DE19947374B4 - Verfahren zur Ermittlung geometrischer Abweichungen von Koordinatenmeßgeräten oder Werkzeugmaschinen - Google Patents

Verfahren zur Ermittlung geometrischer Abweichungen von Koordinatenmeßgeräten oder Werkzeugmaschinen Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Ermittlung von geometrischen Abweichungen von Koordinatenmessgeräten oder Werkzeugmaschinen durch den Einsatz eines schwenkbaren optischen Längenmessgerätes, bei dem
a) von dem Koordinatenmessgerät oder der Werkzeugmaschine in mindestens zwei Durchläufen eine gleiche Serie von Soll-Positionen angefahren wird, wobei in jeder Soll-Position der Abstand zu einem während des jeweiligen Durchlaufs ortsfesten, vom Standpunkt des Längenmessgeräts bestimmten Bezugspunkt ermittelt wird,
b) der Bezugspunkt nach jedem Durchlauf versetzt wird,
c) aus diesen gemessenen Abständen ein geometrisches Netz durch Trilateration aufgespannt wird,
d) dieses Netz zur Ermittlung der Messabweichungen des betrachteten Gerätes verwendet wird.

Description

  • Anwendungsgebiet
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von geometrischen Abweichungen in den Führungen von Koordinatenmessgeräten oder Werkzeugmaschinen. Die Mess- bzw. Fertigungsgenauigkeit dieser Geräte hängt entscheidend von der geometrischen Genauigkeit ab, mit der die Führungen in diesen Geräten Koordinatensysteme verkörpern. Es ist notwendig, die geometrischen Abweichungen in den Führungen der Systeme gegenüber einem idealen Koordinatensystem zu ermitteln, um zum einen die Mess- und Fertigungsgenauigkeit beurteilen zu können. Zudem kann bei bekannten systematischen Abweichungen durch mathematische Korrektur die geometrische Genauigkeit der Geräte gesteigert werden.
  • Stand der Technik
  • Stand der Technik ist die Bestimmung von geometrischen Abweichungen von Koordinatenmessgeräten und Werkzeugmaschinen durch
    • a) spezielle Messanordnungen, die die geometrischen Abweichungen einzeln und für jede Verfahrachse getrennt erfassen,
    • b) zweidimensionale, kalibrierte Prüfkörper, die in mehreren Lagen im Messvolumen positioniert und gemessen werden.
  • Kennzeichnend für die Verfahren nach a) ist, dass die Abweichungen in jedem Freiheitsgrad und jeder Achse durch gesonderte Messeinrichtungen aufgenommen werden. Dazu müssen verschiedene Messmittel verwendet werden [1]. Für die Ermittlung der Positionsabweichungen werden Michelson-Laserinterferometer oder Maßstäbe eingesetzt, für die Ermittlung der Geradheitsabweichungen Lineale oder Interferometer in Wolleston-Anordnung und für die Ermittlung der rotatorischen Abweichungen Neigungsmesser oder Winkellaser. Die Rechtwinkligkeit der Verfahrachsen kann durch Messungen an Winkelnormalen bestimmt werden. Die große Anzahl verschiedener Messmittel und die zeitaufwendigen Umbau- und Justierarbeiten machen Verfahren nach a) sehr unwirtschaftlich. Außerdem eignet sich das Verfahren nicht zur Prüfung von Maschinen, deren bekannte systematische Abweichungen bereits bei der Positionierung oder Messung kompensiert werden, da nur tatsächliche (physikalische) Führungsabweichungen und nicht solche, die nach einer nummerischen Korrektur verblieben sind, erfasst werden.
  • Aus den genannten Gründen werden verstärkt Verfahren nach b) angewendet, die durch die Messung von zweidimensionalen kalibrierten Normalen eine vollständige Ermittlung der überlagerten Geometrieabweichungen gestatten. Das Normal ist dabei im Allgemeinen mit kugel- oder zylinderförmigen Antastformelementen versehen. Die Messabweichungen, d. h. die Differenzen zwischen den angezeigten Messwerten und den kalibrierten Werten des Normals, resultieren dabei vornehmlich aus einer Überlagerung der geometrischen Abweichungen. Stand der Technik ist die Analyse der ermittelten Messabweichungen in der Art, dass die einzelnen geometrischen Abweichungen der Führungsbahnen daraus durch rechnergestützte mathematische Verfahren bestimmt werden [2]. Diese Verfahren sind im wissenschaftlichen Rahmen erprobt und bei Koordinatenmessgeräten kleiner und mittlerer Baugröße vielfach im industriellen Einsatz. Bei großen Koordinatenmessgeräten (mit Längen der Bewegungsachsen weit über 1 Meter) sind diese Verfahren jedoch schwer einsetzbar, weil geeignete Normale ausreichender Genauigkeit technisch kaum mehr realisierbar sind. Normale dieser Größenordnung sind unhandlich, und es lässt sich mit ihnen keine ausreichende Stabilität der verkörperten Maße erreichen.
  • In den letzten Jahren wurden in verschiedenen Forschungseinrichtungen Verfahren entwickelt und erprobt, die durch das Messprinzip Trilateration (manchmal auch Muitilateration genannt) die Messgenauigkeit von Koordinatenmessungen erhöhen sollen [4, 5, 6]. Dabei werden mehrere schwenkbare Interferometer gleichzeitig einem gemeinsamen Retroreflektor automatisch nachgeführt. Durch gleichzeitige Auswertung der Längenmessungen aller Interferometer lässt sich dann die Position des Reflektors im Raum bestimmen. Diese Verfahren können auch zur Aufnahme von Abweichungen von Koordinatenmessgeräten [4] oder Industrierobotern [5] verwendet werden. Die in [4, 5, 6] beschriebenen Verfahren weisen jedoch für diese Zweck entscheidende Nachteile auf:
    • 1. Die gleichzeitige Verwendung von drei oder mehr Interferometern auf einem Retroreflektor beschränkt die mögliche Position der Interferometer durch den im Allgemeinen limitierten Reflektionswinkel des Reflektors [5]. Um eine bestmögliche Genauigkeit im Raum zu erreichen, müssen alle Messstrahlen möglichst senkrecht aufeinander stehen. Dieser Forderung steht der limitierte Reflektionswinkel technisch üblicher Retroreflektoren entgegen.
    • 2. Die gleichzeitige Verwendung von drei oder mehr Interferometern erfordert erhebliche Investitionen und erschwert die Handhabung des Systems deutlich.
    • 3. Selbst bei Verwendung eines sogenannten "Full angle cateye"-Retroreflektors [5] lassen sich beim Einsatz von nur drei bis vier schwenkbaren Interferometern keine gleichmäßigen räumlichen Positionsunsicherheiten erzielen, da der Schnittwinkel der Messstrahlen stark mit der Relativposition des Retroreflektors zu den schwenkbaren Interferometern variiert.
  • Entwicklung eines Verfahrens zur Ermittlung von geometrischen Abweichungen in den Führungen von Koordinatenmessgeräten und Werkzeugmaschinen gegenüber einem idealen Koordinatensystem, das geometrische und nach einer Korrektur verbleibende Abweichungen erfasst und zudem ausreichende Genauigkeit und Stabilität auch für große Koordinatenmessgeräte bietet. Zu den Abweichungen, die ermittelt werden können, zählen translatorische Abweichungen in Richtung der Verfahrachse, Geradheitsabweichungen in zwei Richtungen senkrecht zur Verfahrachse und rotatorische Abweichungen in allen drei Raumrichtungen sowie die Rechtwinkligkeitsabweichungen zwischen den drei Verfahrachsen.
  • Lösung
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Einsatz eines schwenkbaren optischen Längenmessgerätes, bei dem
    • a) von dem Koordinatenmessgerät oder der Werkzeugmaschine in mindestens zwei Durchläufen eine gleiche Serie von Soll-Positionen angefahren wird, wobei in jeder Soll-Position der Abstand zu einem während des jeweiligen Durchlaufs ortsfesten, vom Standpunkt des Längenmessgerätes bestimmten Bezugspunkt ermittelt wird,
    • b) der Bezugspunkt nach jedem Durchlauf versetzt wird,
    • c) aus diesen gemessenen Abständen ein geometrisches Netz durch Trilateration aufgespannt wird,
    • d) dieses Netz zur Ermittlung der Messabweichungen des betrachteten Gerätes verwendet wird.
  • Am Koordinatenmessgerät oder an der Werkzeugmaschine (5) wird anstelle des Tasters bzw. des Werkzeuges ein 3-Flächen-Spiegel, eine spiegelnde Kugel oder ein Kugelschalenreflektor (sogenanntes cat's eye) als Referenzelement (4) befestigt. Dann wird die Maschine in eine Anzahl von vorgegebenen Soll-Positionen (3) gefahren. Bei Erreichen der jeweiligen Soll-Positionen (und evtl. nach einer Beruhigungszeit) wird erfindungsgemäß durch ein schwenkbares optisches Längenmessgerät (1) eine Abstandsmessung (2) zu einem während des jeweiligen Durchlaufs ortsfesten Bezugspunkt vorgenommen. Dieser Bezugspunkt ist durch den Standort des optischen Längenmessgeräts gegeben. Die Messwertaufnahme des Längenmessgeräts kann dabei durch das Steuerungsprogramm des Koordinatenmessgerätes oder der Werkzeugmaschine ausgelöst werden. Es ergibt sich ein Bündel von Abständen.
  • Nach Durchfahren einer Serie von Soll-Positionen wird das Längenmessgerät (1) und damit der Bezugspunkt erfindungsgemäß umgesetzt und es wird mindestens ein weiteres Mal die identische Serie von Soll-Positionen angefahren. Es ergibt sich ein zweites Bündel von Abständen (2). Im Allgemeinen werden auf diese Art mehrere Bündel zu je einem Bezugspunkt nacheinander aufgenommen. Die so gemessenen Abstände (2) werden erfindungsgemäß durch mathematische Verfahren derart verknüpft, dass zwischen den Messpositionen (3) ein Koordinatennetz aufgespannt wird.
  • Für die technische Anwendung bei kartesisch aufgebauten Koordinatenmessgeräten oder Werkzeugmaschinen ist es im Allgemeinen vorteilhaft, die Soll-Positionen und die Bezugspunkte relativ genau in einer Ebene anzuordnen. Dadurch können die Messpositionen in Richtung dieser Ebene mit hoher Genauigkeit bestimmt werden.
  • Nacheinander können derart mehrere Koordinatennetze in drei orthogonalen Ebenen (6, 7, 8) aufgenommen werden. Die so erzeugten Koordinatennetze können anstelle eines in mehreren Positionen gemessenen, kalibrierten Prüfkörpers eingesetzt werden, um die überlagerten geometrischen Abweichungen von Koordinatenmessgeräten oder Werkzeugmaschinen zu bestimmen.
  • Bei einem Längenmessgerät mit einer Winkelmesseinrichtung können die gemessenen Winkel genutzt werden, um bei Ablagen (off set) des Längenmessgeräts von der Messebene den Kosinusfehler hinreichend genau rechnerisch zu kompensieren. Mit Hilfe der gemessenen Winkel kann die gemessene Länge dann in die Messebene projiziert werden.
  • Die Längen können auch interferometrisch gemessen werden. Das interferometrische Längenmessgerät kann so ausgeführt werden, dass es dem bewegten Referenzelement automatisch folgt.
  • Wenn der Reflektionswinkel des 3-Flächen-Spiegels oder des Kugelschalenreflektors nicht ausreicht, um im ganzen Verfahrbereich der Maschine eine Reflektion des optischen Signals in das Längenmessgerät zu gewährleisten, kann das Reflektionselement (4) in einer Achse schwenkbar ausgeführt werden in der Art, dass der wirksame Reflektionspunkt mit hoher Präzision ortsfest zum Tastkopf oder Werkzeughalter (9) bleibt. Dies kann durch eine Anbringung des Reflektors in der Art erfolgen, dass der Reflektionspunkt des Reflektors möglichst genau in der Rotationsachse liegt (Bild 3). Die Ausrichtung des Reflektors um die Drehachse (10) geschieht dabei durch eine elektrische Positioniereinrichtung (11). Das Referenzelement kann in verschiedenen Positionen an dem Koordinatenmessgerät oder der Werkzeugmaschine angebracht werden (Bild 4).
  • Bei nur zwei Durchläufen (und damit nur zwei Bezugspunkten) müssen die Positionen des Messgeräts zueinander eingemessen sein und die Positionen des Längenmessgeräts müssen relativ genau in der jeweiligen Ebene (6, 7, 8) der Verfahrbewegung liegen. Die Abstände des Längenmessgeräts von der jeweiligen Messebene gehen dann proportional zum Kosinus des zwischen Messebene und Längenmessachse eingeschlossenen Winkels als Messfehler ein. Dieser Messfehler ist verhältnismäßig klein und bei entsprechend genauer Positio nierung des Längenmessgeräts in der Messebene zu vernachlässigen.
  • Werden für eine Messebene drei oder mehr Durchläufe mit unterschiedlicher Positionierung des Längenmessgeräts durchgeführt und ausgewertet, können durch räumliche Trilateration auch die Versätze der Positionen des Längenmessgeräts in Bezug zur Messebene berechnet und korrigiert werden.
  • Bevorzugte Ausführungsform
  • Am Koordinatenmessgerät oder an der Werkzeugmaschine wird an Stelle des Tasters oder des Werkzeuges vorzugsweise ein optischer Reflektor als Referenzelement befestigt und in eine Anzahl von vorgegebenen Soll-Positionen gefahren, welche relativ genau in einer Ebene liegen. Als interferometrisches Längenmessgerät wird ein handelsüblicher Lasertracker [3] eingesetzt und derart aufgestellt, dass er sich hinreichend genau in der Ebene der vom Koordinatenmessgerät oder der Werkzeugmaschine anzufahrenden Positionen befindet. Ausgehend von einer Startposition erfolgt dann eine automatische Verfolgung des Reflektors und eine automatische Messung der Abstände. Als Messstrahl wird dabei ein kollimiertes Laserstrahlenbündel verwendet, das über einen in zwei Achsen drehbaren Spiegel auf den Reflektor gerichtet wird.
  • Als Reflektoren eignen sich insbesondere Kugelschalenreflektoren oder 3-Flächen-Spiegel (4). Wenn der Reflektionswinkel nicht ausreicht, um in allen angefahrenen Messpositionen eine Längenmessung vornehmen zu können, kann der Reflektor in der Art dem Messstrahl nachgeführt werden, dass sein wirksamer Reflektionspunkt ortsfest zum Referenzpunkt des Koordinatenmessgerätes oder der Werkzeugmaschine bleibt.
  • Die Ausrichtung des Reflektionselements kann durch ein Signal des Koordinatenmessgerätes oder der Werkzeugmaschine erfolgen. Ein möglicher Auslöseimpuls kann das akustische Signal des Steuerrechners des Koordinatenmessgerätes oder der Werkzeugmaschine sein.
  • In der Startposition wird der reflektierte Laserstrahl über den Spiegel in den Lasertracker zurückgeführt und dort sowohl von einem positionsempfindlichen Detektor gemessen als auch einem Interferometer zugeführt. Bei Bewegung des Reflektors aus der Startposition steuert der positionsempfindliche Detektor den Spiegel derart, dass der Laserstrahl dem bewegten Reflektor folgt, bis dieser die gewünschte Position innerhalb des Messvolumens des Koordinatenmessgerätes oder der Werkzeugmaschine erreicht hat. Mit dem Interferometer wird nach Stillstand der Maschine die Abstandsänderung bestimmt. Nacheinander werden auf diese Weise die Abstände zu allen angefahrenen Positionen gemessen.
  • Nach diesem ersten Durchlauf wird der Lasertracker neu positioniert. Vom Koordinatenmessgerät oder von der Werkzeugmaschine werden nochmals alle Soll-Positionen angefahren und der Lasertracker misst wiederum die Abstandsänderungen zu allen angefahrenen Positionen. Abschließend erfolgt ein dritter Durchlauf, wozu der Lasertracker erneut in der Ebene der anzufahrenden Soll-Positionen verschoben wird.
  • Aus den drei Durchläufen liegen jeweils gemessene Abstandsänderungen zwischen den angefahrenen Positionen vor. Aus den Abstandsänderungen lassen sich dann in der Verfahrebene die zweidimensionalen Koordinaten der angefahrenen Soll-Positionen und die Positionen der Lasertracker iterativ durch wiederholten Bogenschnitt durch die Gleichungen (Xi – x1)2 + (Yi – y1)2 = (l1i + m1)2 (Xi – X2)2 + (Yi – y2)2 = (l2i + m2)2 (Xi – x3)2+ (Yi – y3)2 = (l3i + m3i)2 berechnen, wobei die xj und yj die Koordinaten der drei Lasertrackerstandpunkte bezeichnen, die lji die vom jeweiligen Standpunkt j zwischen den Soll-Positionen i interferometrisch gemessenen Abstandsänderungen, die mj die unbekannten Abstände zwischen Lasertrackerstandpunkt und Startposition, die Xi sowie Yi die Koordinaten der angefahrenen Soll-Positionen.
  • Sind mehr Abstandsänderungen gemessen worden als zur eindeutigen Bestimmung der Soll-Positionen notwendig sind, können die wahrscheinlichsten Koordinaten der angefahrenen Positionen mit Hilfe der Methode der kleinsten Quadrate gefunden werden. Nachdem auf diese Weise die Koordinaten der angefahrenen Positionen in einer Verfahrebene gefunden wurden, wird das Verfahren für die anderen Verfahrebenen wiederholt.
  • Vorteile
  • Gegenüber der im Stand der Technik unter a) beschriebenen Methode, die einzelnen Geometrieabweichungen durch unterschiedliche, spezialisierte Messgeräte zu ermitteln, bietet das erfindungsgemäße Verfahren folgende Vorteile: Es erfordert weniger Zeit, da Umbau und Justierarbeiten deutlich reduziert werden. Außerdem wird der Apparateaufwand verringert, da nur noch ein schwenkbares Längenmessgerät benötigt wird. Zusätzlich bietet das Verfahren die Möglichkeit, neben physikalischen Abweichungen der Führungen auch die nach einer nummerischen Korrektur verbleibenden Messabweichungen eines Koordinatenmessgerätes oder einer Werkzeugmaschine zu ermitteln.
  • Gegenüber der im Stand der Technik unter b) beschriebenen Methode liegt der wesentliche Vorteil im Verzicht auf kalibrierte Prüfkörper. Insbesondere für große Koordinatenmessgeräte sind solche Prüfkörper kaum noch mit ausreichender Genauigkeit realisierbar. Zudem würden sie hohe Transportkosten erfordern und die Handhabung wäre sehr arbeitsintensiv.
  • Gegenüber dem direkten Einsatz von Lasertrackern [3], die durch eine Verbindung von Längenmessung und Raumwinkelmessung ein Kugelkoordinatensystem verkörpern, ergibt sich durch das Trilaterationsprinzip eine deutlich gesteigerte Genauigkeit. Bei dem direkten Einsatz von Lasertrackern ist die Messgenauigkeit senkrecht zur Längenmessachse relativ gering, da diese von der Genauigkeit der Raumwinkelmessung abhängt. Positionen quer zum Laserstrahl werden durch die Winkelgeber zwar mit einer gleichbleibenden Winkelauflösung α bestimmt, diese führt aber über die gemessene Länge 1 und die Beziehung sin(α) × 1 zu einer stark längenabhängigen Positionsmessgenauigkeit quer zum Messstrahl. Aufgrund der begrenzten Winkelauflösung α sind Lasertracker deshalb nicht ausreichend, um allein durch direkte Messung die geometrischen Abweichungen von hochgenauen Koordinatenmessgeräten und Werkzeugmaschinen zu bestimmen.
  • Gegenüber den bisher in der Literatur erwähnten Trilaterationsverfahren [4, 6] bietet die erfindungsgemäße Lösung den Vorteil, dass durch den sequentiellen Einsatz nur eines Lasertrackers an mehreren Positionen der gerätetechnische Aufwand auf ein Minimum reduziert wird. Durch die Messung mit einem optischen Längenmessgerät in einer Ebene wird der Einsatz eines automatisch nachgeführten Reflektors technisch deutlich vereinfacht, da er nur über eine Drehachse verfügen muss. Trotzdem kann durch die Aufnahme der ebenen Abweichungen in drei senkrecht aufeinander stehenden Ebenen nach [2] das vollständige Abweichungsverhalten eines Koordinatenmessgerätes oder einer Werkzeugmaschine erfasst werden.
  • Legende zu den nachfolgenden Bildern
  • Bild 1: Verwendung eines in mindestens zwei Positionen aufgestellten schwenkbaren Längenmessgeräts zur Ermittlung von Geometrieabweichungen eines Koordinatenmessgerätes oder einer Werkzeugmaschine
  • Bild 2: Erzeugung eines Koordinatennetzes aus Längenmessungen in einer Ebene
  • Bild 3: Reflektor drehbar um eine Achse durch den scheinbaren Reflektionspunkt
  • Bild 4: Anbringung eines in einer Achse schwenkbaren Reflektors anstelle eines Tasters oder eines Werkzeuges
  • Literatur
    • [1] Busch, K., Kunzmann, H., Wäldele, F., "Numerical errorcorrection of a coordinate measuring machine, proceedings of the international symposium on metrology for quality control in production", Tokyo 1984, S. 278–282
    • [2] Traget, E., Wäldele, F., "A reference object based method to determine the parametric error components of coordinate measuring machines and machine tools", Measurement Vol 9 No 1, Jan–Mar 1991, S. 17–21
    • [3] Loser, R., "Laser-Tracking-System für 3D-Messungen bewegter Objekte", Technisches Messen Jahrgang 60, Nr. 5, 1993, S. 198–202
    • [4] T. Takatsuji et al.: The first measurement of a threedimensional coordinate by use of a laser tracking interferometer system based on trilateration, in: Meas. Sci. Technol. 9 (1998) 38–41
    • [5] O. Nakamura et al.: A laser tracking robot performance calibration system using ball-seat bearing mechanisms and a spherically shaped cat's eye reflector, in: Rev. Sci. Instrum. 65 (4) 1994, S. 1006–1011
    • [6] O. Nakamura, M. Goto: Four-beam laser interferometry for three-dimensinal microscopic coordinate measurement, in: Applied Optics, 33 (1994) 1, S.31–36

Claims (9)

  1. Verfahren zur Ermittlung von geometrischen Abweichungen von Koordinatenmessgeräten oder Werkzeugmaschinen durch den Einsatz eines schwenkbaren optischen Längenmessgerätes, bei dem a) von dem Koordinatenmessgerät oder der Werkzeugmaschine in mindestens zwei Durchläufen eine gleiche Serie von Soll-Positionen angefahren wird, wobei in jeder Soll-Position der Abstand zu einem während des jeweiligen Durchlaufs ortsfesten, vom Standpunkt des Längenmessgeräts bestimmten Bezugspunkt ermittelt wird, b) der Bezugspunkt nach jedem Durchlauf versetzt wird, c) aus diesen gemessenen Abständen ein geometrisches Netz durch Trilateration aufgespannt wird, d) dieses Netz zur Ermittlung der Messabweichungen des betrachteten Gerätes verwendet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Soll-Positionen und die Bezugspunkte ungefähr in einer Ebene liegen und die Messabweichungen ausschließlich in dieser Ebene ausgewertet werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, a) dass das schwenkbare optische Längenmessgerät über eine Winkelmesseinrichtung verfügt, b) dass die gemessenen Winkel zur Projektion der gemessenen Längen in die Messebene verwendet werden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Längen interferometrisch gemessen werden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass das schwenkbare Längenmessgerät automatisch dem bewegten Referenzelement folgt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass das als Reflektor ausgeführte Referenzelement sich automatisiert in einer Achse hinreichend in Richtung des optischen Längenmessgeräts ausrichtet, so dass dieses in jeder angefahrenen Position eine Längenmessung vornehmen kann.
  7. Verfahren nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass der scheinbare Reflektionspunkt des schwenkbaren Referenzelementes sich in der Drehachse oder dem Drehpunkt der Schwenkbewegung befindet und dadurch ortsfest zur Einspannung des Tasters oder des Werkzeuges bleibt.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Orientierung des Referenzelementes durch eine elektrische Positioniereinrichtung erfolgt, die durch ein Triggersignal des Steuerrechners der Werkzeugmaschine oder des Koordinatenmessgerätes gesteuert wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass dieses Triggersignal durch ein akustisches Signal des Steuerrechners ausgelöst wird.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102012014312A1 (de) * 2012-07-19 2014-05-15 Kuka Roboter Gmbh Robotergeführte Messanordnung
WO2019141884A1 (es) 2018-01-22 2019-07-25 Fundación Tekniker Método para la auto-verificación de sistemas mecatrónicos

Families Citing this family (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10126753B4 (de) * 2001-06-01 2005-02-10 Bundesrepublik Deutschland, vertr. d. d. Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit, dieses vertr. d. d. Präsidenten der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Verfahren zur Genauigkeitssteigerung von Koordinatenmessgeräten und Werkzeugmaschinen
DE10153049B4 (de) * 2001-10-26 2007-03-08 Wiest Ag 3D-Koordinationssystem
DE10224993C1 (de) * 2002-06-05 2003-08-21 Siemens Ag Verfahren zur Vermessung der Verzerrung einer Flächen-Positioniervorrichtung
DE10339194B4 (de) * 2003-08-22 2006-06-29 Bundesrepublik Deutschland, vertr. d. d. Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie, dieses vertr. d. d. Präsidenten der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Verfahren zur Ermittlung systematischer geometrischer Abweichungen in technischen Mehrkörpersystemen
ITTO20070318A1 (it) * 2007-05-10 2008-11-11 Hexagon Metrology Spa Metodo per la determinazione degli errori geometrici in una macchina utensile o di misura
JP4276275B2 (ja) * 2007-07-25 2009-06-10 ファナック株式会社 工作機械の位置検出誤差測定方法
JP5001870B2 (ja) * 2008-02-07 2012-08-15 三菱重工業株式会社 工作機械
DE102009017491A1 (de) * 2009-04-15 2010-11-11 Kuka Roboter Gmbh System und ein Verfahren zur Vermessung eines Manipulators
DE102010006504B4 (de) * 2010-01-28 2013-11-21 Chiron-Werke Gmbh & Co. Kg Verfahren zur Bestimmung der Position eines Werkzeuges
DE102010021839A1 (de) 2010-05-28 2011-12-01 Dörries Scharmann Technologie GmbH Verfahren zur Maschinenvermessung
DE102010046909B4 (de) * 2010-09-23 2013-12-05 Carl Zeiss Industrielle Messtechnik Gmbh Werkzeugmaschine mit Positionserfassungseinrichtung
DE202013101050U1 (de) * 2013-03-11 2014-08-05 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Führungssystem für eine Roboteranordnung
EP2878920A1 (de) 2013-11-28 2015-06-03 Hexagon Technology Center GmbH Kalibrierung einer Koordinatenmessmaschine mithilfe eines Kalibrierungslaserkopfs am Werkzeugmittelspunkt
DE102013113949B4 (de) * 2013-12-12 2021-03-18 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Fertigungsanlage
JP2017019072A (ja) * 2015-07-14 2017-01-26 トヨタ自動車株式会社 位置計測システム
DE102015226387B4 (de) * 2015-12-21 2023-07-27 Carl Zeiss Industrielle Messtechnik Gmbh Verfahren zur Durchführung von Messungen mit einem Prüfelement in einem Koordinatenmessgerät oder einer Werkzeugmaschine
DE102017103455A1 (de) 2017-02-20 2018-08-23 Etalon Ag Messsystem zum Messen von Längen und/oder Längenänderungen
GB201702391D0 (en) 2017-02-14 2017-03-29 Renishaw Plc Surface sensing device
US10473451B2 (en) 2017-08-07 2019-11-12 Apre Instruments, Inc. Measuring the position of objects in space
JP6574915B1 (ja) * 2018-05-15 2019-09-11 東芝機械株式会社 被加工物の加工方法および被加工物の加工機
DE102022108368A1 (de) 2022-04-07 2023-10-12 Bundesrepublik Deutschland (Physikalisch-Technische Bundesanstalt) Messsystem und Messverfahren

Non-Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Busch, K., Kunzmann, H., Wäldele, F., "Numerical error-correction of a coordinate measuring machine proceedings of the international symposium on metrology for quality control in production", Tokyo 1984, S. 278-282
Busch, K., Kunzmann, H., Wäldele, F., "Numerical error-correction of a coordinate measuring machineproceedings of the international symposium on metrology for quality control in production", Tokyo 1984, S. 278-282 *
components of coordinate measuring machines and machine tools", Measurement Vol. 9 No. 1, Jan-Mar 1991, S. 17-21
Loser, R., "Laser-Tracking-System für 3D-Messungen bewegter Objekte", Technisches Messen Jahrgang 60, Nr. 5, 1993, S. 198-202
O. Nakamura et al.: A laser tracking robot-per- formance calibration system using ball-seated bearing mechanisms and a spherically shaped cat's-eye retroreflector, in: Rev. Sci. Instrum. 65(4)1994, S.1006-1011 *
O. Nakamura, M. Goto: Four-beam laser inter- ferometry for three-dimensional microscopic coordinate measurement, in: Applied Optics, 33(1994)1,S.31-36 *
T. Takatsuji et al.: The first measurement of a three-dimensional coordinate by use of a laser tracking interferometer system based on trila- teration, in: Meas. Sci. Technol. 9(1998)38-41 *
Trapet, E., Wäldele, F., A reference objekt based method to determine the parametric error *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102012014312A1 (de) * 2012-07-19 2014-05-15 Kuka Roboter Gmbh Robotergeführte Messanordnung
WO2019141884A1 (es) 2018-01-22 2019-07-25 Fundación Tekniker Método para la auto-verificación de sistemas mecatrónicos

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