DE19637554B4

DE19637554B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Meßfehlerausgleich bei Meßrobotern

Info

Publication number: DE19637554B4
Application number: DE19637554A
Authority: DE
Inventors: Lucio Flavio Campanile
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1995-09-19
Filing date: 1996-09-14
Publication date: 2004-01-08
Anticipated expiration: 2016-09-15
Also published as: JPH09126807A; DE19637554A1; US5778549A; JP3032158B2

Abstract

Verfahren zur Korrektur von durch Relativbewegungen zwischen Messobjekt und Messtaster entstehenden Messfehlern an einem Messroboter mit folgenden Schritten:
– Erfassen der translatorischen Beschleunigungen am Taster,
– Erfassen wenigstens einer rotatorischen Beschleunigung am Taster,
– Erfassen der translatorischen Beschleunigungen am oder nahe am Messobjekt,
– Erfassen wenigstens einer rotatorischen Beschleunigung am oder nahe am Messobjekt,
– Berechnen von Korrekturdaten aus den gemessenen Beschleunigungen von Taster und Messobjekt, die die Relativbewegungen von Taster und Messobjekt darstellen, und
– Korrigieren der von dem Messroboter aufgenommenen Messwerte mit den Korrekturdaten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Korrektur von durch Relativbewegungen zwischen Messobjekt und Messtaster entstehenden Messfehlern an einem Messroboter. Ferner betrifft die Erfindung einen Messroboter zur Form- und/oder Koordinatenbestimmung an einem Messobjekt mit einem Grundkörper, wenigstens einem beweglichen, am Grundkörper angeordneten Messtaster und einer auf dem Grundkörper angeordneten Halterungsvorrichtung zum Haltern des Messobjekts, wobei am oder nahe dem Messtaster erste Beschleunigungsaufnehmer für translatorische Beschleunigungen angeordnet sind, wobei am Grundkörper zweite Beschleunigungsaufnehmer für translatorische Beschleunigungen vorgesehen sind und wobei eine Auswertevorrichtung vorgesehen ist, die aus den Messdaten der ersten und zweiten Beschleunigungsaufnehmer Korrekturdaten berechnet.
Derartige Messvorrichtungen sind in der Fertigungsindustrie als Messroboter bekannt. Die Aufgabe derartiger Messroboter besteht in der Erfassung von Abmessungen bzw. deren Abweichungen von einem vorgegebenen Wert an einem zu vermessenden Objekt. Dabei wird der Verlauf bestimmter Profile auf der Oberfläche 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 Oberflächentoleranzen zu prüfen.
Diese Messroboter, die beispielsweise als Formmessmaschine oder Koordinatenmessgerät ausgebildet sind, haben einen Grundkörper mit einer Einspannvorrichtung, auf der das Prüfobjekt befestigt wird, und einem beweglichen Messtaster, an dem der für die Ermittlung des Profils zuständige Wegaufnehmer angebracht 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 Messobjekt lässt sich dennoch die gesamte Oberfläche des Messobjektes abtasten. Wesentlich ist, dass zur Formmessung der Messtaster relativ zum Messobjekt bewegt 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 Schwingungsbeanspruchung, 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 Drehbänke, Bohrmaschinen, CNC-Arbeitszentren, Förderbänder etc. im Einsatz. Diese Störschwingungen führen zu unerwünschten Relativbewegungen zwischen Messtaster und Messobjekt. In der Folge führt dies zu Messfehlern.
Ein hoch präzises Messergebnis ist daher nur zu erreichen, wenn der Messroboter 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 Möglichkeit der Aufstellungsort schwingungsmäßig abgeschirmt. Alle diese Maßnahmen sind äußerst kostenaufwendig.
Außerdem wird versucht, die aufgezeichneten Messdaten zu filtern, um hochfrequente 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 Ungenauigkeiten in diesem Frequenzbereich eliminiert werden. Insbesondere begrenzt eine derartige Tiefpassfilterung der Messdaten die Messgeschwindigkeit, da das gewünschte Messsignal mit Geschwindigkeitssteigerung der Relativbewegung ebenfalls hochfrequenter wird.
Es ist auch kaum möglich, die Messung mehrfach durchzuführen, um beispielsweise durch Mittelwertbildung den Störanteil zu unterdrücken, da aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten ein möglichst hoher Durchsatz von zu messenden Objekten 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 Störschwingungen mit Hilfe von drei an dem Messkopf des Koordinatenmessgeräts angeordneten Beschleunigungssensoren gespeichert. Die Messwerte der Sensoren werden mit gespeicherten Korrekturparametern verglichen, welche die Eigenfrequenz und die Dämpfung der Schwingungen sowie die Amplituden- und Phaseninformation der zu den Störschwingungen beitragenden Eigenformen der Schwingung beschreiben. 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 Eigenfrequenzen, 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 Berücksichtigung der Schwingungen des Werkstücktisches angeordnet sein, der die von der Masse des Messobjekts abhängigen Korrekturparameter berücksichtigt.

Aus der DE 43 45 095 C1 ist eine Messmaschine zur exakten Bestimmung von Raumpunkten bekannt, bei dem ein mehrachsiges Transportsystem zur Aufnahme der bei der Bewegung auftretenden Transport- und Gewichtskräfte ausgelegt ist, während ein entsprechendes, mehrachsiges Bezugssystem die auftretenden Relativbewegungen frei von äußeren Krafteinwirkungen misst. Damit kann zwar die Relativbewegung zwischen Taster und Messobjekt räumlich vollständig ermittelt werden; jedoch geschieht dies nicht mit Beschleunigungsaufnehmern, sondern mit dem sogenannten mehrachsigen Bezugssystem. Dies dient dazu, durch Wegsensoren die Relativbewegung zwischen den verschiedenen 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 auftretenden Fehler aufsummiert werden. Darüber hinaus ist die Messvorrichtung fertigungstechnisch aufwendig und im Betrieb empfindlich.

Ferner ist aus der DE 38 01 893 A1 ein programmsteuerbares, selbsttätig messendes Gerät bekannt, das zur Erfassung von Störschwingungen, welche Fehlmessungen verursachen, mit einem an der Gerätebasis schwingungssteif befestigten Beschleunigungssensor ausgerüstet ist. Die Beschleunigungen werden in drei Koordinaten getrennt aufgenommen und mit einer Signalauswerteeinrichtung ein den Betrag des Schwingungsvektors repräsentierendes Ausgangssignal erzeugt, das bei Überschreiten eines gegebenen Grenzwertes eine vorübergehende 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 Störeinflüssen erzeugten Messfehler noch besser als im Stand der Technik zu erfassen und mit relativ geringem Aufwand möglichst zuverlässig auszugleichen, und dabei das Messergebnis möglichst wenig zu verfälschen.

Gelöst wird diese Aufgabe verfahrensgemäß durch die Schritte Erfassen der translatorischen Beschleunigungen am Taster, Erfassen wenigstens einer rotatorischen Beschleunigung am Taster, Erfassen der translatorischen Beschleunigungen am oder nahe am Messobjekt, Erfassen wenigstens einer rotatorischen Beschleunigung am oder nahe am Messobjekt, Berechnen von Korrekturdaten aus den gemessenen Beschleunigungen von Taster und Messobjekt, die die Relativbewegungen von Taster und Messobjekt darstellen, und Korrigieren der von dem Messroboter aufgenommenen Messwerte mit den Korrekturdaten.

Vorrichtungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass weitere erste und zweite Beschleunigungsaufnehmer vorgesehen sind, die zusammen mit den ersten und zweiten Beschleunigungsaufnehmern rotatorische Beschleunigungen von Taster und Messobjekt erfassen.

Erfindungsgemäß wird die durch äußere Störeinflüsse, wie Erschütterungen und Schwingungen, entstehende Relativbewegung zwischen Messtaster und Grundkörper auf der Basis von Beschleunigungsmessungen bestimmt und eine entsprechende Korrektur der Messergebnisse vorgenommen. An dem Messort der Beschleunigungen wird die absolute Bewegung dieses Messortes im Raum erfasst. 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 Beschleunigungsaufnehmer.

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 müssen, über bekannte Bewegungsgleichungen Korrekturwerte herleiten. Die berechneten Korrekturdaten werden dann von den Wegmessdaten abgezogen, so dass ein korrigiertes Messsignal entsteht. Darüber hinaus können die beabsichtigten Bewegungen des Messgerätes bei der Korrekturdatenberechnung berücksichtigt werden, so dass dann nur die unerwünschte Relativbewegung, nämlich der Störanteil, eliminiert wird.

Damit kann die Konstruktion der Messvorrichtung vereinfacht werden; insbesondere kann der Materialaufwand reduziert werden. Ferner brauchen keine aufwendigen Schwingungsisolationsmaßnahmen vorgesehen werden. Dies führt insgesamt zu einer erheblichen Kostenreduzierung bei der Herstellung. Im Betrieb ist die Messvorrichtung wirtschaftlicher, da sie möglichst nahe am Fertigungsort der zu überprüfenden Objekte, beispielsweise direkt neben einem CNC-Zentrum, aufgestellt werden kann, ohne dass Messfehler aufgrund von Störschwingungen zu befürchten sind.

Die Messvorrichtung ist daher am oder nahe am Messtaster mit ersten Beschleunigungsaufnehmern ausgerüstet. Zur vollständigen Erfassung aller Bewegungsfreiheitsgrade 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 Vereinfachung der Apparatur weggelassen werden.

Ferner ist die Messvorrichtung mit zweiten Beschleunigungsaufnehmern am Grundkörper ausgestattet. Zur vollständigen Erfassung aller Bewegungsfreiheitsgrade sind auch hier bevorzugt sechs Beschleunigungsaufnehmer vorzusehen. Mit entsprechender Ausrichtung der zweiten Beschleunigungsaufnehmer lassen sich somit lineare Beschleunigungen in X-, Y-, Z-Richtung sowie Drehungen 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 Beschleunigungsmessung bei entsprechender, stabiler Ausführung des Grundkörpers und/oder entsprechend nicht zu erwartenden Störungen aus dieser Raumrichtung weggelassen werden.

Falls gewünscht, kann durch das Vorsehen einer größeren Zahl von Beschleunigungsaufnehmern auch die Möglichkeit einer noch genaueren Bestimmung der Relativbewegung gegeben werden, etwa durch Anordnung von einigen zusätzlichen über die jeweilige Mindestanzahl hinaus. Die redundanten Messwerte können beispielsweise nach der Methode der kleinsten Quadrate gemittelt werden, so dass sensorabhängige Messfehler verringert werden.

Mit dem in Anspruch 6 angegebenen Kalibrierungsverfahren können Messungenauigkeiten bei der Ermittlung des schwingungsbedingten Messfehlers berücksichtigt 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 Bewegungskomponenten auf. Wird das aus den Beschleunigungsaufnehmern gewonnene Fehlersignal mit entsprechenden Kalibrierungskoeffizienten zum Ausgleich der Messungenauigkeiten 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 sonstiger Auswerteelektronik zugrundegelegt, das in der Regel vom tatsächlichen Übertragungsverhalten abweicht. Auch in dem einfachen Fall, dass eine über dem gesamten Frequenzbereich von Interesse konstante Empfindlichkeit (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 frequenzabhängig ist. Darüber hinaus ist meistens eine Phasenverschiebung zwischen Beschleunigung und Sensorsignal vorhanden, die von einem reellen Umrechnungsfaktor nicht berücksichtigt wird.
2. Die Berechnung der für den Meßfehler relevanten Komponente der Relativbewegung zwischen Taster und Messobjekt auf der Basis der Beschleunigungssignale 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 gewisser Toleranzen zu ermitteln.
3. Die Beschleunigungssensoren messen nicht genau richtungsselektiv. Es besteht 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 Ausrichtung des Sensors erhöht werden.

Für den Ausgleich der verschiedenen Effekte können Kalibrierungsverfahren verschiedener Komplexität eingesetzt werden. Im einfachsten Fall sind die Kalibrierungskoeffizienten 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 Fall 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 Feineinstellung der Position und/oder der Ausrichtung der Sensoren ermöglicht. Dabei kann das Tastersignal als Bezug für die Feineinstellung verwendet werden.

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 Zeichnungen detailliert beschrieben.
Darin zeigt:
1 eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Messroboters;
2 schematisch die Anordnung der Beschleunigungsaufnehmer an einem erfindungsgemäßen Messroboter;
3 eine schematische Seitenansicht einer alternativen Ausbildung zu 1 und
4 eine perspektivische Darstellung des Messroboters.
In 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 aufstellbar ist. Auf dem Grundkörper 3 ist ein Verstelltisch in Form eines Verstellschlittens 10 angeordnet, auf dem eine Einspannvorrichtung 1 zum Haltern des Meßobjektes 100 vorgesehen ist. Die Einspannvorrichtung 1 weist zwei gegenüberliegend angeordnete Einspannbacken 17 auf, die gegenläufig zueinander linear verstellbar sind, so daß ein dazwischen angeordnetes Meßobjekt 100 einspannbar 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 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Lineartriebe 18 senkrecht zur Zeichenebene, in Y-Richtung 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 Abschnitte zueinander verschwenkbar sind. Im in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Meßarm 20 zweigliedrig ausgebildet, wobei die beiden Abschnitte des Meßarmes 20 über ein Gelenk 27 verbunden sind.
Am vom Grundkörper 3 abgewandten Ende des Meßarmes 20 ist ein Meßtaster 2 vorgesehen. Der Meßtaster 2 weist einen Meßfühler 28 auf, der das Meßobjekt 100 entlang vorgegebener Linien abtastet. In dem Meßtaster 2 sind entsprechende 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 Beschleunigungsaufnehmer 21, 22, 23 in drei zueinander senkrecht stehenden Raumrichtungen angeordnet. 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 Meßarmkopfes bestimmt werden.
Ergänzend zur Detektion der am Meßarm wirkenden Beschleunigungen sind am Verstellschlitten 10 oder am Grundkörper 3 zweite Beschleunigungsaufnehmer 11, 12, 13, 14, 15, 16 vorgesehen, die die Bewegungen des Grundkörpers 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 Erfassung von Beschleunigungswerten in allen sechs Bewegungsfreiheitsgraden verzichtet werden. Im in 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 verzichtet werden.
In 2 ist schematisch die Anordnung der Beschleunigungsaufnehmer an dem Meßroboter dargestellt. Zur Vereinfachung ist die Anordnung auf die Erfassung von Beschleunigungen in einer Raumrichtung und um eine Drehachse beschränkt.
Der Meßkörper 3 des Meßroboters trägt einen Verstellschlitten oder Drehtisch 10, der eine Einspannvorrichtung 1 aufweist. In der Einspannvorrichtung 1 ist das zu vermessende Objekt 100 in Spannbacken 17 eingespannt. Die Verbindung 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 angeordneten 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 Beschleunigungsaufnehmer 11, 12 und 21, 22 vorgesehen. Die in der Zeichenebene in X-Richtung zueinander parallel angeordneten Beschleunigungsaufnehmer 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 Zeichenebene angeordnete Y-Achse aufgrund von Unterschieden im gemessenen Beschleunigungsbetrag detektiert werden.
Zur Korrektur des von dem Meßfühler 28 am Antastpunkt am Meßobjekt 100 erfaßten Meßwertes muß die unerwünschte Relativbewegung zwischen Meßobjekt 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 Integration bestimmt.
Dabei ist zu beachten, daß im Fall von Schwingungen keine konstanten bzw. linearen Anteile in der Bewegung zu erwarten sind, so daß keine Unbestimmtheit in der Integration entsteht. Es ist daher möglich, aus den erfaßten Beschleunigungswerten die Relativbewegungsbeträge zu berechnen und diese als Korrekturdaten von den am Meßtaster 2 aufgenommenen Wegbeiträgen abzuziehen. Das Meßergebnis ist somit vom Störeinfluß aufgrund von Relativbewegungen 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 ersichtlich 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 2 schematisch gezeigt, der Relativbewegungsbetrag am Antastpunkt noch genauer bestimmen. Für die Relativbewegung aus am Grundkörper wirkenden Beschleunigungen ist auf der linken Seite in 2 ein Schema angegeben. Am Antastpunkt ist die Absolutbewegung u_a des Grundkörpers aus den Bewegungskomponenten u₁ und u₂ zu bestimmen. Ebenso ist dies für die Absolutbewegungsbeträge u_b aus den Beschleunigungsaufnehmern am Meßtaster 2, wie in 2 auf der rechten Seite gezeigt, zu berechnen. Insgesamt gilt für die Relativbewegung: u_r = u_a – u_b.
Der in 1 dargestellte Verstellschlitten 10 kann alternativ oder ergänzend auch drehbar gelagert sein. Damit sind rotationssymmetrisch ausgebildete Meßobjekte 100 vorteilhaft vom Meßtaster 2 zu erfassen. Der als Drehtisch ausgebildete Verstellschlitten 10 ist dabei um die Z-Achse drehbar. Der mittels Gelenk 27 zweifach gegliederte Meßarm 20 ist sowohl an der Meßarmbasis 5, wie auch am Gelenk 27 verschwenkbar ausgebildet. Im Grundkörper 3 an der Meßarmbasis 5 sind entsprechende, nicht dargestellte Antriebselemente für die Verschwenkung 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 Auswerterechner 33 angeschlossen.
Nachfolgend wird eine mögliche Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben.
Ein auf bestimmte Maßhaltigkeit zu überprüfendes Objekt 100 wird auf dem Verstellschlitten 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 herangeschwenkt. Bei einem länglichen Meßobjekt 100 wird die Oberfläche des Meßobjektes 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 vollständige Vermessung der Oberfläche wie folgt vorzugehen: Bei jeder Hin- und Herbewegung 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 vermessen kann. Rotationssymmetrische Meßobjekte 100 können auf einem Drehtisch 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 Meßgenauigkeit 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 Datenleitung 32 dem Auswerterechner 33 zugeführt. Im Auswerterechner 33 werden nach einem Auswerteprogramm aus den Beschleunigungsdaten die Bewegungen des Meßtasters 2 ermittelt. Zusätzlich werden Verschwenkbewegungen des Meßarmes 20 an den Auswerterechner 33 gemeldet.
Die am Grundkörper 3 bzw. am Verstellschlitten 10 angebrachten Beschleunigungsaufnehmer 11, 12, 13, 14, 15, 16 ermitteln die absoluten Bewegungen des Meßobjektes 100. Sie dienen als Bezug für die mit den ersten Beschleunigungsaufnehmern 21, 22, 23, 24, 25, 26 erfaßten, absoluten Bewegungen und bestimmen damit die zu ermittelnden Relativbewegungen. Da der Grundkörper 3 bzw. der Verstellschlitten 10 mit dem Meßobjekt 100 über die Einspannvorrichtung 1 eine sehr starre Verbindung bildet, ist die Erfassung der Beschleunigungen am Grundkörper 3 bzw. am Verstellschlitten 10 mit einer Erfassung am Meßobjekt 100 selbst gleichzusetzen.
In 3 und 4 ist in Seitenansicht und Perspektive eine andere Alternative 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 Geschwindigkeit drehenden Meßobjektes 100 auf dem Drehtisch 10 ab.
Die Genauigkeit der Geschwindigkeit des Drehtisches 10 beeinflußt die Korrektheit der Oberflächenmessung in weit geringerem Maße als etwaige Abweichungen 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 unerwünschten Schwingungen und anderen Störeinflüssen entstehenden, ungewollten Relativbewegungen des Meßtasters 2 zum Meßobjekt 100 ermitteln. Die so berechneten Korrekturdaten werden dann von den Meßdaten des Meßtasters 2 abgezogen. Damit werden die aufgrund von unerwünschten Bewegungen des Meßtasters 2 relativ zum Meßobjekt 100 entstehenden Meßfehler korrigiert.
Zur Verringerung des Auswerteaufwandes können bevorzugt nur die Beschleunigungskomponenten senkrecht zur Bewegungsrichtung des Verstellschlittens 10, im Ausführungsbeispiel nach 1 zum Beispiel in X-Richtung, berücksichtigt werden. Folglich wird dann lediglich ein Beschleunigungsaufnehmer 11 am Verstellschlitten 10 vorgesehen, und dessen Meßsignal wird ebenfalls über Wirkleitungen dem Analog/Digital-Wandler 31 und über Datenleitung 32 an den Auswerterechner 33 übermittelt. Sofern in Sonderfällen erforderlich, werden gewünschte, lineare Verstellbewegungen des Verstellschlittens 10 durch die Lineartriebe 18 an den Auswerterechner 33 gemeldet, um diese beabsichtigte 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, schwingungsinduzierte 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 Translationen entlang der Achse x, y und z dar und ?, ϕ, ψ respektiv drei Rotationen um die Achsen. Für die Verschiebung des allgemeinen Punktes von Koordinaten x, y, z in die von den Richtungscosinus α, β, γ definierte Richtung gilt: u(x,y,z,α,β,γ) = Us, wobei für die Umrechnungsmatrix:
gilt.
Sei der Meßtaster mit n Beschleunigungssensoren ausgestattet (bi- oder triaxiale Sensoren werden hier als 2 bzw. 3 getrennte Sensoren berücksichtigt). Seien entsprechend:
die Koordinaten der Punkte, in denen die Beschleunigungen gemessen werden, bezogen auf ein bestimmtes Achsensystem. Die entsprechenden Meßrichtungen seien von den Richtungscosinus:
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 Starrkörperbewegung 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 Redundanz, die dazu ausgenutzt werden kann, um die Auswirkungen von Meßungenauigkeiten zu reduzieren. Die Starrkörperbewegung wird dann als Ergebnis eines Optimierungsverfahrens berechnet, z.B. mit der Methode der kleinsten Quadrate: s = (TT T)–1 TT b
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:
Nach zweifacher Integration ergibt sich aus der Beschleunigung ein zur Verschiebung proportionales Signal.
Je nach Anwendungsfall kann aus dieser allgemeinen Prozedur eine vereinfachte 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 Beschleunigungen 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 vorzugsweise nach einem vorgegebenen Bewegungsablauf unter Kontrolle des Auswerterechners durchgeführt.

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: A/D-Wandler
32: Digitale Datenleitung
33: Auswerterechner
100: Meßobjekt

Claims

Verfahren zur Korrektur von durch Relativbewegungen zwischen Messobjekt und Messtaster entstehenden Messfehlern an einem Messroboter mit folgenden Schritten: – Erfassen der translatorischen Beschleunigungen am Taster, – Erfassen wenigstens einer rotatorischen Beschleunigung am Taster, – Erfassen der translatorischen Beschleunigungen am oder nahe am Messobjekt, – Erfassen wenigstens einer rotatorischen Beschleunigung am oder nahe am Messobjekt, – Berechnen von Korrekturdaten aus den gemessenen Beschleunigungen von Taster und Messobjekt, die die Relativbewegungen von Taster und Messobjekt darstellen, und – Korrigieren der von dem Messroboter aufgenommenen Messwerte mit den Korrekturdaten.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die die Relativbewegungen wiedergebenden Korrekturdaten durch Differenzbildung und zweifache Integration aus den gemessenen Beschleunigungswerten errechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgrund von beabsichtigten Bewegungen hervorgerufenen Beschleunigungen nicht in die Korrekturdatenberechnung einfließen.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungen im Raum in drei translatorischen und drei rotatorischen Bewegungsrichtungen vollständig erfasst werden.
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.
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.
Messroboter zur Form- und/oder Koordinatenbestimmung an einem Messobjekt (100) mit einem Grundkörper (3), wenigstens einem beweglichen, am Grundkörper (3) angeordneten Messtaster (2) und einer auf dem Grundkörper (3) angeordneten Halterungsvorrichtung (1) zum Haltern des Messobjekts (100), wobei am oder nahe dem Messtaster (2) erste Beschleunigungsaufnehmer (21, 22, 23) für translatorische Beschleunigungen angeordnet sind, wobei am Grundkörper (3) zweite Beschleunigungsaufnehmer (11, 12, 13) für translatorische Beschleunigung vorgesehen sind und wobei eine Auswertevorrichtung (31–33) vorgesehen ist, die aus den Messdaten der ersten und zweiten Beschleunigungsaufnehmer (11, 12, 13, 21, 22, 23) Korrekturdaten berechnet, dadurch gekennzeichnet, dass weitere erste (24, 25, 26) und zweite (14, 15, 16) Beschleunigungsaufnehmer vorgesehen sind, die zusammen mit den ersten und zweiten (11, 12, 13, 21, 22, 23) Beschleunigungsaufnehmern rotatorische Beschleunigungen von Taster (2) und Messobjekt (100) erfassen.
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.
Messroboter nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens sechs zweite Beschleunigungsaufnehmer (11–16) vorgesehen sind, die die drei Raumrichtungen sowie die drei möglichen Drehrichtungen erfassen.
Messroboter nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Beschleunigungsaufnehmer (11–16) am Grundkörper (3) nahe der Halterungsvorrichtung (1) angeordnet sind.
Messroboter nach Anspruch 7, 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Beschleunigungsaufnehmer (11–16, 21–26) in einer in seiner Position und/oder Ausrichtung nachjustierbaren Halterung angeordnet ist.
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.
Messroboter nach Anspruch 7, 8, 9, 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Halterungsvorrichtung eine Einspannvorrichtung (1) mit Einspannbacken (17) vorgesehen ist.
Messroboter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspannvorrichtung (1) auf einem Verstelltisch (10) angeordnet ist, der verdrehbar und/oder linear verschiebbar ist.