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Die Erfindung betrifft Verfahren
zum Kalibrieren eines Tastgeräts
sowie eine entsprechende Kalibriereinrichtung.
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Zum Vermessen der Form und/oder anderer Kenngrößen von
Werkstückoberflächen dienen
häufig
Tastgeräte,
die die Werkstückoberfläche entlang einer
Linie abtasten. Ein solches Tastgerät ist aus der
EP 0404597 B1 bekannt. Das
Tastgerät
weist eine Führungseinrichtung
auf, mit der ein Träger
in einer Abtastrichtung gezielt bewegbar ist. An dem Träger ist
ein Tastarm schwenkbar gelagert, der an seinem Ende eine Tastspitze
trägt.
Beim Verschieben des Trägers
tastet die Tastspitze die Werkstückoberfläche ab,
wobei sich der Tastarm entsprechend verschwenkt. Die Schwenkbewegung
wird mit einem Sensor erfasst und einer Auswerteein richtung zugeführt. Bei
bekannter Tastarmgeometrie, d.h. Tastarmlänge und Tastspitzenhöhe, kann
die Auswerteeinrichtung aus den erfassten Winkelpositionen des Tastarms
bei bekannter Verschiebeposition des Trägers die Koordinaten der Tastspitze
berechnen. Vor Durchführung
einer Messung ist das Tastgerät
in der Regel zu kalibrieren. Aus der genannten
EP 0404597 B1 ist es dazu
bekannt, eine Kugel mit bekanntem Radius abzutasten. Dies soll insbesondere
dazu dienen, Nichtlinearitäten,
die von dem als Sensor verwendeten induktiven Messwandler herrühren, zu
erfassen und auszugleichen. Außerdem
sollen damit Ungenauigkeiten erfasst werden, die von der Größe der Tastspitze
herrühren.
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Die Kalibrierung eines Tastgeräts ist zumindest
dann erforderlich, wenn der Tastarm ausgewechselt worden ist, denn
es muss davon ausgegangen werden, dass jeder Tastarm individuelle
Maßabweichungen
aufweist.
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Die Kalibrierung eines Tastarms an
einer Kugel erfordert eine als normal dienende Kugel, die geometrisch
präzise
gefertigt ist.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein
Verfahren zum Kalibrieren eines Tastgeräts zu schaffen, das einfach
und kostengünstig
durchführbar
ist. Außerdem
ist es Aufgabe der Erfindung, eine einfache, präzise und kostengünstige Kalibriervorrichtung
zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren
nach Anspruch 1 bzw. mit der Kalibriereinrichtung nach Anspruch
11 gelöst:
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird die Oberfläche
eines Normals zweimal abgetastet, nämlich ein erstes Mal, wenn
sich das Normal in einer ersten Position relativ zu dem Tastgerät befindet
und ein zweites Mal, wenn sich das Normal in einer zweiten Position
relativ zu dem Tastgerät
befindet, die sich von der ersten Position unterscheidet. Vorzugsweise
wird wenigstens eine der Positionen so festgelegt, dass der Tastarm
beim Abtasten eine Schwenkbewegung vollführt. Dies wird erreicht, indem
das Normal in der betreffenden Position gegen die Vorschubrichtung
geneigt gehalten wird. Vorzugsweise wird die andere Position so
festgelegt, dass der Tastarm beim Abtasten keine Schwenkbewegung
vollführt
(Ausrichtung des Normals in X-Y-Richtung).
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Beim Abtasten wird ein Träger, an
dem der Tastarm schwenkbar gelagert ist, in Vorschub- oder Tastrichtung
bewegt, wobei ein Wegsensor die Positionen entlang seiner Führung (X-Positionen)
erfasst. Diesen einzelnen X-Messpositionen wird jeweils der von
dem Winkelsensor des Tastarms gelieferte Winkelwert zugeordnet.
Die Wertepaare des Abtastvorgangs bilden einen Datensatz. Jeder
Abtastvorgang erzeugt jeweils einen Datensatz, so dass ein erster Datensatz
anfällt,
wenn das Normal in seiner ersten Position abgetastet wird. Ein zweiter
Datensatz fällt an,
wenn das Normal in seiner zweiten Position abgetastet wird. Aus
beiden Datensätzen
lässt sich
sowohl die Länge
des Tastarms als auch die Länge bzw.
Höhe der
Tastspitze errechnen. Dies gilt insbesondere, wenn die Oberfläche des
Normals mit einer Strukturierung versehen ist, die es gestattet,
Wertepaare des jeweiligen Datensatzes Oberflächenpunkten des Normals individuell
zuzuordnen.
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Eine einfache Kalibrierung ergibt
sich, wenn die beiden Positionen des Normals in einem Schwenkabstand
zueinander festgelegt sind. Die Schwenkachse ist dabei vorzugsweise
quer zu der Vorschubrichtung orientiert. Der Weg auf dem das Normal
abgetastet wird, ist vorzugsweise gerade, wenn im Wesentlichen ebene
Normale verwendet werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
sind in die Oberfläche
des Normals quer zur Abtastrichtung verlaufende Vertiefungen eingebracht,
deren Kanten beim Abtasten eindeutig identifizierbar sind. Vorzugsweise sind
diese Vertiefungen und somit auch die Kanten derselben parallel
zu der Schwenkachse des Normals angeordnet. Kippungsfehler des Normals
(Drehung um die X-Achse oder die Z-Achse) bleiben so ohne Auswirkung.
Vorzugsweise sind die zueinander parallelen Vertiefungen in zufälligen Abständen angeordnet.
Sie können
auch eine zufällige
Breite und Tiefe aufweisen. Dies ermöglicht die eindeutige Wiedererkennung
von Oberflächenpunkten
des Normals bei mehrmaliger Abtastung.
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Die Unterscheidung der beiden Positionen um
einen Schwenkabstand mit Schwenkachse quer zur Abtastrichtung stellt
sicher, dass bei der zweimaligen Abtastung des Normals unterschiedliche Schwenkstellungen
des Tastarms erhalten werden, in denen sich die Tastarmlänge unterschiedlich
auf das Messergebnis auswirkt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform
des Verfahrens ist die erste Position des Normals so festgelegt,
dass der Tastarm während
des Abtastvorgangs eine im Wesentlichen konstante Auslenkung aufweist.
Das Normal erstreckt sich somit parallel zu der Vorschubrichtung
bzw. X-Achse. In der zweiten Position ist das Normal dann geneigt
angeordnet, so dass der Tastarm beim Abtasten der Oberfläche seine
Auslenkung ändert.
Ist die Oberfläche
des Normals strukturiert kann der Schwenkwinkel, in dem sich das
Normal in seiner zweiten Position befindet, unbekannt sein. Dennoch
lassen sich aus den beiden gewonnenen Datensätzen sowohl die Länge des Tastarms,
die Länge
der Tastspitze als auch der Schwenkwinkel berechnen. Durch die Strukturierung lassen
sich Oberflächenpunkte,
die vor dem Schwenken erfasst worden sind, nach dem Schwenken wiederfinden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist einfach in
der Handhabung und Fehlbedienungen seitens des Anwenders lassen
sich reduzieren bzw. ausschließen.
Dies kommt der Genauigkeit nachfolgender Messungen zugute. Das Verfahren
lässt sich weitgehend
automatisieren. Handlungen des Bedieners können durch entsprechende Signale
der Kalibriereinrichtung abgefordert werden, wodurch Irrtümer und
Fehlbedienungen ausgeschlossen werden. Außerdem lässt sich eine entsprechende
Vorrichtung preiswert herstellen.
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Die erfindungsgemäße Kalibriereinrichtung weist
eine Haltevorrichtung auf, in der das Normal schwenkbar gelagert
ist, wobei es in wenigstens zwei Schwenkstellungen arretierbar ist.
Bei der Durchführung
des Kalibriervorgangs kann der Bediener beispielsweise durch eine
geeignete Anzeige oder Ausgabe des Messgeräts dazu aufgefordert werden,
das Normal von seiner ersten Schwenkposition in seine zweite Schwenkposition
zu überführen. Weitere
Einstellungen muss der Bediener nicht durchführen.
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Bei einer besonders vorteilhaften
Ausführungsform
ist das Normal ein Einkristall oder monokristallines Material. Vorzugsweise
wird ein Siliziumstreifen angewendet, der beispielsweise aus einem Siliziumwafer
herausgeschnitten oder gebrochen ist. Als quer zur Vorschubrichtung
angeordnete Vertiefungen können
in die Oberfläche
des Siliziumkristalls Strukturen im Ätzverfahren eingebracht werden.
Das Siliziumnormal weist eine Ebenheit im Rahmen von einigen Mikrometern
auf, was vollkommen genügt. Eingeätzte Vertiefungen
können
sehr regelmäßig mit parallelen
Kanten hergestellt werden. Ein solches Normal gestattet in der erfindungsgemäßen Kalibriereinrichtung
eine genaue Kalibrierung des Messgeräts und dabei preiswert und
rationell herzustellen.
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Weitere Einzelheiten vorteilhafter
Ausführungsformen
der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung, der Beschreibung oder
Unteransprüchen.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:
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1 eine
erfindungsgemäße Kalibriereinrichtung
in schematischer, perspektivischer Darstellung (nicht maßstabsgerecht),
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2 das
Tastgerät
an einem Normal beim Abtasten desselben in seiner ersten Position
in schematischer Darstellung,
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3 und 4 das Tastgerät beim Abtasten des
Normals in seiner zweiten Position in zwei verschiedenen Tastpositionen,
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5 die
Steuereinrichtung des Tastgeräts in
einer vereinfachten, ausschnittsweisen Darstellung.
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In 1 ist
ein Tastgerät 1 während eines Kalibrierungsvorgangs
schematisch veranschaulicht. Das Tastgerät 1 ist beispielsweise über ein
Stativ 2 ortsfest gehalten. Es enthält eine Führungseinrichtung 3,
an der ein Schlitten 4 oder ein anderweitiger Rahmen oder
Träger
in einer Vorschubrichtung 5 verschiebbar gelagert ist.
Die Vorschubrichtung 5 entspricht der X-Richtung eines
Mess-Koordinatensystems X, Y, Z.
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An dem Schlitten 4 ist ein
Tastarm 6 abnehmbar gehalten. Der Tastarm 6 ist
um eine Drehachse 7 schwenkbar gelagert. Die Drehachse 7 ist
vorzugsweise parallel zu der Y-Richtung
orientiert. Endseitig trägt
der Tastarm 6 eine Tastspitze 8, die zur Abtastung
eines Werkstücks
dient. Die dadurch hervorgerufenen Schwenkbewegungen des Tastarms 6,
bzw. die von dem Tastarm 6 eingenommenen Winkelpositionen,
werden von einem Sensor 9 erfasst, der mit dem Tastarm
verbunden und beispielsweise in 2 schematisch
veranschaulicht ist. Der Sensor 9 kann ein induktiver Sensor,
ein optischer Sensor oder von einer anderen Bauart sein. Ein zweiter
Sensor 11 dient der Erfassung der X-Position des Schlittens 4 und
somit der Tastspitze 8. Der Sensor 11 ist an dem Schlitten 4 angebracht
und erfasst dessen X-Position in Bezug auf einen Maßstab 12,
der ortsfest in dem Tastgerät 1 bzw.
eines Rahmens 14 angeordnet ist, der die Führungseinrichtung 3 und
eine nicht weiter veranschaulichte Antriebseinrichtung für den Schlitten 4 trägt. Der
Maßstab 12 und
der Sensor 11 können
jeden beliebigen, eine ausreichende Genauigkeit erbringenden Aufbau
aufweisen. Beispielsweise kann auch ein interferenzoptischer Sensor
eingesetzt werden. Dieser kann einen an dem Schlitten 4 angeordneten
Reflektor umfassen, der einen Lichtstrahl eines in dem Rahmen 14 ortsfest
angeordneten Interferometers reflektiert.
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Die Sensoren 9, 11 sind,
wie 5 veranschaulicht,
an einer Verarbeitungseinrichtung 15 angeschlossen, die
die erhaltenen Messwerte der X-Position des Schlittens 4 und
der Schwenkposition des Tastarms 6 in X-Y-Positionswerte
der auf dem Werkstück
aufliegenden Spitze 8a umrechnet und an einem Ausgang 16 ausgibt.
Dazu benötigt
die Verarbeitungseinrichtung 15 Daten über die Geometrie des Tastarms 6 und
der Tastspitze 8, die in einem Speicher 17 bereit
gehalten werden. Diese Daten bestimmt die Verarbeitungseinrichtung 15 in
einem Kalibriervorgang an einer aus 1 ersichtlichen
Kalibriereinrichtung 18. Zu dieser gehört ein Halter 19,
an dem ein Normal 21 verstellbar, vorzugsweise um eine Schwenkachse 22 schwenkbar
gelagert ist. Die Schwenkachse 22 ist vorzugsweise in Y-Richtung
orientiert und somit parallel zu der Drehachse 7 eingerichtet.
Der Halter 19 ist außerdem
an einem Schlitten 23 um eine in X-Richtung orientierte Achse 24 schwenkbar
gelagert. Die Schwenkstellungen sind beispielsweise durch eine Einstellschraube,
die nicht weiter veranschaulicht ist, einstellbar.
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Der Schlitten 23 ist auf
einer vorzugsweise in Y-Richtung orientierten Führung 25, 26 gelagert
und über
einen manuellen Stellantrieb 27 in Y-Richtung verstellbar.
Die Führung 25, 26 ist
von einem Schlitten 28 getragen, der seinerseits über eine
Führungs- und
Stelleinrichtung 29 anderweitig, beispielsweise in X-Richtung
oder in Z-Richtung oder bezüglich
einer Drehung um die Z-Achse verstellbar sein kann.
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Das Normal 21 kann in zumindest
zwei unterschiedliche Schwenkpositionen verstellt werden. Es greift
dazu mit sei nem von der Schwenkachse 22 abliegenden Ende
in eine Ausnehmung 31, die bzgl. der Z-Richtung oben und
unten jeweils einen definierten Anschlag, beispielsweise mittels
einer Kugel bietet. Ein geeignetes Arretiermittel, beispielsweise
ein endseitig an dem Normal 21 angebrachter Magnet 32,
sichert das Normal jeweils in seinen Anschlagpositionen.
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Das Normal 21 ist vorzugsweise
ein Streifen monokristallinen Siliziums, der beispielsweise auf
einem Metallträger
aufgeklebt sein kann. Seine nach oben weisende, der Tastspitze 8 zugewandte,
Oberfläche 33 ist
im Wesentlichen, d.h. bis auf wenige Mikrometer eben. In diese ebene
Fläche
sind einzelne Vertiefungen 34 eingebracht, die beispiels- und vorzugsweise
einen ebenen Boden aufweisen. Die Vertiefungen 34 sind
beispielsweise Nuten von jeweils etwa ein bis zwei Millimetern Länge in X-Richtung und
einer in Z-Richtung
gemessenen Tiefe von zwei bis zehn, vorzugsweise fünf Mikrometern.
Insgesamt weist das Normal 21 eine Länge von beispielsweise 70 Millimetern
auf.
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Wird an dem Tastgerät ein Tastarm 6 angebracht,
dessen genauen Abmessungen und Toleranzen nicht bekannt sind, können die
erforderlichen Daten, nämlich
die Länge
des Tastarms 6 und die Länge bzw. Höhe der Tastspitze 8 in
einem Kalibrierablauf bestimmt werden. Dazu wird die Kalibriereinrichtung 18,
wie in 1 veranschaulicht,
im Bereich der Tastspitze 8 des Tastgeräts 1 positioniert.
Der Kalibrierablauf ist dann wie folgt:
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Zur Durchführung der Kalibrierung wird
das Normal zunächst
in seine in 2 veranschaulichte Position überführt, in
der es vorzugsweise genau in X-Richtung orientiert ist. Ob dies
der Fall ist, kann mit einer Probeabtastung festgestellt werden.
Lässt sich bei
der Vorschubbewe gung des Schlittens 4 eine Verschwenkung
des Tastarms 6 erfassen, stimmt die Vorschubrichtung nicht
mit der Orientierung des Normals 21 überein. Es können Stellmittel,
beispielsweise zur Verstellung eines unteren Anschlags 35 des Halters 19 vorgesehen
sein, um das Normal 21 in Übereinstimmung mit der X-Richtung
zu bringen.
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Auf ähnliche Weise kann das Normal 21 bzgl.
der Y-Achse orientiert werden. Dazu wird die Tastspitze 8 an
einer beliebigen Stelle auf die Oberfläche 33 aufgesetzt.
Eine Verstellung des Halters 19 in Y-Richtung durch Betätigung des
Stellantriebs 27 zeigt an, ob das Normal 21 in
Y-Richtung justiert ist.
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Die eigentliche Kalibrierung wird
nun wie folgt durchgeführt:
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Zunächst wird das in X- und Y-Richtung
orientierte Normal 21, wie in 2 veranschaulicht, in Vorschubrichtung 5,
d.h. in X-Richtung abgetastet. Die Sensoren 9, 11 liefern
dabei Wertepaare über
die Verschwenkung des Tastarms 6 bei dem jeweiligen X-Wert
an die Verarbeitungseinrichtung 15. Die Schwenkwinkel αi für jeden
Schritt weisen einen ersten (konstanten) Wert auf, wenn sich die
Spitze 8a außerhalb
der Vertiefungen 34 befindet und sie weisen einen zweiten
(konstanten) Wert auf, wenn sich die Spitze 8a innerhalb
einer Vertiefung 34 befindet. Die Kanten 36, 37 der
Vertiefungen 34 werden jeweils mit einigen Messwerten erfasst.
Die Vertiefungen 34 können
exakt gleich breit und äquidistant
angeordnet sein. Bevorzugt wird jedoch eine Anordnung, bei der die
Vertiefungen 34 und deren Abstände über die Länge des Normals 21 unterschiedlich sind.
Dies gestattet die Aufnahme eines wiedererkennbaren Oberflächenprofils.
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Ist die gesamte oder wenigstens die
erforderliche Länge
des Normals 21 abgetastet, wird dieser aus seiner in 2 veranschaulichten Position
I in die in den 3 und 4 veranschaulichte zweite
Position II überführt. Dies
erfolgt, indem das Normal 21 nach oben verschwenkt wird,
bis es in dem Halter 19 oben anschlägt. Dies kann beispielsweise
auf eine von der Verarbeitungseinrichtung 15 gegebene Aufforderung
hin durch eine Bedienungsperson geschehen.
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Das Normal 21 wird nun erneut
abgetastet. Dazu wird der Schlitten 4, wie 3 veranschaulicht, in Anfangsposition
verfahren, wonach der Tastarm 6 wieder auf das Normal 21 aufgesetzt
wird. Es erfolgt nun ein gleichmäßiger Vorschub
des Schlittens 4 in Vorschubrichtung 5 zur Abtastung
des Normals 21. Dabei wird wiederum jedem Schritt xi ein von dem Sensor 9 erfasster
Winkel αi zugeordnet. Der erhaltene Datensatz wird
abgespeichert.
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Aus den abgespeicherten Datensätzen, die sich
aus der Abtastung des Normals 21 in Position I und in Position
II ergeben, lassen sich nun Ls und Hs mit Hilfe folgender Formeln
errechnen: Zk = Zd – Ls
* sin (α) – Hs * cos
(α) Xk = Xd – Ls * cos
(α) – Hs * sin
(α)
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In diesen Formeln bedeuten Zk und Xk die kartesischen
Koordinaten der Spitze 8a in einem Koordinatensystem. In
diesem Koordinatensystem ist der Winkel α des Tastarms Null, wenn die
Spitze 8a eine Z-Koordinate von Null aufweist. Zd und Xd sind die
kartesischen Koordinaten der Drehachse 7. Es wird nun aus
den Daten der Abtastung des Normals 21 in Position II mit
Hilfe der beiden obigen For meln ein Gleichungssystem erstellt, dessen
Lösung
Ls und Hs ergibt. Die Koordinaten Zk und
Xk werden dabei aus dem bekannten Schwenkwinkel
des Normals 21 sowie aus den aus der ersten Abtastung bekannten X-Positionen
der Kanten 36, 37 aller Ausnehmungen 34 berechnet.
Ist der Schwenkwinkel β des
Normals 21 hingegen nicht bekannt, erhält das Gleichungssystem eine
weitere Unbekannte, indem Zk und Xk als Funktion von β ausgedrückt sind. Aufgrund der großen Überbestimmung
des Gleichungssystems (lediglich drei Variablen Hs, Ls und β sind gesucht
und für jeden
Messpunkt existiert ein Gleichungspaar) ist auch ein solches Gleichungssystem
mit geringfügig höherem mathematischen
Aufwand lösbar.
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Die von der Verarbeitungseinrichtung 5 bestimmten
Werte für
Ls und Hs werden nun an den Speicher 17 übergeben
und bei nachfolgenden Messungen zugrunde gelegt, wenn aus dem erhaltenen X-Wert
des Sensors 11 und dem Winkel α des Sensors 9 Oberflächenkoordinaten
Xk, Zk eines Werkstücks bestimmt
werden sollen.
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Nach Entfernen der Kalibriereinrichtung 18 ist
das Tastgerät 1 kalibriert
und einsatzfähig.
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Bei dem vorstehend beschriebenen
Kalibrierungsverfahren wird davon ausgegangen, dass die Sensoren 9, 11 bereits
kalibriert sind, d.h. dass die Verarbeitungseinrichtung 15 über entsprechende Korrekturtabellen
verfügt,
um etwaige Nichtlinearitäten
auszugleichen. Das vorstehende Kalibrierverfahren dient lediglich
dazu, nach einem Tastarmwechsel fällige Neukalibrierungen durchzuführen. Bedarfsweise
kann es jedoch auch dazu angewendet werden, die Sensoren 9, 11 zu
kalibrieren, wenn dies erforderlich ist. Dazu können die Vertiefungen 34 in dem
Normal 21 an präzise
bekannten Stellen angebracht werden. Außerdem ist es dann hilfreich,
wenn die Tiefe der Vertiefungen 34 präzise vorbekannt ist. An die
Stelle der Schwenkbewegung des Normals 21 kann prinzipiell
auch eine Schwenkbewegung des Tastgeräts 1 treten – entscheidend
ist die Messung in zwei unterschiedlichen Relativpositionen, die
sich durch eine Schwenkbewegung unterscheiden.
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Zur Kalibrierung eines Tastgeräts 1 ist
eine Kalibriereinrichtung 18 vorgesehen, die als Normal 21 einen
Siliziumstreifen mit Vertiefungen 34 aufweist. Das Normal 21 wird
in zwei verschiedenen Schwenkpostionen abgetastet. Aus den Messwerten, die
in beiden unterschiedlichen Schwenkstellungen gewonnen worden sind,
lässt sich
die Länge
Ls des Tastarms 6 und die Höhe Hs der Tastspitze 8 bestimmen.