DE3631825A1

DE3631825A1 - Verfahren zur reduzierung von temperatureinfluessen auf koordinatenmessgeraete

Info

Publication number: DE3631825A1
Application number: DE19863631825
Authority: DE
Inventors: Karl Hermann Dr Ing Breyer; Rainer Dr Ing Ohnheiser
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH; Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH; Carl Zeiss AG
Priority date: 1986-09-19
Filing date: 1986-09-19
Publication date: 1988-03-31
Also published as: EP0285624A1; JPH01500853A; WO1988002096A1

Description

Die Meßgenauigkeit eines Koordinatenmeßgerätes wird sehr stark von der Umgebungstemperatur sowie dem zeitlichen und räumlichen Temperaturgradienten im Bereich der Maschine beeinflußt. Koor dinatenmeßgeräte werden deshalb überwiegend in Meßräumen be nutzt, die auf eine konstante Bezugstemperatur von 20°C klima tisiert sind und in denen die zeitlichen und räumlichen Tempe raturgradienten auf weniger als 0,5°C pro Stunde bzw. 0,5°C über dem Meßbereich der Maschine eingehalten sind. Besitzt das Koordinatenmeßgerät eine Einrichtung zur rechnerischen Korrek tur seiner Führungsfehler, so gelten die bei der Maschinenab nahme erstellten Korrekturdaten ebenfalls nur unter den oben genannten Voraussetzungen.

In jüngster Zeit besteht jedoch die Tendenz dazu, Koordinaten meßgeräte direkt im Fertigungsbereich, z.B. neben Bearbeitungs maschinen einzusetzen bzw. in flexible Fertigungssysteme zu integrieren. Im Fertigungsbereich läßt sich die Bezugstempera tur von 20°C nicht einhalten. Außerdem tritt dort häufig Wärmestrahlung auf, z.B. von den Bearbeitungsmaschinen auf das Koordinatenmeßgerät oder im Winter vom Koordinatenmeßgerät zu den Wänden oder dem Fußboden der Fertigungshalle. Diese Wärme strahlung verursacht lokale Temperaturgradienten, die zu einer thermischen Deformation der Führungen des Koordinatenmeßgerätes führen. Dies wiederum hat zur Folge, daß die bei der Abnahme der Maschine erstellten Korrekturdaten für die rechnerische Eliminierung von Führungsfehlern in Frage gestellt werden.

In der älteren Anmeldung P 36 20 118.9 ist ein Korrekturverfah ren beschrieben, mit dem der Meßfehler aufgrund unterschiedli cher Temperaturen von Koordinatenmeßgerät und zu vermessendem Werkstück beseitigt wird. Dieses Verfahren berücksichtigt auch die von Temperaturgradienten in der Maschine hervorgerufene, unterschiedliche Längenausdehnung der Maßstäbe in den drei Meßachsen des Koordinatenmeßgerätes. Nicht berücksichtigt wird dagegen die Meßunsicherheit, die durch das Verformen der Füh rungen des Koordinatenmeßgerätes aufgrund von Temperaturgra dienten entsteht.

Aus "Werkstatt und Betrieb" 117 (1984), Heft 9, Seite 573-578, ist es bekannt, Koordinatenmeßgeräte zum Schutz gegen Ölnebel und Staub mit einer Kapselung zu versehen, in die gereinigte Luft eingeblasen wird.

Es ist auch schon vorgeschlagen worden, das im Fertigungsbe reich aufgestellte Koordinatenmeßgerät in eine klimatisierte Kabine zu stellen. Auf diese Weise sollen für die allernächste Umgebung der Maschine Meßraumbedingungen mit konstanter Bezugs temperatur geschaffen werden. Diese Maßnahme erfordert jedoch einen sehr hohen Aufwand für die Klimatisierung und wird des halb nur selten eingesetzt.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dem der thermische Einfluß der Umgebung auf die Meßunsicherheit von Koordinatenmeßgeräten ohne großen Aufwand reduziert werden kann.

Diese Aufgabe wird gemäß den im Kennzeichen des Hauptanspruches angegebenen Maßnahmen dadurch gelöst, daß

- die für die Führungsfehlerkorrektur benötigten Korrektur datensätze (KT) bei mehreren unterschiedlichen Temperaturen (T ₁...T _n) ermittelt und im Rechner des Koordinatenmeßgerätes gespeichert werden,
- das Koordinatenmeßgerät mit einer wärmeisolierenden Kapselung umgeben und in die Kapselung Luft eingeblasen wird,
- die Temperatur der eingeblasenen Luft gemessen und zur Aus wahl des aktuellen Korrekturdatensatzes (TE) verwendet wird.

Mit dieser Lösung ist der für eine Klimatisierung auf räumliche und zeitliche konstante Temperatur erforderliche Aufwand ver mieden. Es wird vielmehr zugelassen, daß sich die Temperatur der in die Kapselung eingeblasenen Luft, die beispielsweise direkt aus der Umgebung der Maschine entnommen wird, räumlich und zeitlich über einen größeren Temperaturbereich ändert.

Zweckmäßig ist lediglich eine Vorklimatisierung mit dem Ziel, die zeitliche Änderung der Temperatur der eingeblasenen Luft z.B. auf einen Wert unter 1°C pro Stunde zu halten. Der dafür nötige Aufwand ist jedoch gering.

Die wärmeisolierende Kapselung reduziert Konvektion, Wärmelei tung und Wärmestrahlung wesentlich und damit auch die Änderung von Temperaturgradienten in der Maschine. Zudem läßt sich durch einen ausreichend hohen Luftdurchsatz durch die Kapselung und definierte Eintritts- und Austrittsstellen für die eingeblasene Luft erreichen, daß die vorhandenen Temperaturgradienten nur noch von der Temperatur T der eingeblasenen Luft selbst und nicht von anderen, nicht meßbaren Umgebungsbedingungen abhän gen. Das ist die Voraussetzung für eine reproduzierbare Abhän gigkeit der systematischen Maschinenfehler von der gemessenen Temperatur der Umgebungsluft und erlaubt es, Korrekturdatensät ze für verschiedene Temperaturen aufzustellen und im an schließenden Meßbetrieb einzusetzen.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehen den Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Fig. 1-3 der beigefügten Zeichnungen.

Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung des zur Durchführung des Verfahrens gekapselten Meßgerätes;

Fig. 2 ist ein Blockdiagramm zur Verdeutlichung der Meßwert verarbeitung im Rechner des Koordinatenmeßgerätes aus Fig. 1;

Fig. 3 ist eine beispielhafte Darstellung eines Teils der für die Meßwertkorrektur verwendeten Datenfelder.

Das in Fig. 1 dargestellte Koordinatenmßegerät (1) ist inner halb einer rechteckförmigen Kabine (2) aufgestellt, deren Sei tenwände, Boden und Decke aus wärmeisolierendem Material beste hen. Auf der Vorderseite ist ein Schiebefenster (7) angebracht, durch das die Werkstücke zugeführt und der Meßablauf beobachtet werden kann. Oberhalb der Kabine (2) befindet sich ein Gebläse (3). Dieses Gebläse saugt Umgebungsluft über einen Stutzen (4) an und bläst diese Luft in die Kabine, wo sie an definierter Stelle durch die Lamellen (6) wieder austritt. Ein Thermofühler (5) am Gebläse (3) dient zur Messung der Temperatur TE der eingeblasenen Luft.

Bei der Abnahme des Koordinatenmeßgerätes wird die Temperatur der angesaugten Luft mit Hilfe eines nur dann benötigten, vorgeschalteten Klimagerätes schrittweise beispielsweise zwi schen 18°C und 26°C in Schritten von 2°C verändert und auf dem jeweiligen Wert konstant gehalten. Zu jeder voreingestell ten Temperatur ermittelt man die systematischen Maschinenfeh ler, d.h. die translatorischen und rotatorischen Führungsfehler der drei Meßachsen x, y und z nach bekannten Meßverfahren. Man erhält dadurch ein Datenfeld, bestehend aus mehreren Datensät zen mit der Temperatur der Umgebungsluft als Parameter. In Fig. 3 ist ein solches Datenfeld für den translatorischen Führungs fehler Δ x der y-Achse des Koordinatenmeßgerätes dargestellt. Es ist klar, daß entsprechende Datenfelder auch für die übrigen signifikanten Führungsfehler der Maschine aufgenommen werden können.

Die so gewonnenen Daten werden zur Korrektur der Meßergebnisse im Speicher (9) des in Fig. 2 mit (4) bezeichneten Rechners des Koordinatenmeßgerätes abgelegt.

Beim anschließenden Einsatz des Koordinatenmeßgerätes im Ferti gungsbereich saugt das Gebläse (3) die nichtklimatisierte Umge bungsluft durch den Stutzen (4) ein. Der Thermofühler (5) mißt die Temperatur der eingeblasenen Luft und gibt diesen Meßwert TE an den Rechner (4) des Koordinatenmßegerätes. Entsprechend diesem Meßwert wählt der Rechner (4) den dazu gehörigen Daten satz KTE aus dem im Speicher (9) abgelegten Datenfeld aus und korrigiert die von den Maßstäben (11, 12, 13) der Meßmaschine (1) abgenommenen Koordinatenmeßwerte x, y und z. Angezeigt werden dann die korrigierten Meßwerte x′, y′, z′ auf dem Display (10) des Rechners.

Liegt die Temperatur der eingeblasenen Luft zwischen zwei Tem peraturen, für die Korrekturdatensätze gespeichert sind, so wird zweckmäßig ein durch Interpolation aus den benachbarten Korrekturdatensätzen gebildeter Datensatz vom Rechner benutzt. Der Rechner sorgt außerdem dafür, daß bei Temperaturänderungen erst nach einer an die Wärmekapazität des Koordinatenmeßgerätes angepaßten Zeitverzögerung t der zu der geänderten Temperatur gehörige Datensatz aufgerufen wird.

Das vorstehend beschriebene Verfahren läßt sich noch mit einem Korrekturverfahren für den Fehler verbinden, der aufgrund un terschiedlicher Maßstabstemperatur und davon abweichender Tem peratur des zu vermessenden Werkstückes entsteht, wenn man hierzu wie in der älteren Anmeldung P 36 20 118.9 beschrieben vorgeht und zusätzlich die Temperaturen des auf dem Koordina tenmeßgerät zu vermessenden Werkstücks und der Maßstäbe des Ko ordinatenmeßgeräts ermittelt und zur Korrektur der Koordinaten meßwerte auf ein für eine feste Bezugstemperatur von z.B. 20°C geltendes Maß verwendet. Für einen fertigungsnahen Einsatz des Koordinatenmeßgerätes ist die Kombination beider Korrekturver fahren sogar besonders vorteilhaft, da dort meist beide Fehler einflüsse, undefinierte Umgebungstemperaturen und eine undefi nierte Werkstücktemperatur, gleichzeitig auftreten. Entspre chend sind an den Maßstäben (11, 12 und 13) des Koordinatenmeß gerätes in Fig. 1 die zur Durchführung des in der älteren Anmeldung beschriebenen Verfahrens nötigen Temperatursensoren Tx, y, z angebracht. Die Temperatur des Werkstücks bzw. dessen Abweichung von der Bezugstemperatur wird dabei zweckmäßig wie in P 36 20 118.9 ausgeführt über eine Längenmessung an einem Referenzkörper (Endmaß) definierter Länge ermittelt, das den Fertigungsprozess gemeinsam mit dem Werkstück durchlaufen und somit dessen Temperatur angenommen hat.

Claims

1. Verfahren zur Reduzierung von Temperatureinflüssen auf Koordinatenmeßgeräte mit einer Einrichtung zur rechnerischen Korrektur systematischer Führungsfehler, dadurch gekennzei chnet, daß

- die für die Führungsfehlerkorrektur benötigten Korrektur datensätze K(T) bei mehreren unterschiedlichen Temperatu ren (T ₁...T _n) ermittelt und im Rechner (4) des Koordina tenmeßgerätes (1) gespeichert werden,
- das Koordinatenmeßgerät (1) mit einer wärmeisolierenden Kapselung (2) umgeben und in die Kapselung Luft eingebla sen wird,
- die Temperatur der eingeblasenen Luft gemessen und zur Auswahl des aktuellen Korrekturdatensatzes (TE) verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswahl eines neuen Korrekturdatensatzes nach einer Temperaturänderung zeitverzögert erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Rechner (4) angewandte, aktuelle Korrekturdatensatz K(T) durch Interpolation aus den gespeicherten Datensätzen (K(T ₁)... K(T _n) berechnet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eingeblasene Luft in bezug auf den zeitlichen Temperatur gradienten grob vorklimatisiert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu sätzlich die Temperaturen des auf dem Koordinatenmeßgerät zu vermessenden Werkstücks und der Maßstäbe des Koordinatenmeß gerätes ermittelt und zur Korrektur der Koordinatenmeßwerte auf ein für eine feste Bezugstemperatur geltendes Maß ver wendet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturabweichung des Werkstücks von der Bezugstemperatur über eine Längenmessung an einem Referenzkörper definierter Länge (Endmaß) ermittelt wird, welches den Fertigungsprozess gemeinsam mit dem Werkstück durchlaufen hat.