DE10214489A1

DE10214489A1 - Verfahren zur Bestimmung und Korrektur von Führungsfehlern bei einem Koordinatenmeßgerät

Info

Publication number: DE10214489A1
Application number: DE2002114489
Authority: DE
Inventors: Ernst Stampp; Guenter Grupp; Otto Boucky; Werner Leitenberger
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 2002-03-26
Filing date: 2002-03-26
Publication date: 2003-10-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Führungsfehlern bei einem Koordinatenmeßgerät (10) mit einem beweglichen Meßkopf (30) und mit Mitteln (14, 20) zur beweglichen Führung des Meßkopfes (30) und mit Skalen (18, 26, 28) zur Identifizierung der Koordinaten des Meßkopfes (30), wobei die Führungsfehler zu vorbestimmten Werten der Skalen (18, 26, 28) bestimmt werden. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Korrektur von Führungsfehlern im Betrieb eines Koordinatenmeßgerätes (10) und ein Auswertegerät (32) für ein Koordinatenmeßgerät. Die Erfindung erlaubt eine qualitativ hochwertige Korrektur auch von Meßfehlern, die durch weitere Einflüsse wie elastische Verformungen der Meßapparatur und/oder Änderungen der Temperatur des Koordinatenmeßgerätes (10) bedingt sind. Die Lösung zeichnet sich dadurch aus, daß vorbestimmten Führungsfehlern wenigstens eine Einflußgröße zugeordnet wird und daß diese Führungsfehler als Funktion der Einflußgröße durch Finite-Element-Berechnungen (FEM-Berechnungen) zumindest mitbestimmt werden (Fig. 5).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Führungsfehlern bei einem Koordinatenmeßgerät mit einem beweglichen Meßkopf und mit Mitteln zur beweglichen Führung des Meßkopfes und mit Skalen zur Identifizierung der Koordinaten des Meßkopfes, wobei die Führungsfehler zu vorbestimmten Werten der Skalen bestimmt werden.

Unter einem Führungsfehler versteht man eine Abweichung der Ist-Koordinaten des Meßkopfes von den Koordinaten, die in dieser Stellung von der Skalen geliefert werden. Dabei werden die Ist-Koordinaten von den Stellungen der Führungen bestimmt.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Korrektur von Führungsfehlern im Betrieb eines Koordinatenmeßgerätes mit einem beweglichen Meßkopf und mit Mitteln zur beweglichen Führung des Meßkopfes und mit Skalen zur Identifizierung der Koordinaten des Meßkopfes.

Weiter betrifft die Erfindung ein Auswertegerät für ein Koordinatenmeßgerät, wobei das Auswertegerät das oben genannte Verfahren zur Korrektur von Führungsfehlern ausführt, und die Erfindung richtet sich auch auf ein Koordinatenmeßgerät mit einem solchen Auswertegerät.

Ein Verfahren zur Bestimmung von Führungsfehlern, ein Verfahren zur Korrektur von Führungsfehlern, eine Auswertevorrichtung und ein Koordinatenmeßgerät der jeweils eingangs genannten Art sind aus der DE 33 34 460 A1 bekannt.

Nach dieser Schrift wird der Verschiebeweg eines Meßkopfes eines Koordinatenmeßgerätes interferometrisch erfaßt. Der interferometrisch erfaßte Wert wird durch eine Auswertevorrichtung mit Werten für den Verschiebeweg verglichen, die von einer Skalierung, beispielsweise einer optisch und/oder elektrisch abtastbaren Folge mechanischer Markierungen, geliefert werden. Führungsfehler werden als Differenzen zwischen den von den Skalen gelieferten und den durch die interferometrische Erfassung bereitgestellten Werten bestimmt, gespeichert und im Betrieb des Koordinatenmeßgerätes durch ein zugehöriges Auswertegerät zur Korrektur der von den Skalen gelieferten Werte verwendet.

Bei ideal steifen Führungen können solche Abweichungen zwischen Soll- und Ist-Positionen durch geometrische Fehler der Führungen und/oder der Skalen bedingt sein. Zum Beispiel kann eine Führung, die eine Translation des Meßkopfes führt, eine fertigungsbedingte Welligkeit aufweisen, was Querabweichungen der Meßkopfposition relativ zur Richtung der Translation zur Folge hat.

Zur Korrektur dieser Fehler wird beispielsweise längs jeder Achse des Koordinatenmeßgerätes eine einzelne Meßlinie (Standardlinie) definiert, zu der interferometrisch Korrekturwerte bestimmt werden (Standardverfahren). Korrekturwerte zu Punkten, die abseits der Standard-Meßlinien im Meßvolumen liegen, ergeben sich bei steifen Führungen durch rechnerische Interpolation auf der Basis von gemessenen Korrekturwerten der einzelnen Standard-Meßlinien.

Reale Koordinatenmeßgeräte besitzen jedoch Führungen, die nicht ideal steif sind. Reale Führungen weisen eine Elastizität auf, die durch die verwendeten Werkstoffe und Strukturen bestimmt wird. Aufgrund dieser Elastizität kommt es zu Verformungen des Koordinatenmeßgerätes, die sich als Abweichungen zwischen den Ist-Koordinaten und den von den elastisch verformten Skalen gelieferten Koordinaten und damit als Fehler bemerkbar machen. Bei einem Meßkopf, der am Ende eines quer zur Schwerkraftrichtung ausfahrbaren Meßarms angebracht ist, wird beispielsweise eine Durchbiegung des Meßarms auftreten, die mit zunehmender Ausfahrlänge wächst. Eine solche Durchbiegung verursacht einen elastisch bedingten Positionsfehler des Meßkopfes in der Richtung der Durchbiegung. Der vorstehend beschriebene elastisch bedingte Fehler stellt ein Beispiel für einen unerwünschten Einfluß der Meßkopfposition auf das Meßergebnis dar. Weitere unerwünschte Einflüsse können aus variablen Werkstückgewichten und wechselnden Temperaturen des Koordinatenmeßgerätes resultieren.

Derartige unerwünschte Einflüsse überlagern sich den geometrisch bedingten Führungsfehlern. Dabei ist problematisch, daß die weiteren unerwünschten Einflüsse und die geometrisch bedingten Fehler im allgemeinen ein verschiedenes Verhalten aufweisen, wenn beispielsweise ihre Richtungsabhängigkeit oder ihr Änderungsverhalten betrachtet wird. So ändern sich beispielsweise elastisch bedingte Einflüsse oder Fehler relativ langwellig, das heißt langsam und stetig längs einer Raumrichtung, während die geometrischen Fehler auch einen sich kurzwellig, das heißt vergleichsweise schnell ändernden und nicht-stetigen Verlauf zeigen können. Das oben beschriebene Standardverfahren ist auf die Korrektur geometrisch bedingter Fehler gerichtet und daher im allgemeinen nicht optimal zur Korrektur anderer Einflüsse mit abweichendem Verhalten geeignet. Eine Steigerung der Genauigkeit von Koordinatenmeßgeräten erfordert jedoch auch eine Korrektur der genannten anderen Einflüsse.

Aus der DE 195 18 268 A1 ist ein Verfahren zur Koordinatenmessung an Werkstücken bekannt, bei dem das elastische Biegeverhalten von Koordinatenmeßgeräten durch eine Deformationsmatrix nachgebildet wird. Dieses bekannte Verfahren liefert eine gute Korrekturqualität, erfordert aber einen hohen Meß- und Rechenaufwand zur Bestimmung der Koeffizienten der Deformationsmatrix. Außerdem bleiben damit bspw. Temperatureinflüsse unberücksichtigt.

Aus der DE 100 06 753 A1 ist eine Dreh-Schwenkeinrichtung für den Tastkopf eines Koordinatenmeßgerätes bekannt. Der Korrektureinrichtung sind Korrekturwerte zugeordnet, mit denen Fehler aufgrund elastischer Verformungen bei der Messung korrigiert werden. Zur Verbesserung der Meßergebnisse wird ein mathematisches Modell verwendet, das mindestens ein finites Element umfaßt. Das (einzelne) theoretisch gedachte finite Element verbindet mehrere mechanische Elemente. Die unbekannten Parameter des finiten Elementes werden durch eine Vielzahl von Messungen und eine Einpassung mittels der Methode der kleinsten Quadrate bestimmt.

Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine qualitativ hochwertige Korrektur auch von Meßfehlern, die durch weitere Einflüsse wie elastische Verformungen der Meßapparatur und/oder Änderungen der Temperatur des Koordinatenmeßgerätes bedingt sind, zu ermöglichen. Dabei soll insbesondere der erforderliche Meßaufwand in Grenzen gehalten werden, um eine Verwendung der erfindungsgemäßen Korrektur im Rahmen einer industriellen Fertigung von Koordinatenmeßgeräten zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Bestimmung von Führungsfehlern der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß vorbestimmten Führungsfehlern wenigstens eine Einflußgröße zugeordnet wird und daß diese Führungsfehler als Funktion der Einflußgröße durch Finite-Element-Berechnungen (FEM- Berechnungen) zumindest mitbestimmt werden.

Mit dieser Lösung ist der Vorteil verbunden, daß die aus der FEM-Berechnung bestimmten Werte nur klare physikalische Zusammenhänge reflektieren und im Gegensatz zu messtechnischen Lösungen nicht von Störungen überlagert werden.

Mit Blick auf ein Verfahren zur Korrektur von Führungsfehlern der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Korrektur von Führungsfehlern auf Daten basiert, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung von Führungsfehlern gewonnen wurden.

Damit übertragen sich die aus der erfindungsgemäßen Bestimmung von Korrekturfehlern resultierenden Vorteile auch auf deren Korrektur.

Mit Bezug auf ein Auswertegerät der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe gelöst, indem das Auswertegerät von der Skalierung des Koordinatenmeßgerätes gelieferte Daten mit Korrekturwerten korrigiert, die auf Daten basieren, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung von Führungsfehlern gewonnen wurden.

Mit Blick auf ein Koordinatenmeßgerät der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe durch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Auswertegeräts gelöst.

FEM-Berechnungen zum Deformationsverhalten von allgemeinen maschinenbaulichen Strukturen sind aus Lehrbüchern bekannt. Die vorliegende Anmeldung richtet sich daher weniger auf eine FEM- Berechnung als solche, sondern speziell auf die Verwendung von FEM-Berechnungen zur Bestimmung und Korrektur von Führungsfehlern bei Koordinatenmeßgeräten.

Insbesondere bei der oben genannten DE 100 06 753 A1 handelt es sich nicht um eine FEM-Berechnung im herkömmlichen Sinne, bei der die zu berechnende Struktur in eine Unzahl (gegebenenfalls Millionen) von finiten Elementen zerlegt wird, um den Aufbau der Struktur zu modellieren.

Bei einer FEM-Berechnung, wie sie dem Anmeldungsgegenstand zugrundeliegt, ergeben sich die gewünschten Parameter nicht durch Messung und Einpassung, sondern allein aus den physikalischen Eigenschaften, wie beispielsweise dem Elastizitätsmodul.

Bei Koordinatenmeßgeräten wird eine sehr hohe Genauigkeit gefordert (zum Beispiel 0,1 Mikrometer und 0,1 Winkelsekunden). Wenn diese hohe Genauigkeit allein durch die FEM-Berechnungen gewährleistet werden soll, ist ein sehr gut passendes FEM- Modell des Koordinatenmeßgerätes erforderlich, das die tatsächlichen Verhältnisse treffend beschreibt. Möglicherweise hat man wegen eines gewissen Gegensatzes zwischen der hohen geforderten Genauigkeit und der bei FEM-Berechnungen mit beschränktem Modell-Formulierungsaufwand nicht garantierten Genauigkeit nicht an eine FEM-gestützte Bestimmung und Korrektur vom Führungsfehlern bei Koordinatenmeßgeräten gedacht. Die Erfinder haben jedoch erkannt, daß die geforderte Genauigkeit prinzipiell auch mit FEM-Berechnungen erreichbar ist und daß die damit erzielten Vorteile auch einen erhöhten Aufwand bei der Formulierung des FEM-Modells rechtfertigen.

Die geforderte Genauigkeit läßt sich vorteilhafterweise jedoch auch mit einem verringerten Modellierungsaufwand erzielen, wenn sich die FEM-Berechnungen auf relative Änderungen zu einem bekannten Zustand beziehen. Ein bekannter Zustand kann dabei beispielsweise durch die oben angegebene Standardabnahme definiert werden.

Vor diesem Hintergrund sieht eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung von Führungsfehlern vor, daß die Mitbestimmung auf FEM-gestützten Berechnungen von Veränderungen der vorbestimmten Führungsfehler basiert, wobei die Veränderung der Führungsfehler eine Funktion von Änderungen der Einflußgröße darstellt.

Dies ist vorteilhaft, weil Änderungen gegenüber einem bekannten oder als bekannt angenommenen Ausgangszustand besonders genau durch FEM-Berechnungen modellierbar sind.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung werden die FEM-Berechnungen als für eine Vielzahl vergleichbarer Koordinatenmeßgeräte einer Baureihe als gültig gewertet.

Diese vorteilhafte Möglichkeit resultiert aus der Eigenschaft von Finite-Elemente-Berechnungen, nur klare physikalische Zusammenhänge zu modellieren und keine zufälligen Exemplarstreuungen abzubilden. Die Berechnungen müssen daher nur einmal für einen bestimmten Typ eines Koordinatenmeßgerätes durchgeführt werden.

Die auf diese Weise gewonnenen Daten für eine elastische Korrektur, bzw. für den zu korrigierenden elastisch-bedingten Fehler, sind daher unabhängig von den geometrische Führungsfehlern von Einzelgeräten und können für einen Koordinatenmeßgeräte-Typ entweder konstant gehalten werden oder durch einfache Messungen angepaßt werden, wobei eine aufwendige vollständige Vermessung von Einzelgeräten entfallen kann.

Ist ein FEM-Modell vorhanden, lassen sich die Auswirkungen von konstruktiven Änderungen kostensparend vorhersagen.

Bei Änderungen an den Konstruktions-Parametern des Koordinatenmeßgeräts, beispielsweise bei einer Änderung der Dicke einer Grundplatte, lassen sich daraus resultierende Änderungen der Führungsfehler durch eine erneute Finite-Elemente-Berechnung ohne aufwendige Messungen generieren. Die Ergebnisse können dann vorteilhafterweise ohne weiteren Berechnungsaufwand auf eine Vielzahl von Koordinatenmeßgeräten dieses Typs übertragen werden.

Als weiterer Vorteil ist zu sehen, daß die aus FEM-Berechnungen bestimmten Führungsfehler nur langperiodische Anteile enthalten und deshalb vorteilhafterweise durch Filter bekannter Art geglättet werden können.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, daß Veränderungen der vorbestimmten Führungsfehler auf wenigstens einen Bezugs- Führungsfehlerwert bezogen werden.

Dies erlaubt vorteilhafterweise die Bestimmung von Absolutwerten für Führungsfehler, wobei der Bezugsfehlerwert gewissermaßen einen Absolutwert als Basiswert liefert, der durch relative Änderungen, die aus der FEM-Berechnung resultieren, ergänzt wird.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird ein gemessener Führungsfehlerwert als Bezugs-Führungsfehlerwert verwendet.

Damit ist der besondere Vorteil verbunden, die Ergebnisse der FEM-Berechnung gewissermaßen mit einer einzelnen Messung oder mit wenigen Messungen an ein individuelles Koordinatenmeßgerät anpassen zu können.

Bei jedem einzelnen Gerät einer Serie müssen Führungsfehler damit nur noch im Rahmen einer Standardabnahme ermittelt werden. Fehler aus elastischen Verformungen müssen dagegen nicht für jedes einzelne Koordinatenmeßgerät neu bestimmt werden.

Auf diese Weise erlaubt die Erfindung eine Korrektur auch elastisch bedingter Führungsfehler mit einem geringen Aufwand, der, wenn man ein Einzelgerät betrachtet, nicht über den bisher bereits betriebenen Aufwand für die Aufnahme der Standardlinien hinausgeht.

Nach einer weiteren Ausgestaltung wird der Bezugs- Führungsfehlerwert an wenigstens einem vorbestimmten Punkt innerhalb des Meßvolumens des Koordinatenmeßgerätes gemessen.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, daß der wenigstens eine gemessene Bezugs-Führungsfehlerwert jeweils individuell für ein individuelles Koordinatenmeßgerät gemessen wird.

Auf diese Weise werden die Ergebnisse der FEM-Berechnungen, die relative Einflüsse reflektieren, die nicht geräteindividuell sind, mit wenigstens einem individuell gemessenen Bezugsfehlerwert an die individuellen Bedingungen eines Einzelgeräts angepaßt.

Eine weitere Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß Bezugs-Führungsfehlerwerte längs wenigstens einer vorbestimmten Meßlinie gemessen werden, die einem vorbestimmten Wert der Einflußgröße zugeordnet ist.

Die Meßlinie ist vorteilhafterweise so definiert, daß sie die Erfassung geometrischer Führungsfehler erlaubt. Geometrische Führungsfehler sind in der Regel von Gerät zu Gerät verschieden. Die an sich bekannte, weiter oben auch als Standardverfahren bezeichnete Erfassung geometrischer Führungsfehler längs vorbestimmter Meßlinien erlaubt im Rahmen der Erfindung eine Verknüpfung der individuellen, durch Messung erfaßten Eigenschaften von Koordinatenmeßgeräten mit den für die ganze Baureihe berechneten Eigenschaften. Im Ergebnis führt dies zu einem sehr günstigen Verhältnis zwischen Meßaufwand und Berechnungsaufwand auf der einen Seite und der erreichbaren Steigerung der Genauigkeit auf der anderen Seite, wenn eine größere Zahl von Geräten betrachtet wird.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist parallel zu der wenigstens einen Meßlinie wenigstens eine Koordinatenlinie definiert, die einem bestimmten Wert der Einflußgröße zugeordnet ist, wobei Änderungen der Führungsfehler gegenüber einem Bezugs-Führungsfehlerwert als Funktion des vorbestimmten Wertes der Einflußgröße und der Koordinaten dieser Koordinatenlinie berechnet werden.

Die aus der FEM-Berechnung generierten Führungsfehleränderungen längs der Koordinatenlinie zeichnen sich durch einen besonders glatten, nicht durch Störungen überlagerten Verlauf aus. Durch die Zuordnung der Linien zu bestimmten Werten einer Einflußgröße und durch die zu einer Meßlinie parallele Anordnung der Koordinatenlinien lassen sich Änderungen der längs der Meßlinie erfaßten Absolutwerte durch Änderungen der Einflußgröße besonders genau und effektiv nachbilden und zu Absolutwerten umrechnen, die bei bestimmten, abseits der Meßlinie liegenden Koordinaten gültig sind.

Nach einer weiteren Ausgestaltung werden in einem Datenspeicher eines Auswertegeräts des Koordinatenmeßgeräts Daten gespeichert, die wenigstens einen gemessenen Bezugs-Führungsfehlerwert repräsentieren und es werden weitere Daten gespeichert, die die als Funktion des vorbestimmten Wertes der Einflußgröße bestimmten Änderungen der Führungsfehler repräsentieren.

Diese Ausgestaltung ermöglicht eine sehr genaue Korrektur von Führungsfehlern im Betrieb eines Koordinatenmeßgerätes auf der Basis der erfindungsgemäß bestimmten Werte.

Eine weitere Ausgestaltung zeichnet sich durch die Position des Meßkopfes als Einflußgröße aus.

Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, weil sich elastische Deformationen des Koordinatenmeßgerätes, die elastisch bedingte Änderungen von Führungsfehlern zur Folge haben und die aus Änderungen der Position des Meßkopfes resultieren, besonders gut und genau durch FEM-Berechnungen nachbilden lassen.

Dies gilt analog für die folgende ergänzende oder alternative Ausgestaltung, nach der die Gewichtskraft des zu vermessenden Werkstückes als Einflußgröße verwendet wird.

Häufig ist bei Koordinatenmeßgeräten der Träger für das Werkstück nicht von der Führung für die bewegten Teile, zum Beispiel dem Meßkopf, entkoppelt, sondern mit der Führung in einer Grundplatte vereint. Obwohl diese Grundplatte in der Regel sehr steif aufgebaut ist, verbiegt sie sich je nach Werkstückgewicht unterschiedlich. Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann diese Biegung rechnerisch berücksichtigt werden. Dadurch kann die Grundplatte auch dünner und damit weniger steif ausgeführt werden, was die Herstellkosten verringert.

Für ein bestimmtes Werkstückgewicht können die Führungsfehlerabweichungen aus der FEM-Berechnung bestimmt werden. Für die Korrektur wird dann das aktuelle Werkstückgewicht benötigt. Dies ist in der Regel bekannt.

In einem Ausführungsbeispiel einer solchen Ausgestaltung erfolgt eine Messung der Gewichtskraft bei unbekanntem Werkstückgewicht durch Kraftsensoren in Auflagerpunkten des Koordinatenmeßgerätes.

Dieses Ausführungsbeispiel zeichnet sich durch eine einfache Realisierbarkeit aus, da die Grundplatte eines Koordinatenmeßgerätes in der Regel auf definierten Auflagerpunkten liegt, so daß dort angeordnete Kraftsensoren reproduzierbare Ergebnisse liefern.

Alternativ dazu kann eine Messung der Gewichtskraft durch Erfassung von Verformungen des Koordinatenmeßgerätes mit Dehnungsmeßstreifen erfolgen.

Diese Alternative besitzt den Vorteil, daß sie ohne konstruktive Änderungen eines Koordinatenmeßgerätes verwendet werden kann, da Dehnungsmeßstreifen beispielsweise auf der Grundplatte eines Koordinatenmeßgerätes befestigt werden können.

Nach einer weiteren Ausgestaltung stellt die Temperatur des Koordinatenmeßgerätes eine Einflußgröße dar.

Als Beispiel sei die temperaturbedingte Verformung einer Grundplatte erwähnt, die beispielsweise bei Temperaturdifferenzen zwischen Oberseite und Unterseite zu einer Verformung führt. Auch dieser Einfluß läßt sich, da er lineare Längenänderungen bewirkt, besonders einfach und genau durch FEM-Berechnungen nachbilden.

In einem Ausführungsbeispiel wird der Temperaturunterschied zwischen wenigstens zwei Punkten des Koordinatenmeßgerätes bestimmt.

Auch hier gilt, daß auf Änderungen der Einflußgröße gestützte Berechnungen besonders genau sind, weil Absolutwerteinflüsse gegebenenfalls durch Differenzbildung elimiert werden können.

Dabei kann die Temperatur-Bestimmung durch Messung im Koordinatenmeßgerät erfolgen, was vorteilhafterweise eine genaue Festlegung der Eingangsgrößen für die Berechnung ermöglicht.

Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Korrektur von Führungsfehlern im Betrieb eines Koordinatenmeßgerätes basiert die Korrektur von Führungsfehlern auf Daten, die gemäß einem der vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen bestimmt wurden.

Dadurch übertragen sich die in Verbindung mit der Bestimmung von Führungsfehlern erzielten Vorteile auf die Korrektur dieser Führungsfehler im Betrieb des Koordinatenmeßgerätes.

Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Korrektur von Führungsfehlern im Betrieb eines Koordinatenmeßgerätes zeichnet sich dadurch aus, daß die Korrektur von Führungsfehlern auf Daten für Änderungen der Führungsfehler gegenüber einem Bezugs-Führungsfehlerwert basiert, die als Funktion des vorbestimmten Wertes der Einflußgröße und der Koordinaten einer definierten Koordinatenlinie basiert, die parallel zu einer Meßlinie verläuft, die einem bestimmten Wert einer Einflußgröße zugeordnet ist und für die zugehörige Bezugs-Fehlerwerte durch Messung bestimmt werden.

Auch hier gilt, daß die Ergebnisse der Finite-Elemente- Berechnungen, die relative Einflüsse reflektieren, die nicht individuell für ein Einzelgerät gelten, mit wenigstens einem individuell gemessenen Bezugsfehlerwert an die individuellen Bedingungen eines Einzelgeräts angepaßt werden. Dadurch erfolgt eine Verknüpfung der individuell erfaßten Eigenschaften von Koordinatenmeßgeräten mit den für die ganze Baureihe berechneten Eigenschaften. Durch die Zuordnung der Linien zu bestimmten Werten einer Einflußgröße und die zu einer Meßlinie parallele Anordnung lassen sich Änderungen der längs der Meßlinie erfaßten Absolutwerte durch Änderungen der Einflußgröße besonders genau und effektiv nachbilden und zu gültigen Absolutwerten an bestimmten, abseits der Meßlinie liegenden Koordinaten umrechnen.

Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Korrektur von Führungsfehlern im Betrieb eines Koordinatenmeßgerätes umfaßt die Korrektur von Führungsfehlern wenigstens zwei Stufen, wobei in einer ersten Stufe ein gespeicherter Bezugs-Führungsfehlerwert und in einer zweiten Stufe ein als Funktion der Einflußgröße bestimmter Führungsfehler und/oder eine als Funktion von Änderungen der Einflußgröße bestimmte Änderung des Führungsfehlers aus dem Datenspeicher des Auswertegeräts des Koordinatenmeßgeräts ausgelesen wird.

Als Vorteil ist hier zu sehen, daß sich die Herkunft der Korrekturdaten entsprechend der aufgezeigten Trennung nachvollziehen und separat visualisieren läßt.

Damit ergibt sich auch die Möglichkeit, die einzelnen Korrekturen (Geräte-individuell-elastisch und -geometrisch, Baureihen- allgemein-elastisch) auf einfache Art und Weise separat aus- und einschalten.

Weiter kann auch die Reihenfolge der Korrektur von Geräteindividuellen Führungsfehlern und Baureihen-typischen elastischen Fehlern bei einer zweistufigen Korrektur beliebig vorgegeben werden.

Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Korrektur von Führungsfehlern im Betrieb eines Koordinatenmeßgerätes sieht vor, daß von den Skalen gelieferte Daten mit Korrekturwerten korrigiert werden, die auf den ausgelesenen Daten basieren.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden Korrekturwerte für Punkte, die nicht auf den Koordinatenlinien liegen, durch Interpolation von Korrekturwerten von wenigstens zwei Koordinatenlinien ermittelt. Dabei erfolgt die Interpolation auf der Basis von je zwei nächstliegenden Korrekturwerten zweier Koordinatenlinien gleicher Raumrichtung.

Die Interpolation ermöglicht eine Beschränkung der Zahl der aufzunehmenden Meßlinien und Koordinatenlinien, da sie eine Gewinnung von Korrekturwerten zwischen den Meßlinien durch ein rechnerisches Verfahren ermöglicht. Die Interpolation kann auf einem Flächeninterpolationsverfahren oder einem räumlichen Interpolationsverfahren basieren.

Ein typisches Koordinatenmeßgerät, das sich für eine Verwendung der genannten Verfahren eignet, ist ein Horizontalarm-Meßgerät, das einen in X-Richtung beweglichen Ständer besitzt, der einen in Y-Richtung und in Z-Richtung beweglichen Horizontalarm mit einem Meßkopf trägt. Aufgrund der beim Ausfahren des Horizontalarms (Veränderung der Meßkopfposition) auftretenden elastischen Verformungen ergeben sich die obengenannten Vorteile bei einem solchen Koordinatenmeßgerät in besonderem Maße.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Figuren.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Horizontalarm-Meßgerät als Beispiel eines Koordinatenmeßgerätes;
Fig. 2 die Struktur einer Auswertevorrichtung aus der Fig. 1;
Fig. 3 eine Darstellung zur Veranschaulichung translatorischer Fehler;
Fig. 4 eine Darstellung zur Veranschaulichung rotatorischer Fehler;
Fig. 5 ein FEM-Modell des Horizontalarm-Meßgerätes aus Fig. 1;
Fig. 6 qualitative Verläufe von Änderungen von Führungsfehlern als Funktion der Änderung einer Einflußgröße, wie sie von einer FEM-Berechnung geliefert werden;
Fig. 7 eine Darstellung wie in Fig. 6, ergänzt um einen gemessenen Verlauf eines Führungsfehlers als Beispiel eines Bezugs-Führungsfehlerwertes, der längs einer vorbestimmten Meßlinie für einen vorbestimmten Wert der Einflußgröße gemessen wurde;
Fig. 8 ein Flußdiagramm als Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Korrektur von Führungsfehlern im Betrieb eines Koordinatenmeßgerätes;
Fig. 9 ein Lasermeßgerät zur Aufnahme der translatorischen und rotatorischen Fehler;
Fig. 10 Einzelheiten aus der Fig. 9 zur Erläuterung einer Teilfunktion des Lasermeßgerätes;
Fig. 11 eine schematische Seitenansicht des Horizontalarmgerätes aus der Fig. 1 mit zusätzlichen Komponenten zur Erläuterung weiterer Ausführungsbeispiele;
Fig. 12 einen qualitativen Verlauf einer Führungsfehlergröße, die von der Gewichtskraft eines Werkstückes als Einflußgröße abhängt;
Fig. 13 qualitativ Verläufe einer Führungsfehlergröße, die von Temperaturunterschieden im Koordinatenmeßgerät als Einflußgröße abhängen
In Fig. 1 bezeichnet Ziffer 10 eine Gesamtansicht eines Horizontalarm-Meßgerätes als Beispiel eines Koordinatenmeßgerätes. Das Horizontalarm-Meßgerät 10 weist eine Bezugsebene 12 auf, auf der ein Ständer 14 längs einer X-Richtung 16 beweglich ist. Die Bezugsebene 12 ist beispielsweise ein Meßtisch oder eine möglichst ebene Fläche im Raum. Die Position des Ständers 14kann auf einer X-Skala 18 abgelesen werden. Der Ständer 14 trägt einen in Y-Richtung 22 und Z-Richtung 24 beweglichen Horizontalarm 20. Die Y-Position des Horizontalarms 20 sowie seine Z-Position kann jeweils auf einer Y-Skala 26 und einer Z- Skala 28 abgelesen werden. Der Horizontalarm 20 trägt einen Meßkopf 30, mit dem Werkstückpositionen oder Bauteile angefahren werden können. Die bei der Berührung der Bauteile durch den Meßkopf 30 erreichten X-, Y- und Z-Positionen können an den genannten Skalen abgelesen werden und/oder werden durch eine geeignete Sensorik erfaßt und an eine Auswertevorrichtung 32 zur weiteren Verarbeitung übermittelt.
Fig. 2 veranschaulicht die Struktur einer solchen Auswertevorrichtung 32. Danach vermittelt eine Recheneinheit 34 zwischen Eingabeteilen und Ausgabeteilen einer Eingabe- und Ausgabevorrichtung 36 nach Maßgabe von in einem Programmspeicher 38 gespeicherten Programmen und unter Verwendung von in einem Korrekturwertspeicher 40 gespeicherten Daten.
Fig. 3 veranschaulicht translatorische Fehler, wie sie im Betrieb des Koordinatenmeßgerätes, insbesondere des Horizontalarm-Meßgerätes 10 auftreten. Dabei bezeichnet die Ziffer 42 eine fehlerfreie Position des Meßkopfs 30. Die Ziffer 44 bezeichnet dagegen eine Position des Meßkopfs 30, die sich von der fehlerfreien Position um eine Strecke xTx unterscheidet. Dabei bezeichnet das erste x (links) die Bewegungsrichtung des Meßkopfes, der Buchstabe T zeigt an, daß es sich bei der Bewegung um eine Translation handelt und das zweite x (rechts) gibt die Richtung des dargestellten Fehlers an. xTx entspricht damit einem Positionsfehler in X-Richtung, der bei einer Translation in X-Richtung auftritt. Eine typische Ursache für einen solchen Fehler wäre beispielsweise eine Ungenauigkeit der X-Skala 18.
Die Ziffer 46 bezeichnet die Position des Meßkopfs 30 mit einem Positionsfehler in Y-Richtung. Dieser Fehler wird hier als xTy notiert. xTy stellt damit gewissermaßen eine Geradheitsabweichung dar. Ein solcher Fehler wird beispielsweise durch eine Welligkeit der X-Führung verursacht, die bei einer Translation in Richtung der X-Achse eine Querabweichung y zur Folge hat.
Die Ziffer 48 bezeichnet die Position des Meßkopfs 30 mit einem Positionsfehler xTz in Z-Richtung. Auch hier liegt der Notation eine translatorische Bewegung in X-Richtung zugrunde, was durch die ersten beiden Buchstaben x und T ausgedrückt wird. Die Querabweichung in Z-Richtung kommt typischerweise, wie auch die vorstehend beschriebene Querabweichung in Y-Richtung, durch eine Welligkeit (Ungeradheit) der X-Führung zustande.
Fig. 3 zeigt translatorische X-, Y- und Z-Fehler bei Bewegungen in Richtung der X-Achse. Analog treten X-, Y- und Z-Fehler beim Bewegen in Richtung der Y-Achse und beim Bewegen in Richtung der Z-Achse auf, so daß sich insgesamt 3.3 = 9 mögliche translatorische Fehler ergeben.
Fig. 4 veranschaulicht drei mögliche rotatorische Fehler bei Bewegungen des Meßkopfes 30 in Richtung der X-Achse. Dabei bezeichnet der Fehler xRx Rotationen um die X-Achse bei Bewegung in Richtung der X-Achse und damit ein sogenanntes Rollen des Meßkopfes 30. Eine Rotation um die Y-Achse bei Bewegung in Richtung der X-Achse wird als Nicken bezeichnet und eine Rotation um die Z-Achse bei Bewegung in Richtung der X-Achse wird als Gieren bezeichnet.
Fig. 4 stellt damit die drei möglichen rotatorischen Fehler bei Bewegungen in Richtung der X-Achse dar. Analog kann ein Rollen, ein Nicken und/oder ein Gieren auch bei Bewegungen in Richtung der Y-Achse sowie bei Bewegungen in Richtung der Z-Achse auftreten, so daß sich auch bei der Rotation 3.3 = 9 mögliche Fehler ergeben.
Fig. 5 veranschaulicht ein FEM-Modell des Horizontalarmmeßgerätes 10 aus der Fig. 1. Bekanntlich ist die FEM-Methode ein Gebiets-Verfahren, bei dem die zu untersuchende Struktur in finite Elemente zerlegt wird. Ein Stab wird in eindimensionale Linien-Elemente, eine Fläche in Flächen-Elemente und ein Volumen in Volumen-Elemente unterteilt. Für das einzelne Element 50 wird der physikalische Sachverhalt formuliert. Über die Knoten 52 wird die Kopplung zu den angrenzenden Elementen durchgeführt. Pro Element 50 läßt sich so eine Zeile eines Gleichungssystems aufbauen, welches je nach Problemstellung den geltenden oder geforderten Randbedingungen anzupassen ist. Bei der Verschiebungsmethode werden die Knotenverschiebungen als Unbekannte eingeführt. Für jedes Element ergibt sich als Folge der Einheitsverschiebungen seiner Knoten unter Beachtung des maßgeblichen Materialgesetzes (z. B. Hookesches Gesetz) eine Steifigkeitsmatrix, mit der aus den Gleichgewichtsbedingungen für alle Knoten das Gleichungssystem für die unbekannten Verschiebungen folgt (Siehe Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau, 20. Auflage, C48).
Fig. 6 zeigt qualitative Verläufe von Änderungen des Führungsfehlers Rx, also der Rotation um die X-Achse als Funktion der Änderung einer Einflußgröße Y-Abstand, wie sie von einer FEM- Berechnung geliefert werden.
Den dargestellten Verhältnisse treten typischerweise bei einem Horizontalarmmeßgerät 10 auf. Hier ist die y = 0 - Linie als Bezugslinie gewählt worden. y = 0 bedeutet bei dem Horizontalarmmeßgerät 10 der Fig. 1 beispielsweise, daß der Y-Arm eine Art Gleichgewichtsposition einnimmt, in der er kein Drehmoment um die X-Achse ausübt. Beim Ausfahren in positive X-Richtung auf den Wert y1 entsteht durch die Gewichtsverlagerung ein Drehmoment, das die nicht steife Führung elastisch deformiert und damit zu einem Rotationsfehler Rx um die X-Achse führt. Dieser Fehler mag sich längs der X-Führung noch geringfügig verändern, so daß sich der dargestellte Verlauf der Rx(y1) Linie 54 als Ergebnis der FEM-Berechnung ergibt. Typisch ist jedenfalls der glatte Verlauf der Rx(y1)-Linie, der die gleichmäßigen und stetigen (langwelligen) Änderungen aufgrund elastischer Deformation reflektiert. Tendenziell wird der Rx-Fehler mit wachsendem Y-Abstand steigen, weil das deformierende Drehmoment mit wachsendem Abstand steigt. Entsprechend liegen die Werte der FEM-Berechnung längs der X-Achse für Werte y2 > y1 höher. Dies wird durch den Verlauf der Rx(y2) - Linie 56 reflektiert. Die Rx-Werte der Kurven 54 und 56 stellen die Änderungen des Führungsfehlers Rx als Funktion der Einflußgröße Y- Abstand dar. Fig. 6 stellt damit typische Ergebnisse einer FEM- Berechnung von Änderungen von Führungsfehlern als Funktion einer Einflußgröße für verschiedene Werte der Einflußgröße dar.
Dabei sind die Änderungen gemäß der Darstellung der Fig. 6 gewissermaßen auf den Wert 0 als Bezugs-Führungsfehlerwert bezogen.
Da diese Ergebnisse auf physikalischen Eigenschaften des Koordinatenmeßgerätes beruhen, die innerhalb einer Baureihe von Geräten weitestgehend konstant sind, können diese Ergebnisse als für die ganze Baureihe und damit für eine Vielzahl von vergleichbaren Koordintenmeßgeräten gültig betrachtet werden. Mit anderen Worten: Die Formulierung des Modells und die Berechnung muß nur einmal für die ganze Baureihe durchgeführt werden. Die Ergebnisse werden dann jeweils im Rahmen der Fertigung eines Koordinatenmeßgeräts ohne weitere Berechnung in den Korrekturwertspeicher 40 eingelesen.
Zur Veranschaulichung weiterer elastischer Einflüsse betrachte man zunächst das Horizontalarm-Meßgerät 10 aus der Fig. 1. Beim Ausfahren des Horizontalarms 20 treten natürlicherweise elastische Durchbiegungen auf, die von der Ausfahrlänge abhängig sind. Diesen elastischen Durchbiegungen kann sich ein geometrischer Führungsfehler überlagern, der längs der Y-Führung als Rotation auftritt. Die Überlagerung der geometrisch bedingten Rotation des Horizontalarms 20 mit seiner elastischen Durchbiegung entspricht physikalisch einer Rotation eines gebogenen Balkens. Bei der Rotation eines gebogenen Balkens wird das tiefstliegende Ende des gebogenen Balkens aus seiner tiefsten Position herausgedreht. Dieses Herausdrehen aus der tiefsten Position ruft, als Folge der Schwerkraft, zwangsläufig ein Rückstellmoment hervor, das zu einer elastischen Torsion des Balkens führt. Diese elastische Torsion überlagert sich der geometrisch bedingten Rotation. Letztlich wird das Ergebnis der Überlagerung gemessen. Je nach Ausfahrlänge treten unterschiedliche Durchbiegungen und damit unterschiedliche Rückstellmomente und damit unterschiedliche Torsionen auf. Daraus ergeben sich die je nach Y-Position unterschiedlich starken elastisch bedingten Einflüsse auf Rotationen um die Y-Achse bei Bewegungen längs der Z-Achse.
Ähnliche Effekte treten auch in anderen Raumrichtungen auf. Die detaillierter beschriebenen Einflüsse sind daher nur als Beispiele zu werten.
Weiter gilt, daß sich die Anwendung der Erfindung nicht auf ein Horizontalarm-Meßgerät beschränkt, sondern bei jedem Koordinatenmeßgerät, bei dem elastische Verformungen auftreten, angewendet werden.
Ein Beispiel eines weiteren Koordinatenmeßgerätes ist ein sogenanntes Portalgerät, das ein Portal aufweist, das in Y-Richtung beweglich ist und einen in X-Richtung auf dem Portal beweglichen Wagen aufweist, der eine in Z-Richtung bewegliche Pinole mit einem Meßkopf trägt. Bei einem solchen Koordinatenmeßgerät kann durch die Finite-Elemente-Berechnung modelliert werden, wie sich die Grundplatte beim Fahren in Y-Richtung unterschiedlich verbiegt, je nachdem, ob der X-Wagen links oder rechts steht.
Als weiteres Beispiel sei ein Gerät der Brückenbauart mit hochgelegten Y-Führungen erwähnt. Bei einer Fahrbewegung in Y- Richtung biegt sich bei einem solchen Gerät die linke oder rechte Y-Führung je nach Position des X-Wagens unterschiedlich stark. Als Ergebnis erhält man aus der FEM-Berechnung in Abhängigkeit von der X-Position unterschiedliche Verläufe von yRy.
Fig. 7 zeigt, wie die jeweils für eine ganze Baureihe gültigen Ergebnisse mit Eigenschaften individueller Geräte verknüpft werden können.
Fig. 7 unterscheidet sich von der Fig. 6 durch die Rx(y0)-Linie 58. Im Gegensatz zu den Linien 54 und 56 ist die Linie 58 nicht berechnet, sondern an einem Einzelgerät gemessen worden. Der Rx-Verlauf der Linie 58 spiegelt daher die individuellen Eigenschaften des Einzelgeräts wider, beispielsweise eine fertigungsbedingte Welligkeit der Führung. Diese äußert sich als Störung mit vergleichsweiser kurzer Wellenlänge 62. Die Linie 58 kann beispielsweise im Rahmen einer Standardabnahme gemessen und als Bezugs-Führungsfehlerwerte liefernde Kurve verwendet werden, auf die die berechneten Veränderungen 54, 56 bezogen werden.
Alternativ zu der dargestellten Messung längs einer Linie kann auch ein einzelner Meßpunkt innerhalb des Meßvolumens des Koordinatenmeßgeräts als Bezugs-Fehlerwert verwendet werden.
Jedenfalls erlaubt die ergänzende Messung eines oder mehrerer Bezugs-Führungsfehlerwerte gewissermaßen eine Anpassung der Ergebnisse der FEM-Berechnungen, die für eine ganze Baureihe gültig sind, an die Verhältnisse eines Einzelgerätes. Auch die Meßergebnisse werden im Rahmen der Fertigung des Koordinatenmeßgerätes in den Korrekturwertspeicher 40 eingelesen. Im Unterschied zu den Ergebnissen der FEM-Berechnung werden für jedes individuelle Koordinatenmeßgerät individuell zugehörige Meßergebnisse eingelesen.
Das Flußdiagramm der Fig. 8 zeigt, wie die erfindungsgemäß bestimmten Werte im Betrieb des Koordinatenmeßgerätes zur Korrektur der Meßergebnisse verwendet werden können.
Im Schritt 64 werden im Betrieb des Koordinatenmeßgerätes 10 Skalenwerte SW durch eine geeignete Sensorik erfaßt und in die Auswertevorrichtung 32 eingelesen.
Anschließend erfolgt im Schritt 66 eine Bestimmung eines Bezugsführungsfehlers BFF. Der Bezugsführungsfehler ist beispielsweise der Wert f des Führungsfehlers bei verschwindender Einflußgröße (EG_Null). Mit anderen Worten: Der Bezugsführungsfehler ist beispielsweise eine Funktion f(EG_Null). In der Darstellung der Fig. 7 sind dies die Funktionswerte der Linie 58, die für jedes Einzelgerät individuell gemessen worden sind.
Im nächsten Schritt 68 wird die Änderung delta_EG der Einflußgröße EG gegenüber dem Bezugswert EG_Null der Einflußgröße EG bestimmt.
Zu dem Ergebnis delta_EG gehört ein bestimmter Wert der Bezugsführungsfehler-Änderung delta_FF als Funktion F(delta_EG), wie er durch FEM-Berechnungen bestimmt wurde. Für delta_EG gleich y1 entsprechen beispielsweise die Werte der Kurve 54 den Werten delta_FF = F(delta_EG), wie sie als Ergebnisse der FEM- Berechnung erhalten wurden. Diese Änderung der Führungsfehler wird im Schritt 70 als Funktion der Einflußgröße bestimmt.
Durch den anschließenden Schritt 72 erfolgt eine Verknüpfung der gemessenenen BFF-Werte mit den berechneten delta FF-Werten zu einem Gesamtführungsfehler GFF.
Im Schritt 74 wird eine zugehörige Korrektur K so bestimmt, daß der im folgenden Schritt 76 mit dem Korrekturwert K korrigierte Skalenwert SWK nicht mehr mit dem Führungsfehler GFF behaftet ist.
Im folgenden wird mit Blick auf die Fig. 9 und 10 erläutert, auf welche Weise Bezugs-Führungsfehlerwerte bei individuellen Koordinatenmeßgeräten gemessen werden können.
Fig. 9 zeigt eine Laser-Meßvorrichtung 80, mit der der in Fig. 7 dargestellte Verlauf der Line 58 aufgenommen werden kann. Die Ziffer 82 bezeichnet eine Basis, die vier Laser 84, 86, 88 und 90, beispielsweise Laserdioden mit einer Fokussierung, trägt. Die Basis 82 wird beispielsweise definiert mit der Bezugsebene 12 des Horizontalarm-Meßgeräts 10 verbunden. Eine Reflektoranordung 92 mit Reflektoren 94, 96, 98 und 100 wird mit dem Meßkopf 30 verbunden. Das von den Lasern 84, 86, 88 und 90 emittierte Licht wird von den Reflektoren 94, 96, 98 und 100 reflektiert und von Photodetektoren 110, 112, 114 und 116 registriert. Der Meßkopf 30 mit der Reflektoranordnung 92 wird in Richtung der Laserstrahlen bewegt. Dabei auftretende Rotationen und translatorische Verschiebungen führen zu Änderungen der von den Photodetektoren 110, 112, 114 und 116 registrierten Intensität der reflektierten Laserstrahlen. Aus diesen Intensitätsänderungen läßt sich der in der Fig. 7 dargestellte Verlauf der Linie 58 erzeugen, wobei Rx einer Rollbewegung entspricht.
Aber auch die translatorischen Fehler und die rotatorischen Fehler des Gieren und des Nickens lassen sich mit der dargestellten Vorrichtung erfassen. So lassen sich beispielsweise mit Hilfe des Interferometers 102 Positionsfehler in Bewegungsrichtung des Meßkopfes und damit der Reflektoranordnung 92 feststellen. Der vom Laser 86 emittierte Lichtstrahl wird an der Grenzfläche zwischen den Prismen 104 und 108 in einen Meßstrahl und einen Referenzstrahl aufgeteilt. Der Referenzstrahl wird mit Hilfe des Prismas 106 und der Grenzfläche zwischen den Prismen 104 und 108 auf Photodetektoren 110 gelenkt. Der Referenzstrahl besitzt damit eine definierte Länge. Der Meßstrahl verläßt das Prisma 108 und wird von dem Reflektor 96, beispielsweise einer verspiegelten Würfelecke, reflektiert. Die Prismen 104 und 108 lenken den reflektierten Strahl so auf die Photodetektoren 110, daß sich Referenzstrahl und reflektierter Strahl überlagern. Der reflektierte Strahl oder Meßstrahl hat eine variable Länge, die vom Abstand der Reflektoranordnung 92 von der Basis 82 abhängig ist. Je nach Wegunterschied zwischen Referenzstrahl und Meßstrahl ergibt sich nach der Vereinigung der Strahlen durch Interferenz eine Verstärkung oder eine Auslöschung. Beim Bewegen der Reflektoranordnung 92 ergibt sich im Abstand halber Wellenlängen eine Folge von Helligkeitsmaxima und -minima. Durch Zählen der Maxima ergibt sich beispielsweise ein Längenmaß mit der Feinheit einer halben Wellenlänge. Bei einer Wellenlänge von beispielsweise 600 nm ergibt sich also eine Genauigkeit in der Größenordnung von Zehnteln eines Mikrometers. Beim Bewegen des Meßkopfes in Richtung der X-Achse lassen sich damit Positionsfehler in dieser Richtung (xTx) mit dieser Genauigkeit feststellen.
Das von dem Laser 88 ausgehende Licht wird von einem ebenen Spiegel 98 auf den Photodetektor 104 reflektiert. Damit bilden sich Gier- und Nick-Bewegungen der Reflektoranordnung 92 direkt in der Intensitätsverteilung auf dem Photodetektor 104 ab. Eine Auswertung dieser Intensitätsverteilung erlaubt daher eine Bestimmung von rotatorischen Nick- und Gier-Fehlern.
Rollbewegungen lassen sich durch Auswertung der Signale der Photodetektoren 102 und 106 ermitteln. Mit einem einzelnen Photodetektor 102 oder 106 lassen sich zunächst Querverschiebungen der Reflektoranordnung 92 feststellen. Dies wird durch die Fig. 10 veranschaulicht. Der Reflektor 94 kann beispielsweise als verspiegelte Würfelecke realisiert sein und hat die Eigenschaft, einfallendes Licht parallel zur Einfallrichtung zurückzureflektieren. In der mit 94 bezeichneten Stellung reflektiert der Reflektor 94 beispielsweise den einfallenden Strahl 120 als reflektierten Strahl 124 auf den Photodetektor 112. Die Ziffer 118 bezeichnet den Reflektor 94 in einer um den Betrag a entgegen der Z-Richtung quer zum einfallenden Laserstrahl verschobenen Position. In diesem Fall wird das auf den Reflektor 94 einfallende Licht als Lichtstrahl 122 reflektiert. Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, fällt der Lichtstrahl 122 im Abstand 2.a vom Lichtstrahl 124 auf den Photodetektor 112. Durch Auswertung der Intensitätsverteilung auf dem Photodetektor 112 lassen sich damit Querverschiebungen a detektieren. In der Darstellung der Fig. 9 entspricht das gleichzeitige Auftreten einer Querbewegung des Reflektors 94 aus der Zeichenebene heraus und einer Querbewegung des Reflektors 100 in die Zeichenebene hinein (oder umgekehrt) einer Rollbewegung um die X-Achse. Damit kann auch eine Rollbewegung mit der gezeigten Laseranordnung detektiert und quantitativ erfaßt werden.
Zur Detektion der verschiedenen translatorischen und rotatorischen Fehler können die Signale der Photodetektoren 110, 112, 114 und 116 beispielsweise der Auswertevorrichtung 32 zugeführt werden.
Bisher wurden Ausführungsbeispiele beschrieben, bei der die Position des Meßkopfes die Einflußgröße bildete.
Alternativ und/oder ergänzend kann die Gewichtskraft des zu vermessenden Werkstückes als Einflußgröße verwendet werden. Ein Werkstück 126 in der Fig. 11 hat aufgrund seiner Gewichtskraft eine gewisse, wenn auch kleine Verformung der Grundplatte 128 des Koordinatenmeßgerätes 10 zur Folge. Bei Koordinatenmeßgeräten, bei denen die Grundplatte 128 nicht von der Führung für die bewegten Teile, zum Beispiel dem Meßkopf 30, entkoppelt ist, hat dies elastisch bedingte Fehler zur Folge. Obwohl die Grundplatte 128 in der Regel sehr steif aufgebaut ist, verbiegt sie sich je nach Werkstückgewicht unterschiedlich. Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann diese Biegung rechnerisch berücksichtigt werden. Für ein bestimmtes Werkstückgewicht oder eine bestimmte Werkstückmasse m können die Führungsfehlerabweichungen aus der FEM-Berechnung bestimmt werden. Ein möglicher Verlauf für einen rotatorischen Fehler Rx ist in der Fig. 12 dargestellt. Für die Korrektur wird dann das aktuelle Werkstückgewicht benötigt. Ist dieses nicht bekannt, erfolgt eine Messung der Gewichtskraft beispielsweise durch Kraftsensoren 130 in Auflagerpunkten 132 des Koordinatenmeßgerätes 10.
Alternativ dazu kann eine Messung der Gewichtskraft durch Erfassung von Verformungen des Koordinatenmeßgerätes 10 mit Dehnungsmeßstreifen 134 erfolgen.
Diese Alternative besitzt den Vorteil, daß sie ohne konstruktive Änderungen eines Koordinatenmeßgerätes 10 verwendet werden kann, da Dehnungsmeßstreifen 134 beispielsweise auf der Grundplatte 128 eines Koordinatenmeßgerätes 10 befestigt werden können.
Nach einer weiteren Ausgestaltung stellt die Temperatur des Koordinatenmeßgerätes 10 eine Einflußgröße dar, die ebenfalls zu reversiblen Verformungen einer Grundplatte 128 oder anderer Komponenten des Koordinatenmeßgerätes 10 führen kann. Als Beispiel seien Temperaturdifferenzen zwischen Oberseite und Unterseite einer Grundplatte 128 erwähnt. Auch dieser Einfluß läßt sich, da er lineare Längenänderungen bewirkt, besonders einfach urd genau durch FEM-Berechnungen nachbilden, wobei die Temperatur als Einflußgröße durch einen oder mehrere Temperatursensoren 136 erfaßt werden kann.
In dem in Fig. 11 dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Temperaturunterschied zwischen der Oberseite und der Unterseite des Koordinatenmeßgerätes bestimmt. Je nach Temperaturunterschied dT zu einer Bezugstemperatur können FEM-Berechnungen dabei die in Fig. 13 qualitativ dargestellten Rx-Verläufe für dT2 > dT1 ergeben.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung von Führungsfehlern bei einem Koordinatenmeßgerät (10) mit einem beweglichen Meßkopf (30) und mit Mitteln (14, 20) zur beweglichen Führung des Meßkopfes (30) und mit Skalen (18, 26, 28) zur Identifizierung der Koordinaten des Meßkopfes (30), wobei die Führungsfehler zu vorbestimmten Werten der Skalen (18, 26, 28) bestimmt werden, dadurch gekennzeichnet, daß
vorbestimmten Führungsfehlern wenigstens eine Einflußgröße zugeordnet wird und daß
diese Führungsfehler als Funktion der Einflußgröße durch Finite-Element-Berechnungen zumindest mitbestimmt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mitbestimmung durch Finite-Elemente-Berechnungen auf Berechnungen von Veränderungen der vorbestimmten Führungsfehler als Funktion von Änderungen der Einflußgröße basieren.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Finite-Elemente-Berechnungen als für eine Vielzahl vergleichbarer Koordinatenmeßgeräte (10) gültig gewertet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung der vorbestimmten Führungsfehler auf wenigstens einen Bezugs-Führungsfehlerwert bezogen werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Bezugs-Führungsfehlerwert ein gemessener Führungsfehlerwert verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugs-Führungsfehlerwert an wenigstens einem vorbestimmten Punkt innerhalb des Meßvolumens des Koordinatenmeßgerätes (10) gemessen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine gemessene Bezugs-Führungsfehlerwert jeweils individuell für ein individuelles Koordinatenmeßgerät (10) gemessen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Bezugs-Führungsfehlerwerte längs wenigstens einer vorbestimmten Meßlinie gemessen werden, die einem vorbestimmten Wert der Einflußgröße zugeordnet ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu der wenigstens einen Meßlinie wenigstens eine Koordinatenlinie definiert ist, die einem bestimmten Wert der Einflußgröße zugeordnet ist und für die Änderungen der Führungsfehler gegenüber einem Bezugs-Führungsfehlerwert als Funktion des vorbestimmten Wertes der Einflußgröße und der Koordinaten berechnet werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Korrekturwertspeicher (40) eines Auswertegeräts (32) des Koordinatenmeßgeräts (10) Daten gespeichert werden, die wenigstens einen gemessenen Bezugs-Führungsfehlerwert und die als Funktion des vorbestimmten Wertes der Einflußgröße bestimmten Änderungen der Führungsfehler repräsentieren.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Position des Meßkopfes (30) als Einflußgröße.

12. Verfahren nach einem Ansprüche 1-10, gekennzeichnet durch die Gewichtskraft des zu vermessenden Werkstückes (126) als Einflußgröße.

13. Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine Messung der Gewichtskraft durch Kraftsensoren (130) in Auflagerpunkten (132).

14. Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine Messung der Gewichtskraft durch Erfassung von Verformungen des Koordinatenmeßgerätes (10) mit Dehnungsmeßstreifen (134).

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-10, gekennzeichnet durch wenigstens eine Temperatur des Koordinatenmeßgerätes (10) als Einflußgröße.

16. Verfahren nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch den Temperaturunterschied zwischen wenigstens zwei Punkten des Koordinatenmeßgerätes (10).

17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Temperatur durch Messung im Koordinatenmeßgerät (10) bestimmt wird.

18. Verfahren zur Korrektur von Führungsfehlern im Betrieb eines Koordinatenmeßgerätes (10) mit einem beweglichen Meßkopf (30) und mit Mitteln (14, 20) zur beweglichen Führung des Meßkopfes (30) und mit Skalen (18, 26, 28) zur Identifizierung der Koordinaten des Meßkopfes (30), dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektur von Führungsfehlern auf Daten basiert, die gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16 bestimmt wurden.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektur von Führungsfehlern auf Daten für Änderungen der Führungsfehler gegenüber einem Bezugs-Führungsfehlerwert basiert, die als Funktion des vorbestimmten Wertes der Einflußgröße und der Koordinaten gemäß einem der Ansprüche 9-17 bestimmt worden sind.

20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektur von Führungsfehlern wenigstens zwei Stufen umfaßt, wobei in einer ersten Stufe ein gespeicherter Bezugs-Führungsfehlerwert und in einer zweiten Stufe ein als Funktion der Einflußgröße bestimmter Führungsfehler und/oder eine als Funktion von Änderungen der Einflußgröße bestimmte Änderung des Führungsfehlers aus dem Korrekturwertspeicher (40) des Auswertegeräts (32) des Koordinatenmeßgeräts (10) ausgelesen wird.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß von den Skalen (18, 26, 28) gelieferte Daten mit Korrekturwerten korrigiert werden, die auf den ausgelesenen Daten basieren.

22. Auswertegerät (32) für ein Koordinatenmeßgerät (10), dadurch gekennzeichnet, daß das Auswertegerät das Verfahren nach Anspruch 21 durchführt.

23. Koordinatenmeßgerät (10) mit einem Auswertegerät (32), dadurch gekennzeichnet, daß das Auswertegerät (32) das Verfahren nach Anspruch 21 durchführt.