DE19733711A1

DE19733711A1 - Verfahren zur Aufnahme und/oder Überprüfung der geometrischen Abweichungen der Z-Achse eines Koordinatenmeßgerätes sowie Prüfkörper zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE19733711A1
Application number: DE1997133711
Authority: DE
Inventors: Karl Juergen Dipl Ing Lenz; Bernd Dr Schleifenbaum
Original assignee: Leitz Brown and Sharpe Messtechnik GmbH
Current assignee: Hexagon Metrology GmbH
Priority date: 1997-08-04
Filing date: 1997-08-04
Publication date: 1999-02-11
Anticipated expiration: 2017-08-05
Also published as: DE19733711B4

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufnahme und/oder Überprüfung der geometrischen Abweichungen der Z-Achse eines optischen Koordinatenmeßgerätes sowie einen Prüfkörper zur Durchführung des Verfahrens.

Gemäß dem Stand der Technik erreichen Koordinatenmeß geräte ihre spezifizierte Genauigkeit in der Regel mit Hilfe einer rechnerischen Korrektur der geometrischen Feh ler, das heißt, Maßstabs-, Winkel- und Führungsabweichungen werden bei der Inbetriebnahme der Maschine aufgenommen und bei folgenden Messungen kompensiert. Um während der Lebens dauer eines Koordinatenmeßgerätes die Genauigkeit zu über wachen, sind darüber hinaus regelmäßige Überprüfungsmes sungen üblich. Beides gilt in zunehmendem Maße auch für Meßmikroskope.

Gebräuchliche Hilfsmittel zur Aufnahme und Überwachung der geometrischen Abweichungen sind beispielsweise Laser anordnungen, Präzisions-Neigungsmesser oder Prüfkörper, an deren Genauigkeit hohe Anforderungen gestellt sind. Bei einem Meßmikroskop sind Prüfkörper bekannt, mit denen die geometrischen Abweichungen in den zwei Koordinaten der Bewegung des Meßtischs bestimmt werden können, wie etwa ka librierte Reseau-Platten oder Gittermaßstäbe. Auch eine Ku gelplatte, die zur Prüfung von 3D-Koordinatenmeßgeräten be stimmt ist, kann zur Abnahme eines Meßmikroskops benutzt werden, indem auf die Kugelmittelpunkte fokussiert wird.

Zur Aufnahme der Abweichungen der dritten, der Z-Achse eines Meßmikroskops sind solche ein- oder zweidimensionalen Prüfkörper nicht geeignet. Auch eine raumschräge Anordnung solcher Prüfkörper erlaubt keine sichere Aufnahme der Ab weichungen der Z-Achse eines Meßmikroskops, da nur eine ge ringe Schrägstellung möglich ist, bei der Abweichungen der Z-Achse sich im Meßergebnis kaum auswirken. Ein anderes be kanntes Verfahren, das Antasten der Oberflächen von auf ei ner ebenen Grundfläche angesprengten, unterschiedlich hohen Endmaßen erlaubt nicht die Bestimmung aller Abweichungen, insbesondere nicht der Geradheitsabweichungen der Z-Achse.

Grundsätzlich sind auch die obengenannten Laseran ordnungen zur Aufnahme der Abweichungen der Z-Achse geeig net, doch sind diese Meßmittel sehr teuer, und Aufbau und Justage sind stets mit hohem Aufwand verbunden.

Das der Erfindung zugrunde liegende technische Problem besteht darin, ein Verfahren zur Aufnahme und/oder Über prüfung der geometrischen Fehler der Z-Achse eines Meß mikroskops anzugeben, das kostengünstig und jederzeit ohne Umbau des Meßmikroskops anwendbar ist. Darüber hinaus soll ein Prüfkörper zur Durchführung des Verfahrens angegeben werden.

Dieses technische Problem wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 sowie die Merkmale des Anspruchs 6 gelöst.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabenstellung durch einen Prüfkörper gelöst, bei dem in mehreren Ebenen Antastmarken angeordnet sind, die mit einem Meßmikroskop optisch an tastbar sind.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Prüfkör per etwa kegelförmig mit einzelnen Stufen aufgebaut, wobei sich auf jeder Stufe mehrere Antastmarken befinden, bei spielsweise Kreise, deren Mittelpunkt mit allen drei Koor dinaten durch eine optische Antastung bestimmbar ist. Die Antastmarken einer Stufe definieren einen ausgezeichneten Punkt, etwa den Mittelpunkt eines Kreises, auf dem die An tastmarken liegen. Die ausgezeichneten Punkte jeder Ebene liegen näherungsweise auf einer Geraden, wobei der Prüfkör per so angeordnet wird, daß die Gerade ungefähr parallel zur Z-Achse des Meßmikroskops liegt.

Zur Aufnahme der Abweichungen oder zur Durchführung einer Überprüfungsmessung wird ein kalibrierter Prüfkörper der beschriebenen Art zunächst in einer gegebenen Stellung gemessen. Die Abweichungen der gemessenen Z-Koordinaten der ausgezeichneten Punkte von den kalibrierten Werten geben dann im wesentlichen die Maßstabsabweichungen der Z-Achse wieder.

Vorteilhaft wird der Prüfkörper danach um näherungs weise 180° um die Z-Achse gedreht und erneut gemessen (Um schlagsmessung). Berechnet man nun die Mitte zwischen den ausgezeichneten Punkten jeder Ebene bei den beiden Messun gen, so werden Ausrichtungsfehler im wesentlichen elimi niert, und die übrigen Abweichungen der Z-Achse, insbeson dere die Geradheitsabweichungen T_zx und T_zy können bestimmt werden. Rotatorische Abweichungen der Z-Achse sind bei Meßmikroskopen in der Regel bedeutungslos.

Wenn der Prüfkörper weitere Antastmarken enthält, die eine gegebenenfalls rechnerische Feinausrichtung erlauben, ist mit nur einer Messung, ohne Umschlagsmessung, die Auf nahme beziehungsweise Prüfung der Abweichungen der Z-Achse möglich.

Zusammen mit anderen Prüfkörpern, beispielsweise Git termaßstäben, einer Reseau-Platte oder einer Kugelplatte, ist damit eine vollständige Aufnahme beziehungsweise Prü fung aller relevanten geometrischen Abweichungen eines Meß mikroskops möglich. Das Verfahren ist auch anwendbar und vorteilhaft bei einem 3D-Koordinatenmeßgerät mit optischem Sensor.

Die Ausführung der Berechnung zur Aufnahme der geome trischen Abweichungen beziehungsweise zur Überprüfung der nach Korrektur verbleibenden Abweichungen verläuft wie bei den bekannten Meßverfahren bei 3D-Koordinatenmeßgeräten.

Gemäß der Erfindung ist der Prüfkörper wenigstens an nähernd kegel- oder pyramidenförmig, wobei Kegel oder Py ramide als Innen- oder Außenstruktur ausgebildet sein kön nen.

Vorteilhaft enthält der Prüfkörper Stufen, auf denen die Antastmarken angeordnet sind. Es ist aber auch möglich, daß der Prüfkörper keine Stufen enthält, daß aber die An tastmarken optisch antastbar sind, etwa durch eine diffus reflektierende oder retro-reflektierende Oberfläche.

Die Antastmarken sind erfindungsgemäß Kreise, Kreis ringe, Rechtecke, Punktmuster, Kugeln und/oder Kugelseg mente.

Der Prüfkörper kann mit einer Genauigkeit kalibriert sein, die besser ist als die Genauigkeit des abzunehmenden Meßgerätes. Der Prüfkörper kann aber auch nur mit einer ge ringen Genauigkeit kalibriert sein und erlaubt in diesem Fall nur die Aufnahme beziehungsweise Prüfung der Winkel und der Geradheitsabweichungen der Z-Achse.

Wenn die Höhe des Prüfkörpers oder der freie Arbeits abstand der Meßoptik nicht ausreicht, um den gesamten Be reich der Z-Achse zu vermessen, wird erfindungsgemäß eine Anschlußmessung durchgeführt.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind den Unteran sprüchen zu entnehmen.

Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Er findung dargestellt, und zwar zeigen:

Fig. 1 einen Prüfkörper in Draufsicht;

Fig. 2 einen Prüfkörper im Schnitt;

Fig. 3 eine Umschlagsmessung.

Fig. 1 zeigt einen Prüfkörper (1) mit Ebenen (2, 3, 4, 5). Auf den Ebenen (2, 3, 4, 5) sind Antastmarken (6, 7, 8, 9) vorgesehen.

Die Antastmarken (6) befinden sich in der Ebene (2), die Antastmarken (7) in der Ebene (3), die Antastmarken (8) in der Ebene (4) und die Antastmarken (9) in der Ebene (5).

Die Antastmarken (6) liegen auf einem Kreis oder einem Teilkreis und definieren einen ausgezeichneten Punkt, nämlich den Mittelpunkt (10) des Kreises.

Ebenso liegen die Antastpunkte (7) auf einem Kreis und definieren gemäß Fig. 2 den Mittelpunkt (11). Die An tastpunkte (8) definieren den Mittelpunkt (12), und die An tastpunkte (9) definieren den Mittelpunkt (13).

Die Mittelpunkte (10, 11, 12, 13) liegen zumindest nä herungsweise auf einer Geraden (A), wobei der Prüfkörper (1) so angeordnet ist, daß die Gerade (A) ungefähr parallel zur Z-Achse des Meßmikroskops (nicht dargestellt) liegt.

Zur Aufnahme der Abweichungen oder zur Durchführung einer Überprüfungsmessung wird der Prüfkörper (1) zunächst in der gemäß Fig. 1 dargestellten Stellung gemessen. Die Abweichungen der gemessenen Z-Koordinaten der Mittelpunkte (10, 11, 12, 13) von den kalibrierten Werten geben dann im wesentlichen die Maßstabsabweichungen der Z-Achse wieder.

Danach wird der Prüfkörper um näherungsweise 180° um die Z-Achse gedreht und erneut gemessen (Umschlagsmessung).

Gemäß Fig. 3 erhält man aus der ersten Messung eine Achse T_M1 der Mittelpunkte (10', 11', 12', 13') und aus der zweiten Messung die Achse T_M2 aus den Mittelpunkten (10'', 11'', 12'', 13''). Die Mitte zwischen den Mittelpunkten (10', 10''; 11', 11''; 12', 12''; 13', 13'') stellt die Achse T_M dar. Durch diese Umschlagsmessung werden Abweichungen der Mittelpunkte (10, 11, 12, 13) von der Geraden (A) im wesentlichen eliminiert, und die übrigen Abweichungen der Z-Achse, nämlich die Geradheitsabweichungen T_zx und T_zy können bestimmt werden.

Wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Orien tierung der Drehachse für die Drehung um näherungsweise 180° zur XY-Ebene, die durch die X- und die Y-Führungen des Meßtisches bestimmt wird, vorgenommen, so können mit diesem Verfahren auch die Winkelabweichungen W_xz und W_yz bestimmt werden, wie auch in Fig. 3 dargestellt. Eine solche Orientierung der Drehachse kann beispielsweise durch Antastung der Antastmarken einer Stufe und Bestimmung der Neigung der dadurch bestimmten Ebene geschehen.

Bezugszeichenliste

1

Prüfkörper

2

,

3

,

4

,

5

Ebenen

6

,

7

,

8

,

9

Antastmarken

10

,

11

,

12

,

13

Mittelpunkte

10

',

11

',

12

',

13

' Mittelpunkte

10

'',

11

'',

12

'',

13

'' Mittelpunkte
T_M1

, T_M2

Gerade durch die Mittelpunkte
T_M

Mitte zwischen den Mittelpunkten
W_xz

Abweichung des Winkels zwischen X- und Z-Achse von 90°
A Gerade

Claims

1. Verfahren zur Aufnahme und/oder Überprüfung der geometrischen Abweichungen der Z-Achse eines optischen Koordinatenmeßgerätes,
dadurch gekennzeichnet,

- daß auf einem Prüfkörper (1) Antastmarken (6, 7, 8, 9), die wenigstens annähernd in wenigstens zwei Ebenen (2, 3, 4, 5) angeordnet sind, in wenigstens zwei Ebenen (2, 3, 4, 5) angetastet werden,
- daß bei der Antastung die Koordinaten der Antastmarken (6, 7, 8, 9) bestimmt werden,
- daß aus den Koordinaten der Antastmarken (6, 7, 8, 9) für jede Ebene (2, 3, 4, 5) ein ausgezeichneter Punkt (10, 11, 12, 13) berechnet wird, und
- daß aus den Koordinaten der ausgezeichneten Punkte (10, 11, 12, 13) von wenigstens zwei Ebenen (2, 3, 4, 5) die geometrischen Abweichungen bestimmt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren wenigstens einmal wiederholt wird, wobei der Prüfkörper (1) vor der Wiederholungsmessung im wesent lichen um die Z-Achse gedreht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfkörper (1) um näherungsweise 180° um die Z-Achse gedreht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anschlußmessung durchgeführt wird, wenn bei der ersten Messung nur Teilbereiche der Z-Achse vermessen wer den können.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Koordinatenmeßgerät als Meßmikroskop ausgebildet ist.

6. Prüfkörper zur Aufnahme und/oder Überprüfung der geometrischen Abweichungen der Z-Achse eines optischen Koordinatenmeßgerätes, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfkörper (1) optisch antastbare Antastmarken (6, 7, 8, 9) aufweist, die wenigstens annähernd in wenigstens zwei Ebenen (2, 3, 4, 5) angeordnet sind und daß die Antast marken (6, 7, 8, 9) für jede Ebene (2, 3, 4, 5) einen aus gezeichneten Punkt (10, 11, 12, 13) definieren.

7. Prüfkörper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede Ebene (2, 3, 4, 5) mehrere Antastmarken (6, 7, 8, 9) aufweist.

8. Prüfkörper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebenen (2, 3, 4, 5) als Stufen ausgebildet sind.

9. Prüfkörper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Antastmarken (6, 7, 8, 9) auf einer Innen- und/ oder Außenstruktur des Prüfkörpers (1) angeordnet sind, wobei die Innen- und/oder Außenstruktur wenigstens annähernd kegel- oder pyramidenförmig ausgebildet ist.

10. Prüfkörper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich net, daß die Antastmarken (6, 7, 8, 9) eine diffus reflek tierende oder retro-reflektierende Oberfläche aufweisen.

11. Prüfkörper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich net, daß die Antastmarken (6, 7, 8, 9) als Kreise, Kreis ringe, Rechtecke, Punktmuster, Kugeln und/oder Kugelseg mente ausgebildet sind.

12. Prüfkörper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich net, daß der Prüfkörper (1) mit einer größeren Genauigkeit als die Genauigkeit des abzunehmenden Meßgerätes kalibriert ist.

13. Prüfkörper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich net, daß der Prüfkörper (1) mit einer geringeren Genauig keit als die Genauigkeit des abzunehmenden Meßgerätes kalibriert ist und nur zur Aufnahme und/oder Prüfung der Winkel und/oder der Geradheitsabweichungen der Z-Achse verwendbar ist.

14. Prüfkörper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich net, daß der Prüfkörper (1) Antastmarken (6, 7, 8, 9) aufweist, die wenigstens rechnerisch eine Feinausrichtung ermöglichen.

15. Prüfkörper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich net, daß der Prüfkörper (1) Verstell- und/oder Fixierungs vorrichtungen für die Feinausrichtung aufweist.