DE3640287A1 - Verfahren zur erzeugung eines gemeinsamen koordinatensystems bei mehrarmigen koordinatenmessgeraeten - Google Patents

Description

Zur Vermessung von großvolumigen Werkstücken, wie z. B. Automobilkarosserien werden häufig Koordinatenmeßgeräte in Mehrständerausführung, d. h. aus mehreren Einzelgeräten aufgebaute Koordinatenmeßgeräte eingesetzt.

Derartige Koordinatenmeßgeräte sind z. B. in der Druckschrift 60 12 001 der Firma Carl Zeiss mit dem Titel "Vollautomatische Karosseriemessung mit Zeiss CNC-Mehrständer-Meßmaschinen" beschrieben.

Bei diesen Koordinatenmeßgeräten besteht das Problem, die den einzelnen Meßarmen zugeordneten und durch deren Führungen definierten Koordinatensysteme so aneinander anzupassen, daß ein für die Messung gemeinsames Koordinatensystem entsteht. Dies wurde bisher dadurch erreicht, daß die Führungen der Einzelgeräte mit der erforderlichen Genauigkeit im Bereich weniger Winkelsekunden zueinander justiert wurden. Für die auf diese Weise zueinander ausgerichteten Koordinatensysteme wurde dann ein gemeinsamer Nullpunkt geschaffen, indem von den Meßarmen ein im gemeinsamen Teil des Meßbereiches befindlicher Referenzpunkt durch Antastung ermittelt wurde. Dieser Referenzpunkt, der z. B. der Mittelpunkt eines Kugelnormals sein konnte, wurde zum Nullpunkt des gemeinsamen Koordinatensystems erklärt und im Rechner des Koordinatenmeßgerätes abgelegt.

Dem beschriebenen, bekannten Verfahren haftet der Mangel an, daß alle gegenseitigen Abweichungen der Führungen der Einzel­ geräte auch Abweichungen der ermittelten Meßwerte vom gemein­ samen Koordinatensystem zur Folge haben und demzufolge Meßfehler entstehen.

Zwar ist es bereits bekannt, die Führungsfehler von Koordinatenmeßgeräten in den einzelnen Achsen rechnerisch zu korrigieren. Die durch Fehljustierungen der Einzelgeräte zu­ einander entstandenen Abweichungen wurden dadurch jedoch nicht beseitigt. Zudem ist das genaue Ausrichten der Führungen der Einzelgeräte zueinander ein zeitraubender Vorgang.

Aus der DE-OS 32 08 412 und der DE-OS 32 17 967 sind mehrarmige Koordinatenmeßgeräte bekannt, deren Meßarme von einem einzigen Rechner gleichzeitig gesteuert werden. Auch bei diesen bekannten Meßsystemen hängt die Meßgenauigkeit davon ab, wie genau die Führungen der beiden Meßarme zueinander justiert sind.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Erzeugung eines gemeinsamen Koordinatensystems bei mehrarmigen Koordinatenmeßgeräten zu schaffen, das einen möglichst geringen Aufwand erfordert und es erlaubt, die Meßgenauigkeit der Maschine zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in dem jeweils zwei Meßarmen (11, 12) gemeinsamen Teil (13) des Meßbereiches des Koordinatenmeßgerätes mindestend drei Meßpunkte von den beiden Meßarmen angetastet werden und diesen Punkten in den Koordinatensystemen der beiden Meßarme die gleichen Koordinatenwerte zugeordnet werden.

Mit Hilfe der drei gemeinsamen von z. B. zwei Meßarmen gemessenen Punkte, denen dann vom Rechner des Koordinatenmeßgerätes die gleichen Koordinatenwerte zugeordnet werden, lassen sich die beiden Einzelkoordinatensysteme rechnerisch eindeutig mit­ einander koppeln. Die Koordinatensysteme von weiteren Meßarmen können dann sukzessive daran angeschlossen werden, indem der Vorgang für den überlappenden Teil des Meßbereiches zu diesem weiteren Meßarm in gleicher Weise wiederholt wird.

Zur Durchführung des Verfahrens kann beispielsweise ein mit drei räumlich exakt definierten Punkten, z. B. Kugelmittelpunkten versehener Prüfkörper im gemeinsamen d. h. überlappenden Teil des Meßbereiches zweier Meßarme angeordnet werden. Auf die exakte Zuordnung der drei Punkte zueinander kommt es nicht an, es ist lediglich sicherzustellen, daß die drei Meßpunkte, die von beiden Meßarmen angetastet werden müssen, auch von beiden Seiten zugänglich sind.

Es ist weiterhin möglich, einen Prüfkörper oder ein Prüfwerkstück wie z. B. ein an sich bekanntes Kugelnormal, das einen einzigen Meßpunkt definiert, an mindestens drei verschiedenen Stellen im gemeinsamen Teil des Meßbereiches zu positionieren und dort mit beiden Meßarmen anzutasten.

Eine weitere, besonders vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens besteht darin, daß jeweils einer der Meßarme selbst das Prüfwerkstück trägt und diese an drei verschiedenen Stellen positioniert, und diese Positionen von dem anderen Meßarm durch Antastung ermittelt werden. Dazu kann ein anstelle des Tasters am Tastkopf des einen Meßarmes eingewechselter Prüfkörper verwendet werden, der mit einer entsprechenden Aufnahme für den Tastkopf versehen ist. Der Wechselvorgang, mit dem der Taststift gegen den Prüfkörper ausgetauscht wird, ist hier ohne weiteres automatisierbar, wenn der Prüfkörper in einem Magazin für eine automatische Tasterwechseleinrichtung abgelegt ist, wie sie beispielsweise in der EP-A 1 01 28 464 beschrieben ist.

Weiterhin kann die ohnehin für den Meßvorgang vorgesehene Tastkugel am Tastkopf eines der beiden Meßarme selbst als Prüfkörper dienen und in drei verschiedenen Positionen von der Tastkugel des jeweils anderen Meßarmes angetastet werden. Es ist dann überhaupt kein Prüf- oder Referenzkörper nötig, um den Anschluß der Koordinatensysteme der beiden sich gegenseitig antastenden Meßarme sicherzustellen.

Bei der letztgenannten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es zweckmäßig, einen der einander berührenden Taststifte während des gegenseitigen Antastens in seinem Tast­ kopf zu klemmen. Eine Klemmung des Taststiftes ist in vielen Tastköpfen für Koordinatenmeßgeräte in der Regel ohnehin bereits vorhanden und dort für andere Zwecke, z. B. für den sogenannten "Scanning-Betrieb" vorgesehen.

Wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren der Anschluß der Koordinatensysteme der verschiedenen Einzelgeräte rechnerisch hergestellt, dann ist eine exakte mechanische Ausrichtung der Führungen der Einzelgeräte zueinander mit der eingangs genannten Genauigkeit von wenigen Winkelsekunden nicht mehr erforderlich. Da dieses Verfahren sehr schnell z. B. auch zwischen zwei Meßvorgängen ausgeführt werden kann, werden auch Fehler eliminiert, die dadurch entstehen, daß sich die Führungen der Einzelgeräte zueinander bewegen, beispielsweise infolge wechselnden Belastungen durch das zu vermessende Werkstück.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird nachstehend ein Ausführungsbeispiel anhand der Fig. 1-6 der Zeichnungen erläutert.

Fig. 1 ist eine perspektivische Gesamtansicht eines Koordinatenmeßgerätes in Zweiständerbauweise.

Fig. 2-4 und Fig. 6 sind schematische Skizzen, in denen die Koordinatensysteme der beiden Einzelgeräte (1 und 2) in Fig. 1 in verschiedenen Stadien der gegen­ seitigen Ausrichtung zueinander dargestellt sind.

Fig. 5 ist eine Prinzipskizze zur Erläuterung des Ver­ fahrens zur Erzeugung eines gemeinsamen Koordinatensystems für die beiden Einzelgeräte (1 und 2).

Das in Fig. 1 dargestellte Meßgerät ist aus zwei Einzelgeräten (1 und 2) in Ständerbauweise aufgebaut. Die beiden Ständer lassen sich entlang der mit (3 und 4) bezeichneten Führungen parallel zueinander verschieben. Jeder Ständer trägt an seinem Querarm bzw. Meßarm (11, 12) einen Tastkopf (7 bzw. 8) mit mehreren Taststiften. Mit den Tastkugeln (9 und 10) kann das zu vermessende Werkstück, das ist die in der Figur dargestellte Automobilkarosserie (5), von beiden Seiten vermessen werden. Hierbei werden die Meßergebnisse, d. h. die von den Längenmeßsystemen an den Führungen der beiden Einzelgeräte (1 und 2) gelieferten Meßwerte von einem gemeinsamen Rechner verarbeitet. Wie eingangs bereits ausgeführt ist zur Erzielung einer hohen Meßgenauigkeit Voraussetzung, daß die Koordinatensysteme der beiden Einzelgeräte (1 und 2) innerhalb der geforderten Genauigkeit nicht voneinander abweichen.

In Fig. 2 sind die beiden Koordinatensysteme A 1 und A 2 der beiden Einzelgeräte so dargestellt, wie sie sich nach Aufstellung der Maschine ohne zusätzliche Maßnahmen ergeben. Aufgrund der übertrieben dargestellten Abweichungen in den Führungen der Einzelgeräte sind beide Koordinatensysteme in sich schiefwinklig, verbogen und besitzen Maßstabsfehler in allen drei Achsen. Korrigiert man diese einmal ermittelten Abweichungen mit Hilfe an sich bekannter Verfahren, wie sie z. B. in der EP-A 1 00 82 441 beschrieben sind, indem man für jedes der beiden Einzelgeräte die translatorischen und rotatorischen Führungsfehler ermittelt und bei der Meßwertbildung berücksichtigt, so erhält man die beiden in Fig. 3 dargestellten, rechtwinkligen und geradlinigen Koordinatensysteme (B 1) und (B 2 ), die aber noch zueinander versetzt und verkippt sind.

Mit dem eingangs genannten, aus der Firmenschrift 60 12 001 bekannten Verfahren, werden die beiden Koordinatensysteme (B 1) und (B 2) rechnerisch gegeneinander verschoben und an dem in Fig. 4 mit R bezeichneten Punkt in Übereinstimmung gebracht, indem von beiden Tastkugeln (9 und 10) ein gemeinsamer Referenzkörper angetastet wird. Aus Fig. 4 ist außerdem ersichtlich, daß mit dieser Maßnahme jedoch kein vollständiger Anschluß der Koordinatensysteme (B 1) und (B 2) aneinander erreicht wird, denn die beiden Koordinatensysteme können immer noch bezüglich dreier Achsen gegeneinander verkippt bzw. verdreht sein. Bisher wurde durch möglichst genaues Justieren der Führungen zueinander dafür gesorgt, daß die resultierenden Meßfehler innerhalb der für die Maschine angegebenen Grenzen bleiben. Man ging also davon aus, daß die Führungen der Einzelgeräte (1 und 2) mit ausreichender Genauigkeit zueinander parallel sind und die in Fig. 4 mit α, β und γ bezeichneten Kippwinkel vernachlässigt werden können.

Gemäß der Erfindung wird nun wie anhand von Fig. 5 darge­ stellt, die Tastkugel (10) am Tastkopf (8) des Meßarmes (12) des einen Einzelgerätes (2) im gemeinsamen Teil (13) der einander überlappenden Meßbereiche der Einzelgeräte an den mit (P 1, P 2 und P 3) bezeichneten Stellen positioniert. Die von den Achsen des Gerätes (2) gelieferten Koordinatenmeßwerte in diesen Positionen, die der Mittelpunkt der Tastkugel (10) ein­ nimmt, werden im gemeinsamen Rechner des Koordinatenmeßgerätes abgelegt.

Gleichzeitig tastet der am Meßarm (11) des anderen Einzelgerätes (1) befestigte Tastkopf (7) mit seiner Tastkugel (9) die Tastkugel (10) des anderen Einzelgerätes in den drei Positionen (P 1, P 2 und P 3 ) nacheinander so oft an, wie er es zur Bestimmung des jeweiligen Mittelpunktes der Tastkugel (10) erforderlich ist. Die von den Achsen des zweiten Einzelgerätes (1) gelieferten Meßwerte werden ebenfalls im Steuerrechner des Koordinatenmeßgerätes abgelegt. Der Rechner des Koordinatenmeßgerätes ordnet nun den entsprechenden Punkten der beiden Datensätze jeweils die gleichen Koordinaten zu. Auf diese Weise werden die beiden Koordinatensysteme der Einzelgeräte (1 und 2) an den drei Punkten (P 1 bis P 3) aneinander angeschlossen. Das Resultat zeigt Fig. 6. Durch den Anschluß entsteht im Rechner ein gemeinsames Koordinatensystem aus den jetzt auch winkelmäßig zueinander ausgerichteten Koordinatensystemen (B 1 und B 2) der Einzelgeräte (1 und 2).

Während sich die beiden Taststifte der Meßarme (11 und 12) im "Hand-Shaking" Verfahren gegenseitig antasten, wird der Taststift in einem der beiden Tastköpfe (8) in allen drei Meßachsen geklemmt, um die Eindeutigkeit beim Antastvorgang sicherzustellen.

Bei der Durchführung des soeben geschilderten Verfahrens ist darauf zu achten, daß die Punkten (P 1, P 2 und P 3) nicht auf einer Linie liegen, sondern ein Dreieck bilden, dessen Fläche möglichst groß ist, damit der Anschluß der Koordinatensysteme bezüglich Kippungen um alle drei möglichen Achsen sichergestellt sind.

Es ist klar, daß das wie beschrieben im Rechner gebildete gemeinsame Koordinatensystem der beiden Einzelgeräte (1 und 2) durch Transformation an ein anderes externes Koordinatensystem, wie z. B. das Werkstückkoordinatensystem gekoppelt werden kann. Außerdem können weitere Meßarme in das Koordinatensystem eingebunden werden, indem das beschriebene Verfahren nochmals, für den mit dem weiteren Meßarm überlappenden Teil des Meßbereiches durchgeführt wird.

Claims (6)

1. Verfahren zur Erzeugung eines gemeinsamen Koordinatensystems bei mehrarmigen Koordinatenmeßgeräten, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in dem jeweils zwei Meßarmen (11, 12) gemeinsamen Teil (13) des Meßbereiches des Koordinatenmeßge­ rätes mindestens drei Meßpunkte (P 1, P 2, P 3) von den beiden Meßarmen angetastet werden und diesen Punkten in den Koordinatensystemen der beiden Meßarme die gleichen Koordinatenwerte zugeordnet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Meßpunkte auf einem Prüfkörper befestigt sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßpunkte durch ein einziges Prüfwerkstück realisiert sind, das an verschiedenen Stellen im gemeinsamen Teil des Meßbereiches positioniert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Prüfwerkstück an einem der beiden Meßarme befestigt und mit Hilfe des Meßarmes positioniert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem jeweils zwei Meßarmen (11, 12) gemeinsamen Teil (13) des Meßbereiches an mindestens drei Stellen (P 1, P 2, P 3) ein gegenseitiges Antasten der Tastelemente (Kugel 9, 10) der beiden Meßarme (11, 12) stattfindet.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Taststift mit dem Tastelement (10) des Tastkopfes (8) an einen der beiden Meßarme (12) während des gegenseitigen Antastens geklemmt ist.