DE4212455A1 - Verfahren zur Messung von Formelementen auf einem Koordinatenmeßgerät - Google Patents
Verfahren zur Messung von Formelementen auf einem KoordinatenmeßgerätInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von
Formelementen beliebiger räumlicher Orientierung an
Werkstücken auf einem Koordinatenmeßgerät mit einem messenden
Tastkopf und zwar ein sogenanntes "Scanning"-Verfahren, bei
dem der Taststift des Tastkopfes im Zuge seiner Abtast
bewegung in permanentem Kontakt mit der Werkstückoberfläche
bleibt. Solche Scanning-Verfahren erlauben es, schnell eine
Vielzahl von Meßpunkten aufzunehmen, die die Form des Werk
stücks beschreiben. Hierfür wird allerdings ein sogenannter
messender Tastkopf benötigt, d. h. ein Tastkopf der Meßwert
geber besitzt, die ein dem Betrag der Tasterauslenkung in den
Koordinatenrichtungen proportionales Signal abgeben.
"Scanning"-Verfahren unter Verwendung von messenden
Tastköpfen sind an sich bereits bekannt und beispielsweise in
der DE-PS 29 21 166 und der US-PS 47 69 736 beschrieben.
Bei dem in der DE 29 21 166 beschriebenen bekannten Verfahren
wird der Tastkopf des Koordinatenmeßgerätes nach dem Antasten
des Werkstücks mit konstanter Geschwindigkeit entlang einer
ersten, der sogenannten Primärkoordinate verfahren bzw. ge
steuert. Gleichzeitig wird er durch ein Signal der Meßwert
geber im Tastkopf entsprechend der Tasterauslenkung in einer
zur Primärachse senkrechten, zweiten Richtung auf konstanter
Anlage mit dem Werkstück geregelt. Sobald die Geschwindigkeit
der Nachregelbewegung größer wird als der gesteuerte Vorschub
in der Primärkoordinate, werden die beiden Achsen miteinander
vertauscht. Auf diese Weise folgt der Tastkopf selbstätig
Konturen am Werkstück, die nicht vorbekannt sein müssen.
Auch das in der US-PS 47 69 763 beschriebene Verfahren
erlaubt das selbstätige Abfahren unbekannter
Werkstückkonturen, indem dort der Absolutwert der
Abtastgeschwindigkeit und die gewünschte Tasterauslenkung
vorgegeben werden und aus der gemessenen Tasterauslenkung
permanent die tangential zur Werkstückoberfläche
verlaufende Richtung der Abtastbewegung nachberechnet wird.
Es ist für beide bekannte Verfahren charakteristisch, daß die
Meßwertgeber des Tastkopfs in einen Regelkreis eingebunden
sind und die Vorschubrichtung entsprechend dieser Signale
stets nachgeregelt wird. Aus diesem Grunde sind beide
Verfahren relativ langsam.
Aus der internationalen Patentanmeldung WO 90/07097 ist ein
"Scanning"-Verfahren bekannt, mit dem schnell eine Vielzahl
von Meßpunkten an flächigen Werkstückgeometrien aufgenommen
werden sollen. Hierzu ist der Taststift des Koordinatenmeßge
rätes an einem sogenannten "messenden Dreh-Schwenk-Gelenk"
befestigt. Das Koordinatenmeßgerät verfährt das Dreh-Schwenk-
Gelenk mit konstanter Geschwindigkeit auf einer Bahn mit
einfacher Geometrie, beispielsweise einer Geraden oder einem
Kreis und gleichzeitig wird der Taststift mit Hilfe der An
triebe des Dreh-Schwenk-Gelenks im wesentlichen senkrecht zur
Verfahrrichtung mit konstanter Kraft an das Werkstück ange
legt und in eine spiralförmige oder oszillierende Bewegung
versetzt. Mit diesem Verfahren können nur sehr wenige Form
elemente einer bestimmten vorgegebenen Geometrie vermessen
werden. Auch ist es nicht möglich, Formelemente in beliebiger
räumlicher Orientierung abzutasten, da das Dreh-Schwenk-Ge
lenk bereits eine gewisse Vororientierung der Formelemente
verlangt.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
zur kontinuierlichen Vermessung von Formelementen beliebiger
räumlicher Orientierung zu schaffen, das eine Vielzahl von
Meßpunkten bei möglichst kurzer Meßzeit aufzunehmen
gestattet.
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 bzw. 8 angegebenen
Merkmale gelöst.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß es möglich
ist, bedeutend schneller als bisher Formelemente wie z. B.
Zylinderbohrungen, Paßflächen etc. an Werkstücken zu ver
messen, wenn deren Geometrieform-und deren Lage zumindest
grob bekannt ist. Da jedoch in der Koordinatenmeßtechnik
ohnehin ein Großteil der Meßaufgaben darin besteht, die
Maßhaltigkeit von Teilen innerhalb vorgegebener Toleranzen zu
überprüfen, sind die Sollwerte für die Lage und Geometrie
(Kontur) der zu vermessenden Formelemente meist be
kannt. Demzufolge können mit der Erfindung ein Großteil der
in der Praxis vorkommenden Meßaufgaben erheblich schneller
gelöst werden als bisher.
Wegen der hohen erzielbaren Meßgeschwindigkeit kann das
Verfahren auch dort eingesetzt werden, wo bisher lediglich
Einzelpunktmessungen vorgenommen wurden. Hier erreicht das
neue Verfahren wegen der bei gleicher Meßzeit sehr viel
höheren Punktedichte eine deutlich bessere Reproduzierbarkeit
der Meßergebnisse, weil "Ausreißerpunkte" ohne Bedeutung sind
und die Abhängigkeit von der Wahl "zufällig" gesetzter
Antastpunkte wegfällt. Ebenfalls liefert das Verfahren
aufgrund der hohen Punktedichte verbesserte Ergebnisse bei
Formmessungen wie Rundheit, Zylinderform, Ebenheit, Geradheit
sowie bei Lagemessungen wie z. B. Position und Symmetrie von
Formelementen. Es lassen sich somit vom Rechner des
Koordinatenmeßgerätes Einpassungsrechnungen (Hüll- und
Pferchelemente-Auswertung) durchführen, die z. B. bei der
Beurteilung von Rohteilen mit "rauher" Oberfläche wie Guß
und Schmiedestücke erst funktionsgerechte Meßergebnisse
liefern.
Wesentlich für das Verfahren ist allerdings, daß die Bahn,
anhand der die Tastkugel entsprechend den Sollwerten ge
steuert wird, innerhalb einer durch den Meßbereich des Tast
kopfes vorgegebenen Bandbreite von ca. 2 mm mit der Ist-Geo
metrie des zu vermessenden Objekts übereinstimmt, bzw. keine
größeren Differenzen auftreten. Es ist deshalb zweckmäßig,
die Sollage des zu vermessenden Formelements vor dem Abfahren
seiner Kontur durch Antasten weniger Punkte der Kontur zu
verifizieren und die Bahndaten entsprechend dem Ergebnis der
Verifizierung bei Bedarf anzupassen. Hiervon kann allerdings
dann abgegangen werden, wenn während des Abfahrens der Kontur
des Werkstücks die Stellung des Tasters im Meßbereich des
Tastkopfes überwacht wird und ein kontinuierliches Auswandern
des Tasters in Richtung auf den Rand des Meßbereichs durch
Aufschalten einer Störgröße auf die Bahndaten kompensiert
wird, die einem konstanten Versatz in entgegengesetzter
Richtung entspricht.
Um den Fehlereinfluß von Verbiegungen des Taststifts aufgrund
unterschiedlicher Meßkräfte während des Meßvorganges auszu
schalten ist es zweckmäßig, den Betrag der resultierenden
Meßkraft während des Meßvorganges entweder konstant zu halten
oder an den Stellen, an denen Meßpunkte aufgenommen werden,
zu ermitteln. Im letzteren Falle können aus Betrag und
Richtung der Gesamtmeßkraft Korrekturwerte berechnet werden,
die die Tasterbiegung nach Betrag und Richtung beschreiben
und diese Korrekturwerte können bei der Berechnung der Ist-
Kontur des Formelements mit berücksichtigt werden.
Da mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bedeutend schneller
gemessen wird und demzufolge auch die bewegten Maschinenteile
sehr viel schneller verfahren werden, können unter Umständen
Fehler aufgrund der dynamischen auf das gesamte Maschinen
gestell einwirkenden Beschleunigungskräfte auftreten. Es ist
deshalb vorteilhaft, diese Beschleunigungskräfte und das
zuvor z. B. experimentell bestimmte oder anhand von Modellen
berechnete Biegeverhalten der verfahrbaren Teile des Ko
ordinatenmeßgerätes in die Berechnung der Ist-Kontur des
Formelements mit einzubeziehen.
Das Verfahren ist nicht nur mit einem Tastkopf durchführbar,
der aktive Meßkraftgeneratoren enthält, über die sich die
Meßkraft, die der Taster auf das Werkstück ausübt, für die
Koordinatenrichtungen einstellen läßt. Das Verfahren kann
vielmehr auch mit einem messenden Tastkopf durchgeführt
werden, der "passive" Federn enthält, die eine der Auslenkung
des Tasters proportionale Meßkraft in den Koordinaten
richtungen erzeugen. Die auf das Werkstück ausgeübte Meßkraft
läßt sich in letzterem Falle anhand von Betrag und Richtung
der Auslenkung des Tasters bzw. Taststifts berechnen und bei
der Bestimmung der Tasterbiegung berücksichtigen.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
nachstehenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand
der Fig. 1-7 der beigefügten Zeichnungen. Hierbei sind
Fig. 1 ein Blockschaltbild, das wesentliche Teile der
Steuerung eines Koordinatenmeßgerätes zeigt, die
nach einer ersten Verfahrensvariante der Erfindung
arbeitet;
Fig. 2 das Blockschaltbild eines zusätzlichen Funktions
moduls für die Steuerung nach Fig. 1;
Fig. 3 eine vereinfachte schematische Darstellung des
Bahnverlaufs für die Tastkugel eines nach dem er
findungsgemäßen Verfahrens scannenden Tastkopfes
entlang einer Werkstückoberfläche;
Fig. 4 ein Blockschaltbild, das wesentliche Teile der
Steuerung eines Koordinatenmeßgerätes zeigt, die
nach einer zweiten Verfahrensvariante der Erfindung
arbeitet;
Fig. 5 ein Blockschaltbild, das wesentliche Teile der
Steuerung eines Koordinatenmeßgerätes zeigt, die
nach einer dritten Verfahrensvariante der Erfindung
arbeitet;
Fig. 6 eine vereinfachte schematische Darstellung des
Bahnverlaufs für die Tastkugel eines nach dem er
findungsgemäßen Verfahrens scannenden Tastkopfes
entlang einer Werkstückoberfläche bei fein
strukturierten Oberflächen;
Fig. 7 eine vereinfachte schematische Darstellung des
Bahnverlaufs für die Tastkugel eines nach dem er
findungsgemäßen Verfahrens scannenden Tastkopfes
entlang einer Werkstückoberfläche bei größeren
Abweichungen zwischen der Sollgeometrie und der
Istgeometrie des Werkstücks.
Die in Fig. 1 mit ihren wesentlichen Funktionsbaugruppen
beschriebene Steuerung eines Koordinatenmeßgerätes ist über
die Empfangsschnittstelle (10) und die Sendeschnittstelle
(25) mit dem Auswerterechner (4) des hier nicht in allen
Einzelheiten dargestellten Koordinatenmeßgerätes verbunden.
Über die Eingangsschnittstelle (10) werden vom Rechner
folgende Daten an die Steuerung übergeben:
- a) Die Transformationsmatrix (T), die die Lage des Werk stückkoordinatensystems (WKS) im Maschinenkoordinaten system (MKS) des Koordinatenmeßgerätes (KMG) beschreibt,
- b) der Vektor , der die Lage des Mittelpunkts der verwendeten Tastkugel im Maschinenkoordinatensystem von einem Bezugspunkt am Tastkopf (2) des Koordinatenmeßgerätes beschreibt,
- c) der Betrag der gewünschte Vorschubgeschwindigkeit soll, mit dem das Werkstück abgescannt werden soll,
- d) Information über die gewünschte Betriebsart (B), sofern mehrere verschiedene Detriebsarten möglich sind,
- e) der Wert der sogenannten "Eintauchtiefe" nach Betrag und Richtung, d. h. das Sollmaß der Tasterauslenkung soll, mit der das zu vermessende Werkstück abgefahren werden soll.
Außerdem werden über die Eingangsschnittstelle (10) die In
formationen übergeben, die zur Beschreibung der von der Tast
kugel abzufahrenden Sollkontur erforderlich sind. Das sind
beispielsweise Punktefolge Pi (X, Y, Z) Gleichzeitig können
auch, soweit vorhanden, die den einzelnen Punkten Pi (X, Y,
Z) zugeordneten Normalvektoren (Ni) auf die Oberfläche des zu
vermessenden Werkstücks (17) an dieser Stelle übergeben
werden.
Das wichtigste Bauelement der Steuerung in Fig. 1 sind ein
oder mehrere Mikroprozessoren. Demzufolge sind einige der in
Fig. 1 gezeichneten Funktionsbaugruppen nicht in Hardware
realisiert, sondern Teil der Firmware dieser Mikroprozessoren.
So verhält sich das beispielsweise auch mit der auf die
Empfangsschnittstelle (10) folgende Funktionsbaugruppe (11)
mit der Bezeichnung "Sollwertaufbereitung, Transformation".
Die Funktionsbaugruppe (11) berechnet aus Steuerdaten wie der
Sollage der Tastkugel (7) für den Antastvorgang soll, der
gewünschten "Eintauchtiefe" -soll, und den Punkten Pi (X, Y, Z)
der Sollkontur die Bahndaten, mit denen die Tastkugel gegen
über dem Werkstück (17) verfahren wird. Diese Bahndaten (Si)
werden durch eine Koordinatentransformation in das Steuer
system, d. h. das Maschinenkoordinatensystem (MKS) übertragen.
Der Funktionsbaugruppe "Sollwertaufbereitung, Transformation"
ist die Funktionsbaugruppe (12) "Stützpunktgenerator/Inter
polation" nachgeschaltet. In dieser Funktionsbaugruppe werden
im steuereigenen Systemtakt die aufbereiteten diskreten abzu
fahrenden Bahnpunkte (Si) nach einem vorgegebenen Algorithmus,
beispielsweise linear oder nach einem Spline-Algorithmus,
interpoliert und als Lagesollwerte Li an den nachge
schalteten Lageregler (13) für die Antriebe der drei
Meßachsen des Koordinatenmeßgerätes übergeben.
Der Stützpunktgenerator (12) empfängt außerdem direkt von der
Eingangsschnittstelle (10) den Betrag der gewünschten Vor
schubgeschwindigkeit soll, mit der das zu vermessende Werk
stück abgefahren wird. Die im Lageregler (13) erzeugten Lage
sollwerte werden anschließend analog gewandelt und als ana
loge Stellgrößen (Xs, Ys, Zs) an die drei Antriebe für die X-,
Y- und Z-Achse des Koordinatenmeßgerätes übergeben. Der
einfacheren Darstellung halber sind in Fig. 1 die drei An
triebe in einer Antriebsbaugruppe (14) zusammengefaßt
skizziert. Jeder der drei Antriebe des Koordinatenmeßgerätes
besteht wie üblich aus einem Servoverstärker, einem Servo
motor und den mechanischen Antriebsgliedern, mit deren Hilfe
der Tastkopf (2) relativ zum Werkstück (17) verfahren wird.
Ebenfalls an den Lageregler (13) angeschlossen sind die mit
(15) bezeichneten, den drei Meßachsen (X, Y, Z) zugeordneten
Wegmeßsysteme des Koordinatenmeßgerätes und zwar über die
Funktionsbaugruppe "Meßwerterfassung" (16). Die Meßsysteme
des Koordinatenmeßgerätes bestehen wie üblich z. B. aus
Maßstäben mit einer Gitterteilung, den Abtastköpfen für das
Lesen der Maßstäbe und der nachgeordneten Elektronik für die
Signalaufbereitung, Interpolation und Vor-Rückwärtszählung
der von den Abtastköpfen gelieferten Signale. Die Baugruppe
(16) "Meßwerterfasung Koordinatenmeßgerät" besorgt die
zyklische Erfassung der Positionen (Xm, Ym, Zm) des Tastkopfs
im Maschinenkoordinatensystem und in der Kopplung an den
Lageregler (13) wird der Positionsregelkreis für die drei
Meßachsen des Koordinatenmeßgerätes geschlossen.
Die von der Funktionsbaugruppe (16) gelieferten Positions
meßwerte (Xm, Ym, Zm) sind außerdem auf die Ausgangs- bzw.
Sendeschnittstelle (25) der Steuerung gelegt und werden an
den Rechner (4) rückgemeldet.
Die Steuerung nach Fig. 1 enthält ebenfalls die Elektronik
zur Weiterverarbeitung der von den Meßwertgebern im Tastkopf
(2) abgegebenen Signale, die das Auslenken des Taststifts
beim Kontakt der Tastkugel (7) mit dem Werkstück (17) in den
drei Raumrichtungen beschreiben. Die entsprechende
Funktionsbaugruppe ist mit (18) bezeichnet. Die von diesen
Meßwertgebern kommenden und aufbereiteten analogen Lage
signale werden in der Funktionsbaugruppe (19) in Digital
werte gewandelt. Diese digitalen Ausgangswerte (XT, YT, ZT)
sind ebenfalls auf die Sendeschnittstelle (25) gelegt und
werden vom Rechner (4) zur Berechnung des Meßergebnisses
benötigt. Gleichzeitig ist das digitale Signal betreffend die
Tasterauslenkung einer Funktionsbaugruppe (20) "Überwachung
und Fehlerbehandlung" zugeführt. Diese Funktionsbaugruppe
(20) vergleicht die tatsächliche Tasterauslenkung (XT, YT,
ZT) mit der vorgewählten Eintauchtiefe soll und löst beim
Verlassen des zulässigen Bereiches (MR) der Tasterauslenkung
eine Meldung an den Auswerterechner (4) aus. Gleichzeitig
meldet die Funktionsbaugruppe (20) die Meßbereichsüber
schreitung an den Stützpunktgenerator (12), damit dieser den
Abtastvorgang abbricht und die Maschinenantriebe stillsetzt.
Die Steuerung nach Fig. 1 enthält außerdem die Antriebe für
die Auslenkung des Taststifts im Tastkopf. Die Antriebe für
den Taststift im Tastkopf bestehen aus Kraftgeneratoren wie
z. B. Linearmotoren oder Tauchspulenmagnete, die den Taststift
auf ein vorgegebenes Signal hin in den drei Raumrichtungen X,
Y und Z auslenken. Die entsprechende Funktionsbaugruppe (23)
"Antriebe Tastkopf" erhält ihre Stellgröße von der
Funktionsbaugruppe (22) "Kraftregler". In der hier gewählten
Betriebsart stellt der Kraftregler (22) eine der Auslenkung
des Taststifts proportionale Gegenkraft ein. Da die in den
Kraftregler implementierte Kraft-Wegkennlinie eine Geräte
konstante ist, ist über das Ausgangssignal der Baugruppe (19)
auch die momentane auf das Werkstück ausgeübte Meßkraft be
kannt und kann vom Rechner (4) zur Berechnung der Korrektur
werte benutzt werden, die eine Durchbiegung des Taststifts
unter der eingestellten Meßkraft kompensieren.
Letztere Funktion kann jedoch auch in die Steuerung selbst
integriert sein. In diesem Falle ist das Blockschaltbild der
Steuerung um die in Fig. 2 dargestellten Komponenten zu
ergänzen. Von der Empfangsschnittstelle (10) werden dann an
eine Funktionsbaugruppe (26) "Biegekorrektur" der Steuerung
zusätzlich die Parameter (bi) übergeben, die das Biegever
halten der gewählten Taststiftkonfiguration beschreiben.
In der in Fig. 2 dargestellten Variante werden im Vergleich
zu der Variante nach Fig. 1 der Sendeschnittstelle (25) die
um die Biegung korrigierten Daten der Taststiftauslenkung
(Xc, Yc, Zc) nicht separat übergeben sondern an der mit (28)
bezeichneten Stelle den Lage-Istwerten (Xm, Ym, Zm) des Tast
kopfs hinzugerechnet, die von der Baugruppe (16) "Meßwerter
fassung Koordinatenmeßgerät" ausgegeben werden. Nach Addition
der korrigierten Tasterdaten und der Lage-Istwerte liegen die
Positionen des Tastkugelmittelpunkts im Maschinenkoordinaten
system vor. Deshalb enthält die Steuerung in dieser Variante
eine weitere Funktionsbaugruppe (27) "Transformation" von der
die Ist-Daten vom Maschinenkoordinatensystem (MKS) ins Werk
stückkoordinatensystem (WKS) transformiert werden. Von der
Funktionsbaugruppe (27) werden dann die Mittelpunktsko
ordinaten der Tastkugel an die Sendeschnittstelle (25) über
geben. Die Sendeschnittstelle (25) enthält den Meßwert
speicher der Steuerung, der die erfaßten Daten puffert, bis
sie vom Auswerterechner (4) abgeholt und dort weiterver
arbeitet werden. Hier können beispielsweise 250 Meßwerte pro
Sekunde gespeichert werden.
Die Arbeitsweise der vorstehend anhand von Fig. 1 und 2
beschriebenen Steuerung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf
die schematische Darstellung nach Fig. 3 erläutert:
Nach der Übergabe der im Zusammenhang mit der Eingangs
schnittstelle (10) beschriebenen Daten vom Rechner (4) an die
Steuerung werden von der Funktionsbaugruppe (11) mehrere
vorbereitende Berechnungen durchgeführt. Beispielsweise prüft
die Funktionsbaugruppe (11) erst, ob die vorgegebene Ein
tauchtiefe, d. h. der Sollwert soll der Tasterauslenkung
durch eine Parallelverschiebung der Sollkurve in Richtung der
vorgegebenen Eintauchrichtung (Tasterauslenkung) im zu
lässigen Bereich (MR) für die Tasterauslenkung gehalten
werden kann. Bei flach gekrümmten Konturen des Werkstücks ist
das möglich. In diesem Falle werden die Punkte Pi (X, Y, Z)
der Sollkontur vom Werkstückkoordinatensystem (WKS) ins Ma
schinenkoordinatensystem (MKS) transformiert und anschließend
an den Stützpunktgenerator (12) übergeben.
Läßt sich die Eintauchtiefe durch Parallelverschiebung der
Bahn nicht im zulässigen Bereich (MR) halten, so muß eine
äquidistante Bahn erzeugt werden. Dazu wird entweder zu jedem
Punkt der Fläche des Werkstücks der Normalenvektor be
nötigt. Diesen erhält die Funktionsbaugruppe (11) ebenfalls
über die Eingangsschnittstelle (10) vom Rechner (4). Alterna
tiv hierzu ist es möglich, die Funktionsbaugruppe (11) so zu
programmieren, daß sie selbst aus jeweils drei benachbarten
Punkten Pi (X, Y, Z) einen Vektor berechnet, der die Winkel
halbierende des aus den drei benachbarten Punkten aufge
spannten Dreiecks bildet und in der aus den drei Punkten
aufgespannten Ebene liegt. Der erste Richtungsvektor
kann berechnet werden, wenn drei aufeinanderfolgende Punkte
(P1, P2, P3) bekannt sind. Weiterhin kann der erste Stütz
punkt (S1) im Maschinenkoordinatensystem mit Hilfe des
Sollwertes soll für die Eintauchtiefe berechnet werden.
Diese mathematischen und logischen Operationen führt die
Funktionsbaugruppe "Sollwertaufbereitung, Transformation"
(11) für alle übergebenen Punkte Pi (X, Y, Z) durch und gibt
die so gewonnenen Bahndaten (Si) an den Stütztpunktgenerator
(12).
In der vorstehend beschriebenen Betriebsart ist der Kraft
regelkreis des Tastkopfes (2) über die Funktionsbaugruppen
(18, 19, 22 und 23) geschlossen. Der Stützpunktgenerator (12)
beginnt nun Stützpunkte (Li) von der momentanen Ist-Position
(So) des Tastkopfs irgendwo außerhalb des Werkstücks (17) bis
zur ersten Soll-Position (S1) der auf dem Werkstück (17)
abzufahrenden Bahn interpolierend zu berechnen. Dies ge
schieht nach folgenden drei Regeln:
- a) die Verbindung der beiden Punkte (S0), (S1) also der Ist-Position zur ersten Soll-Position erfolgt durch eine Gerade,
- b) die Abfolge der Stützpunkte (L1-L9) wird so gewählt, daß für jeden Zyklus des Maschinentakts ein Punkt vorliegt,
- c) die Entfernung zwischen den Punkten (Li) wächst stetig an und zwar einer Funktion folgend, die von der Steuerung als "Beschleunigungsfunktion" vorgegeben ist.
Anschließend gibt der Stützpunktgenerator (12) die Stütz
punkte als Lagesollwerte (Li) an den Lagerregler (13) weiter,
der zusammen mit den Antrieben (14), den Meßsystemen (15) der
Meßachsen des Koordinatenmeßgerätes und der Funktionsbau
gruppe Meßwerterfassung (16) den Lageregelkreis des Ko
ordinatenmeßgerätes bildet. Hierdurch wird die Tastkugel (7)
auf den Punkt (S1) an dem zu vermessenden Werkstück (17) hin
verfahren, von dem an der Scanning-Vorgang gestartet wird.
Hierbei legt sich die Tastkugel (7) am auslenkbaren Tast
stifts des Tastkopfes so an das Werkstück (17) an, daß die
Tasterauslenkung der vorgewählten "Eintauchtiefe" soll ent
spricht.
Während des nun folgenden eigentlichen Meßvorganges fährt die
Tastkugel (7) die vorberechnete Bahn auf der Werkstückober
fläche ab, wobei sie in dauerndem Kontakt mit der Werk
stückoberfläche bleibt. Die Position der Tastkugel (7), die
sich zusammensetzt aus der Position des Tastkopfes (2) und
der Auslenkung des Taststifts, an dem die Tastkugel (7) be
festigt ist, werden durch die Meßsysteme (15) und (18)
laufend erfaßt und über die Sendschnittstelle (25) an den
Rechner (4) des Koordinatenmeßgerätes weitergegeben. Aus
diesen Werten berechnet der Rechner dann die Ist-Kontur des
abgefahrenen Formelementes am Werkstück (17) bzw. Kenngrößen
des Formelementes wie Mittelpunktslage, Durchmesser etc. bei
Bohrungen.
Beim Scannen der Werkstückoberfläche über größere Bereiche
hinweg kann nun der Fall eintreten, daß infolge von Ab
weichungen zwischen der Sollgeometrie und der Ist-Geometrie
des Werkstücks die Tasterauslenkung ist vorgegebene maximale
Grenzen (MR) für die Tasterauslenkung erreicht und über
schreiten würde. Dieser Fall ist in Fig. 7 dargestellt. Dort
ist die an der Werkstückoberfläche anliegende Tastkugel mit
(7) bezeichnet und die für sie vorgegebene Sollbahn ist durch
den zwischen den gestrichenen Linien verlaufenden Bereich MR
repräsentiert der gleichzeitig die vorgegebenen Grenzen der
zulässigen Tasterauslenkung kenntlich macht. Die Bahn (K),
die jedoch der Mittelpunkt der Tastkugel (7) aufgrund der
Ist-Geometrie des Werkstück (17) zurücklegt, verläuft anfangs
innerhalb der vorgegebenen Grenzen der Tasterauslenkung,
nähert sich hierbei jedoch immer mehr der Grenze der maximal
zulässigen Tasterauslenkung und erreicht diese an der Stelle,
die mit dem Pfeil A bezeichnet ist. Diese Situation wird von
der Funktionsbaugruppe (20) (Fig. 1) erkannt. Im Aus
führungsbeispiel nach Fig. 1 gibt die Funktionsbaugruppe
(20) in dieser Situation eine Fehlermeldung an die Sende
schnittstelle (25) und die Funktionsbaugruppe (12), die
daraufhin das Koordinatenmeßgerät stillgesetzt. Im abge
wandelten Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 hingegen ist an
stelle der Funktionsbaugruppe (20) eine Funktionsbaugruppe
(120) "Bahnkorrektur" vorgesehen, von der die gesteuerte
Sollbahn korrigiert wird. Hierbei veranlaßt die Funktionsbau
gruppe (120) den Stützpunktgenerator (12) die berechnete
Sollbahn, auf der die Tastkugel gesteuert wird, durch Auf
schalten einer Störgröße um einen konstanten Betrag ΔS von
der Werkstückoberfläche wegzuversetzen. Anschließend befindet
sich die Tasterauslenkung wieder im zulässigen Bereich und
der Scan-Vorgang wird fortgesetzt.
Die übrigen Baugruppen im Ausführungsbeispiel nach Fig. 4
sind im Vergleich zu dem in Fig. 1 gleich geblieben und
werden mit Ausnahme des Kraftreglers (22) an dieser Stelle
deshalb nicht nochmals erläutert.
Der Kraftregler (22) enthält für jede der drei Antriebs
richtungen für die Tasterauslenkung eine geschlossene Regel
schleife, von der die Proportionalität zwischen der vom An
trieb (23) eingestellten Kraft () und der Tasterauslenkung
ist hergestellt wird. Die Kennlinien werden für alle drei
Raumrichtungen so eingestellt, daß sich um die Taster-Nullage
Kugelschalen gleicher Kraft ergeben. Damit können bei be
kannter Tasterauslenkung ist mit Hilfe der sich aus der
Kennlinie ergebenden Federkonstante F/A (= Gerätekonstante)
auch die für die Tasterbiegungskorrektur einzusetzenden
Kräfte ist direkt berechnet werden. Die Symmetrie der
Kennlinien in den drei Achsen kann durch Scannen eines Rund
heitsnormales, z. B. eines Lehrringes im Sinne eines Kreis
formtestes geprüft werden. Die Eingabe der Gerätekonstante
F/A erfolgt beispielsweise mit Hilfe eines programmierbaren
Digital-Analog-Wandlers (124).
Bei der beschriebenen Variante der Meßkraftaufschaltung steht
für Tasterauslenkungen während des Abfahrens der vorgegebenen
Sollkontur auf jeden Fall weniger als der halbe Meßbereich
des Tastkopfs (2) zur Verfügung, da der Taststift nicht in
Richtung auf das Werkstück vorausgelenkt werden kann.
Letzteres ist allerdings bei der im Zusammenhang mit Fig. 5
später noch beschriebenen Ausführungsform der Fall.
An dieser Stelle soll noch erwähnt werden, daß es auch
möglich ist, anstelle von aktiven Antrieben (23) im Tastkopf
(2) passive Federn zu verwenden, bzw. einen entsprechend
aufgebauten Tastkopf im Zusammenhang mit der beschriebenen
Steuerung zu betreiben. In dem Falle stellt sich die
gewünschte Meßkraft () infolge der aktuellen Taststiftaus
lenkung ist selbstätig ein und auf den Kraftregler (22) kann
ebenfalls verzichtet werden.
Ein weiteres, im Vergleich zu Fig. 1 leicht abgewandeltes
Ausführungsbeispiel für die Steuerung ist in Fig. 5
dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel wird davon
ausgegangen, daß die Werkstückgeometrie durch Punktefolgen
(Pi) und Schnittebenen (E) beschrieben werden kann. In diesem
Falle ist es möglich, die Meßrichtung, d. h. die Richtung in
der der Taststift bei Anlage mit dem Werkstück ausgelenkt
wird, durch einen Vektor (-E) zu beschreiben, der in der
Schnittebene liegt und senkrecht zur Vorschubrichtung auf die
Werkstückoberfläche gerichtet ist. Für diesen Fall besitzt
das Ausführungsbeispiels nach Fig. 5 eine Funktionsbaugruppe
(121) für die Berechnung des Sollkraft-Vektors soll aus den
von der Empfangsschnittstelle (10) empfangenen Daten, von
denen die Lage der Meßrichtung, d. h. der Schnittebene (E)
beschrieben wird. Die Funktionsbaugruppe (121) ist ebenfalls
an die Baugruppe (19) angeschlossen und bekommt von dort die
Ist-Lage der Tasterauslenkung (XT, YT, ZT) rückgemeldet.
Anstelle des Kraftreglers (22) im Ausführungsbeispiel nach
Fig. 1, der die auf die Antriebe (23) für den Taststift im
Tastkopf (2) aufzuschaltende Meßkraft aus der konstanten
Kraft/Wegkennlinie berechnet, ist im Ausführungsbeispiel nach
Fig. 5 eine Funktionsbaugruppe (122) vorgesehen, von der die
Antriebe (23) im Tastkopf entsprechend dem von der Funktions
baugruppe (121) berechneten Meßkraft-Vektor soll, d. h. mit
der von der Empfangsschnittstelle (10) empfangenen vorge
wählten Meßkraft soll in der aus der Schnittebene (E) be
rechneten Richtung angesteuert werden.
Um sicherzustellen, daß die Tasterauslenkung ist in der
Schnittebene (E), d. h. der vorgegebenen Meßrichtung bleibt,
wird durch die Funktionsbaugruppe (121) die Auslenkung des
Taststifts in andere als die für den Sollkraft-Vektor soll
berechnete Richtungen elektronisch geklemmt, d. h. bei Taster
auslenkungen in diese Richtungen werden die Antriebe (23) im
Tastkopf (2) mit hohen Rückstellkräften beaufschlagt. Hier
durch kann bei Werkstückkonturen mit "Hanglage", d. h. dort,
wo die Schnittebene (E) der Meßrichtung nicht senkrecht auf
der Werkstückoberfläche steht, die gewünschte Bahn der Tast
kugel (7) auf der Werkstückoberfläche gut eingehalten werden,
ohne daß unzulässig große Kräfte auftreten wie es der Fall
wäre, wenn der Taststift in bestimmten Richtungen (X, Y, Z)
mechanisch geklemmt wäre.
Da bei diesem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 die Meßkraft
() über den vollen Auslenkungsbereich des Taststifts in
Meßrichtung konstant bleibt, somit der zulässige Meßbereich
(MR) für die Tasterauslenkung voll ausgenutzt wird, kann der
Tastkopf (2) mit höheren Vorschubgeschwindigkeiten an der
Werkstückkontur entlanggefahren werden, verglichen mit dem in
Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel.
Es ist deshalb auch möglich, wie in Fig. 6 dargestellt
detailliertere Geometrien der Werkstückoberfläche abzufahren,
ohne daß diese detaillierten Geometrien selbst als Sollbahnen
vorgegeben werden müssen, entlang der der Tastkopf in den
drei Maschinenachsen des Koordinatenmeßgerätes verfahren
wird. Vielmehr kann für die Sollbahn (K) ein Ausgleichs
element, beispielsweise eine Gerade (G) vorgegeben werden,
wenn die Abweichungen der Ist-Geometrie zu diesem Ausgleichs
element innerhalb des zulässigen Arbeits- bzw. Meßbereiches
(MR) für die Taststiftauslenkung liegen. Da die Fein
bewegungen dann ausschließlich vom Taststift durchgeführt
werden und dessen Dynamik gewöhnlich besser ist als die der
beweglichen Massen des Koordinatenmeßgerätes, können dann
bedeutend höhere Vorschubgeschwindigkeiten erzielt werden.
Claims (11)
1. Verfahren zur Messung von Formelementen beliebiger
räumlicher Orientierung an Werkstücken (17) auf einem
Koordinatenmeßgerät mit einem messenden Tastkopf (2), der
- - Meßsysteme (18) besitzt, die den Betrag der Tasterauslenkung ist in den Koordinatenrichtungen (X′, Y′, Z′) angeben
- - Meßkraftgeneratoren (23) enthält, über die sich die Meßkraft (), die der Taster auf das Werkstück (17) ausübt, für die Koordinatenrichtungen (X′, Y′, Z′) einstellen läßt, oder Federn enthält, die eine der Auslenkung des Tasters proportionale Meßkraft in den Koordinatenrichtungen erzeugen, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
- - vom Rechner (4) des Koordinatenmeßgerätes werden an die Steuerung des Koordinatenmeßgerätes Daten Pi (X, Y, Z) übergeben, die die Sollage und die Sollkontur des zu vermessenden Formelements be schreiben,
- - aus den Daten leitet die Steuerung Bahndaten (Li) ab, entlang der sie den Tastkopf (2) des Koordinatenmeßgerätes so gegenüber der Sollkontur versetzt verfährt, daß die Tastkugel (7) am Taster in Anlage mit dem Werkstück (17) und die Tasteraus lenkung ist im zulässigen Meßbereich (MR) des Tastkopfs (2) bleibt,
- - die Steuerung stellt die Kräfte der einzelnen Meßkraftgeneratoren (23) bzw. eine vorgegebene Tasterauslenkung soll entsprechend der Sollkon tur so ein, daß die resultierende Gesamtmeßkraft soll an jeder Stelle auf die Sollkontur gerichtet ist,
- - aus den Signalen der Meßwertgeber (18) werden die Abweichungen der Ist-Kontur des Formelements von der Sollkontur bzw. Kenngrößen wie Mittelpunkts lage, Durchmesser etc. des Formelements berechnet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
aus den für jeden Meßpunkt bekannten Werten für Betrag
und Richtung der Gesamtmeßkraft ist bzw. der Tasteraus
lenkung ist Korrekturwerte berechnet werden, die die
Tasterbiegung nach Betrag und Richtung beschreiben, und
daß diese Korrekturwerte (Xc, Yc, Zc) bei der Berechnung
der Ist-Kontur (XG, YG, ZG) des Formelements mit be
rücksichtigt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Einrichtung (121) vorgesehen ist, mit der sich der
Taster bezüglich der Auslenkung in vorwählbaren
Koordinatenrichtungen elektronisch klemmen läßt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Betrag der resultierenden Meßkraft () während des
Meßvorganges konstant gehalten wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die während des Meßvorgangs auftretenden dyna
mischen Beschleunigungskräfte und das Biegeverhalten der
verfahrbaren Teile des Koordinatenmeßgerätes bei der
Berechnung der Ist-Kontur des Formelements aus den
Signalen der Meßwertgeber (18) des Tastkopfes (2) mit
berücksichtigt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Sollage des zu vermessenden Formelements vor dem
Abfahren seiner Kontur durch Antasten weniger Punkte der
Kontur verifiziert wird und die Bahndaten entsprechend
dem Ergebnis der Verifizierung bei Bedarf angepaßt
werden.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
während des Meßvorgangs die Stellung des Tasters im
Meßbereich (MR) des Tastkopfes (2) überwacht wird und ein
kontinuierliches Auswandern des Tasters in Richtung auf
den Rand des Meßbereichs (MR) durch Aufschalten einer
Störgröße auf die Bahndaten kompensiert wird, der einem
konstanten Versatz ΔS in entgegengesetzter Richtung
entspricht.
8. Koordinatenmeßgerät mit einer Steuerung, die folgende
Funktionsbaugruppen enthält:
- - Lageregler (13) für die Antriebe (14) des Ko ordinatenmeßgerätes in den Meßachsen (X, Y, Z),
- - Meßwerterfassungseinrichtungen (16) für die von den Wegmeßsystemen (15) in den Meßachsen gelieferten Signale,
- - Meßwerterfassungseinrichtungen (19) für die von Meßwertgebern (18) im Tastkopf kommenden Signale entsprechend der Auslenkung des Taststifts im Tast kopf (2),
- - eine Funktionsbaugruppe (11), die aus vom Rechner (4) übergebenen Daten Pi (X, Y, Z), von denen die Sollform des zu vermessenden Werkstücks (17) be schrieben wird, die vom Tastkopf (2) während eines Meßvorganges abzufahrende Bahn (Si) berechnet, wobei diese Bahn gegenüber der Sollform des Werk stücks versetzt ist,
- - einem lnterpolator, der aus den Bahnpunkten (Si) die Lagesollwerte (Li) für den Lageregler be rechnet.
9. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 8, wobei die Steuerung
ferner enthält:
- - eine Funktionsbaugruppe zur Berechnung der Taststiftbiegung aus der Meßkraft ist bzw. der dazu proportionalen Taststiftauslenkung ist.
10. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 8, wobei die Steuerung
ferner enthält:
- - eine Einrichtung, von der die Istwerte ist der Auslenkung des Tasters im Tastkopf überwacht werden und die bei Überschreiten von bzw. Annäherung an vorgegebene Grenzwerte (MR) ein entsprechendes Signal abgibt.
11. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 8, wobei die Steuerung
ferner enthält:
- - Kraftregler (20) zur Einstellung der von Kraftgeneratoren im Tastkopf (2) des Koordinatenmeßgerätes auf das Werkstück (17) ausgeübten Meßkraft.
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