DE3719838A1 - Shape measure for checking the accuracy of coordinate measuring machines - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Formverkörperung zur Genauig keitsüberprüfung von Koordinatenmeßgeräten (KMG) nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches, wie sie aus Bild 8, S. 142 des Berichtes ME-38 der Physikalisch-Technischen Bundes anstalt (PTB) vom Januar 1983 als bekannt hervorgeht.The invention relates to a molded embodiment for accuracy Checking of coordinate measuring machines (CMM) according to Preamble of the main claim, as shown in Figure 8, p. 142 of the ME-38 report of the Physikalisch-Technische Bundes institute (PTB) from January 1983 emerges as known.
Der PTB-Bericht ME-38 enthält die Vorträge eines Seminars über die Kalibrierung von Koordinatenmeßgeräten (KMG). Bild 8 auf der S. 142 dieses PTB-Berichtes ist Teil des von den Herren Kunzmann und Wäldele gehaltenen Vor trages "Erste Erfahrungen mit kinematischen Normalen zur Überwachung und Abnahme von 3-Koordinaten-Meßge räten". Das in Bild 8 gezeigte kinematische Normal be steht aus einem auf dem Tisch eines Koordinatenmeßge rätes aufliegenden Präzisionsluftdrehlager mit äußerst geringen Rundlaufabweichungen und einem auf dem dreh baren Innenring des Lagers angebrachten Hebel. Dieser Hebel ist an seinem einen Ende mit einer parallel zur Drehachse verlaufenden V-förmigen, prismatischen Kerbe versehen, welche von der Tastkugel des Koordinatenmeß gerätes selbstzentrierend angetastet werden kann. Bei Drehung der in der Kerbe zentrierten Tastkugel um die Lagerachse wird ein Kreis beschrieben, wobei die von dem Koordinatenmeßgerät gemessenen Abweichungen von der Kreisform Aufschluß über die Genauigkeit des Koordinaten meßgerätes geben. Bei in Richtung der Drehachse erfolgen dem, unterschiedlich tiefem Eintauchen der Tastkugel in die Kerbe lassen sich auch Zylinderschalen beschreiben, so daß diese kinematische Normal auch als Formverkörpe rung eines - wenn auch höchstens der Hebeldicke ent sprechenden - Zylinders angesehen werden kann.The PTB report ME-38 contains the lectures of a seminar on the calibration of coordinate measuring machines (CMM). Figure 8 on page 142 of this PTB report is part of the Vor held by Messrs. Kunzmann and Wäldele "First experiences with kinematic standards for monitoring and acceptance of 3-coordinate measuring guess ". The kinematic normal shown in Figure 8 be stands out on the table of a coordinate measuring machine advises on lying precision air pivot bearing with extreme low runout and one on the turn lever inner ring of the bearing attached. This Lever is parallel to one end with one V-shaped, prismatic notch provided by the probe ball of the coordinate measurement device can be touched self-centering. At Rotation of the probe ball centered in the notch around the Bearing axis is described as a circle, with that of the Coordinate measuring device measured deviations from the Circular shape Information about the accuracy of the coordinates give measuring device. When done in the direction of the axis of rotation the immersion of the probe ball at different depths cylinder shells can also be written into the notch, so that this kinematic normal also as a shaped body tion of one - albeit at most the lever thickness speaking - cylinder can be viewed.
Unter Formverkörperungen sollen Prüfnormale wie beispiels weise Evolventennormale oder Steigungsnormale verstanden werden, die bei der Vermessung von Zahnrädern in der Meß technik eingesetzt werden und die der Verkörperung von kontinuierlichen Flächen im allgemeinen und der von Zahnflanken im besonderen dienen.Test standards such as wise involute norms or slope norms understood be used in the measurement of gears in the meas technology and the embodiment of continuous areas in general and that of Serve tooth flanks in particular.
Die Zeitschrift "Technisches Messen" (51. Jahrgang, 1984, Heft 3) zeigt auf S. 90 in Bild 10 eine große Prüf kugel, mit welcher die Genauigkeitsüberprüfung eines Koordinatenmeßgerätes in vielfältiger Weise möglich ist. Die Prüfkugel ist von ihrer Oberflächenabweichung gegenüber einer mathematisch exakten Kugel her genau bekannt und zur Wiederauffindung dieser bekannten lokalen Abweichungen an den Polen und den Äquator- Hauptpunkten markiert. Sie ist mit ihrer durch ihren Nord- und Südpol verlaufenden Achse senkrecht auf einer Grundplatte angeordnet, wobei die Grundplatte mittels einer auf dem Tisch des Koordinatenmeßgerätes auf liegenden Schwenkeinrichtung um eine senkrecht zur Kugel polachse verlaufende Achse schwenkbar ist. Hierdurch kann eine raumschräge Orientierung der Prüfkugel im Meßvolumen des Koordinatenmeßgerätes realisiert und dabei das räum liche Antastverhalten der Tastkugel des Koordinatenmeß gerätes auch unter ungünstigen Antastbedingungen unter sucht werden.The magazine "Technisches Messen" (51st year, 1984, Book 3) shows a large test on page 90 in Figure 10 ball with which the accuracy check of a Coordinate measuring device possible in many ways is. The test ball is deviated from its surface compared to a mathematically exact sphere known and to find these known local deviations at the poles and equatorial Main points marked. She is with hers through hers North and south poles perpendicular to an axis Base plate arranged, the base plate by means of one on the table of the coordinate measuring machine lying swivel device around a perpendicular to the ball polar axis is pivotable. This can an oblique orientation of the test ball in the measuring volume the coordinate measuring machine realized and the room Liche probing behavior of the probe ball of the coordinate measurement device even under unfavorable probing conditions be searched.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Formverkörperung zur Genauigkeitsüberprüfung von Koordinatenmeßgeräten zu schaffen, die möglichst universell einsetzbar und zur Simulation auch komplizierter radialsymmetrischer Raum flächen wie z.B. Kegelradflanken oder Turbinenschaufeln geeignet ist, deren direkte Formverkörperung und Verwen dung als Prüfnormale nicht möglich ist, da sie aus ferti gungstechnischen Gründen mit der erforderlichen Präzision nicht hergestellt werden können.The object of the invention is to provide a molding Accuracy check of coordinate measuring machines too create the most universally applicable and Simulation of complicated radially symmetric space areas such as Bevel gear flanks or turbine blades is suitable, their direct embodiment and use It is not possible to use them as test standards because they are made from ferti technical reasons with the required precision cannot be manufactured.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnen den Merkmale des Hauptanspruches gelöst. Die als Prüf körper dienenden einfachen Formelemente, wie beispiels weise Zylinder oder Kugeln, lassen sich auf hochpräzisen Spezial-Werkzeugmaschinen mit größter Genauigkeit und gleichzeitig relativ preiswert herstellen. Der Prüfkörper wird mit seiner Prüfkörperachse raumschräg auf der mit Antastpunkten versehenen Grundplatte angeordnet, wobei Grundplatte und Prüfkörper sich einzeln vor dem Zu sammenbau mit Hilfe von Spezialmeßgeräten sehr gut auf Maß, Ebenheit, Geradheit der Mantellinie, Kreisform, Zylinderform, Kugelformabweichung usw. bestimmen lassen. So kann sichergestellt werden, daß eventuelle geometrische Eigenfehler bei Grundplatte und Prüfkörper auch bei deren Einsatz auf Präzisions-Koordinatenmeßgeräten vernachlässigbar bleiben. Die Lage der Grundplatte im Meßvolumen des Koordinatenmeßgerätes läßt sich über die auf der Grundplatte angeordneten Antastpunkte vom Koordinatenmeßgeräten exakt bestimmen. Ebenso kann die Lage des Prüfkörpers bezogen auf die Grundplatte über den Elevations- und den Azimutwinkel der Prüfkörperachse, sowie über den axialen bzw. radialen Abstand des Prüf körpers von der Grundplatte bzw. von deren Drehachse genau eingestellt oder nach erfolgter Montage genau ein gemessen werden. Eine solche Lage-Einmessung kann bei spielsweise auf einem einzigen Koordinatenmeßgerät in unterschiedlichen Umfangslagen der Grundplatte bzw. zusätzlich oder alternativ auf mehreren verschiedenen Koordinatenmeßgeräten durchgeführt werden. Somit sind die Koordinaten und die Richtung der Flächen-Normalen jedes Punktes auf der Prüfkörperoberfläche bezogen auf die Antast punkte der Grundplatte mathematisch genau berechenbar. Da ebenso die Ausgangslage der Grundplatte im Meßvolumen des Koordinatenmeßgerätes und der Verdrehwinkel der Grundplatte gegenüber der Grundplatten-Ausgangslage bekannt sind, ist jeder Punkt auf der Prüfkörperoberfläche auch bezogen auf das Koordinatensystem des Koordinatenmeßgerätes mathema tisch genau bestimmbar. Somit kann jeder beliebige Punkt der Prüfkörperoberfläche als Zielpunkt verwendet werden, dessen genaue Position, z. B. in Richtung der Flächen-Normalen und in der Tangentialebene, die Tastkugel des zu prüfenden Ko ordinatenmeßgerätes zu reproduzieren hat. Abweichungen der vom Koordinatenmeßgerät reproduzierten zu den rein mathe matisch ermittelten Positionswerten geben dann Aufschluß über die Genauigkeit des Koordinatenmeßgerätes. Durch Drehung des auf der Grundplatte angeordneten Prüf körpers um die Grundplatten-Drehachse lassen sich Ausschnitte von radial symmetrischen Raumflächen, also z. B. die Zahnflanken eines Kegelrades oder die Schaufelflächen eines Turbinenrades, simulieren, wobei durch die raumschräge Lage die Nachbildung auch komplizierter Raumformen im Hinblick auf das Meß- und Antastproblem möglich ist.According to the invention, this object is characterized by the solved the features of the main claim. The as a test body-serving simple form elements, such as wise cylinders or balls, can be made with high precision Special machine tools with the greatest accuracy and produce relatively inexpensive at the same time. The test specimen with its specimen axis is inclined in space on the with Arranged base plate provided, where Base plate and test specimen individually before closing assembly with the help of special measuring devices Dimension, flatness, straightness of the generatrix, circular shape, Have the cylinder shape, spherical shape deviation etc. determined. This ensures that any geometric Own errors with base plate and test specimen also with their use on precision coordinate measuring machines remain negligible. The location of the base plate in the Measuring volume of the coordinate measuring machine can be via the probing points arranged on the base plate from Determine coordinate measuring machines exactly. Likewise, the Position of the test specimen in relation to the base plate the elevation and azimuth angles of the specimen axis, as well as the axial or radial distance of the test body of the base plate or its axis of rotation precisely adjusted or exactly after installation be measured. Such a position measurement can for example on a single coordinate measuring machine different circumferential positions of the base plate or additionally or alternatively on several different Coordinate measuring devices are carried out. So they are Coordinates and the direction of the surface normals each Point on the specimen surface based on the probing points of the base plate can be mathematically calculated exactly. There also the initial position of the base plate in the measuring volume of the Coordinate measuring device and the angle of rotation of the base plate compared to the base plate starting position is known every point on the specimen surface also related to the coordinate system of the mathema coordinate measuring machine table precisely determinable. Thus, any point of the Specimen surface can be used as the target point, the exact position, e.g. B. in the direction of the surface normals and in the tangential plane, the probe ball of the Ko to be tested has to reproduce ordinate measuring device. Deviations of the reproduced from the coordinate measuring machine to the pure math position values determined mathematically then provide information about the accuracy of the coordinate measuring machine. By Rotation of the test arranged on the base plate body around the base plate axis of rotation can be cutouts from radial symmetrical room surfaces, e.g. B. the tooth flanks of a bevel gear or simulate the blade surfaces of a turbine wheel, whereby by the oblique position the replication of complicated spatial forms in the With regard to the measurement and probing problem is possible.
Die zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch 2 sieht vor, die Grundplatte nicht als Präzisions-Dreh lager, sondern unverdrehbar starr auszubilden und wenigstens zwei etwa gleiche Prüfkörper etwa gleichverteilt um die Grundplatten- Zentrumsachse herum und - bezogen auf diese Zentrums achse - in etwa gleicher Lage auf der Grundplatte anzuordnen. Entsprechend der Anzahl an gleichen Prüfkörpern lassen sich unterschiedliche Prüfkörper-Umfangslagen realisieren, wobei auch hier die Position und Flächen-Normale jedes be liebigen Prüfkörper-Oberflächenpunktes bezogen auf die Grund platte und auf das Koordinatensystem des Koordinatenmeß gerätes mathematisch exakt bestimmbar sind.The advantageous embodiment of the invention according to claim 2 provides that the base plate is not designed as a precision rotary bearing, but non-rotatably rigid and at least two approximately the same test specimens approximately equally distributed around the base plate center axis and - based on this center axis - in approximately the same position to be arranged on the base plate. Depending on the number of the same test specimens, different test specimen circumferential positions can be realized, whereby the position and surface normal of any test specimen surface point based on the base plate and on the coordinate system of the coordinate measuring machine can be determined mathematically exactly.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 3 bis 6. Im übrigen wird nach folgend die Erfindung anhand zweier in den Zeichnungs figuren dargestellter Ausführungsbeispiele noch näher erläutert. Hierbei zeigen:Further expedient refinements of the invention result themselves from claims 3 to 6. Otherwise, after following the invention based on two in the drawing Figures illustrated embodiments even closer explained. Here show:
Fig. 1 einen auf einer drehbaren Grundplatte ange ordneten Zylinder-Prüfkörper, und Fig. 1 is arranged on a rotatable base plate cylinder specimen, and
Fig. 2 mehrere auf einer unverdrehbar starren Grund platte angeordnete Kugel- und Zylinder-Prüf körper. Fig. 2 several on a non-rotatable rigid base plate arranged ball and cylinder test specimen.
In Fig. 1 sind der Meßtisch 1 eines Koordinatenmeßgerätes, die darauf aufliegende und als Präzisions-Drehteller aus gebildete Grundplatte 2 und der auf der Grundplatte 2 an geordnete zylindrische Prüfkörper 3 dargestellt, wobei von der zweiteiligen Grundplatte 2 der Unterteller 4 auf dem Meßtisch 1 aufliegt und der im Vergleich zum Unterteller 4 einen kleineren Durchmesser aufweisende drehbare Ober teller 5 den Prüfkörper 3 haltert. Der Unterteller 4 ist auf seiner dem Meßtisch 1 abgewandten Stirnseite mit drei jeweils um 120° zueinander versetzten Antast konen für das Tastsystem des Koordinatenmeßgerätes versehen, von denen die Antastkonen A und B aus Fig. 1 ersichtlich sind. Eine Verdrehung des Obertellers 5 gegenüber dem Unterteller 4 der Grundplatte 2 ist exakt einstellbar bzw. ermittelbar, was in Fig. 1 beispielhaft durch die Anbringung einer Winkelskala auf dem Unter teller 4 und einer Noniusskala auf dem Oberteller 5 an gedeutet ist. Der zylindrische Prüfkörper 3 ist auf einer Stange 6 angeordnet, deren Fuß als Kugelgelenk 7 ausgebildet ist. Durch Lösen bzw. Anziehen der Schrau ben 9 einer Abdeckplatte 8 kann die Lage des Prüfkörpers 3 verändert bzw. fixiert werden. Die Lage der durch die Punkte E, F und G verlaufenden Prüfkörperachse 10 ist durch den Elevationswinkel ε und den Azimutwinkel α festgelegt. Hierbei sind die Punkte E und F die Mittel punkte der Prufkorper-Stirnflächen, der Punkt G ist der Durchstoßpunkt der Prüfkörperachse 10 mit der Oberfläche des Obertellers 5 (x, y-Ebene), der Elevationswinkel ε gibt den Neigungswinkel zwischen der Prüfkörperachse 10 und der Projektionsgeraden 11 dieser Prüfkörper achse 10 in der x, y-Ebene an und der Azimutwinkel α ist der Winkel zwischen der Projektionsgeraden 11 und dem Radius durch den Punkt G. Mit D ist der Drehpunkt des Obertellers 5 in der x, y-Ebene des Prüfnormals bezeichnet.In Fig. 1 of the measuring table 1 of a coordinate, the resting thereon and formed as a precision turntable from the base plate 2 and on the base plate 2 cylindrical in overall test specimen 3 are shown, wherein the sub-tray 4 rests on the two-piece base plate 2 on the measuring table 1 and the rotatable upper plate 5, which has a smaller diameter than the saucer 4, holds the test specimen 3 . The saucer 4 is provided on its end facing away from the measuring table 1 with three probes, each offset by 120 ° from one another, for the touch probe of the coordinate measuring machine, of which the probing cones A and B can be seen from FIG . A rotation of the upper plate 5 relative to the lower plate 4 of the base plate 2 is exactly adjustable or ascertainable, which is indicated in FIG. 1 by the attachment of an angular scale on the lower plate 4 and a vernier scale on the upper plate 5 . The cylindrical test specimen 3 is arranged on a rod 6 , the base of which is designed as a ball joint 7 . By loosening or tightening the screw ben 9 of a cover plate 8 , the position of the test specimen 3 can be changed or fixed. The position of the specimen axis 10 running through the points E , F and G is determined by the elevation angle ε and the azimuth angle α . Here, the points E and F are the center points of the test body end faces, the point G is the point of penetration of the test specimen axis 10 with the surface of the top plate 5 (x, y plane), the elevation angle ε gives the angle of inclination between the test specimen axis 10 and the Projection line 11 of this test specimen axis 10 in the x, y plane and the azimuth angle α is the angle between the projection line 11 and the radius through the point G. D is the pivot point of the top plate 5 in the x, y plane of the test standard.
Zur Genauigkeitsüberprüfung eines Koordinatenmeßgerätes kann irgendein beliebiger Punkt auf der Oberfläche des Prüfkörpers 3 als Zielpunkt für das Tastsystem des Koordinatenmeßgerätes ausgewählt werden. Die Lage dieses Zielpunktes ist mathematisch genau berechenbar, da zum einen die Lage der Grundplatte 2 auf dem Meßtisch 1 und zum anderen die Lage des Zylinderprüfkörpers 3 auf der Grundplatte 2 genau bekannt sind. Hierbei läßt sich die genaue Kenntnis der Grundplattenlage über die konus förmigen Antastpunkte des Untertellers 4 ermitteln, wobei durch diese Antastpunkte sowohl die Lage des Dreh punktes D festgelegt ist, als auch Taumellage, Exzenter lage (= Versatz zwischen der Drehachse der Grundplatte 2 und der hierzu parallel verlaufenden Koordinatenachse des Koordinatenmeßgerätes) und Höhenlage der Grundplatte 2 bestimmbar sind. Eine Verdrehung des Obertellers 5 gegen über dem Unterteller 4 kann an der Winkelskala hinreichend genau abgelesen werden. Die Lage des Zylinderprüfkörpers 3 auf dem Grundplatten-Oberteller 5 ergibt sich aus dem Abstand zwischen den Punkten F und G, der Lage des Punktes G in der x, y-Ebene und den Größen der Winkel ε und α. Ein Vergleich dieser somit mathematisch exakt bestimmbaren Positionswerte eines Zielpunktes auf der Prüfkörperoberfläche mit den vom Koordinaten meßgerät beim Antasten dieses Zielpunktes ermittelten Positionswerten gibt dann Aufschluß über die Meßgenauig keit des Koordinatenmeßgerätes unter schwierigen raum schrägen Antastbedingungen. To check the accuracy of a coordinate measuring machine, any point on the surface of the test body 3 can be selected as the target point for the touch probe of the coordinate measuring machine. The position of this target point can be calculated mathematically precisely, since on the one hand the position of the base plate 2 on the measuring table 1 and on the other hand the position of the cylinder test piece 3 on the base plate 2 are known exactly. Here, the exact knowledge of the base plate position on the cone-shaped contact points of the saucer 4 can be determined, with these contact points determining both the position of the pivot point D and the wobble position, eccentric position (= offset between the axis of rotation of the base plate 2 and this parallel coordinate axis of the coordinate measuring machine) and the height of the base plate 2 can be determined. A rotation of the upper plate 5 relative to the lower plate 4 can be read with sufficient accuracy on the angle scale. The position of the cylinder test piece 3 on the base plate upper plate 5 results from the distance between the points F and G , the position of the point G in the x, y plane and the sizes of the angles ε and α . A comparison of these thus mathematically precisely determinable position values of a target point on the test specimen surface with the position values determined by the coordinate measuring device when probing this target point then provides information about the measuring accuracy of the coordinate measuring device under difficult, obliquely probing conditions.
Durch Veränderung der Lage des Prüfkörpers auf der Grund platte 2 ergibt sich eine besonders große Variationsmög lichkeit zur Simulation radialsymmetrischer Raumflächen. Die Ausgestaltung des Prüfkörpers als Zylinder bietet gegenüber der als Kugel den Vorteil, daß mit den Zylin derstirnflächen auch ebene Flächen als Antastpunkte für das Tastsystem des Koordinatenmeßgerätes zur Verfügung steht. Zylinder sind genauer herstellbar und auch genauer ausmeßbar als Kugeln und eignen sich besonders für die Simulation von Raumflächen, die in nur einer Richtung gekrümmt sind.By changing the position of the test specimen on the base plate 2 , there is a particularly large variation possible for the simulation of radially symmetrical room surfaces. The design of the test specimen as a cylinder has the advantage over that of a sphere that with the cylinder end faces, even flat surfaces are available as probing points for the touch probe of the coordinate measuring machine. Cylinders can be manufactured more precisely and can be measured more precisely than spheres and are particularly suitable for the simulation of room surfaces that are curved in only one direction.
In Fig. 2 sind der Meßtisch 1 und der mit seitlich ab stehenden Taststiften 12 versehene Tastkopf 13 eines Ko ordinatenmeßgerätes, sowie die unverdrehbare starre Grundplatte 2 und die darauf angeordneten Prüfkörper 15 und 16 dargestellt. Mit 17 ist die Zentrumsachse der tellerförmigen Grundplatte 2 und mit A und B sind zwei von drei Abtastkonen zur Lageermittlung der Grundplatte im Meßvolumen des Koordinatenmeßgerätes bezeichnet. Bei den insgesamt sechs Prüfkörpern auf der Grundplatte 2 handelt es sich um jeweils drei gleiche, um 120° ver setzt zueinander und - bezogen auf die Zentrumsachse 17 der Grundplatte 2 - in gleicher Lage angeordnete Prüf kugeln 15 und Prüfzylinder 16. Diese Prüfkörper sind in zeichnerisch nicht näher dargestellter Weise austausch bar auf der Grundplatte 2 angeordnet, so daß auch Prüf körper unterschiedlicher Form und Dimension und in unterschiedlicher Anzahl vorgesehen werden können.In Fig. 2, the measuring table 1 and the laterally provided from 12 stylus probe 13 of a Ko ordinatenmeßgerätes, as well as the non-rotatable rigid base plate 2 and the test specimens 15 and 16 arranged thereon. With 17 the center axis of the plate-shaped base plate 2 and with A and B are two of three scanning cones for determining the position of the base plate in the measuring volume of the coordinate measuring machine. The total of six test specimens on the base plate 2 are three of the same type, offset by 120 ° to one another and - in relation to the central axis 17 of the base plate 2 - test balls 15 and test cylinders 16 arranged in the same position. These test specimens are arranged in a manner not shown in the drawing, exchange bar on the base plate 2 , so that test specimens of different shapes and dimensions and in different numbers can be provided.
Mit dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem ebenfalls die Lage jedes beliebigen Punktes auf der Prüfkörperoberfläche und die Richtung sei ner Flächen-Normale mathematisch exakt berechenbar ist, können entsprechend der Anzahl an gleichen Prüfkörpern und deren Lage Ausschnitte von radialsymmetrischen Form flächen simuliert werden.With the embodiment of the invention shown in FIG. 2, in which the position of any point on the test specimen surface and the direction of its surface normal can also be mathematically calculated exactly, sections of radially symmetrical shape can be surface according to the number of the same test specimens and their position can be simulated.
Claims (6)
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