DE19818405A1

DE19818405A1 - Verfahren zur Erfassung von Geometrieabweichungen wenigstens einer Achse eines Koordinatenmeßgerätes

Info

Publication number: DE19818405A1
Application number: DE1998118405
Authority: DE
Inventors: Andreas Muenker; Hartwig Weber
Original assignee: Brown und Sharpe GmbH
Current assignee: Hexagon Metrology GmbH
Priority date: 1998-04-24
Filing date: 1998-04-24
Publication date: 1999-10-28
Anticipated expiration: 2018-04-25
Also published as: DE19818405B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Erfassung sämtlicher Geometrieabweichungen einer Achse eines Koordinatenmeßgerätes, insbesondere eines CNC-Koordinatenmeßgerätes. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Messungen der Abweichungskomponenten mit wenigstens einem Laserinterferometer und/oder mit wenigstens einem elektrischen Winkelmesser und einem körperlichen Geradheitsnormal und/oder mit einem Laserinterferometer und einem körperlichen Geradheitsnormal automatisch durchgeführt, wobei marktübliche Systeme und Komponenten verwendet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung von Geometrieabweichungen einer Achse eines Koordinatenmeßgerä tes, insbesondere eines CNC-Koordinatenmeßgerätes.

Gemäß dem Stand der Technik werden die Abweichungen von der exakten Linearität von Linearführungen eines Koor dinatenmeßgerätes erfaßt. Die Erfassung dieser Abweichungen geschieht gemäß dem Stand der Technik durch verschiedene Hilfsmittel, wie Laser, elektronische Wasserwaage und/oder Abtasten eines Geradheitsnormals. Diese Messungen werden einzeln durchgeführt, wobei die Hilfsmittel, wie Laser, elektronische Wasserwaage oder Geradheitsnormal einzeln und zeitlich nacheinander für jede Messung angeordnet werden. Bei Koordinatenmeßgeräten ist hierzu ein erheblicher Rüst aufwand notwendig, der zur Aufnahme einer Achse eine Person mindestens einen ganzen Arbeitstag beansprucht.

Die Erfassung der Abweichung ist notwendig, da eine Linearführung drei translatorische und drei rotatorische Fehlermöglichkeiten aufweist. Die drei translatorischen Fehlermöglichkeiten werden im allgemeinen als Geradheiten und Position bezeichnet. Die drei rotatorischen Fehlermög lichkeiten sind Roll-, Gier- und Nickfehler.

Gemäß der Druckschrift WO 89/04 945 ist die Bestimmung der Abweichungen mit einer Kalibriervorrichtung bekannt. Diese Kalibriervorrichtung wird in drei Stellungen auf dem Meßtisch des Koordinatenmeßgerätes angeordnet, und die Abweichungen werden bestimmt. Die Vorrichtung gemäß dieser Druckschrift hat den Nachteil, daß das Gerät extrem aufwen dig herzustellen ist. Es ist aus diesem Grund entsprechend teuer. Darüber hinaus sind die Genauigkeitsanforderungen an das Gerät selbst so hoch, daß die Genauigkeit marktüblicher Laservermessungssysteme bei weitem nicht erreicht wird.

Das der Erfindung zugrunde liegende technische Problem besteht darin, ein Verfahren zur automatischen Erfassung aller Geometriefehler einer Achse eines Koordinatenmeßgerä tes anzugeben, wobei der Aufwand für die Umrüstung auf ein Minimum beschränkt sein soll, so daß die Fehleraufnahme aller sechs Fehler zumindest einer Achse in einer mannlosen Schicht automatisch erfolgen kann, und das darüber hinaus bezüglich der Meßsysteme und Komponenten preiswert ist.

Dieses technische Problem wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Dadurch, daß sämtliche Geometrieabweichungen einer Achse automatisch, entweder mit wenigstens einem Laserin terferometer oder mit einem Laserinterferometer und einem körperlichen Geradheitsnormal oder mit wenigstens einem elektrischen Winkelmesser und einem körperlichen Gerad heitsnormal erfaßt werden, ist es möglich, sämtliche sechs Fehler wenigstens einer Achse in einer mannlosen Schicht automatisch zu erfassen.

Die Erfassung sämtlicher Geometrieabweichungen wird mit marktüblichen Systemen und Komponenten durchgeführt. Entweder wird wenigstens ein Laserinterferometer mit Gerad heitsoption und/oder Rotationsoption eingesetzt, oder es wird ein Laserinterferometer und ein körperliches Gerad heitsnormal verwendet, oder es wird ein elektrischer Win kelmesser und ein körperliches Geradheitsnormal verwendet.

An einer Bewegungsachse des Koordinatenmeßgerätes, die senkrecht zu der messenden Achse angeordnet ist, werden verschiedene optische Komponenten so montiert, daß sie durch die Bewegung einer Maschinenachse in den Strahl eines Lasers gefahren werden können.

Erfindungsgemäß sind die optischen Komponenten zwei senkrecht zueinander angeordnete Rotationsstrahlteiler und ein Linearstrahlteiler. Erfindungsgemäß ist an der zu mes senden Achse eine Kombination von drei Retroreflektoren im rechten Winkel angeordnet.

Bei der ersten Messung ist der Laserstrahl beispiels weise auf den mittleren Retroreflektor dieser Kombination fest ausgerichtet. Durch Verfahren der Bewegungsachse senkrecht zur messenden Achse werden die an der Bewegungs achse montierten optischen Komponenten nacheinander in den Laserstrahlengang gebracht.

Wird der Linearstrahlteiler in den Strahlengang gefah ren, entsteht aus Strahlteiler und mittlerem Retroreflektor der Meßachse ein Linearinterferometer, mittels dessen die Positionsabweichung gemessen werden kann. Hierdurch ist eine Maßstabskorrektur möglich.

Wird je einer der beiden Rotationsstrahlteiler in den Strahlengang des Lasers gefahren, entsteht zusammen mit je weils zwei Retroreflektoren der Meßachse ein Rotationsin terferometer, so daß jeweils eine Komponente der Rotati onsabweichung gemessen werden kann.

Die dritte Rotationsabweichung wird durch Differenz messung zweier elektronischer Winkelmesser gemessen, wobei ein elektronischer Winkelmesser mit der zu messenden Achse verbunden ist. Der zweite elektronische Winkelmesser ist mit der Maschinenbasis oder einer der Bewegungsachsen ver bunden.

Zusätzlich zu den optischen Komponenten ist ein dop peltes körperliches Geradheitsnormal parallel zur Meßachse angeordnet, so daß die Messung der beiden Geradheitsabwei chungen der zu messenden Achse mit dem Tastsystem des Koor dinatenmeßgerätes oder zusätzlichen Sensoren durchgeführt werden kann.

Gemäß der Erfindung werden in einem ersten Schritt zwei Interferometer, nämlich ein Rotationsinterferometer und ein Längeninterferometer kombiniert. Beide Interfero meter verwenden einen Spiegel, der aus zwei senkrecht zueinander angeordneten Rotationsreflektoren besteht. Die beiden Rotationsreflektoren sind vorteilhaft auf einer Platte oder dergleichen angeordnet. Es ist auch möglich, einen L-förmig ausgebildeten kombinierten Rotations reflektor zu verwenden. Der Spiegel ist fest montiert, und die beiden Interferometer werden in einer Querachse senk recht zur Meßachse verfahren. Auf diese Art und Weise wird der Spiegel einmal als Doppelspiegel und einmal als Ein fachspiegel eingesetzt.

Vorteilhaft werden gemäß dem erfindungsgemäßen Verfah ren zuerst die Rotationen aufgenommen. Die Rotationen wer den dann schon im Korrekturmodell bei der Aufnahme der Geradheiten berücksichtigt.

Ein bevorzugtes Meßverfahren besteht darin, zuerst die Rotationen aufzunehmen, anschließend die Geradheiten und als letztes die Positionsabweichungen.

Es ist aber auch möglich, die Reihenfolge zu verän dern.

Erfindungsgemäß ist der Meßtisch des Koordinatenmeßge rätes verfahrbar, so daß die optischen Komponenten in der Querachse verfahren werden können.

Die Fehlerbestimmung von Geradheitsfehlern erfolgt vorteilhaft mit einem körperlichen Geradheitsnormal. In diesem Fall kann der kombinierte Retroreflektor bei sämtli chen Messungen in der vorbestimmten Position in der Meß achse bleiben.

Es ist aber auch möglich, daß der Retroreflektor ent fernt wird und dafür ein Interferometer, welches die Gerad heit bestimmt, in dem Strahlengang anzuordnen. Für das Ge radheitsinterferometer ist ein gesonderter, hierfür spezi ell geeigneter Spiegel oder Retroreflektor notwendig, so daß, wie schon ausgeführt, in diesem Fall zusätzlich ein Austausch der Spiegel erfolgen muß.

Weitere Einzelheiten der Erfindung können den Unteran sprüchen entnommen werden.

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

Fig. 1 ein Koordinatenmeßgerät;

Fig. 2 einen schematischen Meßaufbau;

Fig. 3 ein Schema eines Laserinterferometers mit Linearoption und Rotationsoption;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Laserinterferometers mit Geradheitsoption;

Fig. 5 ein geändertes Ausführungsbeispiel für die Rotationsreflektoren;

Fig. 6 ein weiteres geändertes Ausführungsbeispiel für die Rotationsreflektoren.

Fig. 1 zeigt ein Koordinatenmeßgerät (1) mit einem in X-Richtung verschiebbaren Meßtisch (2). Ein Portal (3), welches nichtverschiebbar ausgebildet ist, trägt an einer Traverse (4) einen in Y-Richtung verschiebbaren Schlitten (5), an dem wiederum eine in Z-Richtung verschiebbare Pi nole (6) angeordnet ist.

Für die Erfassung der Abweichungen von der exakten Li nearität wird gemäß Fig. 2 ein Laserinterferometer (7) ver wendet, welches eine Lichtquelle (8) aufweist, mit einem Strahlengang (9) in Richtung einer Meßachse (10). Orthogonal zu der Meßachse (10) liegen zwei Achsen (11, 12). In Rich tung der Bewegungsachse (12) sind ein Linearstrahlteiler (13) sowie zwei Rotationsstrahlteiler (14, 15) verschiebbar angeordnet. Wird der Linearstrahlteiler (13) in den Strah lengang (9) gebracht, wirkt das Laserinterferometer (7) wie ein Linearitätsinterferometer oder Längeninterferometer. Werden die Rotationsstrahlteiler (14, 15) nacheinander in den Lichtstrahl (9) gebracht, wirkt das Laserinterferometer (7) als Laserinterferometer mit Rotationsoption.

Weiterhin ist ein kombinierter Rotationsreflektor (16) vorgesehen, der L-förmig ausgebildet ist. Der kombinierte Rotationsreflektor (16) weist drei Retroreflektoren (17, 18, 19) auf.

Ist der Linearstrahlteiler (13) im Laserstrahlengang (9) angeordnet, ist der Laserstrahl auf den mittleren Re troreflektor (18) ausgerichtet. Durch Verfahren entlang der Bewegungsachse (12) in Richtung des Pfeiles (A) wird der erste Rotationsstrahlteiler (14) in den Laserstrahlengang (9) gebracht. Nun ist der Laserstrahl auf die Retroreflek toren (18, 19) ausgerichtet. Nach dieser Messung wird der Rotationsstrahlteiler (15) in den Laserstrahlengang (9) gebracht. In diesem Fall ist der Laserstrahl (9) auf die Retroreflektoren (17, 18) ausgerichtet.

Zur Veranschaulichung zeigt die Fig. 3 die Lichtquelle (8) sowie den Linearstrahlteiler (13) und den Rotations strahlteiler (14). Der Linearstrahlteiler (13) und der Ro tationsstrahlteiler (14) sind in Richtung des Pfeiles (B) entlang der Bewegungsachse (12) verschiebbar auf dem Meß tisch (nicht dargestellt) gelagert. Gemäß Fig. 3 befindet sich der Rotationsstrahlteiler (14) im Laserstrahlengang (9). Der Laserstrahlengang (9) wird mittels des Rotations strahlteilers (14) in zwei Strahlengänge (9a, 9b) aufge spalten. Diese sind auf die Retroreflektoren (18, 19) aus gerichtet. Mittels des Laserinterferometers (7) ist in die ser Position die Rotationsabweichung in Richtung des Pfei les (C) bestimmbar.

Die Bestimmung der Geradheitsabweichungen können mit einem körperlichen Geradheitsnormal vorgenommen werden. Es ist aber auch möglich, ein Laserinterferometer (20) mit Ge radheitsoption gemäß Fig. 4 vorzusehen. Das Laserinter ferometer (20) weist wiederum die Lichtquelle (8) auf und einen Strahlteiler (21), der den Laserstrahl (9) in die Strahlen (9a, 9b) aufteilt. Die Strahlen (9a, 9b) sind auf Spiegel (22) ausgerichtet.

Wird das Laserinterferometer (20) gemäß Fig. 4 für die Bestimmung der Geradheitsabweichungen verwendet, ist nicht nur der Strahlteiler (21) in den Strahlengang (9) zu brin gen, sondern der kombinierte Rotationsreflektor (16) ist gegen den Spiegel (22) auszutauschen, was durch geeignete mechanische Mittel vorgenommen werden kann.

Ist der Linearstrahlteiler (13) in dem Strahlengang (9) angeordnet, arbeitet das Laserinterferometer (7) als Linearinterferometer, mittels dessen die Positionsabwei chung gemessen werden kann.

Wird der erste Rotationsstrahlteiler (14) in den Strahlengang (9) gebracht, kann der erste rotatorische Feh ler bestimmt werden. Mit dem zweiten Rotationsstrahlteiler (15) im Strahlengang (9) kann der zweite Rotationsfehler bestimmt werden.

Die beiden noch fehlenden Geradheitsabweichungen kön nen mit einem doppelten körperlichen Geradheitsnormal oder mit einem Laserinterferometer mit Geradheitsoption gemäß Fig. 4 bestimmt werden.

Auf diese Art und Weise ist es möglich, alle Geome trieabweichungen einer Achse, nämlich der Meßachse (10) au tomatisch zu erfassen.

Fig. 5 zeigt eine Platte (23) mit zwei darauf ange ordneten Rotationsreflektoren (24, 25). Diese Vorrichtung kann anstelle des kombinierten Rotationsreflektors gemäß der Fig. 2 eingesetzt werden.

Gemäß Fig. 6 ist es auch möglich, auf der Platte (23) einen Retroreflektor (26) mit dem Rotationsreflektor (25) zu kombinieren. In diesem Fall ist es aber erforderlich, daß der Abstand (d) zwischen dem Retroreflektor (26) und dem Rotationsreflektor (25) genau bestimmt wird.

Bezugszeichenliste

1

Koordinatenmeßgerät

2

Meßtisch

3

Portal

4

Traverse

5

Schlitten

6

Pinole

7

Laserinterferometer

8

Lichtquelle

9

Strahlengang

9

a,

9

bStrahlengänge

10

Meßachse

11

Achse

12

Achse

13

Linearstrahlteiler

14

Rotationsstrahlteiler

15

Rotationsstrahlteiler

16

kombinierter Rotationsreflektor

17

,

18

,

19

Retroreflektoren

20

Laserinterferometer

21

Strahlteiler

22

Spiegel

23

Platte

24

,

25

Rotationsreflektoren

26

Retroreflektor
A, B, CPfeile
dAbstand
αWinkel

Claims

1. Verfahren zur Erfassung von Geometrieabweichungen wenigstens einer Achse eines Koordinatenmeßgerätes, dadurch gekennzeichnet, daß sämtli che Geometrieabweichungen wenigstens einer Achse (10) auto matisch mit marktüblichen Systemen und/oder aus marktübli chen Komponenten zusammengesetzten Systemen erfaßt werden, wobei Messungen der Abweichungskomponenten

a) mit wenigstens einem Laserinterferometer (7, 20) und mit wenigstens einem Spiegel (22) und/oder Retroreflektor (18, 19) und/oder
b) mit wenigstens einem elektrischen Winkelmesser und einem körperlichen Geradheitsnormal und/oder
c) mit einem Laserinterferometer (7), einem Spiegel und/oder Reflektor (17, 18, 19) und einem körperlichen Geradheitsnormal

automatisch durchgeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Messungen nacheinander durch Verschiebung unterschiedlicher optischer Komponenten (13, 14, 15) durch die Bewegung einer Bewegungsachse des Koordinatenmeßgerätes (1) durchgeführt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) Durchführen der ersten Messung mit einem Laserinterfero meter (7), wobei im Strahlengang ein erster Rotations strahlteiler (14) angeordnet ist,
b) Verschieben des ersten Rotationsstrahlteilers (14), der art, daß der erste Rotationsstrahlteiler (14) außerhalb des Strahlenganges (9) und ein zweiter Rotationsstrahl teiler (15) im Strahlengang (9) angeordnet ist, wobei der zweite Rotationsstrahlteiler (15) senkrecht zu dem ersten Rotationsstrahlteiler (14) angeordnet ist.
c) Durchführen der zweiten Messung,
d) Verschieben des zweiten Rotationsstrahlteilers (15), derart, daß der zweite Rotationsstrahlteiler (15) außerhalb des Strahlenganges (9) und der Linearstrahl teiler (13) im Strahlengang (9) angeordnet ist,
e) Durchführen der dritten Messung.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte a) bis e) in geänderter Reihenfolge durchgeführt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Durchführung der dritten Messung bei der Aufnahme der Geradheiten im Korrekturmodell die aufgenommenen Rotationen berücksichtigt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die dritte Rotationsabweichung durch Diffe renzmessung zweier elektronischer Winkelmesser durchgeführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste elektronische Winkelmesser mit der zu messen den Achse (10) und der zweite elektronische Winkelmesser mit einer Maschinenbasis oder einer der Bewegungsachsen (11, 12) verbunden ist.

8. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn zeichnet, daß das Verschieben der optischen Komponenten (13, 14, 15) entlang einer Bewegungsachse (12) des Koordi natenmeßgerätes (1) erfolgt, wobei die Bewegungsachse (12) senkrecht zu einer Meßachse (10) angeordnet ist.

9. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein kombinierter Rotationsreflektor (16) verwendet wird, der L-förmig mit Schenkeln ausgebildet ist, wobei an einer Vorderseite des Rotationsreflektors (16) an Enden der Schenkel je ein Retroreflektor (17, 19) und im Schnittpunkt der Schenkel ein weiterer Retroreflek tor (18) angeordnet ist.

10. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Messungen nacheinander durchgeführt werden ohne Verschieben des kombinierten Ro tationsreflektors (16).

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den optischen Komponenten (13, 14, 15) ein körperliches Geradheitsnormal parallel zur Meßachse angeordnet und gemessen wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich net, daß das Geradheitsnormal als doppeltes körperliches Geradheitsnormal ausgebildet ist.

13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes Laserinterferometer (7) mit Linearoption und Rotationsoption verwendet wird, und daß ein zweites La serinterferometer (20) mit Geradheitsoption verwendet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich net, daß für die Messung mit dem Laserinterferometer (20) mit Geradheitsoption der kombinierte Retroreflektor (16) für die Messungen mit dem Laserinterferometer (7) mit Line aroption und Rotationsoption gegen einen für die Gerad heitsmessung geeigneten Spiegel (22) ausgetauscht wird.

15. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geometrieabweichungen einer Achse eines CNC-Koordi natenmeßgerätes (Computer Numeric Control-Koordinatenmeßge rätes) erfaßt werden.