vorstehenden oder nachstehenden Aspekte auszuführen. Insbesondere kann die Vorrichtung eine Messeinrichtung zum Ermitteln von zumindest den ersten und zweiten Translationsfehlerwerten umfassen, wobei die Messeinrichtung optional auch eine gemeinsam mit der Maschinenachse bewegbare Einheit umfassen kann. Diese Einheit kann die vorstehend geschilderte optische Einheit z.B. in Form eines Reflektors umfassen. Ferner kann die Messeinrichtung eine Strahlquelle und/oder allgemein eine Laser Interferometer Anordnung umfassen oder als Letztere realisiert sein. Ferner kann die Vorrichtung auch den Referenzkörper umfassen, der vorzugsweise lediglich bedarfsweise innerhalb des Koordinatenmessgeräts angeordnet werden kann (z.B. im Rahmen des geschilderten Verfahrens, nicht jedoch während einer eigentlichen Werkstückvermessung).The apparatus may comprise any further development and any further feature to provide or carry out all of the above or below steps, operating conditions and functions. In particular, the apparatus may be arranged to carry out a method according to any one of the preceding or following aspects. In particular, the device may comprise a measuring device for determining at least the first and second translational error values, wherein the measuring device may optionally also comprise a unit movable together with the machine axis. This unit may comprise the above-described optical unit, e.g. in the form of a reflector. Furthermore, the measuring device may comprise or be realized as a beam source and / or in general a laser interferometer arrangement. Furthermore, the device can also comprise the reference body, which can preferably only be arranged within the coordinate measuring machine as required (for example in the context of the described method, but not during an actual workpiece measurement).
Die Auswerteeinrichtung und Berechnungseinrichtung können jeweils elektronisch und/oder digital betreibbar sein. Sie können jeweils durch eine gemeinsame Recheneinrichtung realisiert werden oder von einer solchen umfasst sein. Die Recheneinrichtung kann beispielsweise als ein herkömmlicher PC realisiert sein. Die Recheneinrichtung kann über ein Computerprogramm verfügen, das bei Ausführen auf einer Prozessoreinheit die hierin geschilderten Funktionen der Auswerteeinrichtung und Berechnungseinrichtung bereitstellt.The evaluation device and the calculation device can each be electronically and / or digitally operable. They can each be realized by a common computing device or be included by such. The computing device can be realized, for example, as a conventional PC. The computing device can have a computer program which, when executed on a processor unit, provides the functions of the evaluation device and the calculation device described herein.
Die Vorrichtung kann auch dazu eingerichtet sein, erste und zweite Translationsfehlerwerte für die Maschinenachse basierend auf Messwerten zu ermitteln, die durch ein Bewegen der Maschinenachse entlang der Messstrecke gewinnbar sind (oder gewonnen wurden). Die ersten und zweiten Translationsfehlerwerte können zum Ermitteln der zweiten Torsionsfehlerwerte verwendet werden.The apparatus may also be configured to determine first and second translational error values for the machine axis based on measurements obtainable (or obtained) by moving the machine axis along the measurement path. The first and second translation error values may be used to determine the second torsional error values.
Im Folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung anhand der beigefügten schematischen Figuren erläutert. In ihrer Art und/oder Funktion übereinstimmende Merkmale können dabei figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Es stellen dar:
-
1 eine Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, mit der ein erfindungsgemäßes Verfahren ausführbar ist; -
2 eine Detaildarstellung einer gemeinsam mit einer Maschinenachse der Anordnung aus1 bewegbaren optischen Einheit; -
3 eine Darstellung eines Translationsfehleranteils, der auf einen nicht-idealen Verlauf eines Messstrahls zurückzuführen ist; -
4 eine Darstellung eines Translationsfehleranteils, der auf einen Führungsfehler entlang einer weiteren Maschinenachse zurückzuführen ist; -
5 ein Ablaufschema eines mitder Vorrichtung aus 1 ausführbaren Verfahrens.
-
1 a view of a device according to the invention, with which a method according to the invention is executable; -
2 a detailed view of one together with a machine axis of thearrangement 1 movable optical unit; -
3 a representation of a translation error portion, which is due to a non-ideal course of a measuring beam; -
4 a representation of a translation error portion, which is due to a guide error along another machine axis; -
5 a flowchart of one with thedevice 1 executable process.
In
Das Koordinatenmessgerät (bzw. die Vorrichtung) 10 besitzt eine Basis
An dem unteren freien Ende der Pinole
Die Maschinenachsen X, Y, Z erstrecken sich und ermöglichen jeweils Bewegungen entlang der und parallel zu den Achsen eines kartesischen Koordinatensystems. Diese Achsen sind in
In herkömmlicher Weise ist jede Maschinenachse X, Y, Z individuell ansteuer- und bewegbar und verfügt über eine eigene in
Mit den Bezugsziffern
Darüber hinaus sei der Vollständigkeit halber darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht nur bei Koordinatenmessgeräten in Portalbauweise, sondern auch bei anderen Koordinatenmessgeräten, beispielsweise in Horizontalarm- oder Brückenbauweise, eingesetzt werden kann.In addition, it should be noted for the sake of completeness that the present invention can be used not only in coordinate measuring machines in gantry design, but also in other coordinate measuring machines, for example in horizontal arm or bridge construction.
Auf der Basis
Im Rahmen des nachstehend erläuterten Verfahrens wird der Referenzkörper
Weiterhin erkennt man eine zumindest teilweise auf der Basis
Die Interferometer Anordnung
Das Koordinatenmessgerät
In an sich bekannter Weise können die ermittelten Führungsfehlerwerte dazu verwendet werden, um eine oder sämtliche der X-, Y-, Z-Maschinenachsen zu kalibrieren. Somit können bei später mit dem Koordinatenmessgerät
In
Ferner erkennt man in
Alternativ könnte auch lediglich ein Reflektor
Aus dem einleitend erläuterten Stand der Technik in Form der
Die Erfinder haben jedoch erkannt, dass dies nur mit einem erheblichen Einrichtungsaufwand bezüglich der verwendeten Messsysteme möglich ist oder dass vereinfachende und die Genauigkeit der Messergebnisse verfälschende Annahmen hierfür getroffen werden müssen. Die gezeigte Lösung sieht stattdessen vor, mittels der optischen Einheit
Im Detail wird mit jedem der Reflektoren
Zu Beginn des Verfahrens werden mit der optischen Einheit
Im Einzelnen sind mit der gezeigten optischen Einheit
In diesen für das erfindungsgemäße Verfahren definierten Gleichungen (1) und (2) wird davon ausgegangen, dass die Translationsfehlerwerte einen identischen Translationsanteil zTy(z) umfassen. Dieser entspricht einem allein auf den eigentlichen Führungsfehler (bzw. Translations-Führungsfehler) beim Bewegen entlang der Z-Maschinenachse zurückzuführenden Translationsfehleranteil. Die weiteren Translationsfehleranteile in Form der weiteren Summanden der Gleichungen (1) und (2) sind hingegen auf andere Ursachen zurückzuführen und jeweils individuell auf einen der Reflektoren
Ein erster Translationsfehleranteil ist beispielsweise auf einen nicht idealen Verlauf der Laserstrahlen
Ein weiterer in den Gleichungen (1) und (2) bereits berücksichtigter Fehleranteil resultiert aus dem gewählten Messaufbau und konkret dem Anordnen der Reflektoren
Aufgrund trigonometrischer Überlegungen kann dieser Fehleranteil (bzw. die in
Schließlich existiert noch der anhand der folgenden
Aufgrund analoger trigonometrischer Überlegungen, wie vorstehend anhand von
Stellt man die Gleichungen (1) und (3) nach dem gemeinsamen darin enthaltenen Term zTy(z) um und setzt die entsprechenden Ausdrücke einander gleich, kann der folgende Zusammenhang erhalten werden:
Dieser Ausdruck kann vereinfacht werden, indem eine Fehlergröße Δs̃ betrachtet wird, welche für jeden der Translationsfehler der Gleichungen (1) und (2) die vorstehend erläuterten Translationsfehleranteile aufgrund des schrägen bzw. nicht-idealen Verlaufs der Laserstrahlen umfasst sowie aufgrund der Winkelfehler um die X-Maschinenachse. This expression can be simplified by considering an error quantity Δs comprising, for each of the translation errors of equations (1) and (2), the above-explained translational error components due to the oblique and non-ideal course of the laser beams, respectively, and X due to the angular errors -Maschinenachse.
Diese Fehlergröße lautet wie folgt:
Ferner kann aus der vorstehenden Gleichung (4) die Differenz der
Ein Umstellen der Gleichung nach den eigentlich interessierenden Torsionsfehlerwerten zRz(z) um die Z-Maschinenachse ergibt Folgendes:
In dieser Gleichung sind die Torsionsfehlerwerte zRz(z) unbekannt. Gleiches gilt auch für die Fehlergröße
In diesem Zusammenhang wurde zunächst erkannt, dass ohne wesentliche Genauigkeitseinbußen die Annahme getroffen werden kann, dass die Fehlergröße Δs̃ entlang der gesamten Messstrecke M konstant ist. Anders ausgedrückt haben die Erfinder erkannt, dass bei einem Bewegen entlang der Z-Maschinenachse die Schrägen
Bei der kurzen Strecke handelt es sich um die vorstehend bereits anhand von
Da somit zumindest entlang der Kurzmessstrecke
Als z-Wert kann dabei prinzipiell jeder beliebige z-Wert (d.h. jeder
Die in Gleichung (8) enthaltenen zTy-Translationsfehlerwerte wurden mittels der optischen Einheit
In der vorstehend erläuterten Weise wurde somit die Fehlergröße
Im Ergebnis gelangt man somit auf Basis lediglich entlang einer vergleichsweise kurzen Kurzmessstrecke
Abschließend wird noch ein Ablaufschema anhand der
Die Messwerte werden dabei entlang der gesamten Messstecke
In dem Schritt
In dem Schritt
In dem abschließenden Schritt
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung kann auch allgemein vorgesehen sein, zum Ermitteln der Torsionsfehlerwerte die ersten (entlang der Kurzmessstrecke
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102008024444 A1 [0003, 0008, 0010, 0014, 0034, 0060, 0074, 0092]DE 102008024444 A1 [0003, 0008, 0010, 0014, 0034, 0060, 0074, 0092]
- DE 4421302 C1 [0008, 0012, 0067, 0074]DE 4421302 C1 [0008, 0012, 0067, 0074]
- DE 3334460 A1 [0013]DE 3334460 A1 [0013]
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