DE3823993A1 - Verfahren zur koordinatenmessung an werkstuecken - Google Patents

Description

Koordinatenmeßgeräte dienen dazu, geometrisch beschreibbare Elemente an Werkstücken wie z.B. Flächen, Bohrungen, Bolzen etc. zu erfassen und ihre Maße und Lage im Raum zu ermitteln. Nach dem heutigen Stand der Technik werden diese Elemente in der Regel nur durch Antastung weniger Punkte erfaßt. Anschließend werden dann mit Hilfe bekannter Rechenalgorithmen daraus Ausgleichselemente berechnet, auf die sich diese Meßpunkte stützen. Der Nachteil dieser punktweisen Meßmethode, für die in der Regel ein Koordinatenmeßgerät mit einem sogenannten "schaltenden Tastkopf" eingesetzt wird, sind einmal relativ hohe Meßunsicherheiten, verursacht durch die geringe Zahl der zur Verfügung stehenden Meßpunkte. Außerdem ist dieses Meßverfahren nicht zur Formprüfung komplizierter Geometrien geeignet, da die Aufnahme der hierzu erforderlichen Vielzahl von Meßpunkten bei punktweiser Antastung unzuträglich lange Meßzeiten bedingt.

Zur Messung von beliebig gekrümmten Flächen oder analytisch beschreibbaren Formelementen, hie z.B. Zahnflanken wird daher bereits seit längerer Zeit ein anderes Meßverfahren eingesetzt, das ein kontinuierliches Abtasten der Werkstückoberfläche vorsieht. Mit dieser sogenannten "Scanningabtastung" lassen sich eine Vielzahl von Meßpunkten in relativ kurzer Zeit gewinnen. Dieses Meßverfahren setzt einen sogenannten "messenden Tastkopf" voraus wie er beispielsweise in der US-PS 38 69 799 beschrieben ist.

Herkömmliche Koordinatenmeßgeräte und die damit durchgeführten Meßverfahren sind im übrigen sehr ausführlich in dem Buch "Fertigungsmeßtechnik", Handbuch für Industrie und Wissenschaft, herausgegeben von H. J. Warnecke und W. Dutschke, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York 1984, auf den Seiten 271 bis 352 beschrieben.

Der Meßbereich von "messenden Tastköpfen" ist in den aller­ meisten Fällen sehr viel kleiner als das zu messende Objekt. Das bedeutet, daß auch während der "Scanningabtastung" die Meßschlitten des Koordinatenmeßgerätes mit ihren bauartbedingt großen Massen bewegt werden müssen. Infolge der Massenträgheit ergeben sich hierdurch wiederum relativ lange Meßzeiten. Außer­ dem entstehen infolge der großen bewegten Massen der Führungs­ schlitten des Koordinatenmeßgerätes und der auf sie wirkenden Beschleunigungskräfte Verformungen der Maschinengeometrie, was wiederum Meßfehler zur Folge hat.

Ein weiterer beim Scannen auftretender Fehlereinfluß ist darin zu sehen, daß sich der das Werkstück berührende Taststift im Zuge des Scanvorganges und den dabei auftretenden wechselnden Antastkräften unterschiedlich stark durchbiegt. Zwar handelt es sich hier nur um Beträge im Bereich von Mikrometern, Fehler dieser Größe können jedoch bei genauen Meßaufgaben bereits stören.

Aus dem oben Gesagten ergibt sich, daß es mit herkömmlichen Koordinatenmeßgeräten sehr schwierig ist, die beiden Forderungen nach hoher Meßgeschwindigkeit und gleichzeitig geringer Meßunsicherheit miteinander zu vereinbaren.

In der DE-OS 30 11 003 und der gleichlautenden US-PS 43 33 238 sowie der DE-PS 32 34 471 und der gleichlautenden US-PS 45 30 159 ist das vorstehend geschilderte Problem eben­ falls angesprochen. Zur Lösung sind dort messende Tastköpfe mit einem erweiterten Meßbereich vorgeschlagen worden, die außerdem eigene Antriebe zur Vorauslenkung des in mehreren Raumrich­ tungen über ein orthogonales Führungssystem verschiebbaren Tasters besitzen. Es soll damit erreicht werden, daß größere Richtungsänderungen beim Abscannen des zu vermessenden Objektes von den Führungssystemen des Tastkopfes aufgefangen werden, so daß die Meßschlitten des Koordinatenmeßgerätes gradliniger und damit schneller verfahren werden können. Auch diese bekannten Lösungen setzen also ein Abtasten des zu vermessenden Objektes durch Bewegen der Meßschlitten des Koordinatenmeßgerätes mit ihrer relativ großen Masse voraus und beseitigen die eingangs genannten Nachteile nicht.

Aus der US-PS 45 74 199 ist ein kombinierter optisch/mecha­ nischer Tastkopf bekannt, der eigene Antriebe zur Bewegung des Tasters besitzt. Dort hat der Taster einen Bewegungsbereich von etwa 1-2 cm und ermöglicht eine Antastung des Objektes bei stillgesetzten Maschinenantrieben, allein durch eine Bewegung des Tasters im Tastkopf. Hierbei handelt es sich jedoch um einen sogenannten schaltenden Tastkopf, und die Bewegung des Tasters dient allein dazu, den Taststift auf das Werkstück zuzubewegen und wieder zurückzuziehen. Eine Bewegung entlang der Werkstückoberfläche, also eine sogenannte scannende Ab­ tastung ist mit diesem Tastkopf nicht möglich, einmal weil hierzu ein Bewegungsbereich zwischen 1 und 2 cm nicht ausreicht und zum anderen weil ein schaltender Tastkopf eine solche Betriebsweise prinzipiell nicht zuläßt.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Koordinatenmessung von Werkstücken zu schaffen, das hochgenaue Messungen bei gleichzeitig geringen Meßzeiten erlaubt.

Ausgehend von dem eingangs genannten Stand der Technik wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die zu messenden Geome­ trieelemente am Werkstück zumindest teilweise bei stillge­ setztem Koordinatenmeßgerät allein durch eine Bewegung des Tasters entlang der Werkstückoberfläche abgefahren werden.

Zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Koordinatenmeß­ geräte sind durch die in den Ansprüchen 8 und 10 angegebenen Maßnahmen gekennzeichnet.

Die Erfindung ermöglicht es, eine Vielzahl der für die Be­ schreibung eines Geometrieelementes erforderlichen Meßpunkte schnell und trotzdem mit hoher Genauigkeit zu erfassen, da in dieser Zeit die Meßschlitten des Koordinatenmeßgerätes mit ihren relativ hohen Massen stillgesetzt sind. Diese müssen lediglich beim Übergang zum nächsten Geometrieelement bzw., wenn es sich um unregelmäßige Werkstückflächen handelt, zu einem anschließenden Bereich der Werkstückoberfläche bewegt werden. Das Verfahren läßt sich deshalb für eine Vielzahl verschiedener Meßaufgaben einsetzen, die alle eine Erfassung einer möglichst hohen Anzahl von Meßpunkten vorsehen. Es eignet sich nämlich nicht allein dazu, z.B. Lehren geringster Formab­ weichung schnell zu vermessen. Vielmehr kann es auch Anwendung finden für die Messung von zerspant gefertigten, gegossenen oder gespritzten Werkstücken, trotz oder gerade wegen der dort vorliegenden größeren Formabweichungen. Solche Meßaufgaben lassen sich mit herkömmlichen Meßverfahren, die auf der Auf­ nahme nur weniger Meßpunkte basieren, prinzipiell nicht lösen.

Eine weitere Erhöhung der Meßgenauigkeit läßt sich erreichen, wenn die auf das Werkstück ausgeübten Antastkräfte ermittelt und zusammen mit vorab bestimmten Größen, die das Biegeverhalten des Taststifts charakterisieren, zur Berechnung bzw. Interpolation der Istlage der Antastpunkte bei "Meßkraft Null" verwendet werden.

Wenn der für die Messung eingesetzte Tastkopf den in Anspruch 8 beschriebenen Aufbau besitzt, dann werden die bei kontinuier­ licher Abtastung des Werkstücks auftretenden Antastkräfte zweckmäßig dadurch ermittelt, daß die von den Antrieben ent­ wickelten Kräfte und die auf den Taster wirkende Beschleuni­ gungskräfte bestimmt werden und dann deren Differenz gebildet wird. Die Bestimmung der von den Antrieben entwickelten Kräfte kann beispielsweise über eine Strommessung der vorzugsweise verwendeten Linearmotoren erfolgen. Berührungslos arbeitende Linearmotoren als Antriebselemente eignen sich in Verbindung mit reibungsfreien Lagern für den Taststift, wie z.B. Luft­ lager, für einen solchen Tastkopf besonders, da dann Rei­ bungskräfte im Tastkopf bei der Berechnung der auf das Werk­ stück ausgeübten Antastkraft keine Rolle spielen und außer Betracht bleiben können.

Wenn der Tastkopf den in Anspruch 10 angegebenen Aufbau besitzt und seinerseits selbst einen federnd aufgehängten Taststift trägt, dann ist die Antastkraft von der Auslenkung des Taststifts und der Federkonstanten abhängig. Die Antastkräfte werden dann zweckmäßig über eine Messung der Auslenkung des Taststiftes bestimmt. Auslenkungsabhängige Signale geben die dem Taststift zugeordneten zusätzlichen dritten Meßsysteme ab.

Um mit dem System gemäß der Erfindung arbeiten zu können, muß der verwendete Tastkopf mindestens in zwei Koordinaten einen Bewegungsbereich für den Taster von mindestens je 5 cm besitzen. Andernfalls lassen sich einzelne Geometrieelemente bzw. zusammengehörige Teile des Werkstücks nicht komplett in einem Abtastvorgang allein durch die Bewegung des Tasters im Tastkopf abfahren. Dieser Wert stellt eine empirisch ermittelte Bedingung dar, die erfüllt werden muß, wenn sich der eingangs genannte Vorteil der Meßzeitreduzierung für die in der Praxis vorkommenden Meßprobleme einstellen soll. Tatsächlich wird der Bewegungsbereich noch größer sein und zweckmäßig etwa 10 cm pro Koordinatenrichtung betragen.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Fig. 1-6 der beigefügten Zeichnungen:

Fig. 1 ist eine perspektivische Prinzipskizze eines zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Koordinatenmeßgerätes;

Fig. 2 ist eine Schnittzeichnung des Tastkopfes (5) am Koordi­ natenmeßgerät nach Fig. 1 in einer ersten vertikalen Ebene;

Fig. 3 ist eine Schnittzeichnung des Tastkopfs (5) in einer zweiten, gegenüber Fig. 2 um 90° gedrehten vertikalen Ebene;

Fig. 4 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild der Steuerung für das Koordinatenmeßgerät nach Fig. 1;

Fig. 5 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild der Steuerung für ein zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignetes Koordinatenmeßgerät nach einem zweiten, modi­ fizierten Ausführungsbeispiel;

Fig. 6 ist eine perspektivische Darstellung eines typischen, mit dem Verfahren gemäß der Erfindung zu vermessenden Werkstücks.

Das in Fig. 1 dargestellte Koordinatenmeßgerät vom Portaltyp besitzt einen Werkstücktisch (1), auf dem das Portal (2) in Richtung des mit Y 1 bezeichneten Pfeils waagerecht verschieb­ lich ist. Zur Messung der Portalverschiebung in Richtung Y 1 dient ein z.B. photoelektrisches Längenmeßsystem, dessen Maß­ stab mit 6 bezeichnet ist.

Auf dem Portal ist ein Querschlitten (3) in Richtung des Pfeils X 1 beweglich geführt. Dieser Bewegungsrichtung X 1 ist ein Maß­ stab 7 zugeordnet. Der Querschlitten (3) trägt seinerseits die Führungen für eine senkrecht, d.h. in Richtung des Pfeils Z 1 verschiebbare Pinole (4). Der Maßstab (8) dient zur Messung der Verschiebung der Pinole in Richtung Z 1.

Das in Fig. 1 dargestellte Koordinatenmeßgerät entspricht soweit Geräten in herkömmlicher Bauweise. Die Antriebe, mit denen die drei senkrecht zueinander verschiebbaren Schlitten (2, 3 und 4) bewegt werden, sind hier nicht dargestellt.

An der Unterseite der Pinole (8) ist ein Tastkopf (5) angesetzt, der allerdings in dieser Form bisher nicht bekannt ist. Dieser Tastkopf besitzt den in Fig. 2 und Fig. 3 dargestellten Aufbau:

Das gegenüber der Pinole (4) des Koordinatenmeßgerätes feststehende Gehäuseteil (10) des Tastkopfs (5) ist mit Hilfe eines zylindrischen Befestigungsteils (9) in eine entsprechende Aufnahme am unteren Teil der Pinole (4) eingesetzt und fest mit dieser verbunden. Gegenüber dem feststehenden Gehäuseteil ist ein Taster, bzw. Taststiftträger (16) in drei Raumrichtungen beweglich gelagert. Der Taststiftträger (16) trägt fünf sternförmig seitlich, bzw. nach unten abstehende Taststifte (19 a-e). An dieser Stelle kann auch eine an sich bekannte Tasterwechseleinrichtung angesetzt sein.

Die bewegliche Lagerung des Taststiftträgers (16) erfolgt ähnlich wie bei den Hauptschlitten des Koordinatenmeßgerätes durch drei orthogonal ausgerichtete und aufeinander gesetzte Führungen. Diese Führungen erstrecken sich zweckmäßig parallel zu den mit X 1, Y 1 und Z 1 bezeichneten Führungsrichtungen der Hauptschlitten des Koordinatenmeßgerätes. Zur Führung in der Senkrechten (Z 2) besitzt der in der Aufsicht rechteckige Taststiftträger (16) in der Mitte ein Führungsteil (18) mit ebenfalls rechteckigem Querschnitt, das in einer Hülse (14) gleitet. Die Hülse (14) ist ihrerseits mit zwei bogenförmigen Tragarmen (15 a und 15 b) versehen, mit denen sie auf zwei Führungsschienen (12 a und 12 b) eines Schlittens (52) aufliegt. Die Hülse (14) ist dementsprechend wie in Fig. 3 dargestellt in Richtung des Pfeils Y 2 auf dem Schlitten (52) verschieblich gelagert.

Der Schlitten (52) stützt sich wie aus dem Schnitt nach Fig. 3 ebenfalls hervorgeht seinerseits auf zwei Schienen (11 a und 11 b) beidseitig am unteren Ende des feststehenden Gehäuses (10) ab. Er ist somit in Richtung des in Fig. 2 mit X 2 bezeichneten Pfeils verschiebbar. Das vorstehend beschriebene Führungssystem ist mittels nicht dargestellter Luftlager reibungsfrei ausgestaltet und erlaubt eine Verschiebung des Taststiftträgers (16) über einen Bewegungsbereich von jeweils 10 cm in allen drei Raumrichtungen X 2, Y 2, Z 2. Zur Erfassung der Bewegung des Taststiftträgers (16) entlang dieses zweiten Führungssystems sind den drei Achsen jeweils photoelektrische Längenmeßsysteme zugeordnet. So wird die Bewegungsrichtung X 2 durch einen Maßstab (26) am feststehenden Gehäuseteil (10) des Tastkopfs (5) und einem Auflicht- Gebersystem (29) erfaßt. Entsprechend dient ein Maß­ stab (27) an der Innenseite der Führungsschiene (12 b) zusammen mit einem Auflichtgeber (30) in der verschieblichen Hülse (14) zur Erfassung der Bewegung in Richtung Y 2. Der Maßstab (28) am Teil (18) erfaßt zusammen mit dem Geber (31) die Vertikalver­ schiebung Z 2 des Taststiftträgers (16).

Angetrieben wird der Taststiftträger (16) in den drei Raumrichtungen durch berührungslos arbeitende Linearmotore. In Fig. 2 sind der Läufer (25) und der Stator (23) des Linearmotors zu sehen, der den Antrieb in Richtung Z 2 herbeiführt, während in Fig. 3 der am Schlitten (52) ange­ brachte Stator (21) und der in das feststehende Gehäuseteil (10) eingebaute Läufer (20) des Linearmotors für den Antrieb in Richtung X 2 zu sehen sind. Der Linearmotor (23/25) dient zusätzlich zur Gewichtsentlastung des Taststiftträgers (16).

Die für das Koordinatenmeßgerät nach Fig. 1 und den daran befestigten Tastkopf (5) verwendete Steuerung ist in Fig. 4 dargestellt. Kernstück der Steuerung (33) ist ein Prozessor (32), der über einen Datenbus mit dem Steuerrechner (34) des Geräts kommuniziert und von dort seine Steuerbefehle erhält. An den Prozessor (32) sind die ersten Wegmeßsysteme (6, 7 und 8) des eigentlichen Koordinatenmeßgerätes sowie die zweiten Wegmeßsysteme (26-31) über die mit X 1, Y 1, Z 1, bzw. X 2, Y 2 und Z 2 bezeichneten Leitungen angeschlossen. Die Antriebe (36, 37 und 38) für Portal, Querschlitten und Pinole des Koordinatenmeßgerätes sind mit Tachogeneratoren (41, 42 und 43) gekoppelt und in entsprechende Geschwindigkeitsregelkreise (44, 45 und 46) eingebunden. Sie erhalten ihre Fahrbefehle, mit denen der Tastkopf (5) positioniert wird, ebenfalls vom Prozessor (32).

Den Geschwindigkeitsregelkreisen ist jeweils ein Positionsregelkreis überlagert, der digital arbeitet und im Prozessor (32) selbst geschlossen ist. Dies ist die durch die gestrichelten Verbindungen innerhalb des Prozessorbauteils (32) angedeutet.

Auch die Linearmotoren (20-25) für den Antrieb der drei Achsen im Tastkopf (5) können über den Prozessor (20) zusammen mit den zugehörigen Meßsystemen (26-31) zu einem Positionsregelkreis geschlossen werden. Der Prozessor (32) erlaubt jedoch dort, wo es in den entsprechenden Abschnitten des nachstehend noch zu beschreibenden Meßverfahrens nötig ist, auch eine Steuerung der Linearmotoren (20-25) auf konstante Geschwindigkeit, bzw. entlang vorgegebener Bahnen oder auf eine konstante Antastkraft in Richtung eines vorgewählten Kraftvektors. Entsprechende Signale werden den Motorsteuerungen (47, 48 und 49) der Linear­ motoren (20/21, 24/22 und 25/23) vom Prozessor (32) zugeführt.

Wenn der Prozessor (32) die Linearmotoren (20-25) auf konstante Geschwindigkeit steuert, werden ebenfalls die Signale der Weg­ meßeinrichtungen herangezogen und daraus das für die Regelung benötigte geschwindigkeitsabhängige Signal gebildet. Bei der Steuerung auf vektorielle Antastkraft erhält man das der An­ tastkraft proportionale Signal durch Messung der Beschleunigung des Taststiftträgers und der Kraft, die von den Linearmotoren (20-25) aufgebracht wird. Letztere ist dem Strom durch die Motoren proportional und wird für die drei Antriebe getrennt mit Hilfe von Meßwiderständen Rx, Ry und Rz erfaßt, die in den Ausgang der Motorendstufen (47, 48 und 49) geschaltet sind. Der Spannungsabfall an diesen Meßwiderständen wird nach ent­ sprechender Analog/Digitalwandlung ebenfalls dem Prozessor (32) zugeführt. Das der Beschleunigung des Taststiftträgers propor­ tionale Signal erhält man durch zweimaliges zeitliches Differenzieren der Signale der Wegmeßsysteme (29-31). Da auf­ grund der Luftlagerung der Führungen im Tastkopf (5) und der berührungslosen Linearantriebe (20-25) keine weiteren Rei­ bungskräfte im Tastkopf selbst auftreten, ist die Antastkraft dann der Differenz aus der über die Wegmeßsysteme gemessenen Beschleunigung in den drei Antriebsachsen und den Schubkräften der drei Antriebsmotoren proportional. Der Prozessor (32), dem diese Größen zugeführt sind, ist demnach in der Lage, zu jedem Zeitpunkt die von einem der Taststifte (19 a-e) auf ein Werkstück ausgeübten Antastkräfte zu berechnen. Entsprechende Werte für Antastkraft und die Position der abgefahrenen Meß­ werte übergibt der Prozessor (32) an den Steuerrechner (34) des Koordinatenmeßgerätes. Dort können in einem anschließenden Korrekturvorgang die gemessenen Koordinate unter Berücksichti­ gung einer vorab ermittelten und dort gespeicherten Matrix, die das Biegungsverhalten der Taststifte beschreibt, durch Extrapo­ lation auf Werte bei "Meßkraft 0" korrigiert werden.

Nachdem vorstehend das zur Messung benutzte Koordinatenmeßgerät mit seinem hierfür besonders ausgebildeten Tastkopf näher beschrieben worden ist, wird anschließend beispielhaft anhand der Skizze nach Fig. 6 das erfindungsgemäße Meßverfahren näher erläutert:

In Fig. 6 ist ein Werkstück (50) dargestellt, das der Ein­ fachheit halber nur auf Maßhaltigkeit bezüglich zweier Geome­ trieelemente, einer Bohrung (51) und eines Flansches (53) sowie deren gegenseitige räumliche Ausrichtung geprüft werden soll. Zu Beginn der Messung positioniert das Koordinatenmeßgerät mit seinen Antrieben (36, 37 und 38) den Tastkopf (5) so, daß einer der Taststifte, beispielsweise der Taststift (19 a), etwa in Bohrungsmitte über der Bohrung (51) steht. In dieser Ausgangs­ lage befindet sich der Taststiftträger (36) des Tastkopfs (5) bezüglich aller drei Achsen in seiner Mittelstellung. Dafür sorgt in jeder Achse der jeweilige Lageregelkreis mit ent­ sprechend hohen Stellkräften. Diese Ausgangsposition ist in Fig. 6 mit POS 1 bezeichnet. Danach werden die Antriebe (36-38) der Hauptschlitten des Koordinatenmeßgerätes stillgesetzt und der Taststift (19a) allein mit Hilfe des Linearmotors (23, 25) im Tastkopf (5) in die Bohrung (51) eingetaucht. Zur anschließenden Antastbewegung an die Wände der Bohrung (51) bewegt sich der Taststiftträger (36) getrieben von einem der Linearmotoren (20/21 bzw. 24/22) schnell in Richtung X 2 oder Y 2 auf die anzutastende Fläche zu. Kurz vor dem Antastvorgang erfolgt die eigentliche Antastbewegung bei eingeprägter konstanter Meßkraft, bis die Tastkugel an der Innenseite der Bohrung (51) anliegt. Diesen Antastvorgang erkennt der Prozessor (32) dadurch, daß trotz aufgebrachter Schubkraft des betreffenden Linearmotors in Richtung auf die anzutastende Fläche keine weiteren Inkrementalsignale des betreffenden Längenmeßsystems eingehen.

Daraufhin erhalten die beiden Linearmotoren (24/22 und 25/23) in der durch die beiden Richtungen X 2 und Y 2 aufgespannten Ebene ständig so angepaßte Ströme, daß die Bohrung (51) mit konstanter Umfangsgeschwindigkeit und etwa konstanter vektorieller Meßkraft abgetastet wird. Zur Überwindung der Reibung zwischen Tastkugel und Bohrungsinnenfläche muß senk­ recht zur vektoriellen Meßkraft eine Kraft erzeugt werden, die größer als die Reibungskraft ist. Dies ist gleichbedeutend mit dem Umstand, daß die auf das Werkstück ausgeübte Kraft nicht exakt senkrecht zur Werkstückoberfläche ausgerichtet ist, sondern hiervon um einen kleinen Betrag abweicht.

Während der Innenabtastung der Bohrung (51) werden mit hoher Datenrate (z.B. 100mal pro Sekunde) die digitalen Werte für die Auslenkung des Taststiftträgers (36) (siehe Fig. 3) sowie die Kraft der Linearmotoren in allen drei Achsen zwischengespeichert. Der Steuerrechner (34) wertet diese Daten aus. Zuerst werden hier die gemessenen Kräfte von den Beschleunigungskräften befreit, die sich aus der schnellen Abtastung auf einer engen kreisförmigen Bahn ergeben. Hiernach bleiben die Kräfte übrig, die in den drei Raumrichtungen auf den Taststift (19 a) wirken. Zusammen mit der gespeicherten Matrix, die das Biegeverhalten des Taststifts (19) charakertisiert und in einem vorgeschalteten Kalibriervorgang ermittelt wurde, wird dann jeder Meßpunkt einer räumlichen Biegungskorrektur unterzogen. Danach werden die auf die jeweilige Tastkugelmitte bezogenen, dreidimensionalen Meßwerte gebildet und zwischengespeichert. Der gleiche Vorgang wiederholt sich dann bei einer anderen Eintauchtiefe. Im Ergebnis erhält man sodann Meßwerte, die Form und Achslage der Bohrung (51) wiedergeben.

Da die Lage der Bohrung (51) in Bezug auf den Flansch (53) geprüft werden soll, verfährt das Koordinatenmeßgerät anschließend mit seinen Antrieben (36-38) den Tastkopf (5) in die mit POS 2 bezeichnete Position über dem Flansch (53). Dort wird in ganz ähnlicher Weise der Taststift (19a) wieder allein mit Hilfe der Antriebe im Tastkopf (5) so verfahren, daß er den Sitz (54) des Flansches (53) antastet und dann in einer kreisförmigen Bahn abtastet. Hierbei wird die Antastkraft von dem für die Richtung Z 2 vorgesehenen Linearmotor (25/23) aufgebracht.

Nach dem Abfahren der Dichtfläche (54) wird die Innenseite des Flansches (53) wie anhand der Bohrung (51) beschrieben ebenfalls vermessen. Am Ende des Vorganges liegen Meßwerte vor, die neben der Ebenheit der Anschlußfläche (54) des Flansches (53) auch seine Lage und Ausrichtung in Bezug auf die Bohrung (51) wiedergeben.

Während dieses ganzen Meßvorganges wurden die Antriebe (36-38) des Koordinatenmeßgerätes allein in Gang gesetzt, um den Tastkopf (5) von der mit POS 1 bezeichneten Position zu der mit POS 2 bezeichneten Position zu bewegen. Alle anderen Abtastbewegungen und Positionierbewegungen des Taststifts (19) innerhalb der beiden Geometrieelemente (51 und 53) erfolgten allein durch die Linearmotore im Tastkopf (5) selbst. Es ist klar, daß hierdurch eine deutliche Meßzeitverkürzung erreicht wird gegenüber Verfahren, bei denen alle Abtastbewegungen durch die schweren Maschinenschlitten (Portal, Querschlitten, Pinole) des Koordinatenmeßgeräts selbst ausgeführt wurden. Im vorstehenden Ausführungsbeispiel wurden reibungsfreie Lager im Tastkopf und berührungslose Antriebe eingesetzt, so daß die Antastkräfte aus den Strömen der Linearmotoren ermittelt werden konnten. Dies ist dann nicht möglich, wenn im Tastkopf Wälz­ körperführungen und Antriebe verwendet werden, die einen mechanischen Eingriff zwischen dem führenden und geführten Teilen erfordern, wie z.B. Motoren mit Zahnstange/Ritzel Ge­ triebe. In einem solchen Fall ist es zweckmäßig, anstelle der starren Taststifte (19a-e) am Taststiftträger (16) jeweils eigene, kleine messende Tastköpfe anzubringen, die einen federnd gelagerter Stift besitzen und beispielsweise Tauch­ spulen/Meßsysteme, mit denen die Auslenkung des Taststiftes relativ zum Taststiftträger (16) gemessen wird. Für diesen Zweck eignen sich beispielsweise Meßtaster des in der DS-AS 24 40 692 beschriebenen Typs. Die Steuerung für ein solches, modifiziertes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 5 darge­ stellt. Im Vergleich zu der Steuerung nach Fig. 4 sind hier entsprechende Bauteile mit einer um 100 höheren Bezugsziffer versehen. Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, sind die Linear­ motoren in diesem Falle durch Motoren (120, 124, 125) mit Zahnstange/Ritzel Getriebe (121, 122, 123) ersetzt und wurde auf die Meßwiderstände zur Messung des Motorstroms verzichtet. Stattdessen erhält der Prozessor (132) die Signale der induk­ tiven Wegmeßsysteme (116/117/118) in den kleinen Meßtastern (115 a bzw. 115 b), die jeweils die Auslenkung des beweglichen Taststifts (119 a bzw. 119 b) und wird daraus in Verbindung mit der Federkonstanten, die dieser Auslenkung entgegenwirkt, die auf das Werkstück ausgeübte Kraft bestimmt. Die Steuerung der Abtastbewegung mit Hilfe der Antriebe (120, 124 und 125) im Tastkopf (5) kann dann in diesem Ausführungsbeispiel bei konstant gehaltener Auslenkung des Taststifts (119 a) so er­ folgen, wie in der Europäischen Patentanmeldung 02 11 202 beschrieben.

Claims (10)

1. Verfahren zur Koordinatenmessung an Werkstücken mit einem Koordinatenmeßgerät, dessen Tastkopf einen oder mehrere vermittels eines eigenen Antriebes (20-25) im Tastkopf (5) in mehreren Raumrichtungen (X, Y, Z) verschiebbaren Taster (19 a-e) trägt und diesen Raumrichtungen zugeordnete Wegmeßsysteme (26-31) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die zu vermessenden Geometrieelemente (51, 53) am Werkstück (50) zumindest teilweise bei stillgesetztem Koordinaten­ meßgerät (1-8) allein durch eine Bewegung des bzw. der Taster (19 a-e) entlang der Werkstückoberfläche abgefahren werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem bzw. den Tastern (19 a-e) auf das Werkstück (50) ausgeübten Antastkräfte ermittelt und zusammen mit vorab bestimmten Größen, die das Biegeverhalten des Taststifts (19 a-e) charakterisieren, zur Extrapolation der Istlage der Meßpunkte für verschwindende Meßkraft (Meßkraft 0) verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastung des Werkstücks (50) kontinuierlich erfolgt und die Antastkräfte dadurch ermittelt werden, daß die von den Antrieben (20-25) entwickelten Schubkräfte und die auf die Taster (19 a-e) wirkenden Beschleunigungskräfte bestimmt und deren Differenzen gebildet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der von den Antrieben entwickelten Kräfte über eine Strommessung erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der Beschleunigungskräfte durch eine Weg/Zeitmessung vermittels der Signale der Wegmeßsysteme (26-31) des Tastkopfs (5) erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die auf das Werkstück (50) wirkende Antastkraft während der Bewegung des Tasters konstant gehalten wird.

7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Taster (115) eine auslenkungsabhängige Rückstellkraft entwickelt und daß die Antastkräfte über eine Messung der Auslenkung des Taststifts (119) ermittelt werden.

8. Koordinatenmeßgerät zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem System mehrerer orthogonal ausgerichteter, erster Führungen und den Führungen zugeordneten ersten Wegmeßsystemen (6-8) sowie einem über das Führungssystem im Raum positionierbaren Tastkopf (5), der einen vermittels eines zweiten Führungssystems und diesem zugeordneten zweiten Wegmeßsystemen (26-31) sowie eigenen, dem zweiten Führungssystem zugeordneten Antrieben (20-25) in mehreren Raumrichtungen bewegbare Taster (19 a-e) trägt, dadurch gekennzeichnet, daß der Bewegungs- und Meßbereich des zweiten Führungssystems im Tastkopf für mindestens zwei der Raumrichtungen (X, Y, Z) mindestens je 5 cm beträgt und daß die zweiten Wegmeß­ systeme (26-31) und die Antriebe (20-25) mit einem Prozes­ sor (32) zur Berechnung der Position der Taster (19 a-e) und der von den Tastern auf das Werkstück (50) ausgeübten An­ tastkräfte verbunden sind.

9. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Führungssysteme reibungsfreie Luftlager enthalten und daß die zugeordneten Antriebe (20-25) Linearmotoren sind.

10. Koordinatenmeßgerät zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem System mehrerer orthogonal ausge­ richteter, erster Führungen und den Führungen zugeordneten ersten Wegmeßsystemen (6-8) sowie einem über das Führungs­ system im Raum positionierbaren Tastkopf (5), der einen vermittels eines zweiten Führungssystems und diesem zuge­ ordneten zweiten Wegmeßsystemen (26-31) sowie eigenen, dem zweiten Führungssystem zugeordneten Antrieben (20-25) in mehreren Raumrichtungen bewegbare Taster (115 a, 115 b) trägt, dadurch gekennzeichnet, daß der Bewegungs- und Meßbereich des zweiten Führungssystems im Tastkopf (5) für mindestens zwei der Koordinatenrich­ tungen (X, Y, Z) mindestens je 5 cm beträgt, daß die Taster (115 a, 115 b) jeweils einen federnd aufgehängten Taststift (119 a) tragen und dritte Wegmeßsysteme (116-118 a/b) zur Messung der Auslenkung des Taststifts besitzen, und daß die zweiten und dritten Wegmeßsysteme mit einem Prozessor (132) zur Berechnung der Position des Taststifts und der vom Taststift (119 a/b) auf das Werkstück (50) ausgeübten An­ tastkräfte verbunden sind.