DE19637554A1

DE19637554A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Meßfehlerausgleich bei Meßrobotern

Info

Publication number: DE19637554A1
Application number: DE19637554A
Authority: DE
Inventors: Lucio Flavio Campanile
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1995-09-19
Filing date: 1996-09-14
Publication date: 1997-03-20
Anticipated expiration: 2016-09-15
Also published as: DE19637554B4; US5778549A; JP3032158B2; JPH09126807A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Korrektur von durch Relativbewegungen zwischen Meßobjekt und Meßtaster entstehenden Meßfehlern an einem Meßro boter. Ferner betrifft die Erfindung einen Meßroboter zur Form- und/oder Koor dinatenbestimmung an einem Meßobjekt mit einem Grundkörper, wenigstens einem beweglichen, am Grundkörper angeordneten Meßtaster und einer auf dem Grundkörper angeordneten Halterungsvorrichtung zum Haltern des Meßob jekts, wobei am oder nahe dem Meßtaster erste Beschleunigungsaufnehmer angeordnet sind.

Derartige Meßvorrichtungen sind in der Fertigungsindustrie als Meßroboter be kannt. Die Aufgabe derartiger Meßroboter besteht in der Erfassung von Abmes sungen bzw. deren Abweichungen von einem vorgegebenen Wert an einem zu vermessenden Objekt. Dabei wird der Verlauf bestimmter Profile auf der Ober fläche des Prüfobjektes mit hoher Genauigkeit ermittelt. Die Meßmaschinen sind an einem Steuerungs- und Auswerterechner angeschlossen. Die angesteuerten und gemessenen Profile werden dann vom Rechner ausgewertet, um das Meßobjekt nach den vorgeschriebenen Form-, Lage- und Oberflächentole ranzen zu prüfen.

Diese Meßroboter, die beispielsweise als Formmeßmaschine oder Koordinaten meßgerät ausgebildet sind, haben einen Grundkörper mit einer Einspannvor richtung, auf der das Prüfobjekt befestigt wird, und einem beweglichen Meßta ster, an dem der für die Ermittlung des Profils zuständige Wegaufnehmer ange bracht ist. Die Bewegbarkeit des Meßtasters ist an die Meßaufgaben angepaßt und kann eine vollständige räumliche Umfahrung des Meßobjektes zulassen.

Häufig wird aber auch die Einspannvorrichtung auf einem verdrehbaren und/ oder linear verschiebbaren Schlitten bewegbar angeordnet. Damit können die Bewegungsfreiheitsgrade des Meßtasters um eine Richtung verringert werden. Mit dem relativ zum Meßtaster auf dem Einspannschlitten verstellbaren Meß objekt läßt sich dennoch die gesamte Oberfläche des Meßobjektes abtasten. Wesentlich ist, daß zur Formmessung der Meßtaster relativ zum Meßobjekt be wegt wird, während der am Meßtaster angebrachte Wegaufnehmer mit seinem Meßfühler den Kontakt zur Oberfläche des Meßobjektes behält.

Wenn zusätzlich zu dieser erwünschten und bekannten Relativbewegung eine weitere unbekannte Bewegung, beispielsweise durch Schwingungsbeanspru chung, entsteht, wird die Ermittlung des Oberflächenprofils an dem Meßobjekt mit einem Fehler behaftet.

Daher sind derartige Meßroboter aufgrund ihrer beweglichen und frei in den Raum ragenden Meßarme relativ anfällig für Schwingungen. Da jedoch diese Meßgeräte insbesondere in Fertigungsbetrieben verwendet werden, ist eine Schwingungsbeanspruchung kaum zu vermeiden. In Fabrikhallen sind eine Vielzahl von Schwingungen verursachende Quellen, wie beispielsweise Dreh bänke, Bohrmaschinen, CNC-Arbeitszentren, Förderbänder etc. im Einsatz. Diese Störschwingungen führen zu unerwünschten Relativbewegungen zwi schen Meßtaster und Meßobjekt. In der Folge führt dies zu Meßfehlern.

Ein hoch präzises Meßergebnis ist daher nur zu erreichen, wenn der Meßrobo ter entsprechend steife Komponenten hat, was zu einem sehr hohen Gewicht führt. Ferner müssen Materialien hoher Steifigkeit verwendet werden, die häufig recht teuer und schwierig zu verarbeiten sind. Darüber hinaus wird nach Mög lichkeit der Aufstellungsort schwingungsmäßig abgeschirmt. All diese Maßnah men sind äußerst kostenaufwendig.

Außerdem wird versucht, die aufgezeichneten Meßdaten zu filtern, um hoch frequente Störeinflüsse, die vermutlich von äußeren Störquellen stammen, herauszufiltern. Dabei werden beispielsweise Grenzfrequenzen von 80 Hz bis 100 Hz gewählt. Nachteilig daran ist, daß auch am Meßobjekt festgestellte Un genauigkeiten in diesem Frequenzbereich eliminiert werden. Insbesondere begrenzt eine derartige Tiefpaßfilterung der Meßdaten die Meßgeschwindigkeit, da das gewünschte Meßsignal mit Geschwindigkeitssteigerung der Relativbe wegung ebenfalls hochfrequenter wird.

Es ist auch kaum möglich, die Messung mehrfach durchzuführen, um beispiels weise durch Mittelwertbildung den Störanteil zu unterdrücken, da aus wirtschaft lichen Gesichtspunkten ein möglichst hoher Durchsatz von zu messenden Ob jekten pro Zeiteinheit erreicht werden soll.

Ein Verfahren zur Korrektur von Meßfehlern ist aus der DE 43 42 312 A1 für Koordinatenmeßgeräte bekannt. Bei diesem Verfahren zur Korrektur von schwingungsbedingten Meßfehlern wird der zeitliche Verlauf der Störschwin gungen mit Hilfe von drei an dem Meßkopf des Koordinatenmeßgeräts ange ordneten Beschleunigungssensoren gespeichert. Die Meßwerte der Sensoren werden mit gespeicherten Korrekturparametern, welche die Eigenfrequenz und die Dämpfung der Schwingungen sowie die Amplituden- und Phaseninformation der zu den Störschwingungen beitragenden Eigenformen der Schwingung be schreiben. Aus dem zeitlichen Verlauf der korrigierten Meßwerte der Sensoren wird dann der schwingungsbedingte Meßfehler des Koordinatenmeßgerätes zum Antastzeitpunkt berechnet.

Nachteilig ist, daß nur theoretische Meßfehlerkorrekturen als von freien Schwingungen verursachte Fehler unter Berücksichtigung von Eigenfrequen zen, Eigenformen und Dämpfungswerten berechnet werden. Eine tatsächliche Ermittlung der Relativbewegung zwischen Tastkopf und Meßobjekt ist nicht möglich. Vorrichtungsgemäß kann am Meßtisch ein weiterer Sensor zur Be rücksichtigung der Schwingungen des Werkstücktisches angeordnet sein, der die von der Masse des Meßobjekts abhängigen Korrekturparameter berück sichtigt.

Aus der DE 43 45 095 C1 ist eine Meßmaschine zur exakten Bestimmung von Raumpunkten bekannt, bei dem ein mehrachsiges Transportsystem zur Auf nahme der bei der Bewegung auftretenden Transport- und Gewichtskräfte aus gelegt ist, während ein entsprechendes mehrachsiges Bezugssystem die auftre tenden Relativbewegungen frei von äußeren Krafteinwirkungen mißt. Damit kann zwar die Relativbewegung zwischen Taster und Meßobjekt räumlich voll ständig ermittelt werden, jedoch geschieht dies nicht mit Beschleunigungsauf nehmern, sondern mit dem sogenannten mehrachsigen Bezugssystem. Dies dient dazu, durch Wegsensoren die Relativbewegung zwischen den verschie denen Elementen des Transportsystems zu ermitteln. Aus der Überlagerung dieser verschiedenen Relativbewegungen entsteht die Information über die Relativbewegung zwischen Taster und Meßobjekt. Nachteilig ist, daß dieses Bezugssystem eine offene Meßkette bildet und daher alle bei der Ermittlung der Relativbewegungen der verschiedenen Gliedpaare des Bezugssystems auftre tenden Fehler aufsummiert werden. Darüber hinaus ist die Meßvorrichtung ferti gungstechnisch aufwendig und im Betrieb empfindlich.

Ferner ist aus der DE 38 01 893 A1 ein programmsteuerbares selbsttätig mes sendes Gerät bekannt, das zur Erfassung von Störschwingungen, welche Fehl messungen verursachen, mit einem an der Gerätebasis schwingungssteif be festigten Beschleunigungssensor ausgerüstet ist. Die Beschleunigungen werden in drei Koordinaten getrennt aufgenommen und mit einer Signalauswerteeinrich tung ein den Betrag des Schwingungsvektors repräsentierendes Ausgangs signal erzeugt, das bei Überschreiten eines gegebenen Grenzwertes eine vor übergehende Stillsetzung des Meßgerätes bewirkt.

Nachteilig ist, daß die Beschleunigungen nicht quantitativ erfaßt werden, um Korrekturwerte für die Messung zu ermitteln, sondern bei Übersteigen eines bestimmten Grenzwertes für die gemessene Beschleunigung der Meßzyklus unterbrochen wird, um die Aufnahme der Meßwerte zu wiederholen. Diese Vorrichtung ist daher nur für gelegentliche Störungen geeignet. Bei häufigen Unterbrechungen wird die Meßzeit erheblich verlängert.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Meßverfahren bzw. eine Meßvorrichtung anzugeben, mit dem bzw. mit der es möglich ist, die aufgrund von äußeren Stör einflüssen erzeugten Meßfehler mit geringem Aufwand zuverlässig auszuglei chen, ohne dabei das Meßergebnis zu verfälschen.

Gelöst wird diese Aufgabe verfahrensgemäß durch die Schritte Erfassen der Beschleunigungen am Taster, Erfassen der Beschleunigungen am oder nahe am Meßobjekt, Berechnen von die Relativbewegung wiedergebenden Korrek turdaten aus den gemessenen Beschleunigungen und Korrigieren der von dem Meßroboter aufgenommenen Meßwerte mit den Korrekturdaten.

Vorrichtungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zweite Beschleuni gungsaufnehmer am Grundkörper vorgesehen sind und eine Auswertevorrich tung vorgesehen ist, die aus den Meßdaten der ersten und zweiten Beschleu nigungsaufnehmer Korrekturdaten berechnet.

Erfindungsgemäß wird die durch äußere Störeinflüsse, wie Erschütterungen und Schwingungen entstehende Relativbewegung zwischen Meßtaster und Grund körper auf der Basis von Beschleunigungsmessungen bestimmt und eine ent sprechende Korrektur der Meßergebnisse vorgenommen. An dem Meßort der Beschleunigungen wird die absolute Bewegung dieses Meßortes im Raum er faßt. Dies gilt sowohl für das Meßobjekt, nämlich durch die am Grundkörper des Meßroboters angeordneten Beschleunigungsaufnehmer, als auch für den Meßtaster und durch die am Meßtaster angeordneten Beschleunigungs aufnehmer.

Bei dem erfindungsgemäßen Meßverfahren werden die Beschleunigungen an einem vermeintlich nur die gewünschte Abtastbewegung vollführenden Punkt am Meßgerät erfaßt. Dasselbe wird parallel für einen vermeintlich feststehenden Punkt am Grundkörper durchgeführt. Aus den Beschleunigungswerten lassen sich dann rechnerisch, ohne einen bestimmten Bezugspunkt definieren zu müs sen, über bekannte Bewegungsgleichungen Korrekturwerte herleiten. Die be rechneten Korrekturdaten werden dann von den Wegmeßdaten abgezogen, so daß ein korrigiertes Meßsignal entsteht. Darüber hinaus können die beabsichtig ten Bewegungen des Meßgerätes bei der Korrekturdatenberechnung berück sichtigt werden, so daß dann nur die unerwünschte Relativbewegung, nämlich der Störanteil, eliminiert wird.

Damit kann die Konstruktion der Meßvorrichtung vereinfacht werden, insbeson dere kann der Materialaufwand reduziert werden. Ferner brauchen keine auf wendigen Schwingungsisolationsmaßnahmen vorgesehen werden. Dies führt insgesamt zu einer erheblichen Kostenreduzierung bei der Herstellung. Im Betrieb ist die Meßvorrichtung wirtschaftlicher, da sie möglichst nahe am Ferti gungsort der zu überprüfenden Objekte, beispielsweise direkt neben einem CNC-Zentrum, aufgestellt werden kann, ohne das Meßfehler aufgrund von Stör schwingungen zu befürchten sind.

Die Meßvorrichtung ist daher am oder nahe am Meßtaster mit ersten Beschleu nigungsaufnehmern ausgerüstet. Zur vollständigen Erfassung aller Bewegungs freiheitsgrade sind sechs erste Beschleunigungsaufnehmer vorzusehen. Mit entsprechender Ausrichtung der Beschleunigungsaufnehmer lassen sich somit lineare Beschleunigungen in X, Y, Z- Richtung sowie Drehungen um die X, Y, Z- Achse detektieren. Diese Art der Beschleunigungsmessung ist insbesondere für Meßvorrichtungen mit langen, mehrfach verstellbaren Meßarmen vorzusehen. Bei einer in einer bestimmten Raumrichtung stabilen Ausführung des Meßarmes können einzelne Komponenten der Beschleunigungsmessung zur Ver einfachung der Apparatur weggelassen werden.

Ferner ist die Meßvorrichtung mit zweiten Beschleunigungsaufnehmern am Grundkörper ausgestattet. Zur vollständigen Erfassung aller Bewegungsfrei heitsgrade sind auch hier bevorzugt sechs Beschleunigungsaufnehmer vorzu sehen. Mit entsprechender Ausrichtung der zweiten Beschleunigungsaufnehmer lassen sich somit lineare Beschleunigungen in X, Y, Z-Richtung sowie Dre hungen um die X, Y, Z-Achse am Grundkörper der Meßvorrichtung und somit am über die Halterungsvorrichtung fest verbundenen Meßobjekt detektieren. Zur Vereinfachung der Meßvorrichtung können einzelne Komponenten der Be schleunigungsmessung bei entsprechender stabiler Ausführung des Grundkör pers und/oder entsprechend nicht zu erwartenden Störungen aus dieser Raum richtung weggelassen werden.

Falls gewünscht, kann durch das Vorsehen einer größeren Zahl von Beschleu nigungsaufnehmern auch die Möglichkeit einer noch genaueren Bestimmung der Relativbewegung gegeben werden, etwa durch Anordnung von einigen zu sätzlichen über die jeweilige Mindestanzahl hinaus. Die redundanten Meßwerte können beispielsweise nach der Methode der kleinsten Quadrate gemittelt wer den, so daß sensorabhängige Meßfehler verringert werden.

Mit dem in Anspruch 6 angegebenen Kalibrierungsverfahren können Meßun genauigkeiten bei der Ermittlung des schwingungsbedingten Meßfehlers be rücksichtigt werden. Die Kalibrierung sollte vor jeder Messung bzw. Meßserie ausgeführt werden. Als Bezug für die Kalibrierung steht das Tastersignal zur Verfügung, wobei die Meßmaschine mit dem Meßobjekt wie für eine Messung konfiguriert wird und der Meßtaster in Kontakt zur Oberfläche des Meßobjekts gebracht wird, ohne das jedoch die Bewegungsachsen betätigt werden. Der Taster nimmt dann lediglich die schwingungsbedingten Bewegungskomponen ten auf. Wird das aus den Beschleunigungsaufnehmern gewonnene Fehler signal mit entsprechenden Kalibrierungskoeffizienten zum Ausgleich der Meß ungenauigkeiten versehen, so können diese Koeffizienten so angepaßt werden, daß die Differenz aus den als Fehlersignal berechneten Korrekturdaten und dem Meßtastersignal ein Minimum ergibt.

Typische systematische Meßungenauigkeiten haben folgende Hintergründe:

1. Der Auswertung der Signale aus den Beschleunigungsaufnehmern wird ein Übertragungsverhalten der Sensoren sowie der Sensorverstärker und son stiger Auswerteelektronik zugrundegelegt, das in der Regel vom tatsächli chen Übertragungsverhalten abweicht. Auch in dem einfachen Fall, daß eine über dem gesamten Frequenzbereich von Interesse konstante Empfindlich keit (als Umrechnungsfaktor zwischen dem vom Sensor gelieferten Signal und der entsprechenden Beschleunigung) vorausgesetzt werden kann, kann sich der Wert der Empfindlichkeit unter der Auswirkung externer Einflüsse ändern. Hinzu kommt, daß das tatsächliche Verhalten in der Regel frequenz abhängig ist. Darüber hinaus ist meistens eine Phasenverschiebung zwi schen Beschleunigung und Sensorsignal vorhanden, die von einem reellen Umrechnungsfaktor nicht berücksichtigt wird.
2. Die Berechnung der für den Meßfehler relevanten Komponente der Relativ bewegung zwischen Taster und Meßobjekt auf der Basis der Beschleuni gungssignale geht von der genauen Kenntnis der Position der Punkte aus, in denen die Beschleunigung gemessen wird, sowie des Antastpunktes des Meßtasters. In der Praxis sind jedoch diese Positionen nur im Rahmen ge wisser Toleranzen zu ermitteln.
3. Die Beschleunigungssensoren messen nicht genau richtungsselektiv. Es be steht eine gewisse Empfindlichkeit gegenüber Komponenten der Beschleu nigung, die normal zur nominalen Meßrichtung des Sensors sind. Diese Empfindlichkeit kann unter anderem stark durch Ungenauigkeiten in der Aus richtung des Sensors erhöht werden.

Für den Ausgleich der verschiedenen Effekte können Kalibrierungsverfahren verschiedener Komplexität eingesetzt werden. Im einfachsten Fall sind die Kali brierungskoeffizienten konstant und reell (einfache Umrechnungsfaktoren ohne Phasenverschiebung). Umfangreichere Prozeduren sind auch möglich, in denen die Koeffizienten z B. eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften besitzen:

- sie sind komplex (eine Phasenverschiebung ist auch berücksichtigt);
- sie sind frequenzabhängig;
- sie sind abhängig von der Position des Meßtasters relativ zum Meßobjekt.

Die Korrektur kann sowohl in digitaler als auch in analoger Form erfolgen. Im ersten Fall werden die digitalisierten Aufnehmersignale umgerechnet, im zweiten die Signale durch einstellbare Filter beeinflußt. Eine Kombination beider ist ebenso möglich.

Als Alternative bzw. als Ergänzung zur oben beschriebenen Kalibrierung kann die Meßmaschine mit Kalibrierungsvorrichtungen ausgestattet werden, die dazu dienen, auf konstruktive Art und Weise gewisse systematische Ungenauigkeiten zu reduzieren. Eine Vorrichtung, die insbesondere für Ungenauigkeiten der in den obigen Punkten 2 und 3 beschriebenen Art gedacht ist, besteht in einer speziellen Befestigung der Sensoren in justierbaren Halterungen, die eine Fein einstellung der Position und/oder der Ausrichtung der Sensoren ermöglicht. Dabei kann das Tastersignal als Bezug für die Feineinstellung verwendet wer den.

Die Meßdaten werden vorteilhaft über einen Analog-/Digital-Wandler einem Auswerterechner zugeführt, der mit einem Auswerteprogramm die gemessenen Beschleunigungen in entsprechende Korrekturdaten umwandelt.

Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnun gen detailliert beschrieben.

Darin zeigt:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Meßro boters;

Fig. 2 schematisch die Anordnung der Beschleunigungsaufnehmer an einem erfindungsgemäßen Meßroboter;

Fig. 3 eine schematische Seitenansicht einer alternativen Ausbildung zu Fig. 1 und

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung des Meßroboters.

In Fig. 1 ist ein als Formmeßmaschine ausgebildeter Meßroboter schematisch in Seitenansicht dargestellt. Der Meßroboter dient zur Erfassung von Form-, Lage- und Oberflächentoleranzen an einem zu messenden Objekt 100.

Die Meßvorrichtung hat einen im wesentlichen quaderförmigen Grundkörper 3, der auf Standfüßen 4 auf einer ebenen Unterlage bzw. einem Fundament auf stellbar ist. Auf dem Grundkörper 3 ist ein Verstelltisch in Form eines Verstell schlittens 10 angeordnet, auf dem eine Einspannvorrichtung 1 zum Haltern des Meßobjektes 100 vorgesehen ist. Die Einspannvorrichtung 1 weist zwei gegen überliegend angeordnete Einspannbacken 17 auf, die gegenläufig zueinander linear verstellbar sind, so daß ein dazwischen angeordnetes Meßobjekt 100 ein spannbar ist.

Der Verstellschlitten 10 ist in dem Grundkörper 3 auf zwei Lineartrieben 18, 18 gelagert, so daß der Schlitten 10 mit der Einspannvorrichtung 1 linear in einer horizontalen Richtung verstellbar ist. In dem in Fig. 1 dargestellten Ausfüh rungsbeispiel sind die Lineartriebe 18 senkrecht zur Zeichenebene, in Y-Rich tung angeordnet. Somit ist das in der Einspannvorrichtung 1 gehalterte Meßobjekt 100 linear in Y-Richtung verschiebbar.

An der gegenüberliegenden Oberseite des Meßgerätgehäuses 3 ist eine Meßarmbasis 5 vorgesehen, an der ein Meßarm 20 verschwenkbar befestigt ist. Der Meßarm 20 ist vorzugsweise in mehrere Abschnitte gegliedert, wobei die Ab schnitte zueinander verschwenkbar sind. Im in Fig. 1 dargestellten Ausfüh rungsbeispiel ist der Meßarm 20 zweigliedrig ausgebildet, wobei die beiden Ab schnitte des Meßarmes 20 über ein Gelenk 27 verbunden sind.

Am vom Grundkörper 3 abgewandten Ende des Meßarmes 20 ist ein Meßta ster 2 vorgesehen. Der Meßtaster 2 weist einen Meßfühler 28 auf, der das Meß objekt 100 entlang vorgegebener Linien abtastet. In dem Meßtaster 2 sind ent sprechende Wegaufnehmer vorgesehen, die die Ausschläge des Meßfühlers 28 präzise in Meßwerte umsetzen. Ferner sind am Meßtaster 2 sechs erste Beschleunigungsaufnehmer 21, 22, 23, 24, 25, 26 vorgesehen, die die am Kopf des Meßarmes 20 wirkenden Beschleunigungen aufnehmen.

Zur Messung von linearen Beschleunigungen sind drei Beschleunigungsaufneh mer 21, 22, 23 in drei zueinander senkrecht stehenden Raumrichtungen ange ordnet. Zusätzlich sind drei Beschleunigungsaufnehmer 24, 25, 26 vorgesehen, die zusammen mit den Aufnehmern 21, 22, 23 Drehbeschleunigungen um die drei Raumachsen detektieren. Mit diesen Beschleunigungsaufnehmern 21, 22, 23, 24, 25, 26 können alle sechs Freiheitsgrade von Bewegungen des Meßarm kopfes bestimmt werden.

Ergänzend zur Detektion der am Meßarm wirkenden Beschleunigungen sind am Verstellschlitten 10 oder am Grundkörper 3 zweite Beschleunigungsaufneh mer 11, 12, 13,14, 15,16 vorgesehen, die die Bewegungen des Grundkör pers 3 und damit des Verstellschlittens 10 mit der Einspannvorrichtung 1 und somit dem Meßobjekt 100 erfassen.

Zur Vereinfachung der Meßauswertung kann unter Umständen auf die Erfas sung von Beschleunigungswerten in allen sechs Bewegungsfreiheitsgraden verzichtet werden. Im in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel finden alle Messungen des Tasters in der X-Y-Ebene statt, deshalb sind Bewegungen in der Y-Richtung von geringerer Bedeutung als die in X- und Z-Richtung. In die sem Fall könnte daher auf den Beschleunigungsaufnehmer in Y-Richtung ver zichtet werden.

In Fig. 2 ist schematisch die Anordnung der Beschleunigungsaufnehmer an dem Meßroboter dargestellt. Zur Vereinfachung ist die Anordnung auf die Erfas sung von Beschleunigungen in einer Raumrichtung und um eine Drehachse beschränkt.

Der Meßkörper 3 des Meßroboters trägt einen Verstellschlitten oder Dreh tisch 10, der eine Einspannvorrichtung 1 aufweist. In der Einspannvorrichtung 1 ist das zu vermessende Objekt 100 in Spannbacken 17 eingespannt. Die Ver bindung zwischen Grundkörper 3 und Meßobjekt 100 ist aufgrund der massiven Ausführung und der festen Einspannung in der Einspannvorrichtung 1 als starr zu bezeichnen.

Der an einem nicht dargestellten Meßarm verschwenkbar befestigte Meßtaster 2 hat einen Wegaufnehmer, der die Bewegungen des im Meßtaster 2 angeord neten Meßfühlers 28 aufnimmt. Der Meßfühler 28 tastet mit seiner Spitze das Meßobjekt 100 ab.

Sowohl an dem Grundkörper 3 als auch an dem Meßtaster 2 ist je ein Paar Be schleunigungsaufnehmer 11, 12 und 21, 22 vorgesehen. Die in der Zeichen ebene in X-Richtung zueinander parallel angeordneten Beschleunigungsauf nehmer 11, 12 und 21, 22 erfassen Beschleunigungen in X-Richtung. Durch die parallele und beabstandete Anordnung zweier Beschleunigungsaufnehmer an einer Basis können zusätzlich Drehbewegungen um die orthogonal zur Zeichen ebene angeordnete Y-Achse aufgrund von Unterschieden im gemessenen Be schleunigungsbetrag detektiert werden.

Zur Korrektur des von dem Meßfühler 28 am Antastpunkt am Meßobjekt 100 erfaßten Meßwertes muß die unerwünschte Relativbewegung zwischen Meßob jekt 100 und Meßtaster 2 bestimmt werden. Die Relativbewegung zwischen diesen beiden Objekten wird aus den gemessenen Beschleunigungen, in dem hier vereinfachten Beispiel nur in X-Richtung, durch Differenzbildung und Inte gration bestimmt.

Dabei ist zu beachten, daß im Fall von Schwingungen keine konstanten bzw. linearen Anteile in der Bewegung zu erwarten sind, so daß keine Unbestimmt heit in der Integration entsteht. Es ist daher möglich, aus den erfaßten Be schleunigungswerten die Relativbewegungsbeträge zu berechnen und diese als Korrekturdaten von den am Meßtaster 2 aufgenommen Wegbeiträgen abzuziehen. Das Meßergebnis ist somit vom Störeinfluß aufgrund von Relativ bewegungen zwischen Meßtastern 2 und Meßobjekt 100 befreit.

An sich würde jetzt je ein Beschleunigungsaufnehmer am Meßobjekt 100 und am Meßtaster 2 genügen, aus deren Messungen die Differenz zu bilden ist. Beschleunigungen, denen beide Elemente gleichermaßen unterliegen, sind er sichtlich für das Ergebnis - eine Weg- oder Abstandsmessung - unerheblich.

Aus der Erfassung der Beschleunigungen an je zwei parallel und beabstandet angeordneten Beschleunigungsaufnehmern 11, 12 bzw. 21, 22 läßt sich, wie in Fig. 2 schematisch gezeigt der Relativbewegungsbetrag am Antastpunkt noch genauer bestimmen. Für die Relativbewegung aus am Grundkörper wirkenden Beschleunigungen ist auf der linken Seite in Fig. 2 ein Schema angegeben. Am Antastpunkt ist die Absolutbewegung u_a des Grundkörpers aus den Bewe gungskomponenten u₁ und u₂ zu bestimmen. Ebenso ist dies für die Absolut bewegungsbeträge u_b aus den Beschleunigungsaufnehmern am Meßtaster 2, wie in Fig. 2 auf der rechten Seite gezeigt, zu berechnen. Insgesamt gilt für die Relativbewegung: u_r = u_a - u_b.

Der in Fig. 1 dargestellte Verstellschlitten 10 kann alternativ oder ergänzend auch drehbar gelagert sein. Damit sind rotationssymmetrisch ausgebildete Meß objekte 100 vorteilhaft vom Meßtaster 2 zu erfassen. Der als Drehtisch ausge bildete Verstellschlitten 10 ist dabei um die Z-Achse, drehbar. Der mittels Ge lenk 27 zweifach gegliederte Meßarm 20 ist sowohl an der Meßarmbasis 5, wie auch am Gelenk 27 verschwenkbar ausgebildet. Im Grundkörper 3 an der Meß armbasis 5 sind entsprechende, nicht dargestellte Antriebselemente für die Ver schwenkung des Meßarmes 20 vorgesehen.

Der Meßausgang des im Meßtaster 2 angeordneten Wegaufnehmers sowie die Meßausgänge der Beschleunigungsaufnehmer 11 bis 16 und 21 bis 26 sind mittels Wirkleitungen 30 an einen Analog/Digital-Wandler 31 angeschlossen. Der digitale Meßausgang ist über eine digitale Datenleitung 32 an einen Aus werterechner 33 angeschlossen.

Nachfolgend wird eine mögliche Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrich tung beschrieben.

Ein auf bestimmte Maßhaltigkeit zu überprüfendes Objekt 100 wird auf dem Ver stellschlitten und/oder Drehtisch 10 aufgelegt und mit der Einspannvorrichtung 1 auf dem Verstellschlitten 10 befestigt. Dann wird der Meßarm 20 mit seinem am Meßtaster 2 angeordneten Meßfühler 28 an das Meßobjekt 100 herange schwenkt. Bei einem länglichen Meßobjekt 100 wird die Oberfläche des Meß objektes 100 durch Betätigung der Lineartriebe 18, also einer entlang der Y-Achse ausgerichteten Bewegung, linienförmig abgetastet. Häufig reicht die Abtastung einer Linie für die Messung aus, da nur das Einhalten vorgegebener Toleranzen überwacht werden muß. Es ist aber auch möglich, für eine vollstän dige Vermessung der Oberfläche wie folgt vorzugehen: Bei jeder Hin- und Her bewegung des auf dem Verstellschlitten 10 befestigten Meßobjektes 100 wird der Meßarm 20 um einen kleinen vorgegebenen Betrag verschwenkt, so daß der Meßfühler 28 des Meßtasters 2 eine neue Oberflächenlinie abtastet.

Zusätzlich kann beispielsweise der Verstelltisch 10 drehbar ausgebildet sein, so daß der Meßarm 20 problemlos auch die Rückseite des Meßobjektes 100 ver messen kann. Rotationssymmetrische Meßobjekte 100 können auf einem Dreh tisch gelagert und mit einer einstellbaren Drehzahl bewegt werden. Dabei tastet der Meßfühler 28 des Meßtasters 2 die Oberfläche des rotationssymmetrischen Meßobjektes 100 beispielsweise entlang einer Schraubenlinie ab. Sowohl die Drehzahl wie auch der Linienabstand werden je nach Anforderung der Meßge nauigkeit vorgewählt. Der Meßroboter erfaßt somit mittels seines Meßtasters 2 die gesamte Oberfläche des Meßobjektes 100, um Toleranzabweichungen des Meßobjektes von Sollwerten zu bestimmen. Bei der einfacheren wesentlich häufiger praktizierten Meßmethode werden nur eine oder zwei ringförmige Linien abgetastet.

Am Meßtaster 2 werden die Beschleunigungen an dem dem Grundkörper 3 abgewandten Ende des Meßarmes 20 mit Beschleunigungsaufnehmern 21, 22, 23, 24, 25, 26 gemessen. Die analogen Beschleunigungsmeßwerte werden über Wirkleitungen 30 dem Analog/Digital-Wandler 31 zugeführt und dort in digitale Signale gewandelt. Die digitalen Daten werden dann über die Datenlei tung 32 dem Auswerterechner 33 zugeführt. Im Auswerterechner 33 werden nach einem Auswerteprogramm als den Beschleunigungsdaten die Bewegun gen des Meßtasters 2 ermittelt. Zusätzlich werden Verschwenkbewegungen des Meßarmes 20 an den Auswerterechner 33 gemeldet.

Die am Grundkörper 3 bzw. am Verstellschlitten 10 angebrachten Beschleuni gungsaufnehmer 11, 12, 13, 14, 15, 16 ermitteln die absoluten Bewegungen des Meßobjektes 100. Sie dienen als Bezug für die mit den ersten Beschleuni gungsaufnehmern 21, 22, 23, 24, 25, 26 erfaßten absoluten Bewegungen und bestimmen damit die zu ermittelnden Relativbewegungen. Da der Grundkör per 3 bzw. der Verstellschlitten 10 mit dem Meßobjekt 100 über die Einspann vorrichtung 1 eine sehr starre Verbindung bildet, ist die Erfassung der Be schleunigungen am Grundkörper 3 bzw. am Verstellschlitten 10 mit einer Erfas sung am Meßobjekt 100 selbst gleichzusetzen.

In Fig. 3 und Fig. 4 ist in Seitenansicht und Perspektive eine andere Alterna tive dargestellt. Der Meßroboter mißt dort die Kreisförmigkeit eines Zylinders als Meßobjekt 100.

Auf dem wiederum quaderförmigen Grundkörper 3 ist hier ein entlang einer Säule 6 auf und abwärts verfahrbarer Meßarm 20 vorgesehen, der außerdem senkrecht zur Säule 6, also in horizontaler Richtung, verfahren werden kann. Seine Position ist genauestens definierbar. Aus seinem Ende ragt wiederum ein Meßfühler 28. Dieser tastet die Oberfläche des sich mit definierter Geschwindig keit drehenden Meßobjektes 100 auf dem Drehtisch 10 ab.

Die Genauigkeit der Geschwindigkeit des Drehtisches 10 beeinflußt die Korrekt heit der Oberflächenmessung in weit geringerem Maße als etwaige Abweichun gen senkrecht zur Drehachse. Die Beschleunigungsaufnehmer können daher sinnvoll so eingesetzt werden, daß sie Beschleunigungen des Drehtisches 10 bzw. seiner Lagerung senkrecht zur Achse detektieren. Eine Erfassung weiterer Beschleunigungskomponenten wäre aber auch möglich.

Aus den gemessenen Beschleunigungsdaten, je nach Ausführungsbeispiel für bis zu 2 _* 6 Komponenten, kann der Auswerterechner 33 die aufgrund von un erwünschten Schwingungen und anderen Störeinflüssen entstehenden unge wollten Relativbewegungen des Meßtasters 2 zum Meßobjekt 100 ermitteln. Die so berechneten Korrekturdaten werden dann von den Meßdaten des Meßta sters 2 abgezogen. Damit werden die aufgrund von unerwünschten Bewegun gen des Meßtasters 2 relativ zum Meßobjekt 100 entstehenden Meßfehler kor rigiert.

Zur Verringerung des Auswerteaufwandes können bevorzugt nur die Beschleu nigungskomponenten senkrecht zur Bewegungsrichtung des Verstellschlit tens 10, im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 zum Beispiel in X-Richtung, be rücksichtigt werden. Folglich wird dann lediglich ein Beschleunigungsaufneh mer 11 am Verstellschlitten 10 vorgesehen und dessen Meßsignal wird eben falls über Wirkleitungen dem Analog/Digital-Wandler 31 und über Datenlei tung 32 an den Auswerterechner 33 übermittelt. Sofern in Sonderfällen erforder lich werden gewünschte lineare Verstellbewegungen des Verstellschlittens 10 durch die Lineartriebe 18 an den Auswerterechner 33 gemeldet, um diese be absichtigte Bewegungen nicht in die Korrekturdatenberechnung einfließen zu lassen.

Nachfolgend wird eine Berechnungsmethode zur Ermittlung der für den Meßfehler relevanten Bewegungskomponenten beschrieben.

Diese Prozedur gilt unter der Annahme, daß das mikroskopische, schwingungs induzierte Bewegungsfeld des Tasters, zumindest in dem Bereich, in dem sich die Sensoren befinden, gut mit einer Starrkörperbewegung angenähert werden kann. Das gleiche gilt für den Grundkörper.

Mit Bezug auf ein gewähltes Achsensystem kann die Starrkörperbewegung des Tasters durch sechs Parameter definiert werden:

Dabei stellen u, v, w drei Transiationen entlang der Achse x, y und z dar und δ, Φ, Ψ respektiv drei Rotationen um die Achsen. Für die Verschiebung des allge meinen Punktes von Koordinaten x, y, z in die von den Richtungscosinus α, β, γ definierte Richtung gilt

u(x, y, z, α, β, γ) = U s,

wobei für die Umrechnungsmatrix

U (x, y, z, α β, γ) = [α, β, γ, (-βz + γy), (αz - γx), (-αy + βx)]

gilt.

Sei der Meßtaster mit n Beschleunigungssensoren ausgestattet (bi- oder tri axiale Sensoren werden hier als 2 bzw. 3 getrennte Sensoren berücksichtigt). Seien entsprechend

x₁, x₂, . . . , x_n; y₁, y₂, . . . , y_n; z₁, z₂, . . . , z_n

die Koordinaten der Punkte, in denen die Beschleunigungen gemessen werden, bezogen auf ein bestimmtes Achsensystem. Die entsprechenden Meßrichtun gen seien von den Richtungscosinus

α₁, α₂, . . . α_n; β₁, β₂, . . . , β_n; γ₁, γ₂, . . . , γ_n

definiert.

So gibt es n U-Matrizen, die man reihenweise in einer n_*6 Matrix sammeln kann:

Seien nun die Beschleunigungssignale im Vektor b gesammelt, wie folgt:

so gilt b = Ts.

Wenn n = 6, läßt sich schreiben:

s=T^-1b

Die Inversion der Transformationsmatrix T und somit die Berechnung der Starr körperbewegung ist nur dann möglich, wenn

det(T)≠0

das heißt, wenn die Beschleunigungsaufnehmer voneinander unabhängige Signale liefern.

Sind mehr als sechs unabhängige Sensoren vorhanden, ergibt sich eine Redun danz, die dazu ausgenutzt werden kann, um die Auswirkungen von Meßunge nauigkeiten zu reduzieren. Die Starrkörperbewegung wird dann als Ergebnis eines Optimierungsverfahrens berechnet, z. B. mit der Methode der kleinsten Quadrate:

s = (T^TT)^-1 T^Tb.

Die gleiche Prozedur kann für die Bestimmung der Starrkörperbewegung des Grundkörpers als Funktion der am Grundkörper gemessenen Beschleunigungen eingesetzt werden. Es werden also zwei Vektoren s_T und s_G bestimmt, jeweils für den Taster und für den Grundkörper.

Sind nun x_m, y_m, z_m die Koordinaten des Antastpunktes und α_m, β_m, γ_m die Richtungscosinus der Tastermeßvorrichtung, so errechnet sich die für das Tastersignal relevante Komponente der Relativbewegung zwischen Taster und Meßobjekt wie folgt:

u = U(x_m, y_m, z_m, α_m, β_m, γ_m) (s_G - s_T).

Nach zweifacher Integration ergibt sich aus der Beschleunigung ein zur Ver schiebung proportionales Signal.

Je nach Anwendungsfall kann aus dieser allgemeinen Prozedur eine verein fachte Prozedur abgeleitet werden, in der das Bewegungsfeld mit weniger als sechs Koordinaten beschrieben wird. Ist zum Beispiel der Meßtaster nur in der Lage, in einer bestimmten Ebene zu messen, und werden die Beschleunigun gen in der gleichen Ebene gemessen, so reichen drei Starrkörperkoordinaten (zwei Translationen und eine Drehung), um das Bewegungsfeld zu bestimmen.

Im Ergebnis werden mit dem erfindungsgemäßen Meßroboter fremdeinwirkende Schwingungen und Störeinflüsse erfaßt, so daß der aufgrund dieser Störeinflüsse entstehende Meßfehler korrigiert werden kann. Der Meßroboter ermittelt damit den Verlauf vorbestimmter Profillinien auf der Oberfläche eines Meßobjektes mit hoher Genauigkeit. Die Schwenkbewegungen des Meßtasters sowie die Linear- und/oder Drehbewegung des Verstellschlittens werden vor zugsweise nach einem vorgegebenen Bewegungsablauf unter Kontrolle des Auswerterechners durchgeführt.

Bezugszeichenliste

1 Halterungsvorrichtung, Einspannvorrichtung
2 Meßtaster
3 Grundkörper
4 Standfuß
5 Meßarmbasis
6 Säule
10 Verstelltisch, als Verstellschlitten und/oder Drehtisch
11 Beschleunigungsaufnehmer
12 Beschleunigungsaufnehmer
13 Beschleunigungsaufnehmer
14 Beschleunigungsaufnehmer
15 Beschleunigungsaufnehmer
16 Beschleunigungsaufnehmer
17 Einspannbacke
18 Lineartrieb
20 Meßarm
21 Beschleunigungsaufnehmer
22 Beschleunigungsaufnehmer
23 Beschleunigungsaufnehmer
24 Beschleunigungsaufnehmer
25 Beschleunigungsaufnehmer
26 Beschleunigungsaufnehmer
27 Gelenk
28 Meßfühler
30 Wirkleitung
31 ND-Wandler
32 digitale Datenleitung
33 Auswerterechner
100 Meßobjekt

Claims

1. Verfahren zur Korrektur von durch Relativbewegungen zwischen Meßobjekt und Meßtaster entstehenden Meßfehlern an einem Meßroboter,
gekennzeichnet durch die Schritte:
Erfassen der Beschleunigungen am Taster,
Erfassen der Beschleunigungen am oder nahe am Meßobjekt,
Berechnen von die Relativbewegung wiedergebenden Korrekturdaten aus den gemessenen Beschleunigungen und
Korrigieren der von dem Meßroboter aufgenommenen Meßwerte mit den Korrekturdaten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Relativbewegungen wiedergebenden Korrekturdaten durch Diffe renzbildung und zweifache Integration aus den gemessenen Beschleuni gungswerten errechnet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgrund von beabsichtigten Bewegungen hervorgerufenen Be schleunigungen nicht in die Korrekturdatenberechnung einfließen.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungen im Raum in drei translatorischen und drei rotatori schen Bewegungsrichtungen vollständig erfaßt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gewünschten Beschleunigungskomponenten mit überbestimmter Anzahl von Beschleunigungsaufnehmern erfaßt und die Meßwerte gemittelt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß vor einer Messung eine Kalibrierung durchgeführt wird, bei der
der Meßtaster in Kontakt zur Oberfläche des Meßobjekts gebracht wird,
keine Meßbewegung ausgeführt wird,
Korrekturdaten berechnet werden,
die berechneten Korrekturdaten mit dem Meßtastersignal verglichen werden und
daraus Kalibrierungskoeffizienten berechnet werden.

7. Meßroboter zur Form- und/oder Koordinatenbestimmung an einem Meßob jekt (100) mit einem Grundkörper (3), wenigstens einem beweglichen, am Grundkörper (3) angeordneten Meßtaster (2) und einer auf dem Grundkör per (3) angeordneten Halterungsvorrichtung (1) zum Haltern des Meßob jekts (100), wobei am oder nahe dem Meßtaster (2) erste Beschleunigungs aufnehmer (21-26) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zweite Beschleunigungsaufnehmer (11-16) am Grundkörper (3) vorge sehen sind und eine Auswertevorrichtung (31-33) vorgesehen ist, die aus den Meßdaten der ersten und zweiten Beschleunigungsaufnehmer (11-16, 21-26) Korrekturdaten berechnet.

8. Meßroboter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens sechs erste Beschleunigungsaufnehmer (21-26) vorgesehen sind, die die drei Raumrichtungen sowie die drei möglichen Drehrichtungen erfassen.

9. Meßroboter nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens sechs zweite Beschleunigungsaufnehmer (11-16) vorgese hen sind, die die drei Raumrichtungen sowie die drei möglichen Drehrichtun gen erfassen.

10. Meßroboter nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Beschleunigungsaufnehmer (11-16) am Grundkörper (3) nahe der Halterungsvorrichtung (1) angeordnet sind.

11. Meßroboter nach Anspruch 7, 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Beschleunigungsaufnehmer (11-16, 21-26) in einer in seiner Posi tion und/oder Ausrichtung nachjustierbaren Halterung angeordnet ist.

12. Meßroboter nach Anspruch 7, 8, 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertevorrichtung einen Analog-/Digital-Wandler (31) und einen Auswerterechner (33) aufweist, wobei der Analog-/Digital-Wandler (31) die Meßdaten der Beschleunigungsaufnehmer (11, 12, 13, 14, 15, 16, 21, 22, 23, 24, 25, 26) digitalisiert und an den Auswerterechner (33) weiterleitet.

13. Meßroboter nach Anspruch 7, 8, 9, 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Halterungsvorrichtung eine Einspannvorrichtung (1) mit Einspann backen (17) vorgesehen ist.

14. Meßroboter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspannvorrichtung (1) auf einem Verstelltisch (10) angeordnet ist, der verdrehbar und/oder linear verschiebbar ist.