DE4212455C3 - 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 ei­ nem messenden Tastkopf und zwar ein sogenanntes "Scanning"-Verfahren, bei dem der Taststift des Tast­ kopfes im Zuge seiner Abtastbewegung in permanen­ tem Kontakt mit der Werkstückoberfläche bleibt. Sol­ che Scanning-Verfahren erlauben es, schnell eine Viel­ zahl von Meßpunkten aufzunehmen, die die Form des Werkstücks beschreiben. Hierfür wird allerdings ein so­ genannter messender Tastkopf benötigt, d. h. ein Tast­ kopf der Meßwertgeber besitzt, die ein dem Betrag der Tasterauslenkung in den Koordinatenrichtungen pro­ portionales Signal abgeben.

"Scanning"-Verfahren unter Verwendung von mes­ senden Tastköpfen sind an sich bereits bekannt und bei­ spielsweise in der DE-PS 29 21 166 und der US-PS 47 69 763 beschrieben.

Bei dem in der DE 29 21 166 beschriebenen bekann­ ten Verfahren wird der Tastkopf des Koordinatenmeß­ gerätes nach dem Antasten des Werkstücks mit kon­ stanter Geschwindigkeit entlang einer ersten, der soge­ nannten Primärkoordinate verfahren bzw. gesteuert. Gleichzeitig wird er durch ein Signal der Meßwertgeber im Tastkopf entsprechend dei Tasterauslenkung in ei­ ner 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 Primärkoordi­ nate, 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 Ver­ fahren erlaubt das selbstätige Abfahren unbekannter Werkstückkonturen, indem dort der Absolutwert der Abtastgeschwindigkeit und die gewünschte Tasteraus­ lenkung vorgegeben werden und aus der gemessenen Tasterauslenkung permanent die tangential zur Werk­ stückoberfläche verlaufende Richtung der Abtastbewe­ gung nachberechnet wird.

Es ist für beide bekannte Verfahren charakteristisch, daß die Meßwertgeber des Tastkopfs in einen Regel­ kreis eingebunden sind und die Vorschubrichtung ent­ sprechend 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-Ge­ lenk" 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 ver­ setzt. Mit diesem Verfahren können nur sehr wenige Formelemente einer bestimmten vorgegebenen Geo­ metrie 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 Freiformflä­ chen durch Kopplung von CAD und Meßtechnik be­ schrieben. Bei diesem Verfahren werden die zu vermes­ senden Punkte im CAD-System indiziert und wird an­ schließend aus den CAD-Daten ein Meßdatenfile gene­ riert, der zur automatischen Antastung der Meßpunkte und zur Korrektur der Antastrichtung durch das Koor­ dinatenmeßgerät 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 Form­ elementen beliebiger räumlicher Orientierung zu schaf­ fen, das eine Vielzahl von Meßpunkten bei möglichst kurzer Meßzeit aufzunehmen gestattet.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 bzw. 5 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß es möglich ist, bedeutend schneller als bisher Formelemen­ te wie z. B. Zylinderbohrungen, Paßflächen etc. an Werkstücken zu vermessen, wenn deren Geometrie­ form und deren Lage zumindest grob bekannt ist. Da jedoch in der Koordinatenmeßtechnik ohnehin ein Großteil der Meßaufgaben darin besteht, die Maßhal­ tigkeit von Teilen innerhalb vorgegebener Toleranzen zu überprüfen, sind die Sollwerte für die Lage und Geo­ metrie (Kontur) der zu vermessenden Formelemente meist bekannt. Demzufolge können mit der Erfindung ein Großteil der in der Praxis vorkommenden Meßauf­ gaben 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 Meßergebnis­ se, weil "Ausreißerpunkte" ohne Bedeutung sind und die Abhängigkeit von der Wahl "zufällig" gesetzter Antast­ punkte wegfällt. Ebenfalls liefert das Verfahren auf­ grund der hohen Punktedichte verbesserte Ergebnisse bei Formmessungen wie Rundheit, Zylinderform, Eben­ heit, Geradheit sowie bei Lagemessungen wie z. B. Posi­ tion und Symmetrie von Formelementen. Es lassen sich somit vom Rechner des Koordinatenmeßgerätes Ein­ passungsrechnungen (Hüll- und Pferchelemente-Aus­ wertung) 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 Soll­ werten gesteuert wird, innerhalb einer durch den Meß­ bereich des Tastkopfes vorgegebenen Bandbreite von ca. 2 mm mit der Ist-Geometrie des zu vermessenden Objekts übereinstimmt, bzw. keine größeren Differen­ zen auftreten. Es ist deshalb zweckmäßig, die Sollage des zu vermessenden Formelements vor dem Abfahren seiner Kontur durch Antasten weniger Punkte der Kon­ tur zu verifizieren und die Bahndaten entsprechend dem Ergebnis der Verifizierung bei Bedarf anzupassen. Hier­ von 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 ent­ gegengesetzter Richtung entspricht.

Um den Fehlereinfluß von Verbiegungen des Tast­ stifts aufgrund unterschiedlicher Meßkräfte während des Meßvorganges auszuschalten, ist es zweckmäßig, den Betrag der resultierenden Meßkraft während des Meßvorganges entweder konstant zu halten oder an den Stellen, an denen Meßpunkte aufgenommen wer­ den, zu ermitteln. Im letzteren Falle können aus Betrag und Richtung der Gesamtmeßkraft Korrekturwerte be­ rechnet werden, die die Tasterbiegung nach Betrag und Richtung beschreiben und diese Korrekturwerte kön­ nen bei der Berechnung der Ist-Kontur des Formele­ ments mit berücksichtigt werden.

Da mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bedeu­ tend schneller gemessen wird und demzufolge auch die bewegten Maschinenteile sehr viel schneller verfahren werden, können unter Umständen Fehler aufgrund der dynamischen auf das gesamte Maschinengestell einwir­ kenden Beschleunigungskräfte auftreten. Es ist deshalb vorteilhaft, diese Beschleunigungskräfte und das zuvor z. B. experimentell bestimmte oder anhand von Model­ len berechnete Biegeverhalten der verfahrbaren Teile des Koordinatenmeßgerätes 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 Werk­ stück ausübt, für die Koordinatenrichtungen einstellen läßt. Das Verfahren kann vielmehr auch mit einem mes­ senden Tastkopf durchgeführt werden, der "passive" Fe­ dern enthält, die eine der Auslenkung des Tasters pro­ portionale Meßkraft in den Koordinatenrichtungen er­ zeugen. 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 berücksich­ tigen.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von Ausführungsbeispie­ len 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 Funk­ tionsmoduls für die Steuerung nach Fig. 1;

Fig. 3 eine vereinfachte schematische Darstellung des Bahnverlaufs für die Tastkugel eines nach dem erfin­ dungsgemäßen Verfahrens scannenden Tastkopfes ent­ lang einer Werkstückoberfläche;

Fig. 4 ein Blockschaltbild, das wesentliche Teile der Steuerung eines Koordinatenmeßgerätes zeigt, die nach einer zweiten Verfahrensvariante der Erfindung arbei­ tet;

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 erfin­ dungsgemäßen Verfahrens scannenden Tastkopfes ent­ lang einer Werkstückoberfläche bei fein strukturierten Oberflächen;

Fig. 7 eine vereinfachte schematische Darstellung des Bahnverlaufs für die Tastkugel eines nach dem erfin­ dungsgemäßen Verfahrens scannenden Tastkopfes ent­ lang einer Werkstückoberfläche bei größeren Abwei­ chungen zwischen der Sollgeometrie und der Istgeome­ trie des Werkstücks.

Die in Fig. 1 mit ihren wesentlichen Funktionsbau­ gruppen beschriebene Steuerung eines Koordinaten­ meßgerätes ist über die Empfangsschnittstelle (10) und die Sendeschnittstelle (25) mit dem Auswerterechner (4) des hier nicht in allen Einzelheiten dargestellten Koordi­ natenmeßgerätes verbunden. Über die Eingangsschnitt­ stelle (10) werden vom Rechner folgende Daten an die Steuerung übergeben:

• a) Die Transformationsmatrix (T), die die Lage des Werkstückkoordinatensystems (WKS) im Maschi­ nenkoordinatensystem (MKS) des Koordinaten­ meßgerätes (KMG) beschreibt,
• b) der Vektor , der die Lage des Mittelpunkts der verwendeten Tastkugel im Maschinenkoordinaten­ system von einem Bezugspunkt am Tastkopf (2) des Koordinatenmeßgerätes beschreibt,
• c) der Betrag der gewünschte Vorschubgeschwin­ digkeit soll, mit dem das Werkstück abgescannt werden soll,
• d) Information über die gewünschte Betriebsart (B), sofern mehrere verschiedene Betriebsarten mög­ lich sind,
• e) der Wert der sogenannten "Eintauchtiefe" nach Betrag und Richtung, d. h. das Sollmaß der Taster­ auslenkung soll, mit der das zu vermessende Werkstück abgefahren werden soll.

Außerdem werden über die Eingangsschnittstelle (10) die Informationen übergeben, die zur Beschreibung der von der Tastkugel abzufahrenden Sollkontur erforder­ lich sind. Das sind beispielsweise Punktefolge Pi (X, Y, Z) Gleichzeitig können auch, soweit vorhanden, die den einzelnen Punkten Pi (X, Y, Z) zugeordneten Normal­ vektoren (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 Funktionsbau­ gruppen nicht in Hardware realisiert, sondern Teil der Firmware dieser Mikroprozessoren. So verhält sich das beispielsweise auch mit der auf die Empfangsschnittstel­ le (10) folgende Funktionsbaugruppe (11) mit der Be­ zeichnung "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 gegenüber dem Werkstück (17) verfahren wird. Diese Bahndaten (Si) werden durch eine Koordinatentransformation in das Steuersystem, d. h. das Maschinenkoordinatensystem (MKS) übertragen.

Der Funktionsbaugruppe "Sollwertaufbereitung, Transformation" ist die Funktionsbaugruppe (12) "Stützpunktgenerator/Interpolation" nachgeschaltet. In dieser Funktionsbaugruppe werden im steuereigenen Systemtakt die aufbereiteten diskreten abzufahrenden Bahnpunkte (Si) nach einem vorgegebenen Algorith­ mus, beispielsweise linear oder nach einem Spline-Algo­ rithmus, interpoliert und als Lagesollwerte Li an den nachgeschalteten Lageregler (13) für die Antriebe der drei Meßachsen des Koordinatenmeßgerätes überge­ ben.

Der Stützpunktgenerator (12) empfängt außerdem di­ rekt von der Eingangsschnittstelle (10) den Betrag der gewünschten Vorschubgeschwindigkeit soll, mit der das zu vermessende Werkstück abgefahren wird. Die im Lageregler (13) erzeugten Lagesollwerte werden an­ schließend analog gewandelt und als analoge 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 Antriebe in einer Antriebsbaugruppe (14) zusammenge­ faßt skizziert. Jeder der drei Antriebe des Koordinaten­ meßgerätes besteht wie üblich aus einem Servoverstär­ ker, einem Servomotor und den mechanischen An­ triebsgliedern, 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 Koordinatenmeß­ gerätes und zwar über die Funktionsbaugruppe "Meß­ werterfassung" (16). Die Meßsysteme des Koordinaten­ meßgerätes 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-Rückwärts­ zählung der von den Abtastköpfen gelieferten Signale. Die Baugruppe (16) "Meßwerterfasung Koordinaten­ meßgerät" besorgt die zyklische Erfassung der Positio­ nen (X_m, Y_m, Z_m) des Tastkopfs im Maschinenkoordina­ tensystem und in der Kopplung an den Lageregler (13) wird der Positionsregelkreis für die drei Meßachsen des Koordinatenmeßgerätes geschlossen.

Die von der Funktionsbaugruppe (16) gelieferten Po­ sitionsmeßwerte (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 Elek­ tronik zur Weiterverarbeitung der von den Meßwertge­ bern im Tastkopf (2) abgegebenen Signale, die das Aus­ lenken des Taststifts beim Kontakt der Tastkugel (7) mit dem Werkstück (17) in den drei Raumrichtungen be­ schreiben. Die entsprechende Funktionsbaugruppe ist mit (18) bezeichnet. Die von diesen Meßwertgebern kommenden und aufbereiteten analogen Lagesignale werden in der Funktionsbaugruppe (19) in Digitalwerte 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 Meßer­ gebnisses benötigt. Gleichzeitig ist das digitale Signal betreffend die Tasterauslenkung einer Funktionsbau­ gruppe (20) "Überwachung und Fehlerbehandlung" zu­ geführt. Diese Funktionsbaugruppe (20) vergleicht die tatsächliche Tasterauslenkung (X_T, Y_T, Z_T) mit der vor­ gewählten Eintauchtiefe soll und löst beim Verlassen des zulässigen Bereiches (MR) der Tasterauslenkung ei­ ne Meldung an den Auswerterechner (4) aus. Gleichzei­ tig meldet die Funktionsbaugruppe (20) die Meßbe­ reichsüberschreitung an den Stützpunktgenerator (12), damit dieser den Abtastvorgang abbricht und die Ma­ schinenantriebe stillsetzt.

Die Steuerung nach Fig. 1 enthält außerdem die An­ triebe für die Auslenkung des Taststifts im Tastkopf. Die Antriebe für den Taststift im Tastkopf bestehen aus Kraftgeneratoren wie z. B. Linearmotoren oder Tauch­ spulenmagnete, die den Taststift auf ein vorgegebenes Signal hin in den drei Raumrichtungen X, Y und Z aus­ lenken. Die entsprechende Funktionsbaugruppe (23) "Antriebe Tastkopf" erhält ihre Stellgröße von der Funktionsbaugruppe (22) "Kraftregler". In der hier ge­ wählten Betriebsart stellt der Kraftregler (22) eine der Auslenkung des Taststifts proportionale Gegenkraft ein. Da die in den Kraftregler implementierte Kraft- Wegkennlinie eine Gerätekonstante ist, ist über das Ausgangssignal der Baugruppe (19) auch die momenta­ ne auf das Werkstück ausgeübte Meßkraft bekannt und kann vom Rechner (4) zur Berechnung der Korrektur­ werte benutzt werden, die eine Durchbiegung des Tast­ stifts unter der eingestellten Meßkraft kompensieren.

Letztere Funktion kann jedoch auch in die Steuerung selbst integriert sein. In diesem Falle ist das Blockschalt­ bild der Steuerung, um die in Fig. 2 dargestellten Kom­ ponenten zu ergänzen. Von der Empfangsschnittstelle (10) werden dann an eine Funktionsbaugruppe (26) "Bie­ gekorrektur" der Steuerung zusätzlich die Parameter (bi) übergeben, die das Biegeverhalten der gewählten Taststiftkonfiguration beschreiben.

In der in Fig. 2 dargestellten Variante werden im Ver­ gleich zu der Variante nach Fig. 1 der Sendeschnittstelle (25) die um die Biegung korrigierten Daten der Taststift­ auslenkung (X_c, Y_c, Z_c) nicht separat übergeben, son­ dern an der mit (28) bezeichneten Stelle den Lage-Ist­ werten (X_m, Y_m, Z_m) des Tastkopfs hinzugerechnet, die von der Baugruppe (16) "Meßwerterfassung Koordina­ tenmeßgerät" ausgegeben werden. Nach Addition der korrigierten Tasterdaten und der Lage-Istwerte liegen die Positionen des Tastkugelmittelpunkts im Maschi­ nenkoordinatensystem vor. Deshalb enthält die Steue­ rung in dieser Variante eine weitere Funktionsbaugrup­ pe (27) "Transformation" von der die Ist-Daten vom Maschinenkoordinatensystem (MKS) ins Werkstückko­ ordinatensystem (WKS) transformiert werden. Von der Funktionsbaugruppe (27) werden dann die Mittelpunkt­ skoordinaten der Tastkugel an die Sendeschnittstelle (25) übergeben. Die Sendeschnittstelle (25) enthält den Meßwertspeicher der Steuerung, der die erfaßten Da­ ten puffert, bis sie vom Auswerterechner (4) abgeholt und dort weiterverarbeitet werden. Hier können bei­ spielsweise 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 Eingangsschnittstelle (10) beschriebenen Daten vom Rechner (4) an die Steuerung werden von der Funk­ tionsbaugruppe (11) mehrere vorbereitende Berechnun­ gen durchgeführt. Beispielsweise prüft die Funktions­ baugruppe (11) erst, ob die vorgegebene Eintauchtiefe, d. h. der Sollwert soll der Tasterauslenkung durch eine Parallelverschiebung der Sollkurve in Richtung der vorgegebenen Eintauchrichtung (Tasterauslenkung) im zulässigen Bereich (MR) für die Tasterauslenkung ge­ halten werden kann. Bei flach gekrümmten Konturen des Werkstücks ist das möglich. In diesem Falle werden die Punkte Pi (X, Y, Z) der Sollkontur vom Werkstück­ koordinatensystem (WKS) ins Maschinenkoordinaten­ system (MKS) transformiert und anschließend an den Stützpunktgenerator (12) übergeben.

Läßt sich die Eintauchtiefe durch Parallelverschie­ bung der Bahn nicht im zulässigen Bereich (MR) halten, so muß eine äquidistante Bahn erzeugt werden. Dazu wird entweder zu jedem Punkt der Fläche des Werk­ stücks der Normalenvektor benötigt. Diesen erhält die Funktionsbaugruppe (11) ebenfalls über die Ein­ gangsschnittstelle (10) vom Rechner (4). Alternativ hier­ zu ist es möglich, die Funktionsbaugruppe (11) so zu programmieren, daß sie selbst aus jeweils drei benach­ barten Punkten Pi (X, Y, Z) einen Vektor berechnet, der die Winkelhalbierende des aus den drei benachbarten Punkten aufgespannten 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 Stützpunkt (S1) im Ma­ schinenkoordinatensystem mit Hilfe des Sollwertes soll für die Eintauchtiefe berechnet werden. Diese ma­ thematischen und logischen Operationen führt die Funktionsbaugruppe "Sollwertaufbereitung, Transfor­ mation" (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 Kraftregelkreis des Tastkopfes (2) über die Funktions­ baugruppen (18, 19, 22 und 23) geschlossen. Der Stütz­ punktgenerator (12) beginnt nun Stützpunkte (Li) von der momentanen Ist-Position (So) des Tastkopfs irgend­ wo außerhalb des Werkstücks (17) bis zur ersten Soll- Position (S1) der auf dem Werkstück (17) abzufahren­ den Bahn interpolierend zu berechnen. Dies geschieht 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" vor­ gegeben ist.

Anschließend gibt der Stützpunktgenerator (12) die Stützpunkte als Lagesollwerte (Li) an den Lagerregler (13) weiter, der zusammen mit den Antrieben (14), den Meßsystemen (15) der Meßachsen des Koordinaten­ meßgerätes und der Funktionsbaugruppe Meßwerter­ fassung (16) den Lageregelkreis des Koordinatenmeß­ gerätes 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 auslenkba­ ren Taststifts des Tastkopfes so an das Werkstück (17) an, daß die Tasterauslenkung der vorgewählten "Ein­ tauchtiefe" soll entspricht.

Während des nun folgenden eigentlichen Meßvor­ ganges fährt die Tastkugel (7) die vorberechnete Bahn auf der Werkstückoberfläche ab, wobei sie in dauern­ dem Kontakt mit der Werkstückoberfläche 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) befestigt 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 größe­ re Bereiche hinweg kann nun der Fall eintreten, daß infolge von Abweichungen zwischen der Sollgeometrie und der Ist-Geometrie des Werkstücks die Tasteraus­ lenkung ist vorgegebene maximale Grenzen (MR) für die Tasterauslenkung erreicht und überschreiten würde. Dieser Fall ist in Fig. 7 dargestellt. Dort ist die an der Werkstückoberfläche anliegende Tastkugel mit (7) be­ zeichnet und die für sie vorgegebene Sollbahn ist durch den zwischen den gestrichenen Linien verlaufenden Be­ reich MR repräsentiert der gleichzeitig die vorgegebe­ nen Grenzen der zulässigen Tasterauslenkung kenntlich macht. Die Bahn (K), die jedoch der Mittelpunkt der Tastkugel (7) aufgrund der Ist-Geometrie des Werk­ stück (17) zurücklegt, verläuft anfangs innerhalb der vorgegebenen Grenzen der Tasterauslenkung, nähert sich hierbei jedoch immer mehr der Grenze der maxi­ mal zulässigen Tasterauslenkung und erreicht diese an der Stelle, die mit dem Pfeil A bezeichnet ist.

Im Ausführungs­ beispiel nach Fig. 4 ist deswegen eine Funktionsbaugruppe (120) "Bahn­ korrektur" vorgesehen, von der die gesteuerte Sollbahn korrigiert wird. Hierbei veranlaßt die Funktionsbau­ gruppe (120) den Stützpunktgenerator (12) die berech­ nete Sollbahn, auf der die Tastkugel gesteuert wird, durch Aufschalten einer Störgröße um einen konstanten Betrag ΔS von der Werkstückoberfläche wegzuverset­ zen. 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 gleichge­ blieben und werden mit Ausnahme des Kraftreglers (22) an dieser Stelle deshalb nicht nochmals erläutert.

Der Kraftregler (22) enthält für jede der drei An­ triebsrichtungen für die Tasterauslenkung eine ge­ schlossene Regelschleife, von der die Proportionalität zwischen der vom Antrieb (23) eingestellten Kraft () und der Tasterauslenkung ist hergestellt wird. Die Kennlinien werden für alle drei Raumrichtungen so ein­ gestellt, daß sich um die Taster-Nullage Kugelschalen gleicher Kraft ergeben. Damit können bei bekannter Tasterauslenkung ist mit Hilfe der sich aus der Kennli­ nie ergebenden Federkonstante F/A (= Gerätekon­ stante) auch die für die Tasterbiegungskorrektur einzu­ setzenden Kräfte ist direkt berechnet werden. Die Symmetrie der Kennlinien in den drei Achsen kann durch Scannen eines Rundheitsnormales, z. B. eines Lehrringes im Sinne eines Kreisformtestes geprüft wer­ den. Die Eingabe der Gerätekonstante F/A erfolgt bei­ spielsweise mit Hilfe eines programmierbaren Digital- Analog-Wandlers (124).

Bei der beschriebenen Variante der Meßkraftauf­ schaltung 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 Taststiftauslenkung ist selbstätig ein und auf den Kraftregler (22) kann ebenfalls verzichtet werden.

Ein weiteres, im Vergleich zu Fig. 1 leicht abgewan­ deltes 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 Meß­ richtung, d. h. die Richtung in der der Taststift bei Anla­ ge mit dem Werkstück ausgelenkt wird, durch einen Vektor (_E) zu beschreiben, der in der Schnittebene liegt und senkrecht zur Vorschubrichtung auf die Werk­ stückoberfläche gerichtet ist. Für diesen Fall besitzt das Ausführungsbeispiels nach Fig. 5 eine Funktionsbau­ gruppe (121) für die Berechnung des Sollkraft-Vektors soll aus den von der Empfangsschnittstelle (10) emp­ fangenen Daten, von denen die Lage der Meßrichtung, d. h. der Schnittebene (E) beschrieben wird. Die Funk­ tionsbaugruppe (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 kon­ stanten Kraft/Wegkennlinie berechnet, ist im Ausfüh­ rungsbeispiel nach Fig. 5 eine Funktionsbaugruppe (122) vorgesehen, von der die Antriebe (23) im Tastkopf entsprechend dem von der Funktionsbaugruppe (121) berechneten Meßkraft-Vektor soll, d. h. mit der von der Empfangsschnittstelle (10) empfangenen vorge­ wählten Meßkraft soll in der aus der Schnittebene (E) berechneten Richtung angesteuert werden.

Um sicherzustellen, daß die Tasterauslenkung ist in der Schnittebene (E), d. h. der vorgegebenen Meßrich­ tung bleibt, wird durch die Funktionsbaugruppe (121) die Auslenkung des Taststifts in andere als die für den Sollkraft-Vektor soll berechnete Richtungen elektro­ nisch geklemmt, d. h. bei Tasterauslenkungen in diese Richtungen werden die Antriebe (23) im Tastkopf (2) mit hohen Rückstellkräften beaufschlagt. Hierdurch kann bei Werkstückkonturen mit "Hanglage", d. h. dort, wo die Schnittebene (E) der Meßrichtung nicht senk­ recht auf der Werkstückoberfläche steht, die gewünsch­ te Bahn der Tastkugel (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 ge­ klemmt wäre.

Da bei diesem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 die Meßkraft () über den vollen Auslenkungsbereich des Taststifts in Meßrichtung konstant bleibt, somit der zu­ lässige Meßbereich (MR) für die Tasterauslenkung voll ausgenutzt wird, kann der Tastkopf (2) mit höheren Vor­ schubgeschwindigkeiten an der Werkstückkontur ent­ langgefahren werden, verglichen mit dem in Fig. 1 dar­ gestellten Ausführungsbeispiel.

Es ist deshalb auch möglich, wie in Fig. 6 dargestellt detailliertere Geometrien der Werkstückoberfläche ab­ zufahren, ohne daß diese detaillierten Geometrien selbst als Sollbahnen vorgegeben werden müssen, ent­ lang der der Tastkopf in den drei Maschinenachsen des Koordinatenmeßgerätes verfahren wird. Vielmehr kann für die Sollbahn (K) ein Ausgleichselement, beispiels­ weise eine Gerade (G) vorgegeben werden, wenn die Abweichungen der Ist-Geometrie zu diesem Aus­ gleichselement innerhalb des zulässigen Arbeits- bzw. Meßbereiches (MR) für die Taststiftauslenkung liegen. Da die Feinbewegungen dann ausschließlich vom Tast­ stift durchgeführt werden und dessen Dynamik gewöhn­ lich besser ist als die der beweglichen Massen des Koor­ dinatenmeßgerätes, können dann bedeutend höhere Vorschubgeschwindigkeiten erzielt werden.

Claims (8)

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,
• - während des Meßvorganges wird die Stellung des Tasters im Meßbereich (MR) des Tastkopfes (2) überwacht und ein kontinuierliches Auswandern des Tasters in Richtung auf den Rand des Meßbereichs (MR) durch Aufschalten einer Störgröße auf die Bahndaten kompensiert, die einem konstanten Versatz (ΔS) in entgegengesetzter Richtung entspricht,
• - 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 auftretetenden 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. 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 (ist) im zulässigen Meßbereich (MR) des Tastkopfs (2) bleibt,
• - einem Interpolator, der aus den Bahnpunkten (Si) die Lagesollwerte (Li) für den Lageregler berechnet,
• - eine Funktionsbaugruppe (120), die während des Meßvorganges die Stellung des Tasters im Meßbereich (MR) des Tastkopfes überwacht und die zur Kompensation des kontinuierlichen Auswanderns des Tasters in Richtung auf den Rand des Meßbereichs (MR) das Aufschalten einer Störgröße auf die Bahndaten veranlaßt, die einem konstanten Versatz (ΔS) in entgegengesetzter Richtung entspricht.

6. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 5, wobei die Steuerung ferner enthält:

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

7. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 5, wobei die Steuerung ferner enthält:

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

8. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 5, wobei der Tastkopf (2) des Koordinatenmeßgerätes eine Einrichtung (121) enthält, mit der sich der Taster bezüglich der Auslenkung in vorwählbaren Koordinatenrichtungen elektronisch klemmen läßt.