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Die
Erfindung betrifft ein Koordinatenmeßgerät mit einem in mehreren Koordinatenrichtungen
beweglich geführten
Taster, dessen Position von Meßstrahlen
relativ zu einem aus Reflektorspiegeln von Interferometern gebildeten
Raumnormal interferometrisch gemessen wird. Ein solches Koordinatenmeßgerät ist beispielsweise
in der
EP 0 084 144
B1 beschrieben.
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Das
bekannte Koordinatenmeßgerät besitzt einen
Taster, dessen Taststift allerdings nur in einer einzigen Koordinatenrichtung
ausgelenkt werden kann. Es dient zur Vermessung der Oberflächen von nur
leicht gewölbten
Spiegeln für
astronomische Großgeräte, für diesen
Zweck ist allerdings eine eindimensionale Auslenkbarkeit des Tasters
auch ausreichend.
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Für die hochgenaue
Spiegelvermessung besitzt dieses Gerät ein aus drei Reflektorspiegeln
nach Art einer Würfelecke
aufgebautes Raumnormal, das von interferometrischen Meßstrahlen
angemessen wird, die vom Träger
für den
1D-Taster ausgehen. Darüberhinaus
sind die Meßstrahlengänge auch über den
nachgiebig gelagerten Taststift des Gerätes geführt und dabei mehrfach gefaltet,
um die Bewegung des Taststifts mitzuerfassen.
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Das
bekannte Gerät
ist jedoch äußerst aufwendig
und teuer und zwar nicht nur wegen des komplizierten, über eine
Vielzahl von Umlenkelementen geführten
interferometrischen Strahlenganges. Um die geforderte Genauigkeit
einzuhalten muß das
bekannte Meßgerät samt zu
vermessendem Werkstück in
einem klimatisierten Raum betrieben werden, in dem die Parameter-Temperatur
und Feuchte des Mediums Luft, das die Meßstrahlengänge durchsetzen, genau eingehalten
werden. Zudem ist das Gerät nicht
zur Vermessung von Werkstücken
beliebiger Geometrie geeignet.
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Die
Druckschrift
DE 39
09 124 A1 zeigt eine Messeinrichtung, bei der in vertikaler
Richtung eine Pinole beweglich gelagert ist, an deren unteren Ende ein
Messtaster befestigt ist. Die Position der Pinole in vertikaler
Richtung wird durch ein einzelnes Laserinterferometer gemessen,
das die Position eines am oberen Ende der Pinole befestigten Spiegels
bestimmt. Das Laserinterferometer ist hierbei in einem mit Stickstoff
gefüllten,
luftdicht verschlossenen Gehäuse
angeordnet. Das obere Ende der Pinole mit dem Spiegel ragt durch
ein mit einem Dichtring versehenen Durchtritt im Gehäuseboden
in das innere des Gehäuses
hinein.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Koordinatenmeßgerät für hochgenaue Messung
an beliebigen Werkstücken
aus der industriellen Fertigung zu schaffen, das möglichst
einfach aufgebaut und damit preiswert ist und auch außerhalb
von klimatisierten Meßräumen zuverlässig arbeitet.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Koordinatenmeßgerät mit den im Anspruch 1 angegebenen
Merkmalen gelöst.
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Das
erfindungsgemäße Koordinatenmeßgerät ist bis
auf den aus der Verkleidung herausragenden beweglichen Taster vollständig gekapselt
und kann deshalb auch direkt im Fertigungsbereich eingesetzt werden.
Dennoch ist höchste
Genauigkeit gewährleistet.
Hierfür
sorgen zum einen die Interferometer, die die Lage des Tasters relativ
zu einem Raumnormal messen. Es ist somit nicht erforderlich, den
Führungen
für den
Taster eigene Meßsysteme zuzuordnen
oder die Führungen
besonders präzise auszubilden.
Diese können
vielmehr beliebig ausgestaltet sein und sorgen lediglich dafür, daß der Taster im
Meßbereich
manuell oder motorisch bewegt wird.
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Außerdem brauchen
die Parameter Temperatur, Luftdruck und Feuchte innerhalb des relativ kleinen
Gehäuses,
das die Führungen
des Tasters umgibt, nicht hochgenau stabilisiert werden, können aber
ausreichend konstant gehalten werden gegen kurzfristige Änderungen,
während
längerfristige Änderungen
durch eine Referenzmessung mittels eines weiteren Interferometers,
das beispielsweise ein Bezugsendmaß vermißt, erfaßt und kompensiert werden können.
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Die
Reflektorspiegel des Raumnormals bestehen zweckmäßig aus einer temperaturstabilen Glaskeramik.
Sie müssen
jedoch keineswegs besonders eben oder rechtwinklig montiert sein,
sondern brauchen nur geringen Ansprüche an Ebenheit und Rechtwinkligkeit
zu genügen.
Denn die Abweichungen von einem idealen ebenen und rechtwinkligen Raumeck
können
als Korrekturwerte in der Steuerung oder dem Rechner des Koordinatenmeßgerätes gespeichert
sein.
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Es
ist weiterhin vorteilhaft, wenn vom Träger des Tasters mindestens
sechs interferometrische Strahlengänge zweckmäßig paarweise in Richtung der
drei orthogonalen Raumrichtungen x, y und z ausgehen und die Reflektorspiegel
anmessen. Mit diesen sechs interferometrischen Strahlengängen lassen
sich alle sechs Freiheitsgrade des Tasters zuverlässig und
eindeutig erfassen. Dabei ist es außerdem von ganz besonderem
Vorteil, wenn der Träger ein
sogenannter messender Tastkopf ist, der ein in mehreren Raumrichtungen
nachgiebiges Teil besitzt und die interferometrischen Meßstrahlengänge vom nachgiebigen
Teil ausgehen. Auf diese Weise lassen sich direkt alle Verlagerungen
des nachgiebigen Teils im Raum relativ zu den Reflektorspiegeln
des Raumnormals ermitteln, so daß der Tastkopf selbst keine eigenen
Meßsysteme
zur Messung der Auslenkung des Taststifts benötigt.
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Weitere
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels
anhand der beigefügten
Zeichnung. Das dort dargestellte Koordinatenmeßgerät besteht im wesentlichen aus
einem quaderförmigen
Gehäuse
(1), das alle beweglichen Teile und Meßsysteme umschließt. Außerhalb
des Gehäuses
(1) befindet sich lediglich der Steuerschrank (20)
mit der Mikroprozessorsteuerung für das Gerät und der daran angeschlossene
Rechner (21), z.B. ein handelsüblicher PC.
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Innen
im Gehäuse
unter der Deckplatte (2), auf der Rückwand (3) und an
der nur teilweise sichtbaren und aufgebrochen gezeichneten rechten
Seitenwand (4) sind drei Reflektorspiegel (22z, 22y und 22x)
befestigt. Diese Spiegel (22) bilden ein Raumnormal nach
Art einer Würfelecke
für die
nachfolgend noch beschriebenen interferometrischen Meßstrahlengänge. Die
Spiegel (22) können
z.B. aus Floatglas oder einer Glaskeramik wie z.B. Zerodur bestehen. Ihre
Abweichungen von einer idealen rechtwinkligen und ebenen Würfelecke
sind nach der Montage des Gerätes
einmal mit einer dafür
geeigneten Kalibriereinrichtung ermittelt worden und als Korrekturwerte entweder
im Speicher des Mikroprozessors in der Steuerung (20) oder
im Speicher des Rechners (21) abgelegt worden.
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Auf
der Bodenplatte (6) des Gehäuses (1) sind außerdem die
Führungen
für den
in allen drei Raumrichtungen x, y und z verfahrbaren Tastkopf (12)
des Koordinatenmeßgeräts montiert.
Diese Führungen
sind im beschriebenen Ausführungsbeispiel ähnlich wie
die eines Koordinatenmeßgeräts vom Ständertyp
aufgebaut. Das sieht so aus, daß ein
in Richtung des Pfeils x waagerecht auf einer Führung (7) verschiebbarer
Schlitten (8) einen Ständer
(9) trägt,
an dem ein zweiter Schlitten (10) in Richtung des Pfeils
z vertikal verschieblich gelagert ist. Der Schlitten (10)
trägt seinerseits
die Führungen
für den waagerecht
entlang des Pfeils y beweglich gelagerten dritten Schlitten (11),
an dem der Tastkopf befestigt ist. Es soll hier jedoch betont werden,
daß es
auf die Art und Abfolge der Führungen
nicht ankommt. Wesentlich ist allein, daß der Tastkopf (12)
in den drei Raumrichtungen verschoben werden kann, entweder manuell
oder auch motorisch und gegebenenfalls CNC-gesteuert.
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Der
Tastkopf (12) besitzt ein bewegliches Teil (16),
das am Schlitten (11) über
drei hintereinander angeordnete Führungssysteme nach Art von
Federparallelogrammen nachgiebig gelagert ist, so daß der daran über ein
Verlängerungsrohr
(17) befestigte Sterntaster (18) bei Kontakt mit
dem zu vermessenden Werkstück
ausweichen bzw. nachgeben kann. Solche nach Art von Federparallelogrammen
aufgebauten Tastköpfe
sind an sich bekannt und brauchen deshalb nicht im Detail an dieser
Stelle beschrieben werden. Es soll nur erwähnt werden, daß die drei
Federparallelogramme aus monolytischen Gelenken aufgebaut sind,
wobei die beiden zwischen entsprechenden Dünnstellen im Material des Tastergehäuses angeordneten
Parallelogrammarme (13a und 13b) die Nachgiebigkeit
in z-Richtung sicherstellen, die entsprechend ausgebildeten Parallelogrammarme
(14a und 14b) die Nachgiebigkeit in x-Richtung und
die Parallelogrammarme (15a und 15b) die Nachgiebigkeit
des beweglichen Teils (16) in y-Richtung sicherstellen.
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An
dem allseitig nachgiebigen Teil (16) des Tastkopfs (12)
sind sechs Interferometer (19x1, 19x2, 19y1, 19y2, 19z1 und 19z2) befestigt,
von denen paarweise jeweils einer der drei Reflektorspiegel (22x, 22y und 22z)
des Raumnormals angemessen wird. Bei diesen Interferometern handelt
es sich um Laserinterferometer, die beispielsweise über Lichtleitfasern
von der Steuerung (20) des Koordinatenmeßgeräts versorgt
werden. Es ist auch möglich,
die sechs Interferometer z.B. von einer einzigen Laserdiode aus
zu versorgen, die mit der zugehörigen
Stabilisierungseinrichtung am beweglichen Teil (16) des Tastkopfs
(12) befestigt ist. Für
den genannten Zweck geeignete Laserinterferometer können beispielsweise
unter der Produktbezeichnung "Laserinterferometer
LIF" von der Firma
Euchner + Co in D-70771 Leinfelden-Echterdingen bezogen werden.
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Die
Laserinterferometer (19x1–19z2) messen direkt
alle Bewegungen des Teils (16) des Tastkopfes (12)
relativ zu dem aus den Reflektorspiegeln (22) gebildeten
Raumnormal und erfassen damit direkt und eindeutig die Position
des Sterntasters (18), der am Teil (16) über ein
hochstabiles aber leichtgewichtiges Rohr (17) aus glasfaserverstärktem Kunststoff
befestigt ist. Da sich mit den sechs interferometrischen Meßstrahlengängen alle
sechs Freiheitsgrade erfassen lassen, nämlich die drei Translationen
Tx, Ty und Tz und die drei rotatorischen Freiheitsgrade
Ax, Ry und Rz, entfallen auch alle bisher bei hochgenauen
Koordinatenmeßgeräten sonst
erforderlichen Maßnahmen
zur Führungsfehlerkorrektur,
d.h. auf die Genauigkeit der Führungen
(7–11)
kommt es nicht an. Die Führungen
haben lediglich sicherzustellen, daß sich der Tastkopf (12)
nicht so weit verwindet, daß die
reflektierten Meßstrahlen
nicht mehr detektiert werden können.
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Wie
eingangs erwähnt
ist das gesamte Koordinatenmeßgerät mit seinen
beweglichen Teilen und den Meßsystemen
vollständig
gekapselt. Das als Taststiftträger
dienende Rohr (17) ist an der Vorderseite (5)
des Gerätes
durch eine Blende (25) hindurchgeführt, die mit dem Schlitten
(10) verbunden ist. Oben und unten an die Blende (25)
angesetzt sind die Faltenbälge
(24a) und (24b, nicht sichtbar), die von der Blende
(25) in Richtung gedehnt bzw. zusammengeschoben werden.
Seitlich an den Ständer (9)
angesetzt sind Paare von Faltenbälgen
(23a) und (23b), die von dem Ständer (9)
in X-Richtung verschoben werden. Die Blendenöffnung, durch die das Rohr
(17) durchgeführt
ist, ist um so viel größer, als es
die Nachgiebigkeit des beweglichen Teils (16) des Tastkopfs
(12) über
die Federparallelogramme (13, 14 und 15)
erfordert. Auf diese Weise ist auch sichergestellt, daß die Faltenbälge (23)
und (24) keine Kräfte
auf den Teil des Tastkopfs ausüben,
der die interferometrischen Meßsysteme
trägt.
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Es
ist allerdings darauf zu achten, daß die Ankopplung der elektrischen
bzw. faseroptischen Versorgungs- und/oder Signalleitungen für die Interferometer
(19) am beweglichen Teil (16) des Tastkopfs (12)
keine störenden
Kräfte
bzw. Momente einleitet, d.h. es sollten möglichst hysteresearme Verbindungskabel
verwendet werden, die üblicherweise natürlich nicht
wie dargestellt direkt vom Teil (16) zur Steuerung (20)
verlaufen sondern gegebenenfalls entlang der Führungen (7–11)
verlegt sind.
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Durch
die vollständige
Kapselung des Gerätes ändern sich
die Parameter der Luft im Innern des Gehäuses (
1), d.h. Temperatur
und Feuchte nur langsam, können
während
einer Messung als konstant angenommen und über eine Referenzmessung mit Hilfe
eines zusätzlichen
Interferometers (
26) erfaßt und kompensiert werden.
Das Interferometer (
26), das ebenfalls an die Steuerung
(
20) des Koordinatenmeßgeräts angeschlossen
ist, kann beispielsweise ein Bezugsendmaß vermessen. Daneben ist es
auch möglich,
die Brechzahl der Luft im Gehäuse
(
1) über ein
Referenzinterferometer zu ermitteln wie es in der
DE 36 16 245 A1 oder der
dazu korrespondierenden US-Patentschrift
4 813 783 beschrieben ist.