DE4212455C2 - Verfahren zur Messung von Formelementen auf einem Koordinatenmeßgerät - Google Patents

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 69 763 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 Koordinatenmeßgerätes 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 Antriebe des Dreh-Schwenk-Gelenks im wesentlichen senkrecht zur Verfahrrichtung mit konstanter Kraft an das Werkstück angelegt und in eine spiralförmige oder oszillierende Bewegung versetzt. Mit diesem Verfahren können nur sehr wenige Formelemente einer bestimmten vorgegebenen Geometrie vermessen werden. Auch ist es nicht möglich, Formelemente in beliebiger räumlicher Orientierung abzutasten, da das Dreh-Schwenk-Gelenk bereits eine gewisse Vororientierung der Formelemente verlangt.

In VDI-Z 133 (1991), Nr. 9 -Septemper- S. 117-119 ist ein Verfahren zur Prüfung von Freiformflächen durch Kopplung von CAD und Meßtechnik beschrieben. Bei diesem Verfahren werden die zu vermessenden Punkte im CAD-System indiziert und wird anschließend aus den CAD-Daten ein Meßdatenfile generiert, der zur automatischen Antastung der Meßpunkte und zur Korrektur der Antastrichtung durch das Koordinatenmeßgerät dient. Mit diesem Verfahren werden jedoch nur Einzelpunkte gemessen, es handelt sich nicht um ein Scanning-Verfahren wie vorstehend ausgeführt.

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. 7 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 Betriebsarten 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 (X_s, Y_s, Z_s) 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 (X_m, Y_m, Z_m) 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 (X_m, Y_m, Z_m) 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 (X_T, Y_T, Z_T) 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 (X_T, Y_T, Z_T) 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 (X_c, Y_c, Z_c) nicht separat übergeben, sondern an der mit (28) bezeichneten Stelle den Lage-Istwerten (X_m, Y_m, Z_m) 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 gleichgeblieben 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 (X_T, Y_T, Z_T) 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 beschreiben,
• - aus den Daten leitet die Steuerung Bahndaten (Li) ab, entlang der sie den Tastkopf des Koordinatenmeßgerätes so gegenüber der Sollkontur versetzt verfährt, daß die Tastkugel (7) am Taster in Anlage mit dem Werkstück (17) und die Tasterauslenkung ist im zulässigen Meßbereich (MR) des Tastkopfs (2) bleibt,
• - die Steuerung stellt die Kräfte der einzelnen Meßkraftgeneratoren (23) oder eine vorgegebene Tasterauslenkung soll entsprechend der Sollkontur 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 oder Kenngrößen wie Mittelpunktslage und Durchmesser 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 oder der Tasterauslenkung ist Korrekturwerte berechnet werden, die die Tasterbiegung nach Betrag und Richtung beschreiben, und daß diese Korrekturwerte (X_c, Y_c, Z_c) bei der Berechnung der Ist-Kontur (X_G, Y_G, Z_G) des Formelements mit berücksichtigt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag der resultierenden Meßkraft () während des Meßvorganges konstant gehalten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die während des Meßvorgangs auftretenden dynamischen 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.

5. 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.

6. 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.

7. Koordinatenmeßgerät mit einer Steuerung, die folgende Funktionsbaugruppen enthält:

• - Lageregler (13) für die Antriebe (14) des Koordinatenmeßgerätes 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 Tastkopf (2),
• - eine Funktionsbaugruppe (11), die aus vom Rechner (4) übergebenen Daten Pi (X, Y, Z), von denen die Sollform des zu vermessenden Werkstücks (17) beschrieben wird, die vom Tastkopf (2) während eines Meßvorganges abzufahrende Bahn (Si) berechnet, wobei diese Bahn gegenüber der Sollform des Werkstücks so versetzt ist, daß die Tastkugel (7) am Taststift in Anlage mit dem Werkstück und die Tasterauslenkung Aist im zulässigen Meßbereich (MR) des Tastkopfs (2) bleibt,
• - einem Interpolator, der aus den Bahnpunkten (Si) die Lagesollwerte (Li) für den Lageregler berechnet.

8. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 7, wobei die Steuerung ferner enthält:

• - eine Funktionsbaugruppe zur Berechnung der Taststiftbiegung aus der Meßkraft ist oder der dazu proportionalen Taststiftauslenkung ist.

9. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 7, 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 oder Annäherung an vorgegebene Grenzwerte (MR) ein entsprechendes Signal abgibt.

10. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 7, wobei die Steuerung ferner enthält:

• - Kraftregler (20) zur Einstellung der von Kraftgeneratoren im Tastkopf (2) des Koordinatenmeßgerätes auf das Werkstück (17) ausgeübten Meßkraft.

11. Koordinatenmeßgeräteverfahren nach Anspruch 7, wobei der Tastkopf (2) des Koordinatenmeßgerätes eine Einrichtung (121) enthält, mit der sich der Taster bezüglich der Auslenkung in vorwählbaren Koordinatenrichtungen elektronisch klemmen läßt.