DE3936465C2 - Koordinatenmeßgerät - Google Patents
KoordinatenmeßgerätInfo
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Description
An die Meßarme von Koordinatenmeßgeräten werden zunehmend
außer dem eigentlichen Tastkopf weitere Sensoren wie z. B.
optische Taster oder Kameras angesetzt, dazu Wechselein
richtungen für das automatische Auswechseln der Sensoren und
Dreh-Schwenkgelenke, mit denen der Sensor in die gewünschte
Raumposition gedreht werden kann. Diese zusätzlichen Ein
bauten vergrößern das vom Meßarm zu tragende Gewicht.
Gleichzeitig versucht man, höhere Meßgeschwindigkeiten zu
erzielen und legt hierzu die Meßschlitten in Leichtbauweise
aus.
Die geringere Steifigkeit der Meßschlitten und das höhere
Gewicht der zu tragenden Sensoren hat nun aber insbesondere
bei Koordinatenmeßgeräten vom Auslegertyp zur Folge, daß der
Meßarm im ausgefahrenen Zustand beim Positionieren Biege
schwingungen im Frequenzbereich zwischen ca. 10 Hz und 20 Hz
mit einer relativ hohen Amplitude bis ca. 70 µm ausführt. Da
diese Schwingungen auch im Moment des Antastens auftreten
können, vergrößert sich hierdurch die Meßunsicherheit des
Gerätes und zwar um den Betrag der Schwingungsamplitude.
Es ist schon vorgeschlagen worden, die Resonanzstelle dieser
Schwingung durch den zusätzlichen Einbau eines bedämpften
Masse-Schwingers zu unterdrücken. Mit dieser Maßnahme läßt
sich jedoch die Schwingung des Meßarmes nicht völlig be
seitigen. Außerdem vergrößert dieser in der Nähe des Tast
kopfes angebrachte Masse-Schwinger nochmals das Gewicht um
mehrere Kilogramm. Dies zieht wieder einen höheren Aufwand an
den Lagerstellen bzw. Führungen des Meßarms nach sich.
Es ist auch bereits bekannt, die statischen Deformationen des
Meßarms von Ständermeßgeräten, d. h. die Fehler, um die der
Tastkopf beim Ausfahren des Meßarms von einer geraden Linie
abweicht, optisch, beispielsweise mit Hilfe von Geradheits
interferometern zu erfassen und die von der Maschine
gelieferten Koordinatenmeßwerte mit den vom Geradheitsinter
ferometer gelieferten Korrekturwerten zu verrechnen. Ein
solches Meßgerät ist beispielsweise in der US-PS 4,261,107
beschrieben.
Eine interferometrische Geradheitsmessung ist jedoch relativ
aufwendig. Ein Großteil des Aufwandes besteht darin, die
Strahlachse des Lasers, der ja die Referenzgerade darstellt,
ausreichend stabil zu halten. Aus diesen Gründen haben sich
derartige Systeme bisher in der Praxis auch nicht durchgesetzt.
Gleiches gilt für die in der US-PS 4,602,163 beschriebene
Korrektureinrichtung, mit der die statischen Positions
abweichungen der Meßschlitten eines Koordinatenmeßgerätes
optisch, mit Hilfe eines auf einen positionsempfindlichen
Detektor gerichteten Laserstrahls erfaßt und zur Korrektur der
von den Maßstäben gelieferten Meßwerte verwendet werden.
Analoges gilt für die deutsche Offenlegungsschrift 28 29 222,
die deutsche Offenlegungsschrift 27 12 939 sowie das US-Patent
4,276,698. Auch hierin werden unterschiedliche bei der Messung
mit einem Koordinatenmeßgerät entstehende Fehler, wie
beispielsweise die Verbiegung von Bauteilen, das Rollen, Nicken
oder Gieren von Meßschlitten etc. statisch erfaßt, indem ein
Lichtsender und eine Photodiode derart an den Bauteilen des
Koordinatenmeßgerätes befestigt sind, daß der interessierende
Fehler einen Versatz des auf der Photodiode auftreffenden
Lichtstrahles, der vom Lichtsender ausgesandt wurde, verursacht.
Aus dem Versatz wird dann der betreffende Fehler ermittelt und
zur Korrektur des Meßergebnisses verwendet.
In der US-PS 4,333,238 ist ein Koordinatenmeßgerät in Portal
bauweise beschrieben, dessen Tastkopf einen Beschleunigungs
sensor enthält. Dieser Beschleunigungssensor dient dazu, die
dynamische Verformung der Pinole während Beschleunigungs- bzw.
Abbremsvorgängen zu erfassen und bei der Bestimmung der exakten
Position des Tastkopfes zu berücksichtigen.
Es ist jedoch nicht einfach, aus den Signalen eines solchen
Beschleunigungssensors einen Korrekturwert für die Position
abzuleiten, da in die Berechnung zu viele Parameter eingehen.
In der genannten Schrift wird deshalb auch vorgeschlagen, den
Sensor in einem Kalibrierprozeß durch mehrere Antastungen mit
unterschiedlicher Beschleunigung und
bei verschiedenen Ausfahrlängen der Pinole zu kalibrieren.
Dies ist eine umständliche und zeitaufwendige Prozedur.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Einrichtung zu schaffen, mit der dynamische Verbiegungen der
Meßschlitten, bzw. des Meßarms eines Koordinatenmeßgerätes
aufgrund von Eigenschwingungen dieser Teile mit möglichst
geringem Aufwand zuverlässig erkannt und der Einfluß der
Schwingungen auf die Meßunsicherheit des Gerätes
ausgeschaltet werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen
Merkmale gelöst.
Die beschriebenen Maßnahmen vergrößern nicht das Gewicht am
Ende des Meßarms, da dort allein ein photoelektrischer
Detektor anzubringen ist.
Der für die Einrichtung erforderliche Aufwand ist außerdem
sehr gering, denn besondere Maßnahmen zur Stabilisierung der
Strahlachse selbst sind nicht erforderlich, weil ohnehin nur
der Wechselspannungsanteil des Detektorsignals verarbeitet
wird und eine Langzeitdrift der Strahlachse deshalb nicht
stört. Dennoch stellt das Detektorsignal einen sehr direkten
und von der Ausfahrlänge und der Steifigkeit des Meßarms
unabhängigen Meßwert der momentanen Position des Tastkopfes
dar, so daß aufwendige Kalibriervorgänge entfallen können.
Der Detektor ist zweckmäßig eine Differenzdiode bzw. eine
Quadrantendiode, mit der gleichzeitig Auslenkungen bzw.
Schwingungen in beiden Richtungen senkrecht zur Achse des
Referenzstrahls ermittelt werden können.
Zusätzlich können auch rotatorische Schwingungen des
betreffenden Teils um eine zur Strahlrichtung parallele
Gerade erfaßt werden, wenn z. B. eine zweite, zur ersten
versetzt angeordnete Meßeinrichtung verwendet ist und die
Detektorsignale beider Einrichtungen in einer
Differenzschaltung ausgewertet werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Signale des Detektors
gleichzeitig einer Kollisionsschutzschaltung zugeführt sind.
Es ist dann möglich, mit einem und demselben Referenzstrahl
die dynamischen Auslenkungen des Meßarms meßtechnisch zu
erfassen und damit die Meßgenauigkeit der Maschine zu
verbessern und gleichzeitig den Referenzstrahl als Sicher
heitseinrichtung zu nutzen, dessen Unterbrechung im
Kollisionsfalle die Maschine stillsetzt.
Weitere Vorteile eines Ausführungsbeispiels ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung anhand
der Fig. 1-6 der beigefügten Zeichnungen.
Fig. 1 ist eine perspektivische Abbildung eines Ko
ordinatenmeßgerätes in Ständerbauweise;
Fig. 2 ist eine vereinfachte Prinzipskizze, die den Meßarm
des Gerätes aus Fig. 1 im Schnitt parallel zu
seiner Längsachse zeigt;
Fig. 3 zeigt den Detektor (10) aus Fig. 2 in Aufsicht in
Richtung des Meßstrahls (9);
Fig. 4 u.
Fig. 5 sind Diagramme, in denen der zeitliche Verlauf der
Auslenkung des vorderen Endes des Meßarms
dargestellt ist;
Fig. 6 ist das Prinzipschaltbild einer zur Verarbeitung der
Signale des Detektors (10) verwendeten Schaltung;
Fig. 7 ist das Prinzipschaltbild einer zur Verarbeitung
der Signale des Detektors (10) verwendeten
Schaltung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
Das in Fig. 1 dargestellte Koordinatenmeßgerät (1) in
Ständerbauweise besitzt eine Gerätebasis (2), die entlang von
in das Fundament eingelassenen Führungen insgesamt waagerecht
verfahrbar ist. Auf dem von der Basis (2) getragenen Ständer
(15) des Meßgerätes ist ein Schlitten (3) höhenverschiebbar
gelagert. Dieser wiederum nimmt den in seiner Längsrichtung
gegenüber dem Schlitten (3) waagerecht verschiebbaren Querarm
(4) des Gerätes auf. Der Querarm (4) ist der eigentliche
Meßarm des Koordinatenmeßgerätes und trägt an seiner Stirn
seite eine Aufnahme (5) für verschiedene Taster (6a, 6b) mit
denen das Meßobjekt durch Antastung ausgemessen wird. Die
nicht sichtbaren Führungen des Querarms (4) sind durch einen
Faltenbalg (7) in dem Bereich abgedeckt, in dem der Querarm
aus dem Schlitten (3) heraus vorsteht. Im ausgefahrenen Zu
stand führt das vordere Ende des Querarms (4) und damit der
daran befestigte Taster (6a) Schwingungen mit einer Amplitude
von ca. 70 µm aus wie das in der vereinfachten Darstellung
nach Fig. 2 durch den Doppelpfeil (20) symbolisiert ist.
Diese Schwingungen werden nun nicht durch konstruktive
Maßnahmen unterdrückt. Vielmehr ist eine Einrichtung
vorgesehen, die den momentanen Wert der Schwingungen zu
messen erlaubt. Hierzu ist am Schlitten (3) des
Ständermeßgerätes ein Halbleiterlaser (8) befestigt, dessen
durch eine hier nicht dargestellte Optik aufgeweiteter Strahl
parallel zur Längsachse des Meßarms (4) in Richtung auf das
vordere Ende des Meßarms ausgesandt wird. Dort ist an einer
Abschlußplatte (18) ein photoelektrischer Detektor (10)
befestigt, der wie im dargestellten Ausführungsbeispiel nach
Fig. 3 ersichtlich eine Differenzdiode (10) ist. Auf
dessen nebeneinanderliegende photoempfindliche Flächen (11)
und (12) trifft der Meßstrahl zentrisch auf.
Schwingt nun das vordere Ende des Meßarms in der Ebene des
mit (x) angedeuteten Pfeils, dann gibt die Differenzdiode
(10) das in Fig. 4 dargestellte, der Auslenkung
proportionale Signal ab. Dieses Signal besitzt einen
Gleichspannungs- und einen Wechselspannungsanteil. In den
Gleichspannungsanteil gehen neben justierfehlerbedingten
Ablagen des Meßstrahl von der exakten Mittenposition auf der
Differenzdiode (10) auch langeperiodische Fluktuationen der
Strahlachse des Halbleiterlasers (8) ein. Denn dieser ist wie
eingangs angesprochen nicht stabilisiert.
Das Signal der Differenzdiode (10) wird von der in Fig. 6
dargestellten Schaltung verarbeitet. Hierbei sind die Aus
gänge (11) und (12) der Differenzdiode (10) einem Operations
verstärker (13) zugeführt. Dessen Ausgangsspannung ist über
einen Hochpaß an den Eingang eines zweiten Operationsver
stärkers gelegt. Auf diese Weise ist der Wechselspannungsan
teil vom Gleichspannungsanteil des vom Detektor gelieferten
Signales separiert. Auf den Operationsverstärker (14), der
den Wechselspannungsanteil weiter verstärkt, folgt eine
Schaltung (16), der zusätzlich das von der Antastelektronik
(19) des Tastkopf (6a) gelieferte Antastsignal zugeführt
wird. Die Schaltung (16) "friert" den zum Zeitpunkt ts der
Antastung vorliegenden Momentanwert As der Spannung des
Operationsverstärkers (14) ein, d. h. speichert diesen
Momentanwert.
Der Momentanwert As ist der Auslenkung des Tastkopfes im
Zeitpunkt der Antastung in Richtung der X-Achse proportional
und wird deshalb als Korrekturwert an den Rechner des Ko
ordinatenmeßgerätes übergeben, der diesen Korrekturwert dem
vom X-Maßstab des Koordinatenmeßgerätes gelieferten Meßwert
hinzu addiert.
In Fig. 2 ist gestrichelt eine zweite Einrichtung mit einem
Halbleiterlaser (108) und einem Detektor (110) eingezeichnet,
deren Strahlachse parallel zu der der ersten Einrichtung
versetzt ist. Mit Hilfe dieser zusätzlichen Einrichtung
lassen sich rotatorische Schwingungen des Meßarms (4) um
seine Längsachse erfassen, indem die Signale der beiden
Detektoren (8) und (108) in einer Differenzschaltung
ausgewertet werden.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde die Korrektur des
durch Schwingungen des Meßarms in X-Richtung auftretenden
Lagefehlers beschrieben. Es ist jedoch klar, daß in gleicher
Weise auch Schwingungen des Meßarms in der dazu senkrechten
Ebene (y) korrigiert werden können. Hierzu ist dann anstelle
der Differenzdiode (10) eine Quadrantendiode zu verwenden und
die Schaltung nach Fig. 6 entsprechend zu verdoppeln.
Eine solche Quadrantendiode findet bereits Verwendung in der
von der Anmelderin am 04.10.1988 eingereichten Anmeldung
P 38 33 680.4-26 mit dem Titel "Schutzeinrichtung für
langgestreckte Maschinenteile", auf die hier ausdrücklich
Bezug genommen wird. Gemäß der dort beschriebenen Erfindung
dient die Quadrantendiode am vorderen Ende des Meßarms eines
Ständermeßgerätes dazu, die Unterbrechung des auf
sie gerichteten Lichtstrahls im Falle einer Kollision zu
melden.
Diese Quadrantendiode kann nun in einer besonders vorteil
haften Ausführungsform gleichzeitig die Funktion des
Detektors erfüllen, der die Lageinformation über den
Momentanwert der Schwingung des vorderen Ende des Meßarms zu
liefert, wie das anhand von Fig. 4 und 6 beschrieben ist.
Das ist in Fig. 6 dadurch angedeutet, daß die beiden Ein
gänge des Operationsverstärkers (13) gleichzeitig mit der
Kollisionsschutzschaltung (15) verbunden sind. Bezüglich des
Aufbaues der Kollisionsschutzschaltung wird auf die genannte
ältere Anmeldung P 38 33 680.4 verwiesen.
Weiterhin ist es möglich und für eine möglichst genaue Aus
wertung des Wechselspannungs-Signalanteils des Detektors (10)
sinnvoll, den Gleichspannungsanteil vom Wechselspannungsan
teil des Detektors (10) rechnerisch zu subtrahieren. Das ist
in den Fig. 5 und 7 dargestellt. Wie aus der Darstellung
nach Fig. 5 hervorgeht, kann dem durch die Schwingungen des
Meßarms bedingten Wechselspannungsanteil ein langsames Aus
driften beispielsweise der Strahlachse während eines
Meßzyklus überlagert sein. Der Momentanwert As der Schwingung
des Meßarms zum Zeitpunkt ts der Antastung wird in diesem
Falle bestimmt, indem der Signalverlauf während eines
Meßzyklus aufgenommen und abgespeichert wird, und vom Signal
eine bestangepaßte Gerade subtrahiert wird. Die entsprechende
Schaltung zeigt Fig. 7. Dort ist mit (113) der Operations
verstärker bezeichnet, an den die beiden lichtempfindlichen
Flächen (11) und (12) der Differenzdiode angeschlossen sind.
Auf den Operationsverstärker (113) folgt ein Analog/Digital
wandler (114), dessen Ausgang einem Mikroprozessor (116)
zugeführt ist. Der Mikroprozessor (116) erhält außerdem die
Antastimpulse des Tastkopfs (6a) und ist dazu an dessen Tast
kopfelektronik (119) angeschlossen.
Die im Systemtakt vom Mikroprozessor übernommenen
Momentanwerte des verstärkten Signals des Detektors (10)
werden dort gespeichert und nach jedem Meßzyklus wie vor
stehend beschrieben ausgewertet. Daraus berechnet der Mikro
prozessor den Momentanwert As als Differenz des Gesamtsignals
zu der bestangepaßten Gerade des Wechselspannungsanteils zum
Zeitpunkt der Antastung ts und gibt diesen als Korrekturwert
an den Rechner des Koordinatenmeßgerätes weiter.
Es ist klar, daß die Anwendung der Einrichtung nicht auf den
horizontalen Arm eines Ständermeßgerätes beschränkt ist. Sie
läßt sich ebenfalls zur dynamischen Korrektur der Bewegung
anderer Meßschlitten eines Koordinatenmeßgerätes einsetzen.
Claims (5)
1. Koordinatenmeßgerät mit einer Einrichtung zur Messung der
Verbiegung eines Meßschlittens bzw. Meßarms (7) mittels
eines Detektors (10), der die Auswanderung der Auf
treffposition eines optischen Referenzstrahles mißt,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung eine
Schaltung enhält, die den Wechselspannungsanteil des
Detektorsignals verarbeitet und den Momentanwert des
Wechselspannungssignals im Antastzeitpunkt ermittelt.
2. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Detektor eine Differenzdiode (10)
oder eine Quadrantendiode ist.
3. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Schaltung mit der Elektronik (17)
des Tastkopfes (6a) verbunden ist, die das Antastsignal
erzeugt.
4. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Signale des Detektors
gleichzeitig einer Kollisionsschutzschaltung zugeführt
sind.
5. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Erfassung von rotatorischen,
dynamischen Abweichungen ein zweiter, bezogen auf die
Strahlachse senkrecht dazu versetzt angeordneter Detektor
(110) vorgesehen ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19893936465 DE3936465C2 (de) | 1989-11-02 | 1989-11-02 | Koordinatenmeßgerät |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19893936465 DE3936465C2 (de) | 1989-11-02 | 1989-11-02 | Koordinatenmeßgerät |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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DE3936465A1 DE3936465A1 (de) | 1991-05-08 |
DE3936465C2 true DE3936465C2 (de) | 1998-09-10 |
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ID=6392717
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19893936465 Expired - Fee Related DE3936465C2 (de) | 1989-11-02 | 1989-11-02 | Koordinatenmeßgerät |
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DE (1) | DE3936465C2 (de) |
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1989
- 1989-11-02 DE DE19893936465 patent/DE3936465C2/de not_active Expired - Fee Related
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DE3936465A1 (de) | 1991-05-08 |
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