DE3936465C2 - Koordinatenmeßgerät - Google Patents

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 t_s der Antastung vorliegenden Momentanwert A_s der Spannung des Operationsverstärkers (14) ein, d. h. speichert diesen Momentanwert.

Der Momentanwert A_s 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 A_s der Schwingung des Meßarms zum Zeitpunkt t_s 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 A_s als Differenz des Gesamtsignals zu der bestangepaßten Gerade des Wechselspannungsanteils zum Zeitpunkt der Antastung t_s 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.