DE19720883A1

DE19720883A1 - Collapsible three=dimensional calibration test body for measuring or positioning instrument

Info

Publication number: DE19720883A1
Application number: DE1997120883
Authority: DE
Inventors: Eugen Dr Trapet; Klaus Dr Wendt
Original assignee: Eugen Dr Trapet; Klaus Dr Wendt
Current assignee: TRAPET, EUGEN, DR.-ING., 57537 WISSEN, DE WENDT, K
Priority date: 1997-05-17
Filing date: 1997-05-17
Publication date: 1998-11-19

Abstract

The test body is tetrahedral. The test body has four balls at the corners, which serve as contact form elements, and six rods which serve as connecting elements between the balls. Each ball touches exactly three connecting elements at their end sections, and the ball centres lie approximately on the extensions of the rod axes.The relative positions of the rods with respect to each other are fixed through the balls, or through holders mounted at the balls holder in their position.

Description

Beschrieben wird ein Prüfkörper zur Überwachung von räumlich positionierenden bzw. messenden Systemen allgemein, speziell von mobilen Koordinatenmeßgeräten. Mit solchen Geräten werden meist große und ortsfeste Objekte gemessen. Damit die ent sprechenden Prüfkörper zur Überwachung dieser mobilen Geräte mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand vor Ort transportiert werden können, müssen sie einfach de montierbar und sehr leicht sein. Die Prüfkörper dürfen durch Demontage und Montage nicht ihre kalibrierten Eigenschaften ändern.A test specimen is described for monitoring spatially positioning or measuring systems in general, especially of mobile coordinate measuring machines. With Such devices are usually used to measure large and stationary objects. So that the ent speaking test specimen for monitoring these mobile devices with economical reasonable effort can be transported on site, they simply have to de can be assembled and be very light. The test specimens may be dismantled and assembled do not change their calibrated properties.

Erfindungsgemäß werden diese Anforderungen besonders einfach durch eine spezielle Tetraederkonstruktion aus Stäben (Detail 1 in Fig. 1) und Kugeln (Detail 2 in Fig. 1) erfüllt. Die erfindungsgemäße Konstruktion besitzt eine sehr hohe Reproduzierbarkeit der relativen Kugelpositionen bei wiederholter Montage und Demontage. Um diese Re produzierbarkeit zu erreichen, ist bei der Wieder-Montage nur ein grobes Positionieren der Stäbe zueinander erforderlich. Diese erfindungsspezifische Eigenschaft beruht auf der Tatsache, daß die Stäbe mit ihren (vorzugsweise planparallelen) Enden vier "Nester" für die Kugeln bilden, in denen die Kugeln statisch bestimmt ruhen, ohne selbst Kräfte in der Struktur übertragen zu müssen, was bei anderen dreidimensionalen demontierbaren Strukturen unvermeidbar ist, um alle Teile in ihre Sollage zu bringen. Die Kugelmittelpunkte liegen näherungsweise auf den Verlängerungen der Stabach sen, um bei Biegung der Stäbe eine minimale Längenänderung zu erfahren. Eine Late ralverschiebung der Stäbe hat keinen Einfluß (Fig. 2), eine Axialverschiebung nur einen Einfluß zweiter Ordnung (Fig. 3) und eine Drehung der Stäbe (Fig. 2) ebenso nur einen kleinen Einfluß ("Cosinus-Fehler") auf die Geometrie des Tetraeders.According to the invention, these requirements are met in a particularly simple manner by a special tetrahedron construction consisting of bars (detail 1 in FIG. 1) and balls (detail 2 in FIG. 1). The construction according to the invention has a very high reproducibility of the relative ball positions with repeated assembly and disassembly. To achieve this Re producibility, only a rough positioning of the rods to each other is required during reassembly. This property specific to the invention is based on the fact that the rods with their (preferably plane-parallel) ends form four "nests" for the balls, in which the balls rest statically, without having to transfer forces in the structure themselves, which is the case with other three-dimensional disassemblable parts Structures is inevitable to bring all parts into their target position. The center points of the balls lie approximately on the extensions of the rod axes in order to experience a minimal change in length when the rods bend. A Late ralverschiebe the bars has no influence ( Fig. 2), an axial displacement only a second-order influence ( Fig. 3) and a rotation of the rods ( Fig. 2) also only a small influence ("cosine error") on the Geometry of the tetrahedron.

Die sechs Längenabweichungen in den sechs Stabrichtungen erlauben es, sechs Frei heitsgrade des Meßgeräts mit nur einer einzigen Prüfkörperaufstellung und Messung zu prüfen, z. B. die drei Maßstabsfaktoren und die drei Orthogonalitätsabweichungen eines kartesischen Koordinatenmeßgeräts. Wegen der Tetraederform sind alle Kugeln mit nur einem einzigen Taststift zugänglich! Dies sind gerade die Abweichungen, die den größten Änderungen mit der Zeit unterliegen und deshalb am häufigsten über wacht werden müssen.The six length deviations in the six rod directions allow six free degrees of measurement of the measuring device with only one test specimen installation and measurement to check, e.g. B. the three scale factors and the three orthogonality deviations a Cartesian coordinate measuring machine. Because of the tetrahedron shape, all are spheres accessible with just a single stylus! These are the very deviations that subject to the greatest changes over time and therefore most often about need to be watched.

Es ergibt sich so zwar ein deutlich geringerer Informationsgehalt pro Aufstellung (Position) als bei Verwendung von Kugelquadern oder Kugelplatten, mit denen in einer einzigen Aufstellung erheblich mehr Freiheitsgrade abgeprüft werden können. Der Gesamtaufwand, abhängig von Preis, Transport, Kalibrierung, Lagerung und Aufbau des Prüfkörpers vor Ort, ist aber bei sehr großen Geräten trotzdem erheblich geringer, bzw. bei mobilen Geräten überhaupt erst im Bereich der wirtschaftlichen Möglichkeiten. So ergibt sich für große zu prüfende Geräte im allgemeinen ein guter wirtschaftlicher Kompromiß, wenn man den Tetraeder zu Überwachungen zwischen den eigentlichen Kalibrierungen bzw. vollständigen Abnahmen vorsieht und die Kalibrierungen bzw. vollständigen Abnahmen etwas häufiger plant, als es bei Verwendung der erwähnten informativeren Überwachungsmethoden nötig gewesen wäre. Auch kann der Tetraeder bei aufeinanderfolgenden Überwachungen in variierenden Lagen im Raum gemessen werden um den Mangel an Information auszugleichen. Kugelquader und Kugelplatten sind also bei kleineren und mittleren zu überwachenden Geräten bis über 2 m Achs länge (also bei Prüfkörpern von bis zu etwa einem Meter Abmessungen) eindeutig ge genüber dem Tetraeder vorzuziehen, da hier Preis, Transport, Kalibrierung, Lagerung und Aufbau dieser im allgemeinen nicht demontierbaren Prüfkörper vor Ort weniger ins Gewicht fallen.This results in a significantly lower information content per list (Position) than when using ball blocks or ball plates with which in a significantly more degrees of freedom can be checked in a single installation. Of the Total effort, depending on price, transport, calibration, storage and construction of the test specimen on site, but is still considerably smaller for very large devices, or with mobile devices only in the area of economic opportunities. This generally results in a good economical one for large devices to be tested Compromise if you use the tetrahedron to monitor between the real ones Calibrations or complete approvals and the calibrations or planning complete acceptance a little more often than when using the mentioned more informative monitoring methods would have been necessary. The tetrahedron can also measured in successive surveillance in varying positions in the room will compensate for the lack of information. Ball blocks and ball plates are therefore for small and medium-sized devices up to 2 m axis to be monitored length (i.e. for test specimens up to about one meter in size) to be preferred over the tetrahedron, because here price, transport, calibration, storage and construction of these generally non-removable test specimens on site less ins Weight drop.

Grundsätzlich kann gesagt werden, daß der Tetraeder auch durch einen einzigen kali brierten Stab ersetzt werden kann, der in sechs Stellungen im Raum gemessen wird. Der Aufwand für die wechselnde Aufstellung des Stabes ist aber deutlich größer als für die Messung des Tetraeders. Die Messung des Stabes erfordert 12 Kugelmessungen, die des Tetraeders nur 4 Kugelmessungen, um die gleiche Information zu erhalten. Der Aufwand für die Anfertigung des Tetraeders plus der der erforderlichen Vorrichtung zur Aufstellung des Tetraeders entspricht etwa dem Aufwand der auch für einen Stab in klusive Aufstellvorrichtung für die raumschräge Anordnung erforderlich ist ("der Tetrae der ist seine eigene Aufstellvorrichtung"). Bei Bedarf, also wenn ähnlicher Informati onsgehalt wie der aus Messungen an einem Quader oder einer Kugelplatte erforderlich ist, läßt sich der Tetraeder etwa ebenso leicht wie ein Stab in weitere Stellungen brin gen, wobei jede Stellung, wie erwähnt, aber sechs Kugelstabstellungen entspricht.Basically, it can be said that the tetrahedron can also be derived from a single kali can be replaced, which is measured in six positions in the room. The effort for the changing arrangement of the staff is significantly greater than for the measurement of the tetrahedron. The measurement of the rod requires 12 spherical measurements, that of the tetrahedron only 4 ball measurements to get the same information. Of the Effort for the production of the tetrahedron plus the necessary device for Setting up the tetrahedron roughly corresponds to the effort required for a rod in including an installation device for the oblique arrangement is required ("the tetra it is its own set-up device "). If necessary, ie if similar information content such as that required for measurements on a cuboid or a spherical plate is, the tetrahedron can be moved about as easily as a rod into further positions gene, each position, as mentioned, but corresponds to six ball bar positions.

Der Tetraeder in der erfindungsgemäßen Ausführung stellt das einzige räumliche Ge bilde dar, bei dem die Verbindungselemente (Stäbe: Detail 1 in Fig. 1) in weiten Gren zen (bis zu mehrere Millimeter) ihre Lage und Position im Raum ändern dürfen, ohne daß die Geometrie des Gebildes sich wesentlich ändert. Eine relative Verlagerung ei nes Stabendes von 4 mm (z. B. durch eine Stabdrehung) bewirkt einen sog. Cosinus fehler von 2 µm für den Abstand zwischen den Kugeln auf eine Stablänge von 4 m (Fig. 2). Eine axiale Stabverlagerung wirkt sich ähnlich unkritisch aus (ebenfalls Cosinusfeh ler), wie in Fig. 3 gezeigt ist. Lediglich während einer Messung müssen die Stäbe in Richtung ihrer Längsachse im Raum fest stehen.The tetrahedron in the embodiment according to the invention represents the only spatial Ge form, in which the connecting elements (rods: detail 1 in FIG. 1) can change their position and position in space within wide limits (up to several millimeters) without the The geometry of the structure changes significantly. A relative displacement of a rod end of 4 mm (e.g. by a rod rotation) causes a so-called cosine error of 2 µm for the distance between the balls to a rod length of 4 m ( Fig. 2). An axial rod displacement has a similarly uncritical effect (also cosine errors), as shown in FIG. 3. The rods only have to be fixed in space in the direction of their longitudinal axis during a measurement.

Die erfindungsgemäße Ausführung des Tetraeders ist also für die Lage der Verbin dungselemente (Stäbe) derart tolerant, daß lediglich auf etwa 4 mm genau zueinander positionierte Stäbe bereits die Positionen der Antastelemente relativ zueinander aus reichend genau festlegen: damit müssen weder Antastelemente noch Stäbe Rei bung überwinden, um das gesamte Gebilde in einen statisch definierten Zustand zu bringen. Genau an diesem Reibungsproblem scheiterten in der Vergangenheit Ver suche, demontierbare Stab-Kugel-Quader und Stab-Kugel-Platten mit ausreichend guter Reproduzierbarkeit (bei wiederholter Demontage und Montage) herzustellen. Bisher waren nur eindimensionale Stab-Kugel-Systeme mit guter Reproduzierbarkeit bekannt (Patente DE 39 30 223.7 und US 5269067 führten nur zu kommerziellen Produk ten eindimensionaler Art). Der erfindungsgemäße Tetraeder hat als dreidimensionales Gebilde erstmals diese Eigenschaften. Besonders vorteilhaft ist, daß er auf eindimen sionalen und damit sehr leicht zu kalibrierenden Stabelementen basiert.The embodiment of the tetrahedron according to the invention is therefore for the position of the connection tion elements (rods) so tolerant that only about 4 mm to each other positioned rods already the positions of the probing elements relative to each other Define it sufficiently precisely: there is no need for probing elements or rods overcome exercise to keep the entire structure in a statically defined state bring to. It was precisely this problem of friction that failed in the past search, removable rod-ball-cuboid and rod-ball-plates with sufficient good reproducibility (with repeated disassembly and assembly). So far, only one-dimensional rod-ball systems with good reproducibility known (patents DE 39 30 223.7 and US 5269067 only lead to commercial products one-dimensional type). The tetrahedron according to the invention has three dimensions Form these properties for the first time. It is particularly advantageous that it dim based and therefore very easy to calibrate rod elements.

Werden die sechs Stäbe aus CFK mit longitudinaler Faserausrichtung hergestellt, er geben sich als weitere Vorteile ein geringes Gewicht bei großer Steifigkeit, eine hervor ragende Langzeitstabilität und ein gegen Null gehender thermischer Ausdehnungs koeffizient. Letzterer erübrigt Wartezeiten von über 1/2 Stunde pro Prüfkörperstellung/Mes sung zur Temperaturangleichung und er verringert die Meßunsicherheit erheb lich, da die Temperatur bei derart großen Objekten (mehrere Meter) im allgemeinen stark inhomogen ist. So lassen sich klar die gesuchten Abweichungseinflüsse, die vom Meßgerät kommen, ermitteln, ohne Beeinflussung durch diejenigen des Meßobjektes.If the six rods are made of CFRP with longitudinal fiber orientation, he The advantages of low weight and great stiffness are another advantage excellent long-term stability and zero thermal expansion coefficient. The latter eliminates waiting times of over 1/2 hour per test specimen position / measurement solution for temperature adjustment and it significantly reduces the measurement uncertainty Lich, since the temperature of such large objects (several meters) in general is very inhomogeneous. In this way, the sought-after influences of deviation from the Measuring device come, determine, without being influenced by those of the test object.

Die Enden der Stäbe sind idealerweise mit feinbearbeiteten Planplatten aus hartem Material (z. B. Hartmetall-Wendeschneidplatten) versehen (Detail 3 in Fig. 1). Die Aus richtung der Plättchen bei Verklebung erfolgt z. B. unter Zuhilfenahme eines Autokolli mators (Detail 8 in Fig. 4) mit auf beiden Plattenendflächen fixierten planparallelen Glasplättchen (Detail 10) an denen Teile des Strahls (Detail 9) reflektiert werden, wo durch die relative Ausrichtung ermittelt wird. Leichte Abweichungen von der Planität und der Parallelität (z. B. im Bereich 1 µm pro mm) sind vernachlässigbar.The ends of the rods are ideally provided with finely machined face plates made of hard material (e.g. carbide indexable inserts) (detail 3 in Fig. 1). From the direction of the plate when gluing is done z. B. with the aid of an autocolliator (detail 8 in FIG. 4) with plane-parallel glass plates (detail 10 ) fixed on both plate end faces, on which parts of the beam (detail 9 ) are reflected, where it is determined by the relative orientation. Slight deviations from the flatness and parallelism (e.g. in the range of 1 µm per mm) are negligible.

Werden die Kugeln nicht nur zur Messung manuell in den "Nestern" zur Anlage ge bracht, sondern sind alle vier Kugeln Teile des Tetraeder-Prüfkörpers, empfiehlt es sich, diese durch Federn oder dergleichen in die "Nester" zu ziehen oder zu drücken.The balls are not only used for measurement in the "nests" brings, but are all four balls parts of the tetrahedral test specimen, it is recommended to pull or push them into the "nests" by springs or the like.

Der Einsatz des erfindungsgemäßen Tetraeders als Prüfkörper für Laser-Tracker ist besonders sinnvoll. Die Reflektoreinheit (Katzenauge oder Tripelreflektor) kann näm lich derart ausgeführt sein (meist ist dies der Fall), daß der mathematische/effektive Zielpunkt der Mittelpunkt der manuell geführten Tastkugel ist, die Tastkugel kann somit direkt in die durch die jeweils drei Stabenden gebildeten "Nester" gelegt oder gedrückt werden. Der Tastkugelmittelpunkt verkörpert dabei die mathematischen Eckpunkte des Tetraeders. Um eine ununterbrochene Strahlführung zu ermöglichen, müssen hierzu die Stäbe im Verhältnis zum Tastkugeldurchmesser ausreichend dünn sein und die Vorrichtung zum Fixieren der Stäbe muß eine Strahlführung durch das Tetraederinnere zulassen (Detail 7 in Fig. 1 ermöglicht dies). Eventuell müssen die Stäbe an den Enden verjüngt sein.The use of the tetrahedron according to the invention as a test specimen for laser trackers is particularly useful. The reflector unit (cat's eye or triple reflector) can be designed in such a way (usually this is the case) that the mathematical / effective target point is the center of the manually guided probe ball, the probe ball can thus directly into the "nests formed by the three rod ends "can be placed or pressed. The center of the probe ball embodies the mathematical corner points of the tetrahedron. In order to enable uninterrupted beam guidance, the rods must be sufficiently thin in relation to the probe ball diameter and the device for fixing the rods must allow beam guidance through the tetrahedron interior (detail 7 in FIG. 1 enables this). The rods may have to be tapered at the ends.

Ein solcher erfindungsgemäß konstruierter Tetraeder ist einfach zu kalibrieren, da le diglich sechs Stablängen und die Kugeldurchmesser bekannt sein müssen. Dies ist z. B. einfach mit einem Laser-Tracker möglich, der bereits bezüglich des Interferometers (reine Längenmeßabweichung) und des Reflektor-Kugeldurchmessers kalibriert wur de. Dabei werden die zu kalibrierenden Stäbe nacheinander in radialer Richtung relativ zum Tracker aufgestellt und durch zweiseitige Antastung mit der Trackerkugel in der Stabmitte gemessen. Der Tracker besitzt in radialer Richtung nahezu Laser- Genauigkeit.Such a tetrahedron constructed according to the invention is easy to calibrate since le diglich six rod lengths and the ball diameter must be known. This is e.g. B. easily possible with a laser tracker that is already related to the interferometer (pure length measurement deviation) and the reflector ball diameter was calibrated de. The bars to be calibrated become relative one after the other in the radial direction set up to the tracker and by double-sided probing with the tracker ball in the Measured the middle of the rod. The tracker has almost laser in the radial direction Accuracy.

Der Aufbau bzw. die Aufstellung des Tetraeders ist in der Ausführung entsprechend Fig. 1 besonders einfach: zuerst wird das Basisdreieck mit Verbindungseinheiten (Detail 4) und Justierfüßen (Detail 5) horizontal ausgerichtet (Wasserwaage) und so fi xiert, daß die Kugelmittelpunkte auf etwa 1 mm genau auf den Stabachsen liegen ("Augenmaß" reicht aus). Danach werden auch die raumdiagonalen Stäbe in den unte ren Verbindungseinheiten fixiert (mittels Detail 6 oder 7 in Fig. 1), wobei sie an der oberen Spitze des Tetraeders zunächst lose zusammengehalten werden (z. B. in einem Block aus Schaumstoff, der vorübergehend die obere Verbindungseinheit ersetzt: ver gleiche Fig. 5). Schließlich wird die obere (vierte) Verbindungseinheit angebracht, die im allgemeinen identisch wie die unteren Verbindungseinheiten beschaffen ist. Unge nauigkeiten in den Verbindungseinheiten werden durch Nachjustiermöglichkeiten in den Verbindungseinheiten, durch leichte Elastizität in den Verbindungseinheiten oder über die Durchbiegung der Stäbe selbst ausgeglichen, die selbst keine Abweichungen erster Ordnung bewirkt. Je nach geforderter Genauigkeit sollten aber Durchbiegungen von mehr als etwa 2 mm auf etwa 4 m Stablänge durch Versteifungen an den Stäben vermieden werden, z. B. durch mehrere parallel zueinander verklebte Stäbe. 2 mm Durchbiegung auf 4 m Stablänge ergibt etwa eine Längenabweichung von 2 µm.The construction or setup of the tetrahedron is particularly simple in the embodiment according to Fig. 1: First, the base triangle with connecting units (detail 4 ) and adjusting feet (detail 5 ) is aligned horizontally (spirit level) and fi xed so that the spherical center points to about 1 mm exactly on the rod axes ("sense of proportion" is sufficient). Then the diagonal bars are fixed in the lower connection units (using detail 6 or 7 in Fig. 1), whereby they are initially held together loosely at the top tip of the tetrahedron (e.g. in a block of foam that temporarily holds the upper connection unit replaced: ver same Fig. 5). Finally, the upper (fourth) connection unit is attached, which is generally identical to the lower connection units. Inaccuracies in the connection units are compensated for by readjustment options in the connection units, by slight elasticity in the connection units or by the deflection of the rods themselves, which itself does not cause first order deviations. Depending on the required accuracy, deflections of more than about 2 mm to about 4 m rod length should be avoided by stiffening the rods, z. B. by several parallel glued rods. 2 mm deflection on a 4 m rod length results in a length deviation of 2 µm.

Es ist möglich, den Tetraeder mit nur einer Person aufzubauen. Anschließend kann der Tetraeder in eine beliebige Orientierung im Raum gebracht werden (wegen des geringen Gewichts auch von ein oder zwei Personen) und auf einer einfachen Vorrich tung fixiert werden, z. B. "überkopf", wenn die in Fig. 1 gezeigte Grundstellung nicht ausreicht. It is possible to build the tetrahedron with just one person. Then the tetrahedron can be brought into any orientation in the room (due to the low weight of one or two people) and fixed on a simple device, for. B. "overhead" if the basic position shown in Fig. 1 is not sufficient.

Eine besonders einfache Fixierung der Tetraederecken ist möglich, wenn die An tastkräfte klein sind, bzw. wenn die Antastungen so symmetrisch auf den Kugeloberflä chen verteilt werden können, daß elastische Effekte durch Antastung sich für die Ku gelmittenpositionen aufheben. In diesem Fall können die Fixierungen z. B. einfach aus elastischem Kunststoff (Detail 11 in Fig. 5) mit Löchern darin bestehen, durch die die Stäbe zur Fixierung gesteckt sind.A particularly simple fixation of the tetrahedron corners is possible if the probing forces are small, or if the probing can be distributed so symmetrically on the spherical surfaces that elastic effects by probing cancel each other out for the center positions. In this case, the fixations z. B. simply made of elastic plastic (detail 11 in Fig. 5) with holes in it, through which the rods are inserted for fixation.

Claims

1. Reproducibly removable and without loss of accuracy of a previous calibration re-mountable three-dimensional test specimen for spatially measuring or positioning devices (such as coordinate measuring machines , theodolites, robots, laser trackers and machine tools) in the form of a tetrahedron, characterized in that four balls on the Corners of the tetrahedron serve as Antastforme elements that six rods serve as connecting elements between the balls, that each ball touches exactly three connecting elements on their end faces and that the ball centers are approximate to the extensions of the rod axes.

2. Test specimen according to claim 1, characterized in that the rods on the Ku gel, or by means of holders attached to the balls in their position relative to one another other be fixed.

3. Test specimen according to claim 1, characterized in that the rods are not through the balls themselves, or by holders attached to the balls, but by separate devices are fixed in position relative to each other and that the balls are only pressed into the nests created from three flat surfaces become strong without the strong existing relative position of the bars change.

4. Test specimen according to claim 1, characterized in that balls and rods are compressed by spring elements.

5. Test specimen according to claim 1, characterized in that balls and rods held together by magnetic forces.

6. Test specimen according to claim 1, characterized in that the balls with the aid Take a handling device or manually only for measurement with each because three rods are brought into contact.

7. test specimen according to claim 1, characterized in that the balls themselves part of the measuring device to be tested, i.e. probe balls or retroreflectors, and them only for measuring the corner coordinates of the tetrahedron by self-centering in the Nests are placed between the bars.

8. Test specimen according to claim 1, characterized in that the rods made of coal are fiber composite with unidirectional fibers in the longitudinal direction of the rod.

9. Test specimen according to claim 1, characterized in that the rods on the con Tacting points have plane-parallel surfaces around the influence of rod displacements to keep the tetrahedron geometry low.

10. Test specimen according to claim 1, characterized in that the rods on the con have three-point bearings to center the balls.

11. Test specimen according to claim 1, characterized in that the rods on the con have concave surfaces.

12. Test specimen according to claim 1, characterized in that the rods on the con have convex surfaces.