DE10229821B4

DE10229821B4 - Koordinatenmeßgerät und Verfahren zur Steuerung eines Koordinatenmeßgerätes mit variabler Tastkopfmasse

Info

Publication number: DE10229821B4
Application number: DE2002129821
Authority: DE
Inventors: Eugen Dipl.-Ing. Aubele; Otto Dipl.-Ing. Ruck; Walter Dipl.-Ing. Jenisch; Wolfgang Dipl.-Ing. Wiedmann
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2002-06-28
Filing date: 2002-06-28
Publication date: 2004-11-11
Anticipated expiration: 2022-06-29
Also published as: DE10229821A1

Abstract

Verfahren zum Erfassen einer Koordinate (12) an einem Werkstück (14) mit Hilfe eines Koordinatenmeßgerätes (10), wobei das Werkstück (14) mit einem im Meßvolumen des Koordinatenmeßgerätes (10) beweglichen Tastkopf (28), der einen Taster (30) aufweist, angetastet wird und wobei eine Bewegung des Tastkopfes (28) in Abhängigkeit von der Masse des Tasters (30) gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine maximale Beschleunigung (a_max), mit der das Koordinatenmeßgerät bei der Tastermasse (m) betrieben werden soll, so bestimmt wird, daß eine durch Trägheitskräfte hervorgerufene Auslenkung des Tasters (30) unterhalb einer Triggerschwelle zum Auslösen einer Sicherheitsfunktion verbleibt, wobei die Sicherheitsfunktion eine schnelle Abbremsung des Tastkopfes (28) bis zum Stillstand auslöst, so daß Beschädigungen des Koordinatenmeßgerätes oder des Werkstücks vermieden werden, und daß bei Bewegungen, die ohne Werkstückkontakt erfolgen, die Beschleunigung des Tastkopfes (28) auf die maximale Beschleunigung (a_max) beschränkt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen einer Koordinate an einem Werkstück mit Hilfe eines Koordinatenmeßgerätes, wobei das Werkstück mit einem im Meßvolumen des Koordinatenmeßgerätes beweglichen Tastkopf, der einen Taster aufweist, angetastet wird und wobei eine Bewegung des Tastkopfes in Abhängigkeit von der Masse des Tasters gesteuert wird.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Koordinatenmeßgerät zum Erfassen einer Koordinate an einem Werkstück, mit einem beweglichen Tastkopf, der einer Taster aufweist, und mit einem Steuergerät, das die Bewegung des Tastkopfes abhängig von der Masse des Tasters steuert.

Ein solches Verfahren und ein solches Koordinatenmeßgerät sind aus der DE 101 24 493 A1 bekannt.

Koordinatenmeßgeräte sind Meßeinrichtungen, die in der Regel die drei kartesischen Koordinaten eines Punktes an einer Struktur, beispielsweise eines Punktes auf einem Werkstück, messen. Üblicherweise dienen dazu drei senkrecht zueinander angeordnete Führungsachsen, die mit X, Y und Z bezeichnet werden. Die auf den anderen zwei Achsen aufbauende Z-Achse (meist Pinole genannt) trägt einen Tastkopf mit einem taktil (antastend) arbeitenden Sensor.

In jeder Achse ist ein Maßstab angeordnet, der die jeweilige Position mit hoher Auflösung (z.B. 0,1 μm) digital mißt. Dazu werden beispielsweise optisch abgetastete Inkrementalmaßstäbe verwendet. Neben dieser kartesischen Achsenanordnung gibt es auch Geräte mit zwei oder mehreren Drehgelenken. Die am häufigsten zum Einsatz kommenden Bauarten sind jedoch sogenannte Portal- oder Horizontalarm- Meßgeräte.

Die Menge der durch die Pinole mit dem Tastkopf anfahrbaren Punkte repräsentiert dabei das Meßvolumen des Koordinatenmeßgerätes.

Das aus der DE 101 24 493 A1 bekannte Verfahren dient zur Steigerung der Meßgenauigkeit und betrifft in erster Linie ein Korrekturverfahren für Koordinatenmeßgeräte, bei dem ein Werkstück kontinuierlich abgetastet wird.

Bei einem solchen kontinuierlichen Abtasten oder Scannen befindet sich der Tastkopf dauernd im Kontakt mit der zu vermessenden Struktur, beispielsweise einem Werkstück. Beim Abfahren der gekrümmten Werkstückoberflächen treten Beschleunigungen des Tasters auf, da sich der Taster im Kontakt mit dem Werkstück die gekrümmte Fläche entlang bewegt.

Infolge der Massenträgheit der bewegten Teile und der begrenzten Steifigkeit der Bauelemente des Koordinatenmeßgerätes führen aus diesen Beschleunigungen resultierende Trägheitskräfte zu dynamischen Verformungen des Tastkopfes und/oder des Tasters, die die im Mikrometerbereich liegende Meßgenauigkeit beeinträchtigen.

Nach der bereits genannten DE 101 24 493 A1 soll dieser unerwünschte Effekt durch Einrechnung von Korrekturgrößen, die die dynamischen Verformungen widerspiegeln, korrigiert werden. Als Alternative dazu sollen dynamische Verformungen nach der DE 101 24 493 A1 durch eine Beschränkung der Meßgeschwindigkeit längs der gekrümmten Bahn verringert werden. Eine Verringerung einer Geschwindigkeit längs einer gekrümmten Bahn geht mit einer Verringerung der längs der Bahn wirkenden Zentrifugal-Beschleunigung einher. Zum Verständnis des folgenden sei angemerkt, daß es zur Vermeidung unzulässig hoher Zentrifugalkräfte erforderlich ist, die Zentrifugalbeschleunigung beim kontinuierlichen Scannen eines Werkstückes mit einem vergleichsweise schweren Taster auf vergleichsweise kleine Werte zu beschränken.

Ein weiteres Verfahren zur Verringerung dieses unerwünschten Einflusses auf die Meßgenauigkeit ist aus der DE 197 53 303 A1 bekannt. Nach dieser Schrift soll die Meßkraft, mit der ein Taster das zu messende Werkstück berührt, durch eine Zusatzkraft korrigiert werden, die Zentrifugalkrafteinflüsse kompensiert.

Neben der Meßgenauigkeit stellt auch die Funktionssicherheit eine wichtige Forderung an ein Koordinatenmeßgerät dar.

Die Funktionssicherheit kann beispielsweise beim Auftreten vergleichsweise großer Trägheitskräfte eingeschränkt sein. Solche Einschränkungen können dadurch bedingt sein, daß große Trägheitskräfte Sicherheitsfunktionen des Koordinatenmeßgerätes auslösen und damit einen vorübergehenden Stop des Koordinatenmeßgerätes erzwingen.

Die Funktionssicherheit ist bei Werten der Beschleunigung, wie sie beim kontinuierlichen Scannen erlaubt sind, gewährleistet.

Größere Beschleunigungen werden aber üblicherweise außerhalb des kontinuierlichen Scannens verwendet, beispielsweise beim schnellen Wechsel zwischen zwei räumlich getrennten Positionen, bspw. zur meßtechnischen Erfassung entfernt voneinander liegender Punkte an einem Werkstück, beispielsweise von Punkten in Bohrungen, die durch Wandungen voneinander getrennt sind. Bei einer Erfassung der Koordinaten solcher Punkte muß der Tastkopf erst aus einer ersten Bohrung herausgefahren werden, dann mög licherweise zu einer anderen Bohrung bewegt und anschließend noch innerhalb der anderen Bohrung zu dem meßtechnisch zu erfassenden Punkt bewegt werden.

Aus DE 199 60 191 A1 ist ein Verfahren zur Sicherung eines Koordinatenmeßgerätes vor Bedienfehlern bekannt. Konkret geht es dabei um mögliche Bedienfehler, die daraus resultieren, daß das Koordinatenmeßgerät mit einem Taststift betrieben wird, der länger ist als für den Betrieb des Koordinatenmeßgerätes an sich vorgesehen. Es wird vorgeschlagen, nach dem Einwechseln eines neuen Taststiftes eine Längeninformation zu berechnen und mit einem vorgegebenen Schwellwert zu vergleichen. Darüber hinaus soll bei einem geringfügigen Überschreiten der zugelassenen Länge ein Betrieb mit einer reduzierten Antastgeschwindigkeit und/oder einer reduzierten Beschleunigung des Taststiftes möglich sein.

Aus DE 198 09 690 A1 ist ein Koordinatenmeßgerät mit einem Bedienpult bekannt, über das der Tastkopf manuell gesteuert verfahren werden kann. Um die bei einer konkreten Meßaufgabe auftretenden Problemstellungen dem Bediener einfacher erfaßbar zu machen, ist vorgeschlagen, daß auf das Bedienelement des Bedienpultes eine Kraft auf geschaltet werden kann, die den Gegebenheiten im Meßablauf entspricht. Hierdurch soll u.a. auch verhindert werden, daß zu hohe Anfahr- oder Bremsbeschleunigungen erzeugt werden.

Aus DE 43 29 484 A1 ist eine Positioniervorrichtung bekannt, wie sie bei fahrbaren Robotern oder in verschiedenen Arten von Transportsystemen eingesetzt wird. Bei einer solchen Positioniereinheit können Positionierungsfehler oder gar ein instabiler Betriebszustand entstehen, wenn eine Sollposition vorgegeben wird, deren Ansteuerung die Leistungsfähigkeit der Positioniervorrichtung übersteigt. Um dies zu verhindern, wird vorgeschlagen, die Masse eines gesteuerten Objektes zu schätzen, abhängig von der geschätzten Masse eine Maximalbeschleunigung zu berechnen und dann die zweite Ableitung des Positionsvorgabewertes auf einen kleineren Wert als die berechnete Maximalbeschleunigung zu begrenzen.

Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren zur Steuerung eines Koordinatenmeßgerätes anzugeben, das auch unter ungünstigen Umständen die Funktionssicherheit des Koordinatenmeßgerätes bei minimalem Aufwand für den Betreiber gewährleistet.

Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Koordinatenmeßgerät anzugeben, das auch unter ungünstigen Umständen funktionssicher und mit minimalem Aufwand für den Betreiber arbeitet.

Mit anderen Worten: Ein störungsfreier Betrieb des Koordinatenmeßgerätes soll mit einer möglichst großen Flexibilität hinsichtlich der Verwendung verschiedener Taster vereinbar sein.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß eine maximale Beschleunigung, mit der das Koordinatenmeßgerät bei der Tastermasse betrieben werden soll, so bestimmt wird, daß eine durch Trägheitskräfte hervorgerufene Auslenkung des Tasters unterhalb einer Triggerschwelle zum Auslösen einer Sicherheitsfunktion verbleibt, wobei die Sicherheitsfunktion eine schnelle Abbremsung des Tastkopfes bis zum Stillstand auslöst, so daß Beschädigungen des Koordinatenmeßgerätes oder des Werkstücks vermieden werden, und daß bei Bewegungen, die ohne Werkstückkontakt erfolgen, die Beschleunigung des Tastkopfes auf die maximale Beschleunigung beschränkt wird. Die Aufgabe wird ferner durch ein entsprechend ausgebildetes Steuergerät in einem Koordinatenmeßgerät der eingangs genannten Art gelöst.

Dadurch kann vorteilhafterweise die Meßgeschwindigkeit beim nicht-kontinuierlichen Abtasten einer Struktur (Werkstück) optimiert werden, wobei die Meßgeschwindigkeit in diesem Fall durch die Geschwindigkeit beschränkt ist, mit der der Tastkopf nach einer ersten Messung für eine zweite Messung an einen anderen Ort der Struktur positioniert werden kann.

Dabei ist bevorzugt, daß die Beschleunigung bei größeren Tastermassen auf kleinere Werte beschränkt wird.

Dadurch wird vorteilhafterweise ein bei größeren Tastermassen auftretender Anstieg von Trägheitskräften durch die Beschränkung der Beschleunigung ebenfalls beschränkt.

Es ist weiter bevorzugt, daß die Beschränkung aufgrund von Daten erfolgt, die dem Steuergerät über eine Schnittstelle zugeführt werden.

Damit ist der Vorteil verbunden, daß der Betreiber sehr schnell die Masse seiner individuellen Tasterkonfiguration in die Steuerung des Koordinatenmeßgerätes eingeben kann. Dadurch wird das Koordinatenmeßgerät nach einem Tasterwechsel sehr schnell wieder betriebsbereit. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Masse des individuell zu verwendenden Tasters vor seinem Einsetzen in das Koordinatenmeßgerät mit hoher Genauigkeit und geringem Aufwand durch Wiegen bestimmt werden kann.

Im Rahmen einer Alternative ist es bevorzugt, daß die Beschränkung aufgrund von Daten erfolgt, die das Koordinatenmeßgerät durch eigene Messungen erzeugt.

Diese Alternative besitzt den Vorteil einer sehr hohen Bedienerfreundlichkeit, da der Bediener von der Beschaffung und Eingabe von Daten über die Masse des Tasters befreit ist. Als weiterer Vorteil ist zu sehen, daß die Gefahr von Eingabefehlern, die bei manueller Dateneingabe nie auszuschließen sind, hier nicht besteht.

Es ist weiter bevorzugt, daß bei der Erzeugung der Daten die Masse des Tasters über eine statische Messung der Gewichtskraft des Tasters bestimmt wird.

Ein solche statische Messung der Gewichtskraft ist bei vielen Tastköpfen ohne zusätzlichen apparativen Aufwand möglich. Sie ist außerdem vergleichsweise genau und schnell durchführbar.

Es ist weiter bevorzugt, daß die Daten durch Auswerten des Bewegungsverhaltens des Tastkopfes beim Einwirken von Beschleunigungskräften erzeugt werden.

Diese Ausgestaltung besitzt den Vorteil, daß die Massenbestimmung aufgrund von Daten erfolgt, die das Koordinatenmeßgerät ohne zusätzlichen apparativen Aufwand selbst bereitstellen kann, da beispielsweise Antriebsmittel zum Aufbringen von Beschleunigungskräften, Mittel zum Bestimmen des zurückgelegten Weges und Mittel zum Bestimmen der dafür benötigten Zeit in dem Koordinatenmeßgerät ohnehin vorhanden sind.

Es ist weiter bevorzugt, daß das Koordinatenmeßgerät den Tastkopf mit definierter bekannter Antriebskraft bewegt, Werte für die Position des Tastkopfes über der Zeit aufnimmt und aus den aufgenommenen Werten für die Position des Tastkopfes über der Zeit und der definierten bekannten Kraft auf die träge Masse des Tastkopfes und damit des Tasters schließt.

Dazu ist es bevorzugt, daß das Koordinatenmeßgerät Beschleunigungen des Tastkopfes durch zweimaliges Differenzieren des Verlaufes der Tastkopfposition über der Zeit bildet.

Diese Ausgestaltung erlaubt eine schnelle und einfache Bestimmung des Tastermasse durch das Koordinatenmeßgerät selbst.

Als Alternative ist es bevorzugt, daß die Daten, bei elastisch aufgehängten Tastern, aus dem Auswerten eines Schwingungsver haltens des elastisch aufgehängten Tasters erzeugt werden.

Diese Ausgestaltung besitzt den zusätzlichen Vorteil einer vergleichsweise hohen Genauigkeit der Bestimmung der Tastermasse.

Es ist weiter bevorzugt, daß das Steuergerät die Antriebskraft und/oder das Antriebsmoment und/oder die Antriebsleistung, mit der der Tastkopf längs der Führungen des Koordinatenmeßgerätes beschleunigt wird, in Abhängigkeit von der Masse des Tasters beschränkt.

Diese Ausgestaltung erlaubt vorteilhafterweise eine besonders einfach auszuführende Beschränkung der Tastkopfbeschleunigung.

Das Koordinatenmeßgerät besitzt ein Steuergerät, das wenigstens eines der weiter oben angesprochenen Verfahren und/oder Ausgestaltungen ausführt und/oder deren Ausführung steuert.

Es ist bevorzugt, daß der Tastkopf ein Tastkopf zum taktilen Erfassen von Koordinaten ist.

Koordinatenmeßgeräte mit taktil arbeitenden Meßköpfen sind besonders weit verbreitet. Aufgrund der Notwendigkeit einer Be rührung der zu messenden Struktur ergibt sich bei komplex geformten Strukturen häufig die Notwendigkeit einer angepaßten Tastergeometrie, was zu unterschiedlich großen Tastermassen führt. Mit Hilfe der Erfindung lassen sich Koordinatenmeßgeräte mit entsprechend individuell konfigurierten Tastern vorteilhafterweise ohne Einbußen bei der Funktionssicherheit betreiben.

Dies gilt analog auch für eine weitere bevorzugte Ausgestaltung, bei der der Tastkopf ein Tastkopf zum berührungslosen Erfassen von Koordinaten ist. Auch hier kann es zum Vermessen komplexer Strukturen notwendig sein, beispielsweise Tastkopfverlängerungen zu verwenden, die die Geometrie und Masse des Tastkopfes verändern und damit prinzipiell die Funktionssicherheit des Koordinatenmeßgerätes beeinflussen könnten.

Gemäß verschiedener Ausgestaltungen kann der taktile Tastkopf ein messender Tastkopf oder aber ein schaltender Tastkopf sein.

Dabei besitzen messende Tastköpfe im allgemeinen den Vorteil einer besonders hohen Genauigkeit. Da sie, anders als die schaltenden Tastköpfe, nicht nur einen Schaltpunkt erfassen, sondern auch jede räumliche Zwischenstellung erfassen können, eignen sie sich besonders gut zum Scannen einer Struktur. Dabei versteht man unter dem Begriff des Scannens in diesem Zusammenhang die kontinuierliche Abtastung beliebig geformter Oberflächen mit vielen Meßpunkten.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, daß das Koordinatenmeßgerät Einrichtungen zur statischen Erfassung der Gewichtskraft des Tasters aufweist.

Eine statische Erfassung der Gewichtskraft des Tasters, beispielsweise durch in das Koordinatenmeßgerät integrierte Wägezellen (oder Piezo-Elementen bei schaltenden Tastköpfen) oder durch Erfassen von Längenänderungen ohnehin vorhandener elastischer Elemente, erlaubt vorteilhafterweise eine schnelle und genaue Erfassung der Gewichtskraft eines Tasters und damit seiner Masse.

Insbesondere messende Tastköpfe besitzen aktive oder passive Systeme zur Erzeugung einer Meßkraft, die sich auch zur Messung einer Gewichtskraft eignen. Beispielsweise kann bei einem aktiven, in Z-Richtung (Schwerkraftrichtung) wirkenden System, eine als Folge der Schwerkraft zu erwartende Auslenkung durch eine entsprechend eingestellte Meßkraft kompensiert werden. Die Stärke der Meßkraft, die sich aus den Steuerparametern zum Einstellen der Meßkraft ergibt, ist dann ein Maß für die Tastermasse.

Es ist weiter bevorzugt, daß das Koordinatenmeßgerät Einrichtungen zur Bestimmung der trägen Masse des Tasters aufweist, beispielsweise zur Bestimmung der Masse aus Werten von Kraft und Beschleunigung oder durch Meßkraftgeneratoren, die eine Trägkeitskraft kompensieren und damit einer Messung zugänglich machen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Steuergerät eine Schnittstelle zur Eingabe von Daten zur Tastermasse auf oder ist mit einer solchen Schnittstelle verbunden.

Diese Ausgestaltung besitzt, wie auch eine korrespondierende Ausgestaltung eines Verfahrens, den Vorteil, daß der Betreiber des Koordinatenmeßgerätes sehr schnell die Masse seiner individuellen Tasterkonfiguration in die Steuerung des Koordinatenmeßgerätes eingeben kann. Dadurch wird das Koordinatenmeßgerät nach einem Tasterwechsel sehr schnell wieder betriebsbereit. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Masse des individuell zu verwendenden Tasters vor seinem Einsetzen in das Koordinatenmeßgerät mit hoher Genauigkeit und geringem Aufwand durch Wiegen bestimmt werden kann.

Eine weitere apparative Ausgestaltung sieht eine Tasterwechseleinrichtung vor. Bei einer Tasterwechseleinrichtung werden die Taster nach einem Wechsel jeweils wieder in der gleichen Lage fixiert, so daß bei aufeinanderfolgenden Messungen nach dem Wechsel kein erneutes Einmessen der Taster erforderlich ist. Dabei versteht man unter einem Einmessen der Taster die Bestimmung ihrer Abmessungen (Tastkugeldurchmesser, Abstände von den Achsen des Koordinatenmeßgerätes) relativ zu den Achsen und Maßstäben des Koordinatenmeßgerätes.

Zusammen mit einem Tastermagazin lassen sich mit einer Tasterwechseleinrichtung auch sehr komplexe Werkstücke im CNC-Betrieb messen. Außerdem steht durch das Messen der Taster ein größerer Meßbereich zur Verfügung.

Eine weitere Ausgestaltung sieht einen Sensor zum Erfassen eines Tasterwechsels vor.

Damit kann vorteilhafterweise das Auswechseln eines Tasters automatisch registriert werden und zur Anforderung eines Wertes für die Masse des neu eingewechselten Tasters benutzt werden.

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

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 schematisch ein Koordinatenmeßgerät mit beschleunigbar beweglichem Tastkopf;
2 eine mögliche Bahn des Tastkopfes beim Abtasten einzelner Punkte eines Werkstückes;
3 einen qualitativen Verlauf von zulässigen Werten der Tastkopfbeschleunigung über der Tastkopfmasse;
4 eine Verfahrensschrittfolge zur Beschränkung der Tastkopfbeschleunigung;
5 eine Verfahrensschrittfolge zur Auslösung einer Beschränkung der Tastkopfbeschleunigung;
6 schematisch den Aufbau eines messenden Tastkopfes mit einem ersten Taster;
7 einen weiteren Taster für den Tastkopf der 6;
8 qualitativ den Verlauf der Geschwindigkeit eines einen Tastkopf tragenden Meßschlittens im Rahmen einer Sicherheitsfunktion;
9 qualitativ korrespondierende Verläufe einer Auslenkung des Tastkopfes eines messenden Tastkopfes;
10 schematisch einen schaltenden Tastkopf.
Die Ziffer 10 in der 1 bezeichnet ein Koordinatenmeßgerät zum Erfassen einer Koordinate 12 an einer Struktur 14 (Werkstück) im Meßvolumen des Koordinatenmeßgerätes 10. Das Koordinatenmeßgerät 10 weist einen Meßschlittenträger 16 auf, der auf einer Grundplatte 17 des Koordinatenmeßgerätes 10 in Y-Richtung beweglich geführt ist. Der Meßschlittenträger 16 trägt einen in x-Richtung beweglichen Meßschlitten 18, der eine in Z-Richtung bewegliche Pinole 20 aufnimmt und führt.
Die Pinole 20, der Meßschlitten 18 und der Meßschlittenträger 16 können jeweils über nicht dargestellte Reibrollenantriebe bewegt werden. Dabei wird die Position des Meßschlittenträgers 16 beispielsweise durch optisches Abtasten eines Inkrementalmaßstabes 22 an der Grundplatte 17 erfaßt. Analog wird die Po sition des Meßschlittens 18 durch optisches Abtasten eines Inkrementalmaßstabes 24 am Meßschlittenträger 16 erfaßt und die Position der Pinole 20 wird durch optisches Abtasten eines Inkrementalmaßstabes 26 an der Pinole erfaßt.
Die Pinole 20 trägt an ihrem der Grundplatte 17 zugewandten Ende einen Tastkopf 28, der in der Darstellung der 1 einen Taster 30 mit einer Tastkugel 32 aufweist.
Ein Steuergerät 34 steuert über eine Steuerleitung 36 die nicht dargestellten Antriebe des Meßschlittenträgers 16, des Meßschlittens 18 und der Pinole 20 so, daß der Tastkopf 28 die Koordinate 12 der Struktur 14 im Meßvolumen des Koordinatenmeßgerätes 10 mit der Tastkugel 32 in definierter Weise antastet.
Ein definierter Antastzustand zeichnet sich beispielsweise durch eine definierte Antastkraft zwischen der Tastkugel 32 und der Struktur 14 aus. Beim Vorliegen dieses definierten Zustandes werden die Signale von den optisch abgetasteten Inkrementalmaßstäben 22, 24 und 26 über Signalleitungen 38 an das Steuergerät 34 übermittelt.
Im Betrieb des Koordinatenmeßgerätes 10 werden verschiedene Koordinaten 12 der Struktur 14 durch den Tastkopf 28 angefahren, wobei die Steuerung des Tastkopfes 28 über eine Steuerung der Pinole 20, des Meßschlittens 18 und des Meßschlittenträgers 16 durch das Steuergerät 32 voll automatisch nach einem im Steuergerät 32 abgelegten Programm erfolgt (CNC-Betrieb).
Die Eingabe der dafür notwendigen Daten erfolgt beispielsweise über eine Eingabeschnittstelle 40, die mit dem Steuergerät 32 über eine Datenleitung 42 verbunden ist.
Die Eingabeschnittstelle 40 kann beispielsweise eine Tastatur, eine Einrichtung zum Lesen eines Datenträgers, beispielsweise einer Diskette, oder eine Schnittstelle zu einem externen Netzwerk sein.
Die 2 zeigt eine mögliche Bahn des Tastkopfes 28 beim Abtasten einzelner Punkte einer im Schnitt dargestellten Struktur 14, beispielsweise eines Werkstückes. Der Tastkopf 28 wird von einem ersten Punkt 44, dessen Koordinaten erfasst worden sind, zu einem zweiten Punkt 46, dessen Koordinaten als nächstes erfasst werden sollen, bewegt.
Die Punkte 44, 46 sind durch eine Wandung 48 getrennt, so dass der Tastkopf nicht auf dem kürzesten Weg, sondern über Wegabschnitte 50, 52 und 54 zu dem zweiten Punkt 46 gefahren wird.
Dabei ist zu beachten, dass der Tastkopf 28 im ersten Punkt 44 von der Struktur 14 abhebt und erst im zweiten Punkt 46 wieder auf der Struktur 14 aufsetzt. Die Bewegung zwischen diesen Punkten 44, 46 erfolgt daher ohne Werkstückkontakt.
Während jeder der drei Wegabschnitte 50, 52 und 54 erfolgt jeweils eine positive und eine negative Beschleunigung des Tastkopfes 28. Dabei ist der maximal zulässige Betrag a_max wenigstens einer dieser beiden Beschleunigungen als Funktion der Masse des Tasters 30 beschränkt.
3 zeigt qualitativ einen möglichen Verlauf von a_max über der Masse m des Tasters 30. Wesentlich ist dabei, dass die maximal zulässige Beschleunigung a_max mit zunehmender Masse m des Tasters 30 kleiner wird. Dabei kann beispielsweise das Produkt aus maximal zulässiger Beschleunigung und Tastermasse, also die resultierende Trägheitskraft, konstant gehalten werden. Unter dieser Voraussetzung ergibt sich ein hyperbel-artiger Verlauf von a_max als Funktion der Tastermasse m.
4 zeigt eine Verfahrensschrittfolge als Teil (Modul 1) eines Programmes zum Betrieb des Koordinatenmeßgerätes 10, wie es von dem Steuergerät 34 durchgeführt werden kann. Dabei wird aus einem übergeordneten Steuerungsprogramm zu Beginn eines Meßzyklusses im Schritt 60 das Modul 1 aufgerufen und anschließend in einem Schritt 62 die Masse m des Tasters 30 geholt, beispielsweise aus einem Speicherbaustein des Steuergerätes 34. Voraussetzung dafür ist, dass die Tastermasse m in Steuergerät vorliegt.
Im Schritt 64 erfolgt dann die Bestimmung der maximalen Beschleunigung a_max, mit der das Koordinatenmessgerät bei dieser Tastermasse m betrieben werden soll. Dies kann beispielsweise über einen Zugriff auf eine Kennlinie erfolgen, wie sie in der 3 dargestellt ist. Alternativ kann a_max auch nach einer Rechenvorschrift, beispielsweise a_max = Trägheitskraft / Tastermasse berechnet werden. Der Schritt 66 repräsentiert einen solchen Betrieb, bei dem die Antriebsleistung der Antriebe der beweglichen Teile der kinematischen Kette aus Meßschlittenträger 16, Meßschlitten 18 und Pinole 20 entsprechend beschränkt ist.
Eine solche Beschränkung kann auch direkt im Schritt 64 erfolgen, indem dort die zulässige Antriebsleistung bestimmt wird.
5 stellt eine Verfahrensschrittfolge zur Auslösung einer Beschränkung der Meßkopfbeschleunigung dar.
Nach einem Aufruf dieser Verfahrenschrittfolge durch einen Schritt 70 erfolgt im Schritt 72 eine Abfrage, ob ein neuer Taster eingewechselt wurde. Dies kann beispielsweise durch einen Kontaktschalter am Tastkopf festgestellt werden. Ein Verneinen der Abfrage bedeuted, dass die Tastermasse im Steuergerät vorliegt und es kann direkt in das bereits mit Blick auf 4 beschriebene Modul 1 verzweigt werden.
Wird die Abfrage im Schritt 72 dagegen bejaht, so erfolgt im Schritt 74 die Anforderung eines Wertes für die Tastermasse m.
Diese Anforderung kann auf verschiedene Weise erfolgen. Beispielsweise kann der Bediener optisch und/oder akustisch dazu aufgefordert werden, dem Steuergerät 34 die Masse m des neuen Tasters 30 über die Eingabeschnittstelle 40 mitzuteilen.
Alternativ kann das Steuergerät 34 Funktionen auslösen, mit denen das Koordinatenmessgerät 10 selbst die Masse m des neuen Tasters 30 ermitteln kann.
Solche Alternativen werden weiter unten in Verbindung mit einer näheren Beschreibung von Tastköpfen erläutert. Die gestrichelte Verbindung des Schrittes 74 mit dem anschließenden Schritt 78 symbolisiert die verschiedenen Alternativen zur Beschaffung von Daten über die Masse m des neuen Tasters 30. Im Schritt 78 wird die Masse m gelesen und gespeichert, so daß sie bei dem anschließenden Aufruf des Moduls 1 durch die Verzweigung zu dem Schritt 60 zur Verfügung steht.
6 zeigt schematisch eine Ausgestaltung eines messenden Tastkopfes.
Ein messender Tastkopf stellt selbst eine kleine Koordinatenmeßeinrichtung dar, die üblicherweise aus drei kartesisch angeordneten Längenmeßsystemen (je eines für die X-, die Y- und die Z-Richtung) besteht, die beispielsweise auf Federparallelogrammen gelagert sind und die sich parallel zu den Achsen des Koordinatenmeßgerätes bewegen können. Induktive Wegaufnehmer messen ständig die Auslenkungen in den drei Achsen. Nach Umwandlung in Digitalwerte werden die gemessenen Auslenkungen zu den Koordinaten der Hauptachsen des Koordinatenmeßgerätes addiert.
6 veranschaulicht schematisch den Aufbau eines messenden Tastkopfes mit zwei Längenmeßsystemen, nämlich je einem für die Z-Richtung und die X-Richtung. Ein kompletter, in allen drei Raumrichtungen X, Y, und Z, messender Tastkopf ist beispielsweise in der DE 44 24 225 A1 beschreiben, deren Offenbarung insoweit in die Offenbarung der vorliegenden Anmeldung einbezogen wird.
Für die Z-Raumrichtung weist der messende Tastkopf 28 ein in dieser Raumrichtung feststehendes Teil 80 und ein relativ zu dem feststehenden Teil 80 längs dieser Raumrichtung bewegliches Teil 82 auf. Das feststehende Teil 80 ist starr mit der Pinole 20 verbunden und ist ferner mit dem beweglichen Teil 82 über Verbindungselemente 84, beispielsweise Spiralfedern, bei ent sprechend geänderter Anordnung auch Blattferdern) elastisch gekoppelt.
Zwischen dem feststehenden Teil 80 und dem beweglichen Teil 82 ist ein Meßkraftgenerator 86 und ein Induktivsensor 88 angeordnet. Der Meßkraftgenerator 86 kann beispielsweise nach Art eines Tauchspulenantriebes arbeiten, wie er bereits in der genannten DE 44 24 225 A1 erwähnt wird.
Wesentlich im Zusammenhang mit der Darstellung der 6 ist, daß der Meßkraftgenerator 86 in durch das Steuergerät 34 gesteuerter Weise das bewegliche Teil 82 verschieben kann oder eine am beweglichen Teil 82 wirkende Laständerung durch eine kompensierende Ansteuerung des Meßkraftgenerators 86 ausgleichen kann.
Analog weist der Tastkopf 28 für die X-Raumrichtung ein in dieser Raumrichtung feststehendes Teil 82 und ein relativ zu dem feststehenden Teil 90 längs dieser Raumrichtung bewegliches Teil 92 auf. Das feststehende Teil 82 ist mit dem beweglichen Teil 82 der Z-Richtung identisch oder starr verbunden und damit in X-Richtung unbeweglich. Ferner ist das feststehende Teil 90 mit dem beweglichen Teil 92 über ein Verbindungselement 94 elastisch gekoppelt.
Zwischen dem feststehenden Teil 82 und dem beweglichen Teil 92 ist ein Meßkraftgenerator 96 und ein Induktivsensor 98 angeordnet. Der Meßkraftgenerator 96 kann ebenfalls nach Art eines Tauchspulenantriebes arbeiten.
Wesentlich im Zusammenhang mit der Darstellung der 6 ist, daß der Meßkraftgenerator 96 in durch das Steuergerät 34 gesteuerter Weise das bewegliche Teil 92 verschieben kann oder eine am beweglichen Teil 92 wirkende Querkraft, beispielsweise eine durch Beschleunigungen in X-Richtung hervorgerufene Querkraft durch eine kompensierende Ansteuerung des Meßkraftgenerators 86 ausgleichen kann.
Eine Auslenkung TK_A eines der beweglichen Teile 82, 92 wird durch den zugehörigen Induktivsensor 88, 98 erfaßt und über die in der 1 dargestellte Datenleitung 38 an das Steuergerät 34 übermittelt. Selbstverständlich kann anstelle eines Induktiv-Weggebers 58 auch ein auf anderen physikalischen Meßprinzipien basierender Weggeber verwendet werden.
Das bewegliche Teil 92 weist eine Tasterwechseleinrichtung 100 auf. Die Tasterwechseleinrichtung 100 besitzt beispielsweise eine Konturierung 102, die einen entsprechend negativ konturierten Tasterteller 104 eines Tasters 30 formschlüssig aufnimmt und fixiert.
Durch Kontakte 106, 108 und 110 wird ein Schalter gebildet, der als Sensor zur Detektion eines Tasterwechsels verwendbar ist. Beispielsweise bilden die Kontakte 106 und 108 zusammen mit nicht dargestellten, zum Steuergerät 34 führenden Signalleitungen einen offenen Stromkreis, der durch Einsetzen des Tasters 30 in die Tasterwechseleinrichtung 100 über den Kontakt 110 geschlossen wird.
7 veranschaulicht einen weiteren Taster 112, der sich vom Taster 30 durch seine geometrischan Abmessungen und damit auch durch seine Masse unterscheidet, aber ebenfalls in die Tasterwechseleinrichtung 100 eingesetzt werden kann.
8 veranschaulicht qualitativ den Verlauf der Geschwindigkeit eines einen Tastkopf 28 tragenden Meßschlittens 18 im Rahmen einer Sicherheitsfunktion.
Ab einem Zeitpunkt t0 werde der Meßschlitten 18 aus dem Stillstand beschleunigt bis zu einem Zeitpunkt t1 die Sollgeschwindigkeit für das Anfahren eines neuen Messpunktes erreicht ist.
Dies passiert üblicherweise im CNC-Betrieb, bei dem die ungefähre Lage des Werkstückes 14 im Meßvolumen des Koordinatenmeßgerätes 10 in der Steuerung des Koordinatenmeßgerätes 10 bekannt ist und bei dem die Achsen des Koordinatenmeßgerätes 10 motorisch angetrieben und durch das Steuergerät 34 gesteuert werden.
Bei einer fehlerhaften Steuerung fährt der Tastkopf zum Beispiel zum Zeitpunkt t2 ungebremst gegen das Werkstück, was eine sofortige Abbremsung und Rückkehr in den Stillstand als Sicherheitsfunktion auslöst.
9 stellt eine Möglichkeit zur Auslösung der Sicherheitsfunktion bei Verwendung eines messenden Tastkopfes 28 dar. 9 zeigt zunächst die Auslenkung TK_A des Tastkopfes bei dem in der 8 dargestellten Geschwindigkeitsverlauf.
Dabei kann für das Verständnis angenommen werden, dass die Bewegung in der X-Richtung erfolgt. In diesem Fall wird zeitgleich zur Beschleunigung des Meßschlittens 18 der Tastkopf 28, oder genauer gesagt, das bewegliche Teil 92 durch den Meßkraftgenerator 96 ausgelenkt. Dadurch besteht die Möglichkeit, bei einer unbeabsichtigten Kollision mit dem Werkstück einen Bremsvorgang auszulösen und den notwendigen Bremsweg durch eine elastische Rücknahme der genannten Auslenkung aufzubringen. In der 9 zeigt sich die Kollision mit dem Werkstücke in dem stufenförmigen Rückgang der Tastkopfauslenkung TK-A zum Zeitpunkt t2, bei dem eine Triggerschwelle S durchlaufen wird. Das Durchlaufen dieser Triggerschwelle (Schwellenwert) S löst im Rahmen der Sicherheitsfunktion eine schnelle Abbremsung des Meßschlittens 18 bis zum Stillstand aus, so dass Beschädigungen des Koordinatenmessgerätes oder des Werkstückes vermieden werden.
Bei hohen Trägkeitskräften, also bei hohen Beschleunigungen in Verbindung mit großen Tastermassen kann es passieren, dass ein schwerer Taster 30 gewissermaßen aufgrund seiner Trägheit nicht der Beschleunigung des Meßschlittens folgen kann und dadurch relativ zum Meßschlitten in die Gegenrichtung ausgelenkt wird. Dies wird in der 9 durch die gestrichelte Linie dargestellt. Diese durch Trägheitskräfte hervorgerufene Auslenkung kann so groß sein, dass der Schwellenwert S durchlaufen wird. Als Folge wird durch die Sicherheitsfunktion ein Abbremsen des Meßschlittens bis zum Stillstand ausgelöst, obwohl eine Kollision mit dem Werkstück 14 nicht vorliegt.
Dieses unerwünschte Verhalten kann durch die Erfindung vermieden werden.
Vorstehend wurde die Erfindung in Verbindung mit einem messenden Tastkopf als mögliche Ausgestaltung eines Meßkopfes beschrieben.
Wie weiter oben bereits erwähnt, lassen sich mit Hilfe der Meßkraftgeneratoren statische oder dynamische Bestimmungen der Masse des aktuell eingewechselten Tasters 30 bestimmen. So kann beispielsweise bei Beschleunigungen in X-Richtung die Trägheitskraft durch Auswerten des Induktivgebersignals 98 und/oder durch kompensierendes Ansteuern des Meßkraftgenerators 96 bestimmt werden. Wesentlich ist dabei, dass diese Elemente in Verbindung mit dem Steuergerät 34 ein Bestimmung der Trägheitskraft erlauben. Zusätzlich kann das Steuergerät 34 aus der Änderung der X-Koordinate durch Differenzieren die Beschleunigung bestimmen. Bei bekannter Trägheitskraft und Beschleunigung lässt sich die beteiligte Masse und damit letztlich die Tastermasse nach dem Trägheitsgesetz (F = m·a) bestimmen.
Ganz ähnlich lässt sich der in Z-Richtung (Schwerkraftrichtung) wirkende Meßkraftgenerator 86 zur Kompensation der einen Taster 30 wirkenden Schwerkraft und damit ebenfalls zur Bestimmung der Tastermasse verwenden.
Weitere Details zur Bestimmung der Tastermasse sind auch in der DE 100 25 480 A1 beschrieben, die insofern in die vorliegende Offenbarung miteinbezogen wird.
Die Erfindung lässt sich jedoch beipielsweise auch in Verbindung mit einem schaltenden Tastkopf realisieren, wie er schematisch in der 10 dargestellt ist.
Ein solcher schaltender Tastkopf weist beispielsweise Piezo-Elemente 112 und/oder mechanische Schalter 114 auf, die über Signalleitungen 118, 116 mit dem Steuergerät 34 verbunden sind.
Bei einem Antasten der Struktur 14 durch die Kugel 32 wird das linke Piezoelement gedehnt und das rechte Piezoelement gestaucht. Daraus resultierende elektrische Signale werden als Schaltsignale dem Steuergerät 34 übermittelt, das anschließend die Werte der optisch abgetasteten Inkrementalmaßstäbe 22, 24 und 26 (Vergleiche 1) einliest. Bewegt sich der Tastkopf 28 nach dem Antasten der Struktur 14 weiter nach links, so wird er einseitig aus der Pinole 20 herausgehoben; wodurch der rechte mechanische Schalter 114 geöffnet wird. Dieses Öffnen kann als Bestätigung des vorherigen, wesentlich empfindlicher reagierenden Piezo-Signals gewertet werden.
Auch hier kann es durch Trägheitskräfte dazu kommen, dass bspw. der mechanische Schalter 114 beim Beschleunigen anspricht und einen Stillstand auslöst. Dies wird auch hier durch eine Beschränkung der maximal zulässigen Beschleunigung vermieden. Durch sukzessives Ausprobieren verschiedener Beschleunigungen kann für einen bestimmten Taster die kritische Beschleunigung ermittelt und abgespeichert werden.

Claims

Verfahren zum Erfassen einer Koordinate (12) an einem Werkstück (14) mit Hilfe eines Koordinatenmeßgerätes (10), wobei das Werkstück (14) mit einem im Meßvolumen des Koordinatenmeßgerätes (10) beweglichen Tastkopf (28), der einen Taster (30) aufweist, angetastet wird und wobei eine Bewegung des Tastkopfes (28) in Abhängigkeit von der Masse des Tasters (30) gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine maximale Beschleunigung (a_max), mit der das Koordinatenmeßgerät bei der Tastermasse (m) betrieben werden soll, so bestimmt wird, daß eine durch Trägheitskräfte hervorgerufene Auslenkung des Tasters (30) unterhalb einer Triggerschwelle zum Auslösen einer Sicherheitsfunktion verbleibt, wobei die Sicherheitsfunktion eine schnelle Abbremsung des Tastkopfes (28) bis zum Stillstand auslöst, so daß Beschädigungen des Koordinatenmeßgerätes oder des Werkstücks vermieden werden, und daß bei Bewegungen, die ohne Werkstückkontakt erfolgen, die Beschleunigung des Tastkopfes (28) auf die maximale Beschleunigung (a_max) beschränkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigung bei größeren Tastermassen auf kleinere Werte beschränkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschränkung aufgrund von Daten erfolgt, die dem Steuergerät (34) über eine Schnittstelle (40) zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschränkung aufgrund von Daten erfolgt, die das Koordinatenmeßgerät (10) durch eigene Messungen erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Erzeugung der Daten die Masse des Tasters (30) über eine statische Messung der Gewichtskraft des Tasters (30) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Daten durch Auswerten des Bewegungsverhaltens des Tastkopfes (28) beim Einwirken von Beschleunigungskräften erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Koordinatenmeßgerät (10) den Tastkopf (28) mit definierter bekannter Antriebskraft bewegt, Werte für die Position des Tastkopfes (28) über der Zeit aufnimmt und aus den aufgenommenen Werten für die Position des Tastkopfes (28) über der Zeit und aus der definierten bekannten Kraft auf die Masse des Tasters (30) schließt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Koordinatenmeßgerät (10) Beschleunigungen des Tastkopfes (28) durch zweimaliges Differenzieren des Verlaufes der Position des Tastkopfes (28) über der Zeit bildet.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Daten aus dem Auswerten eines Schwingungsverhaltens des Tasters (30) erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (34) die Antriebskraft und/oder das Antriebsmoment und/oder die Antriebsleistung, mit der der Tastkopf (28) des Koordinatenmeßgerätes (10) beschleunigt wird, in Abhängigkeit von der Masse des Tasters (30) beschränkt.
Koordinatenmeßgerät (10) zum Erfassen einer Koordinate (12) an einem Werkstück (14), mit einem beweglichen Tastkopf (28), der einen Taster (30) aufweist, und mit einem Steuergerät (34), das die Bewegung des Tastkopfes (28) abhängig von der Masse des Tasters (30) steuert, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (34) dazu ausgebildet ist, eine maximale Beschleunigung (a_max), mit der das Koordinatenmeßgerät bei der Tastermasse (m) betrieben werden soll, so zu bestimmen, daß eine durch Trägheitskräfte hervorgerufene Auslenkung des Tasters (30) unterhalb einer Triggerschwelle zum Auslösen einer Sicherheitsfunktion verbleibt, wobei die Sicherheitsfunktion eine schnelle Abbremsung des Tastkopfes (28) bis zum Stillstand auslöst, so daß Beschädigungen des Koordinatenmeßgerätes oder des Werkstücks vermieden werden, und ferner dazu, bei Bewegungen, die ohne Werkstückkontakt erfolgen, die Beschleunigung des Tastkopfes (28) auf die maximale Beschleunigung (a_max) zu beschränken.
Koordinatenmeßgerät (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Tastkopf (28) ein messender Tastkopf (28) ist.
Koordinatenmeßgerät (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Tastkopf (28) ein schaltender Tastkopf (28) ist.
Koordinatenmeßgerät (10) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, gekennzeichnet durch Einrichtungen (86, 88) zur Erfassung der Gewichtskraft des Tasters (30).
Koordinatenmeßgerät (10) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, gekennzeichnet durch Einrichtungen (96, 98) zur Bestimmung der trägen Masse des Tasters (30).
Koordinatenmeßgerät (10) nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (34) mit einer Schnittstelle (40) zur Eingabe von Daten zur Tastermasse verbunden ist.
Koordinatenmeßgerät (10) nach einem der Ansprüche 11 bis 16, gekennzeichnet durch eine Tasterwechseleinrichtung (100).
Koordinatenmeßgerät (10) nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch einen Sensor (114) zum Erfassen eines Tasterwechsels.