DE19735975C2

DE19735975C2 - Verfahren zur rechnerischen Vibrationsunterdrückung bei Koordinatenmeßgeräten sowie Koordinatenmeßgerät zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE19735975C2
Application number: DE1997135975
Authority: DE
Inventors: Heinz Roehr
Original assignee: Leitz Brown and Sharpe Messtechnik GmbH
Current assignee: Hexagon Metrology GmbH
Priority date: 1997-08-19
Filing date: 1997-08-19
Publication date: 2000-07-20
Anticipated expiration: 2017-08-20
Also published as: DE19735975A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur rechnerischen Vibrationsunterdrückung bei Koordinatenmeßgeräten, sowie ein Koordinatenmeßgerät zur Durchführung des Verfahrens.

Zum Stand der Technik gehören Koordinatenmeßgeräte mit Tastsystemen, bei denen beim scannenden Antasten unter ge wissen Bedingungen Schwingungen auftreten. Die Schwingungs anregung ist von zahlreichen Parametern abhängig, wie bei spielsweise Scangeschwindigkeit, Scanrichtung bezüglich der Maschinenachsen, Anpreßdruck, Oberflächenbeschaffenheit, Resonanzfrequenzen von Taster, Tastkopf und Meßmaschine, Regelverhalten des Meßgerätes und weiteren Parametern.

Aufgrund der komplexen Zusammenhänge kann nicht mit Sicherheit vorhergesagt werden, ob und wann eine Anregung auftritt. Das Bild der gemessenen Kontur oder Oberfläche kann durch die Schwingungen so gestört werden, daß eine nachfolgende Auswertung nicht ohne weiteres möglich ist.

Gemäß dem Stand der Technik müssen die gemessenen Punkte daher vor der Weiterverarbeitung einer Vorverarbei tung unterworfen werden, welche die durch Schwingungen ge störten Bereiche glättet, die Kontur selbst aber möglichst unverändert läßt. Zum Beispiel darf ein Kreis durch die Glättung seinen Durchmesser nicht verändern.

Gemäß dem Stand der Technik (VDI-BERICHTE NR. 1258, 1996, "Leistungsfähigkeit und Einsatzspektrum der Formmes sung auf Koordinatenmeßgeräten", VDI Verlag, Düsseldorf, Seiten 25 bis 43) werden für die Glättung unmittelbar die gemessenen Koordinaten (x, y, z) verwendet, und es wird zum Beispiel ein Gauß-Filter benutzt. Dieses hat den Nachteil, daß die Werkstückkontur auf diese Weise makroskopisch ver ändert wird, da die gewichtete Mittelung über einen ge krümmten Bereich zu einer Verkleinerung des Krümmungsradius führt.

Gemäß dem Stand der Technik sind weiterhin Filter- oder Glättungsverfahren bekannt, die dazu dienen, die stö renden Schwingungen im Meßergebnis zu eliminieren. Diese Filter- oder Glättungsverfahren sind sowohl bei scanfähigen Koordinatenmeßgeräten als auch bei Formprüfgeräten, die eine ähnliche Funktion haben, grundsätzlich bekannt. Bei diesen zum Stand der Technik gehörenden Verfahren wird je doch stets davon ausgegangen, daß eine Sollkontur bekannt ist. Auf diese Sollkontur werden die Meßwerte bezogen, und die Abweichungen können dann einer Filterung oder Mittelung unterworfen werden, ohne daß der Krümmungsradius im Ergeb nis verringert wird.

Diese zum Stand der Technik gehörenden Verfahren haben jedoch den Nachteil, daß die Sollkontur bekannt sein muß, da sich die bekannten Verfahren ansonsten nicht anwenden lassen oder zu dem genannten Problem der Radiusverringerung führen.

Zum Stand der Technik (DE-Z "Technisches Messen tm", 54. Jg., Heft 7/8/1987, Seiten 277 bis 284) gehört ein Ver fahren zum Prüfen von Werkstücken mit gekrümmten Flächen auf Koordinatenmeßgeräten. Auch dieses zum Stand der Tech nik gehörende Verfahren hat den Nachteil, daß die Sollkon tur des zu prüfenden Werkstückes vorliegen muß, so daß nach erfolgter Messung ein Soll-Ist-Vergleich vorgenommen werden kann.

Zum Stand der Technik (DE-Z "Technisches Messen tm", 59 (1992) 7/8, Seiten 293 bis 302) gehört weiterhin ein Verfahren, welches einen Algorithmus vorschlägt für einen Bestfit für jede beliebige Freiformfläche. Auch dieser Algorithmus basiert auf den Flächen-Solldaten, was nach teilig ist.

Weiterhin gehört zum Stand der Technik (DE 196 37 554 A1) ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Meßfehlerausgleich bei Meßrobotern. Diese Druckschrift betrifft ein Verfahren zur Korrektur von durch Relativbewe gungen zwischen Meßobjekt und Meßtaster entstehenden Meß fehlern an einem Meßroboter, bei dem die Schritte Erfassen der Beschleunigungen am Taster, Erfassen der Beschleunigun gen am oder nahe am Meßobjekt, Berechnen von die Relativbe wegung wiedergebenden Korrekturdaten aus den gemessenen Beschleunigungen und Korrigieren der von dem Meßroboter aufgenommenen Meßwerte mit den Korrekturdaten durchgeführt werden.

Dieses Verfahren ist relativ aufwendig, da zum einen die Beschleunigungen am Taster und zum anderen Beschleuni gungen am oder nahe am Meßobjekt erfaßt werden müssen, um die Berechnung der Relativbewegung durchführen zu können. Gemäß dieser Druckschrift ist es erforderlich, zur voll ständigen Erfassung aller Bewegungsfreiheitsgrade sechs erste Beschleunigungsaufnehmer vorzusehen. Darüber hinaus ist die Meßvorrichtung mit zweiten Beschleunigungsaufneh mern am Grundkörper ausgestattet.

Durch die vollständige Erfassung aller Bewegungsfrei heitsgrade ist dieses zum Stand der Technik gehörende Ver fahren sehr aufwendig.

Zum Stand der Technik (DE 43 42 312 A1) gehört weiter hin ein Verfahren zur Korrektur von schwingungsbedingten Meßfehlern bei Koordinatenmeßgeräten.

Bei diesem zum Stand der Technik gehörenden Verfahren wird der zeitliche Verlauf von Störschwingungen mit Hilfe von Sensoren an dem schwingenden Teil des Koordinatenmeßge rätes gespeichert. Abschließend werden die Meßwerte der Sensoren mit vorab ermittelten und gespeicherten Korrektur parametern verrechnet. Aus dem zeitlichen Verlauf der kor rigierten Meßwerte der Sensoren wird dann der schwingungs bedingte Meßfehler des Koordinatenmeßgerätes zum Antast zeitpunkt berechnet.

Dieses zum Stand der Technik gehörende Verfahren hat den Nachteil, daß es ebenfalls relativ aufwendig ist, da es erforderlich ist, vorab Korrekturparameter zu ermitteln und abzuspeichern. Darüber hinaus muß der schwingungsbedingte Meßfehler des Koordinatenmeßgerätes zu jedem Antastzeit punkt berechnet werden.

Das der Erfindung zugrunde liegende technische Problem besteht darin, für die mit einem Koordinatenmeßgerät gemes senen Punkte ein Verfahren zur Vorverarbeitung anzugeben, das die durch Schwingungen gestörten Bereiche glättet, die Kontur aber möglichst unverändert läßt, insbesondere Krüm mungsradien von Kreisen oder Kreissegmenten nicht verän dert, und bei dem die Vorgabe einer Sollkontur nicht erfor derlich ist. Darüber hinaus soll ein Koordinatenmeßgerät zur Durchführung des Verfahrens angegeben werden.

Dieses technische Problem wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 12 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren besteht aus den folgen den Schritten:

1. Durch Meßpunkte wird für jede Koordinate eine mitt lere Kurve (1), die mit Hilfe einer approximieren den Funktion gewonnen wird, gelegt,
2. für jede Koordinate werden die Abstände der Meß punkte von dieser Kurve bestimmt,
3. Ausreißer werden eliminiert,
4. die Abweichungen der Meßpunkte von der approximie renden Kurve werden einer Glättung unterworfen,
5. aus den veränderten Meßpunkten wird für jede Koor dinate mittels der approximierenden Funktion eine neue geglättete Kurve berechnet.

Es spielt hierbei keine wesentliche Rolle, ob die Be rechnungen vom Maschinen- oder vom Auswerterechner vorge nommen werden.

Das Verfahren gilt vorzugsweise für Meßpunkte, die mit einem Scanverfahren gewonnen werden. Das Verfahren ist aber ebenso auf eine entsprechende Anzahl von Einzelmeßpunkten anwendbar.

Das erfindungsgemäße Verfahren gilt für 3D- ebenso wie für 2D-Meßpunkte und für mechanische ebenso wie für opti sche Koordinatenmeßgeräte.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist gegenüber dem Stand der Technik folgende Vorteile auf:

a) Unterdrückung der angeregten Schwingungen im Meßer gebnis.
b) Die nachfolgenden Auswerteprogramme können die Meß kurven ohne Probleme weiterverarbeiten.
c) Durch die Verwendung von parametrischen approximie renden Kurven als Bezugslinien für die Bestimmung der Abweichungen wird eine Vergleichsbasis geschaf fen, die verhindert, daß die Kurven makroskopisch verändert werden, beispielsweise der Durchmesser von Kreisen.
d) Das Verfahren ist allgemein anwendbar und nicht auf Kreise oder Geraden beschränkt. Es ist nicht die Kenntnis einer Sollkurve erforderlich.
e) Über einstellbare Parameter kann das Verfahren an das Verhalten des jeweiligen Koordinatenmeßgerätes und an die Meßaufgabe angepaßt werden.

Weitere Einzelheiten der Erfindung können den Unteran sprüchen entnommen werden.

Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Er findung dargestellt, und zwar zeigt die Figur Meßpunkte mit einer approximierenden Funktion.

Gemäß der Figur ist eine mittlere Kurve (1), die aus einer approximierenden Funktion gewonnen wurde, durch Meß punkte (2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10) gelegt.

Gemäß der Erfindung wird durch die Meßkoordinaten (x, y, z) getrennt für jede Koordinate eine parametrische ap proximierende Funktion gelegt. Dies kann für die ganze Kurve oder nur für ein gewisses Intervall geschehen, damit die Glättung mit einem gewissen Zeitversatz auch on-line durchgeführt werden kann, was den Vorteil hat, daß der Meß lauf durch die Korrektur nicht oder nur unwesentlich ver längert wird. Die berechnete approximierende Kurve (1) wird nun als Bezug für die Glättung verwendet, da die wahre Lage der Oberflächenkurve unbekannt ist. Für jede der Koordina ten (x, y, z) getrennt werden nun die Abstände der Meß punkte (2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10) von der approximieren den Kurve (1) bestimmt.

Das Verfahren besteht dann aus zwei Schritten:

1. In einem symmetrisch um den betrachteten Meßpunkt (4) gelegenen Intervall (I) werden die Beträge der Abweichungen der Meßpunkte (2, 3, 4, 5, 6, 7) von der mittleren Kurve aufsummiert und die Abweichung im betrachteten Punkt (4) mit der mittleren Be tragsabweichung verglichen. Übersteigt die lokale Abweichung das Betragsmittel um einen wählbaren Faktor, zum Beispiel um den Faktor 3, so wird der Meßwert als unzulässige Schwingung erkannt und auf die mittlere Kurve (1) zurückgesetzt. Dies wäre beispielsweise für die Meßwerte (5, 8) der Fall, die auf die Meßwerte (5', 8') zurückgesetzt werden. Zur Eliminierung von Ausreißern können auch andere bekannte Verfahren verwendet werden.
2. In einem symmetrisch um den gerade betrachteten Meßpunkt (4) gelegenen wählbaren Intervall (I) wer den die Abweichungen der Koordinaten von der mitt leren Kurve einer Glättung unterworfen. Dies kann ein Gauß-Filter, Dreiecksfilter oder eine andere Glättung sein.

Aus den veränderten Abweichungen und den Bezugspunkten auf der approximierenden Kurve (1) werden neue Koordinaten berechnet, die dann insgesamt die neue geglättete Kurve (x, y, z) ergeben.

Bezugszahlen

1

mittlere Kurve

2

,

3

,

4

,

5

,

6

,

7

,

8

,

9

,

10

Meßpunkte

5

',

8

' auf mittlere Kurve zurückgesetzte Meßpunkte
I Intervall

Claims

1. Verfahren zur rechnerischen Unterdrückung der Aus wirkungen angeregter Schwingungen auf das Meßergebnis bei Koordinatenmeßgeräten mit folgenden Schritten:

1. durch Meßpunkte wird für jede Koordinate eine mittlere Kurve (1), die mit Hilfe einer approxi mierenden Funktion gewonnen wird, gelegt,
2. für jede Koordinate werden die Abstände der Meß punkte von dieser Kurve bestimmt,
3. Ausreißer werden eliminiert,
4. die Abweichungen der Meßpunkte von der approxi mierenden Kurve werden einer Glättung unterwor fen,
5. aus den veränderten Meßpunkten wird für jede Koordinate mittels der approximierenden Funktion eine neue geglättete Kurve berechnet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die approximierende Funktion eine Spline-Funktion oder eine kubische Parabel ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung der mittleren Kurve (1) aus den Meßpunk ten (2 bis 10) und/oder die Berechnung der veränderten Meßpunkte, bei denen die Abweichungen von der approximie renden Kurve einer Glättung unterworfen wurden, on-line oder off-line durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung für Meßpunkte durchgeführt wird, die durch Verknüpfung der Achsen- und Tastkopfsignale gewonnen werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung für die aus Achsen- und Tastkopfsignalen verknüpften Meßpunkte nach allen Korrekturen, wie Geome triekorrektur, Temperaturkorrektur und so weiter durchge führt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung für unkorrigierte Meßpunkte (2 bis 10) durchgeführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung für Achsen- und Tastkopfsignale getrennt durchgeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Berechnung für Achsen- und Tastkopfsignale unterschiedliche Parameter für die approximierende Funktion und/oder für die Glättungsfunktion gelten.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung nur für die Tastkopfsignale durchgeführt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Schritt der Approximation Kurvenparameter vor gegeben werden können.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren iteriert wird.

12. Koordinatenmeßgerät mit beweglichen Achsen, wobei an einer Achse ein Tastkopf angeordnet ist, welches als mechanisches oder optisches Koordinatenmeßgerät ausgebildet ist zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rechner vorgesehen ist, der folgende Schritte durchführt:

13. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenschritte 1) bis 5) für Ach sen- und Tastkopfsignale getrennt durchgeführt werden.

14. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß für die Rechenschritte 1) bis 5) für Achsen- und Tastkopfsignale unterschiedliche Parameter gel ten.

15. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenschritte 1) bis 5) nur für die Tastkopfsignale durchgeführt werden.