DE3205362C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Wegmeßsystem zur Erfassung der räumlichen Koordinaten einer beweglichen Komponente mit den Merkmalen der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bezeichneten Gattung.

Im Bereich des Maschinenbaus hat der Begriff des räumlichen Messens mit dem Einsatz von programmgesteuerten Werkzeug- und Meßmaschinen eine entscheidende Bedeutung bekommen. Während bis dahin im wesentlichen Einzelmaße, welche für eine Funktionserfüllung des gefertigten Teils verantwortlich waren, interessierten und direkt werkstückbezogen manuell ermittelt wurden, übernehmen heute in weiten Bereichen der Fertigung sog. Dreikoordinatenmeßgeräte diese Aufgabe. Letztere besitzen aber, um die universelle Einsetzbarkeit zu gewährleisten, im allgemeinen nicht die Möglichkeit, sich wie bei manueller Messung üblich, bestimmter Konturelemente des Werkstücks als Referenz zu bedienen und bezogen auf diese Referenz einfache, d. h. einachsige Messungen durchzuführen. Anstatt dessen kann die Maschine zunächst nur Oberflächenpunkte des Prüflings bezogen auf das Koordinatensystem der Maschine bestimmen. Erst danach ist es möglich, durch Besteinpassungen und Koordinatentransformationen werkstückbezogene Daten wie z. B. Bohrungsabstände oder Durchmesser zu erhalten. Analoges gilt für mehrachsige Bearbeitungsmaschinen: auch hier kommt i. a. ein Bezug zwischen Konturelementen des Werkstückes erst über das Koordinatensystem der Maschine zustande.

Es ist naheliegend, daß zum einen dieses relativ "indirekte" Zustandekommen von Funktionsmaßen, und zum anderen eine möglichst universelle Einsetzbarkeit von Mehrkoordinaten-Meß- und -Bearbeitungsmaschinen sehr geringe zulässige Meßunsicherheiten von 0,5 bis wenigen µm implizieren. Diesen hohen Anforderungen müssen aber Meßsysteme genügen, die auf einer Mehrzahl von im allgemeinen zwar hinreichend präzisen, aber durchweg nur eindimensionalen Maßverkörperungen aufbauen.

Die verbreitetste Methode, zu einem mehrdimensionalen Meßsystem zu gelangen, ist die, mehrere eindimensionale Bewegungsachsen einer Maschine mit jeweils einem eindimensionalen Meßsystem auszurüsten, welches dann auch gleichzeitig Teil des Lageregelkreises für die jeweilige Achse ist. Eine räumliche Information ergibt sich dabei aus der vektoriellen Addition aller Einzelmeßwerte fast immer unter Annahme der idealen räumlichen Lage der Achsen zueinander, d. h. eine derartige dreidimensionale Messung beinhaltet nicht nur Meßunsicherheiten der primären Wegmeßsysteme, sondern auch solche der Maschinengeometrie. Diese treten um so mehr in Erscheinung je weiter ein Meßpunkt von den eigentlichen Wegmeßsystemen, d. h. Meßachsen, entfernt liegt (Abb´-Fehler). Läßt man Tasterprobleme bei Meßmaschinen und Fehler weiterer Achsen (z. B. von 5-Achsen-Fräsmaschinen) außer acht, so sind für die räumliche Positionsunsicherheit einer 3-Achsen-Maschine insgesamt 21 Fehlerfreiheitsgrade verantwortlich: pro Bewegungsachse 1 linearer Fehler des Wegmeßsystems, 2 Geradheitsabweichungen, d. h. transversale Verschiebungen, 3 Neigungen ("Rollen, Gieren, Stampfen") und zwischen jeweils zwei Koordinatenrichtungen ein Orthogonalitätsfehler. Außer letzterem sind diese natürlich ortsabhängig, was zu einem über den Arbeits- bzw. Meßraum verteilten recht komplizierten Fehlerbild führt.

Dieses ist aber im allgemeinen nicht konstant, sondern unterliegt durch thermische Effekte und langfristig auftretende Dejustierungen, insbesondere bezüglich der Geradheit und der Rechtwinkligkeit von Achsen zueinander, dauernden Änderungen. Eine diesbezügliche regelmäßige Wartung ist unvermeidlich und stellt einen nicht vernachlässigbaren Kostenfaktor für den Betrieb einer Maschine dar, insbesondere, da solche sog. Komponentenmessungen in Ermangelung eines universellen 3D-Abnahmesystems recht komplex sind. Erfahrungen mit Laserinterferometern, welche zur Zeit die perfektesten Wegmeßsysteme darstellen, als Maschinenmeßsysteme in den einzelnen Achsen zeigten mit wenigen Ausnahmen, daß der Erhöhung der räumlichen Positionsgenauigkeit in erster Linie Fehler der Maschinengeometrie entgegenstehen /1/.

2. Korrekturstrategien für 3D-Maschinenmeßsysteme

Wo Fehler systematischer Art unvermeidbar sind, liegt es natürlich nahe, diese zu erfassen und in geeigneter Weise zu kompensieren. Hierzu bieten sich grundsätzlich 2 Methoden der Fehlerermittlung und 2 zu ihrer Beseitigung an: einzelne Abweichungsgrößen können echtzeitmäßig, also während der Bearbeitung bzw. Vermessung von Werkstücken auf der Maschine erfaßt und korrigiert werden oder in größeren Zeitabständen als sog. Fehlermatrix abgespeichert werden, womit dann eine Korrektur vorgenommen werden kann /2/. Letzere läßt sich wiederum auf prinzipiell 2 Weisen realisieren: zum einen kann mechanisch, also z. B. durch deformierende Kräfte, die Sollgeometrie wiederhergestellt werden, zum anderen lassen sich die Meßwerte der primären Wegmeßsysteme so beeinflussen, daß diese den wahren Ort der Werkzeugschneide bzw. des Tastkugelmittelpunktes repräsentieren. So naheliegend auch die Kompensation von Fehlereinflüssen ist, der enorme Aufwand bei ihrer Erfassung mit derzeit üblichen Meßmitteln steht auf Dauer dem breiten Einsatz entgegen. Das Minimum liegt bei ca. 2 Manntagen! Hier sind dringend leichter und schneller zu handhabende Verfahren erforderlich, besser noch solche, die eine automatisch ablaufende Abnahmemessung ermöglichen, damit in relativ kurzen Zeitintervallen neue Korrekturwerte erstellt werden können. Verfahren, die eine vollautomatisierte Prüfkörpervermessung vorsehen, sind zwar rationeller als Abnahme mit Laserinterferometern, eignen sich aber wegen der geringen Anzahl möglicher Meßstellen im wesentlichen nur zur pauschalen Überwachung und nicht zur kompletten Abnahme und Kompensationsmatrixerstellung /3/. Auf der Seite der on-line-Korrektur bieten moderne lasergeschützte optische Geradheits- und Orthogonalitätsmeßsysteme eine gute Basis /4/; auf diese Weise alle Bewegungsachsen voll zu überwachen, ist jedoch illusorisch. Lediglich die Erfassung und Kompensation der gravierendsten Einflüsse wie z. B. der Querbalkendurchbiegung bei Einständermaschinen und der damit verbundenen Abweichung von der Geradheit und Orthogonalität, erscheint hier sinnvoll.

Durch solche Strategien könnte erheblich an Konstruktionsaufwand und Material eingespart werden, da bei Großmaschinen die Dimensionierung weniger im Hinblick auf eine für den Zerspanprozeß erforderliche Steifigkeit geschieht, sondern Grenzen mehr durch Deformationen unter Eigengewicht gesetzt sind /5/; dies trifft ganz besonders auf große Meßmaschinen zu, bei denen im Prinzip ja nur das Tastelement definiert im Raum geführt werden muß.

3. Ansätze zu direkt dreidimensional messenden Systemen

Die skizzierten Überlegungen zeigen somit, daß ein auf direktem Wege räumlich messendes System im Einsatz als Maschinenmeßsystem, selbst wenn es um etwa einen Faktor 2-3 teurer als drei einachsige lineare Systeme wäre, in vielen Anwendungsfällen von unschätzbarem Vorteil sein könnte, da es aufwendige Kompensationsstrategien erübrigt. Insbesondere aber stünden der Fertigungsmeßtechnik in Zukunft endlich adäquate Mittel zur Verfügung, was die Abnahme von NC-Maschinen betrifft /6, 7/.

Sucht man nach einem Verfahren, das eine möglichst unmittelbare Erfassung der Raumkoordinaten eines Punktes gestattet, wobei dies nicht unbedingt absolut, sondern auch auf inkrementale Weise geschehen kann, so ergibt sich als grundlegende Forderung, daß die Meßsysteme, gleich ob sie rotatorische oder translatorische Bewegungen messen, so ausgelegt sein sollten, daß die Meßlinien durch den in seiner Lage zu bestimmenden Punkt selbst verlaufen, somit Abb´-Fehler ausgeschlossen sind, und das System unabhängig von der Maschinengeometrie arbeitet.

Naheliegend ist ein in Kugelkoordinaten messendes System. Sehr verbreitet in der Geodäsie z. B. ist die Kombination eines Theodoliten zur Bestimmung der Raumrichtung mit einem Laufzeit-Entfernungsmesser oder alternativ die Verwendung zweier Systeme mit bekanntem Drehpunktabstand (Triangulation). Meßunsicherheiten bis hinab zu 0,1 mm auf 10 m sind realisierbar. Dies reicht zwar für Justierzwecke bei der Montage von Großteilen meist aus, ist jedoch im Werkzeugmaschinenbau um 1-2 Größenordnungen schlechter als die vom Meßsystem verlangte Genauigkeit.

Ebenfalls liegt das Konzept eines auf einem stabilen und präzise Azimut und Elevation messenden Theoliten installierten Laserinterferometer mit automatischer Strahlnachführung nicht fern /8, 9, 10/. Während dieses in Kugelkoordinaten messende System Abstandsänderungen sehr genau erfaßt, ist die Winkeltoleranz sehr groß: berücksichtigt man 5 µm für die Unsicherheit der Strahllageerfassung und Regelung, 10 µm/m für die kurzfristig zu erwartende Strahllageinstabilität, was niedrig gegriffen ist, und 5µm/m für die Winkelmeßunsicherheit, so muß selbst bei hochpräzisen Drehvorrichtungen mit relativ großen Meßfehlern gerechnet werden. 15 µm/m Meßunsicherheit rechtfertigen hier nicht den hohen Aufwand.

Eine günstigere Lösung kann hier nur in Richtung "reine Wegmessung" gesucht werden, wie sie in obigem technisch nicht realisierbaren Ansatz mit 3 Interferometersystemen hätte gewährleistet werden können.

Aus der DE-OS 32 26 005 ist ein Verfahren zum Messen der Kontur einer dreidimensionalen Oberfläche insbesondere eines optischen Gegenstandes und eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens bekannt. Zum Gewinnen einer redundanten Menge von Meßdaten einer auszumessenden optischen Oberfläche sind vier Interferometer an einem tetraederförmigen Sprengwerk oberhalb der Fläche so angebracht, daß drei Meßstellen planar und eine an einer zentralen Spitze liegen. Auf der Oberfläche ist ein Meßpunkt mittels einer Verstellvorrichtung in einer vorgegebenen Bahn verschiebbar. Aus der Laserquelle gelangen Laserstrahlen über servogelenkte Strahlrichter auf den Meßpunkt und dienen zur interferometrischen Distanzmessung. Die redundante Menge der Meßdaten gestattet die Systemgeometrie und auch die Position der Meßpunkte unter Minimierung von Meßfehlern zu definieren.

Aus der Figur 3 der DE-OS 32 26 005 und den dazugehörigen Beschreibungsteilen geht hervor, daß dieser Gegenstand eine relativ aufwendige mechanische Konstruktion darstellt, die einen entsprechenden Raumumfang benötigt. Dadurch läßt sich die Konstruktion eines Meßgerätes für drei Dimensionen gemäß der DE-OS 32 26 005 praktisch nur stationär ausführen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und preiswertes Wegmeßsystem gemäß dem Gegenstand des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 zu schaffen, das insbesondere transportabel ist und durch geringe Abmessungen als flexibler Meßroboter Verwendung finden kann.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Wegmeßsystems zur Erfassung der räumlichen Koordinaten einer beweglichen Komponente bestehen insbesondere darin, daß durch die Anordnung von vier Laserinterferometern in einer einzigen Ebene und an den vier Eckpunkten dieser Ebene der Aufbau eines derartigen Wegmeßsystems vereinfacht wird. Das heißt konkret, daß die Abmessungen des Wegmeßsystems kleiner gehalten werden können und damit ein transportabler und flexibler Meßroboter zur Verfügung steht.

Man wird leicht erkennen, daß insbesondere solche Verfahren von Vorteil sind, die eine entfernungsunabhängige Auflösung gewährleisten; das wiederum sind die, welche Wellenlängen als Wegnormale benutzen und Abstandsänderungen des Objektes zu den Quellpunkten der Wellen erfassen. Dabei lassen sich wegen der hohen Anforderungen an das Auflösungsvermögen praktisch nur optische Frequenzen einsetzen. Mechanische Normale scheiden bei den besonders interessierenden großen Meßwegen aus.

Die Beschränkung auf reine Wegmessungen bringt als wesentliches Merkmal den Vorteil mit sich, daß eine hochpräzise Winkelmessung und -regelung überflüssig wird. Eine ideale Synthese aus den bisher dargestellten Ansätzen dürfte eine Kombination von herkömmlichen linearen Interferometerachsen sein, bei der zwar die einzelnen Strahlen winkelmäßig nachgeführt werden müssen, aber nur Entfernungsänderungen ausgewertet werden.

Die Ortsbestimmung des zielseitig meist als Meßstreckenabschluß verwendeten Tripelreflektors, der, dank der Eigenschaft, jeden Lichtstrahl in die gleiche Richtung zu reflektieren, aus der er einfällt, für alle Strahlenbündel gemeinsam genutzt werden kann, ist unter folgenden Bedingungen möglich: die Koordinaten des Startpunktes müssen bekannt sein, die gegenseitigen Abstände der Drehpunkte, um welche die Strahlenbündel gedreht werden, müssen bekannt sein, die 3 Primärmeßwerte, welche die Änderungen der Beträge der Radiusvektoren Drehpunkte-Raumpunkt verkörpern, müssen kontinuierlich registriert werden. Als Zusatzbedingung für den Fall, daß das System sich im Lageregelkreis einer Maschine befindet, kommt hinzu, daß die Lage der Strahldrehpunkte, d. h. der Meßsystemreferenzpunkte im Koordinatensystem der Maschine bekannt sein muß. Nun läßt sich der Augenblicksort in einfacher Weise finden, indem man die die einzelnen Abstände repräsentierenden Kugeln um die Referenzpunkte zum Schnitt bringt. Die Kugelschalen sind ja "Standlinien" des Meßpunktes. Bei geeigneter Wahl des Koordinatensystems - ein Referenzpunkt bildet den Ursprung, ein zweiter liegt auf einer Achse und der dritte in einer Ebene aus zwei Koordinatenachsen - vereinfachen sich die Bestimmungsgleichungen, was die Meßsignalgewinnung in kartesischen Koordinaten wesentlich beschleunigt und somit den Einsatz des Meßsystems im geschlossenen Regelkreis ermöglicht. Eine formale Zweideutigkeit des Ergebnisses ist ohne Belang, da der zweite Lösungsort relativ zur durch die Referenzpunkte aufgespannten Ebene spiegelbildlich liegt, diese Ebene aber so angeordnet sein kann, daß sie nie vom Objekt erreicht wird.

Ein wesentliches Kriterium der Tauglichkeit für den closed-loop-Betrieb ("Maschinenmeßsystem") ist das Nachführverhalten des Strahlerzeugers. Da dieser hier insgesamt aus einem HeNe-Laser, einer Interferometeranordnung mit Strahlteiler und (Tripel-)Reflektor für den Referenzstrahlzweig sowie einem Photodetektor (einer beim 2-Frequenzen-Verfahren, zwei Detektoren für die phasenverschobenen Signale beim Einfrequenz-Verfahren) sowie einer Strahllageüberwachereinheit besteht, ist es sinnvoll, die Drehung durch einen um zwei Achsen beweglichen Spiegel vorzunehmen. Alternativ läßt sich auch die gesamte Interferometer- und Detektoreinheit schwenken, insbesondere, wenn zur Kopplung mit der Laserlichtquelle eine flexible Monomode Lichtleitfaser benutzt wird, welche Polarisation und Kohärenz hier nicht negativ beeinflußt. Dies bringt außerdem den nicht unerheblichen Vorteil einer verbesserten Strahllagestabilität gegenüber einem direkt aus dem thermisch stark beeinflußten Laserresonator stammenden Strahl, bei dem man sonst mit kurzfristig 10 µm/m und langfristig mit über 100 µm/m Richtungsinstabilität rechnen und eventuell eine zusätzliche Strahllageregelung, gestützt auf einen Strahllagedetektor für den hinlaufenden Strahl, vorsehen muß. Eine Warmlaufzeit entfällt /4/. Als drehbare Elemente höchster Präzision eignen sich z. B. Kugeln, welche durch Stellhebel in zwei rotatorischen Freiheitsgraden justierbar sind.

Die Strahlrichtungsstabilisierung basiert auf Konstanthalten des Auftreffortes eines aus dem rücklaufenden Meßstrahl ausgeblendeten Strahlanteils auf der Oberfläche eines Strahllagedetektors. Der Regelvorgang läuft so ab, daß eine Abweichung des Strahlauftreffortes vom Mittelpunkt, d. h. der Symmetrieachse des Tripelreflektors, einen spiegelbildlich zur optischen Achse des Reflektors versetzten rücklaufenden Strahl erzeugt. Dieser wiederum wird in seiner Lage zur optischen Achse des Strahlerzeugers detektiert, was ein entsprechendes Stellsignal an die Schrittmotoren o. ä. zur Strahlnachführung bewirkt. Die Dynamik des Regelkreises wird entsprechend dem Abstand Reflektor-Strahlerzeuger laufend optimiert, wozu ein die Schrittmotoren steuernder Mikrorechner dient.

Da das Verfahren ausschließlich auf der Messung von Wegen beruht, wirkt sich eine nicht exakte Strahlnachführung nur als "Fehler 2. Ordnung" aus, nämlich als sog. cos-Fehler. Cos-Fehler entstehen durch Projektion der wahren Abstandsänderung in die Meßrichtung, wobei dies die Ausbreitungsrichtung des Lichtes ist (Wellenfrontnormale). Dieser Effekt impliziert auch die Verwendung von Tripelspiegeln als Reflektoren, da Prismen durch die Lichtbrechung Richtungsfehler verursachen, wenn der Einfallswinkel extrem groß wird. Tripelspiegel erlauben als Einfallswinkelbereich alle geometrischen Strahlen, die von der "Würfelecke" - das Bauelement hat die Geometrie einer symmetrisch abgeschnittenen Würfelecke - in den "Würfelraum" verlaufen. Es läßt sich zeigen, daß dieser Eckpunkt den eigentlichen Bezugspunkt des Reflektors darstellt, d. h. Drehungen um ihn erzeugen keine Meßwertänderungen. Benutzen mehrere zu einem System gehörigen Strahlen einen einzigen Reflektor, so erübrigt sich eine rechnerische Korrektur bezüglich eines gemeinsamen Zielpunktes. Interessant ist in diesem Zusammenhang, daß mit wachsendem Abstand Reflektor-Strahlerzeuger die winkelmäßige Regelgenauigkeit, einen geeigneten Antrieb vorausgesetzt, steigt, d. h. der cos-Fehler kleiner wird.

Letzter Effekt wirkt dem Problem der wachsenden Meßunsicherheit durch spitzer werdende Schnittwinkel entgegen: die Auflösung in einer Ebene parallel zur Ebene durch die Referenzpunkte nimmt nämlich im gleichen Maße ab wie der cos-Fehler bei konstantem Ausrichtfehler in der Reflektor- bzw. Detektorebene, das bedeutet, eine elektronische Auflösungserweiterung ist mit Erfolg einsetzbar.

Bleibt ein letzter wesentlicher Einflußfaktor: die Luftdichte und somit die optische Weglänge. Hier stören im wesentlichen drei Effekte: gleichmäßige langsame Dichteänderungen, Dichtegradienten z. B. durch vertikale Temperaturschichtung und stochastische Schwankungen des mittleren Brechungsindex entlang der Meßstrecke. Letzteres ist in normaler Werkshallenumgebung mit einer Standardabweichung des Meßwertes von nur ca. 1 µm pro 10 m Meßstrecke akzeptabel /1/. Langsame Dichteänderungen können meßtechnisch erfaßt und rechnerisch kompensiert werden, wie dies bei allen linaren einachsigen Laser-Wegmeßsystemen möglich ist. Dichteschichtungen lassen sich näherungsweise durch atmosphärische Messungen am Anfang und am Ende der Meßstrecke und Mittelwertbildung berücksichtigen. Fehlmessungen von 1 K Luftemperatur bewirken einen um ca. 2 µm/m falsch bestimmten Abstand. Auch bei spitzen Schnittwinkeln der Meßstrahlen tritt hierdurch keine wesentliche Erhöhung der Meßunsicherheit in den Raumrichtungen auf, für die das System weniger empfindlich ist, da eine längerfristige Dichteänderung sich näherungsweise auf alle benachbarten Strahlen gleich auswirkt und einen Meßfehler praktisch nur in Ausbreitungsrichtung verursacht, d. h. er ist genauso groß wie bei üblichen linearen einachsigen Interferometern. Aber: unabhängige kurzfristige Dichteschwankungen in den einzelnen Strahlengängen bewirken bei spitzeren Strahlwinkeln eine erhebliche "Querempfindlichkeit", die bei sehr eng benachbarten Meßstrahlen mit derjenigen von Geradheitsmeßsystemen vergleichbar wird, und die immerhin eine Standardabweichung der Meßwerte von ca. 10 µm auf 10 m erwarten läßt. Dieser Effekt, nicht die Auflösung, die durch übliche Interpolationsverfahren bis auf ca. 5 nm vorgenommen werden kann, bestimmt den minimal zulässigen Winkel zwischen den Meßstrahlen.

Selbstverständlich kann die relative Lage der drei Referenzpunkte, welche ja durch die Drehpunkte der Strahlumlenkeinheiten repräsentiert werden, direkt ermittelt werden, z. B. indem mit jeweils einem der Wegmeßsysteme der Abstand zwischen zwei Drehpunkten (Kugeln) gemessen wird. Sind alle drei Abstände bekannt, ist das Bezugssystem bestimmt; seine exakte absolute Lage im Raum, bzw. relativ zu den Bewegungsachsen der Maschine ist von untergeordnerter Bedeutung und kann bei Bedarf durch Verfahren bei 2 geklemmten Achsen ermittelt werden.

Eine weitere Methode ist die der "Selbstvermessung" in einem überbestimmten System. Grundsätzlich ergeben sich hier nur dann keine Widersprüche, wenn alle Größen exakt bekannt sind. Bei geeigneter Wahl der Koordinatenachsen besitzen drei Referenzpunkte drei Freiheitsgrade, jeder weitere aber drei zusätzliche, ebenso jeder andere Raumpunkt. In einem Meßsystem der beschriebenen Art sind Abstandsänderungen des Meßortes von den Referenzpunkten jederzeit präzise bestimmbar. Man hat also für m Referenzpunkte und n Meßorte m · (n-1) Bestimmungsgleichungen um 3 m-6+3 n unbekannte Koordinatenwerte zu ermitteln, also

Erst für m4 ergibt sich eine sinnvolle Lösung. Das heißt, führt man in einem System aus 4 Referenzpunkten zwischen 10 Meßpunkten 9 Differenzmessungen durch und registriert dabei die Abstandsänderungen relativ zu den Referenzpunkten, lassen sich alle Koordinaten der Meßpunkte und die der Referenzpunkte, insgesamt 36 Werte, bestimmen. Ab diesem Zeitpunkt kann dann die Messung relativ zu drei Referenzpunkten fortgesetzt werden.

Eine derartige Selbstvermessung bzw. Überwachung garantiert eine nahezu ideale Driftfreiheit, lediglich die Relativlage zu einem Werkstück etc., das längere Zeit eingespannt bleiben soll, muß überwacht werden.

Während die für jeden Einmeßvorgang einmal notwendige Lösung der 36 nichtlinearen Gleichungen mit 36 Unbekannten nur durch relativ zeitintensive Iterationsverfahren möglich ist, lassen sich die zur Transformation der Referenzpunktabstände in kartesische Koordinaten erforderlichen wenigen elementaren Rechenoperationen "on-line" durchführen.

5. Anwendungsmöglichkeiten eines optischen interferometrisch arbeitenden direkten 3D-Meßsystems

Die wesentlichste Einschränkung für den Einsatz des beschriebenen Systems stellt die Notwendigkeit einer direkten Strahlführung zwischen den Referenzpunkten und dem Reflektor am Meßort dar und der sich damit ergebenden Beschränkung im meß- oder bearbeitbaren Teilespektrum, bzw. einer ungünstigeren Anbringung des Reflektors z. B. an der Pinole in einigem Abstand zum Wirkort, was zu Abb´-Fehlern führt, welche ja gerade durch dieses System vermieden werden sollten.

Eine weitere Erschwernis für den Einsatz stellt der Systempreis dar, der entsprechend dem heutigen Preisniveau für die Interferometerkomponenten kaum unter 150 000 DM liegen dürfte. Hohe geforderte Präzision plus große Verfahrwege können diesen für die Anwendung als fest installiertes Maschinenmeßsystem rechtfertigen. Eine weitere Rechtfertigung ist dann gegeben, wenn der Preis für die Maschine im selben Maße abnehmen könnte, oder eine Präzisionsvermessung oder -Bearbeitung großer Teile überhaupt erst ermöglicht wird. Ein flexibler Meßroboter, ausgestattet mit einem solchen System und einem Aktionsradius von über zehn Metern ist denkbar.

Die eigentlichen Anwendungsschwerpunkte dürften jedoch in der Überprüfung von Maschinen liegen. Hier wird mit einem einzigen Meßablauf eine Vielzahl von Einzelmessungen ersetzt: Positionsunsicherheit entlang beliebig vielen Linien in jeder Raumrichtung, Geradheit und Rechwinkligkeit beliebiger Achsen. Mit der dadurch möglichen drastischen Meßzeitverkürzung ist die periodische Gesamtvermessung insbesondere auch zur Erstellung oder Nachführung von on-line-Korrekturtabellen in den Bereich eines vertretbaren Aufwandes gelangt.

Ein 3D-System erfordert zum einen nur eine Aufstellung und macht zum anderen sogar die oft gefürchtete präzise Ausrichtung überflüssig. Ein ganz neuer Aspekt ist durchaus realistisch, nämlich die individuelle Korrekturwertermittlung für individuelle NC-Programme, wenn es sich um wertvolle Werkstücke oder größere Bearbeitungs- oder Meßlose handelt.

Die Reihe der Bespiele ließe sich noch weiter fortsetzen, bis hin zum simultanen Einsatz mehrerer Systeme zur Überwachung von kombinierten Linear- und Drehbewegungen.

Die Erfindung stellt einen neuartigen Weg zum räumlichen Messen dar. Während ihrem Einsatz als Maschinenmeßsystem das Handicap der Strahlführung durch den Arbeitsraum entgegensteht, ist dies bei Abnahmemessungen kein Hindernis; hier könnte sie in Zukunft durchaus zum Universal-Meßmittel werden.

Literatur:

/1/ T. PfeiferModulare Laserinterferometer als Wegmeßsysteme W. Restauf Werkzeugmaschinen; E. TrapetIndustrieanzeiger 26/1981 /2/ F. ErtlBeschreibung und rechnergestützte Korrektur K. J. Lenzder Fehler von mehrachsigen Maschinen;
Feinwerktechnik & Meßtechnik 6/1977;
Diss. RWTH Aachen 1982 /3/ H. H. SchüsslerEinsatz von Prüfkörpern zur Überwachung von Mehrkoordinaten-Meßgeräten;
VDI-Berichte Nr. 378 /4/ E. TrapetEin Beitrag zur Verringerung der Meßunsicherheit von Fluchtungsmeßsystemen auf Lagerbasis;
RWTH Aachen 1982 /5/ U. DieckhansMaßnahmen zur Verbesserung der Genauigkeit A. Heimannbei Großwerkzeugmaschinen;
VDI-Z 7/1980 /6/ A. WeckenmannÜbersicht über Abnahme- und Überwachungsverfahren für Mehrkoordinaten-Meßgeräte;
VDI-Berichte Nr. 378 /7/ R. J. HockenTechnologie of Machine Tools;
Vol. 5: Machine Tool Accuracy;
Lawrence Livermore Laboratory 1980 /8/ Hewlett-PackardLaser Transducer System 5501 A;
System Operating and Service Manual /9/ M. GellesOptoelektronische Folgeregelung mit H. Janochapositionsempfindlichen Fotodioden;
Feinwerktechnik & Meßtechnik 7/1981 /10/ K. H. BreyerEin Beitrag zur Messung der Fehler von translatorischen Achsen bei Werkzeugmaschinen;
Industrieanzeiger 15. 12. 1978, S. 2

Claims (2)

1. Wegmeßsystem zur Erfassung der räumlichen Koordinaten einer beweglichen Komponente, das als primäre (lineare) Wegmeßsysteme mehrere Laserinterferometer verwendet, die einen gemeinsamen, beweglichen und reflektierenden Zielpunkt aufweisen, und wobei das Wegmeßsystem über eine automatische Strahlnachführung verfügt, dadurch gekennzeichnet, daß in einer einzigen Ebene und an den vier in dieser Ebene liegenden Eckpunkten eines Rechtecks jeweils ein Laserinterferometer angeordnet ist, daß dabei die Strahlen der Laserinterferometer gemeinsam in einem die bewegliche Komponente darstellenden Trippelreflektor zusammengeführt werden, daß ferner die Entfernungsänderungen zwischen der beweglichen Komponente und den jeweiligen Referenzpunkten der primären Wegmeßsysteme über Messungen auf den kürzesten Verbindungslinien erfaßt werden, daß die Strahlnachführung die jeweilige Meßachse in Deckung mit der kürzesten Verbindungslinie zwischen dem jeweiligen Referenzpunkt und Meßpunkt hält und daß schließlich die linearen Wegmeßsysteme dazu dienen, um mit Hilfe der Überbestimmtheit eine Selbstvermessung der Referenzpunktabstände sowie eines Startpunktes durchzuführen.

2. Wegmeßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es neben den vier in den Eckpunkten eines Rechtecks angeordneten Laserinterferometern noch weitere lineare Wegmeßsysteme enthält.