DE4236042C2

DE4236042C2 - Anordnung zur automatisierten Kompensation von elastischen Antastdeformationen bei Längenmeßtastern

Info

Publication number: DE4236042C2
Application number: DE19924236042
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Weis
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1992-10-24
Filing date: 1992-10-24
Publication date: 1997-01-16
Anticipated expiration: 2012-10-25
Also published as: GB2271851A; JPH06201366A; GB9321574D0; DE4236042A1; CH689333A5; GB2271851B

Description

Die Erfindung dient zur Erhöhung der Meßgenauigkeit und zur Rationalisierung der Maßermittlung bei mechanisch berührenden Längenmeßtastern.

Sie kann überall dort eingesetzt werden, wo Präzisionslängenmessungen eine ge naue, zeitsparende und bedienerfreundliche Kompensation elastischer Antastdefor mationen erfordern. Dies gilt insbesondere für Längenmeßtaster zur hochauflösen den Wegmessung.

Vielfältige Anwendungsmöglichkeiten folgen daraus, daß ca. 80% aller Messungen im Maschinen- und Feingerätebau Längenmessungen mit berührender Antastung sind, wobei der Präzisionsanteil ständig zunimmt.

Vorteilhafte Anwendungen ergeben sich beispielsweise bei der Endmaß-, Lehren- und Normalüberwachung, bei der Geometrieerfassung von Präzisionsteilen unter schiedlicher Werkstoffe, bei Sondermeßaufgaben an Kugeln, Zylindern und Drähten sowie bei Messungen an deformationsempfindlichen Teilen, insbesondere aus Kunststoffen.

Die bei der mechanisch berührenden Antastung auftretenden Wechselwirkungen von Prüfling und Antastung hinsichtlich materialtechnischer und oberflächenmäßiger Zusammenhänge führen zu Störungen bei der Maßerfassung mit Präzisionsansprü chen. So verfälschen meßkraftbedingte elastische Antastdeformationen in Form von Prüflings- und Tasterdeformationen in der Regel die Meßwerte ganz erheblich. Den schon lange bestehenden Forderungen zur umfassenden Reduzierung der genann ten Deformationseinflüsse kann mit den derzeit zur Verfügung stehenden mecha nisch berührenden Längenmeßtastern nur mit begrenzter Genauigkeit, zeitaufwen dig und erhöhtem Bedien- bzw. Auswerteaufwand entsprochen werden.

Mit der Erfindung wird eine Anordnung vorgeschlagen, welche die bestehenden Nachteile umgeht und durch ihren Aufbau und ihre Wirkungsweise zu einer rationel len Maßerfassung hoher Genauigkeit führt.

Der Stand der Technik bezüglich der Beherrschung elastischer Antastdeformationen bei mechanisch berührenden Längenmeßtastern läßt sich wie folgend beschreiben:

Arten von Antastdeformationen und Korrekturmaßnahmen

Bei den elastischen Antastdeformationen ist zu unterscheiden zwischen nichtli nearen Hertzschen Abplattungsdeformationen bzw. linearen Abplattungsdeforma tionen am Prüfling und Antastelement sowie linearen Tasterdeformationen infolge der Tasterrückwirkung.

Korrekturmaßnahmen beschränken sich bei bekannten Längenmeßtastern im we sentlichen darauf, daß eine Reduzierung von Einzeleinflüssen erfolgt.

Rechnerische Korrektur nichtlinearer Hertzscher Abplattung

Bekannt ist beispielsweise die rechnerische Korrektur von nichtlinearer Hertz scher Abplattung, wie sie aufgrund von Präzisionsforderungen bei der Antastung einer Ebene mit einer Kugel erfolgt.

Aus den Abplattungsformeln der Hertzschen Abplattungstheorie (H. Zill, Messen und Lehren im Maschinenbau und in der Feingerätetechnik, VEB Verlag Technik Berlin, 2. Auflage, Berlin 1972, S. 68-71) ergibt sich die Abplattung bei diesem Antastfall zu:

Die Korrekturgenauigkeit wird hier erheblich von der genauen Kenntnis der Meß kraft F beeinflußt. Diese wiederum unterliegt in der Praxis häufig Schwankungen, sowohl von der konstruktiven Ausgangslösung her als auch hinsichtlich des Lang zeitverhaltens. Dazu kommt noch, daß eine definierte Meßkraftrealisierung bei Längenmeßtastern mit erhöhtem Meßbereich aufgrund des großen Verschiebe weges der Antastung Schwierigkeiten bereitet. Insgesamt kann daher nur von ei ner begrenzten Genauigkeit der Meßkraftkenntnis ausgegangen werden, was zu entsprechenden Genauigkeitsverlusten bei Korrekturmaßnahmen führt. So wird häufig der in Geräteunterlagen angegebene Sollwert der Meßkraft für Korrekturen benutzt, der erfahrungsgemäß wegen der Herstellungstoleranzen der Taster und der anderen genannten Ursachen deutlich von der tatsächlich vorhandenen Meß kraft abweichen kann.

Während der in die Korrektur eingehende Kugeldurchmesser d hinsichtlich seines Istmaßes gut zu ermitteln ist, muß der Einfluß der elastischen Materialkonstanten E′, E′′, m′, m′′ von Prüfling und Antastelement kritisch betrachtet werden. Aus der voranstehenden Korrekturformel folgt, daß eine rechnerische Korrektur generell die genaue Kenntnis dieser Materialkonstanten voraussetzt, diese aber durch Materialabweichungen bzw. Inhomogenitäten unsicher sind. Darüber hinaus führt die komplizierte Struktur des Abplattungszusammenhanges zu einem zeitaufwendigen und eingabefehleranfälligen Korrekturverfahren.

Längenmeßtaster mit Meßkraftumschaltung

Bekannt ist weiterhin, daß Längenmeßtaster in wenigen Fällen über eine Meß kraftumschaltung verfügen. So kann beispielsweise bei dem motorisch betriebe nen CERTO-Meßtaster CT 60 M der Firma DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH die Meßkraft bei vertikaler Antastung nach unten von 1 N auf 1,25 N bzw. 1,75 N umgeschaltet werden (Firmendruckschrift der DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH in der Bundesrepublik Deutschland, Druckschriften-Nr. 20849801·30·9/90·H).

Diese Meßkraftumschaltung in Richtung geringerer Meßkraft ist für eine scho nende Antastung empfindlicher Oberflächen geeignet. Sie bietet aber auch die Möglichkeit, sich durch erhöhte Meßkraft besser an kritische Rand- und Umfeld bedingungen anzupassen.

Demgegenüber ist der Einsatz dieser Meßkraftumschaltung nur sehr begrenzt zur Reduzierung elastischer Antastdeformationen möglich. Dabei kann man sich durch die Wahl einer geringeren Meßkraft einem deformationsempfindlichen Prüfling zwar anpassen, aber den Deformationseinfluß meist nicht ausreichend reduzieren, da selbst eine Meßkraftreduzierung aufgabenabhängig mit unzulässig hohen Restdeformationen verbunden sein kann.

Längenmeßtaster mit nachgeordneter rechnerischer Korrektur Hertzscher Abplattung

Bei gezielter Auswahl eines Längenmeßtasters mit angegebener Meßkraft, zum Beispiel des CERTO CT 60 M, wäre die rechnerische Korrektur von Hertzschen Abplattungsdeformationen aufgrund der dargestellten Mängel häufig nicht genau genug. Dazu kommt, daß sich den zwar mit motorischer Antastung schnell gewonnenen Meßwerten eine dem jeweiligen Meßwert zugeordnete Rechenkorrektur in der bereits dargestellten zeitaufwendigen Weise anschließt. Kritisch ist außerdem, daß durch die Meßwerterfassung mit der tatsächlich vorhandenen Meßkraft und die Meßwertkorrektur mit der vorgegebenen Sollmeßkraft erhebliche Differenzen bei der Deformationsreduzierung auftreten können. Da auch bei Präzisionsmessungen oft viele Meßwerte erfaßt werden, behindern die nachfolgenden manuell ausgeführten oder manuell ausgelösten Korrekturen den gesamten Meßprozeß und gestalten ihn mehr oder weniger bedienerunfreundlich.

Es ist weiterhin eine Einrichtung zur Weg-Kraft-Koordinierung an Antastsystemen bekannt geworden, mit der die Meßkraft und Richtung über Einstellmittel unter Hinzuziehung eines Regelkreises programmierbar wird und in einem Bereich konstant gehalten werden kann (DE-OS 31 06 031). Auch mit dieser Einrichtung kann es zu störenden Werkstoffeinflüssen bei der Prüflingsmessung kommen, die zu erheblichen Einschränkungen hoher Meßgenauigkeit führen.

Es ist das Ziel der Erfindung, die genannten Mängel der aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen zu umgehen und durch eine rationell ablaufende, umfassende Kompensation elastischer Antastdeformationen eine Erhöhung der Meßgenauigkeit bei mechanisch berührenden Längenmeßtastern zu erreichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Prozeß der Meßwerterfassung und der Meßwertkorrektur so zusammenzuführen, daß er ganz oder teilweise automatisiert abläuft und durch diese Zusammenführung eine rationelle Trennung des Prüfmaßes von werkstoffbezogenen Einflüssen zeitlich schnell mit hoher Genauigkeit erfolgt und im Ergebnis deformationsfreie bzw. weitgehend deformationsreduzierte Prüflingsmeßwerte angezeigt werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Anordnung zur automatisierten Kom pensation von elastischen Antastdeformationen bei Längenmeßtastern, umfassend einen Längenmeßtaster mit antriebsgesteuerter Tastbolzenverstellung und Elementen zur Meßkraftvariation für n unterschiedliche Meßkräfte, mit n2, womit die Meßkraftverhältnisse

und deren Korrekturfaktoren ) und für nichtlineare Hertzsche Abplattungsvorgänge mit überlagerter linearer Tasterdeformation und/oder (b_m) und (b_m-1) für lineare Abplattungsvorgänge mit überlagerter linearer Tasterdeformation für jeweils zwei unterschiedliche Meßkräfte F₁ und F₂ verbunden sind, Mitteln zur Taster- und Prüflingsaufnahme sowie einen Steuer-Rechen-Anzeigekomplex, der eine Eingabe der für unterschiedliche Antastfälle zugeordneten Korrekturfaktoren , und/oder (b_m), (b_m-1) und eine Anzeige enthält, die sowohl werkstoffunabhängig deformationsfreie als auch deformationsreduzierte Prüflingsmeßwerte automatisch anzeigt, gelöst.

Es ist vorteilhaft, daß die Korrekturfaktoren ), und/oder (b_m), (b_m-1) in den Steuer-Rechen-Anzeigekomplex manuell eingebbar sind, wenn sie vorher berechnet sind. Es ist weiter vorteilhaft, daß nach der Eingabe der Meßkräfte bzw. deren Meßkraftverhältnisse in den Steuer-Rechen-Anzeigekomplex manuell oder automatisch in Verbindung mit ihrer ständigen Erfassung bei den Antastvorgängen durch an sich bekannte Mittel die Korrekturfaktoren ), und/oder (b_m), (b_m-1) im Steuer-Rechen- Anzeigekomplex berechnet werden.

Dabei besteht die vorteilhafte Möglichkeit, daß die aus den Sollmeßkräften bzw. aus den tatsächlich wirkenden Istmeßkräften abgeleiteten Korrekturfaktoren ), und/oder (b_m), (b_m-1) durch die jederzeit mögliche Eingabe ihrer bereits berechneten Werte bzw. über die jederzeit mögliche Eingabe der Meßkräfte bzw. deren Meßkraftverhältnisse in den Steuer-Rechen-Anzeigekomplex eingehen.

Es ist der Hauptvorteil der Anordnung, daß ganz oder teilweise automatisiert, schnell und mit hoher Genauigkeit deformationsfreie bzw. weitgehend deformationsreduzier te Prüflingsmeßwerte angezeigt werden, wobei die Gesamtheit auftretender An tastdeformationen in die Anordnungskonzeption einbezogen ist. Dies gilt insbeson dere für die in der Praxis vorhandene werkstoff- bzw. geometrieabhängige Prüf lingsvielfalt.

Besonders vorteilhaft ist der Rückgriff auf Meßkraftverhältnisse und von ihnen abge leitete Korrekturfaktoren. So ändern sich die Meßkraftverhältnisse in der Regel schwerkraftbedingt mit der Tasterlage, sind aber in der jeweiligen Lage erfaßbar und als Korrekturfaktoren in den Steuer-Rechen-Anzeigekomplex eingebbar.

Weiterhin ist es vorteilhaft, daß die Korrekturfaktoren auf die Soll- bzw. Istmeßkräfte bezogen werden können. So ist es möglich, durch Abnahmemessungen der Taster die tatsächlich wirkenden Meßkräfte zu ermitteln und in weitgehend fehlerfreie Kor rekturfaktoren für den Steuer-Rechen-Anzeigekomplex zu übertragen. Das Problem kritischer Fertigungstoleranzen zur Einhaltung definierter Meßkräfte wird somit um gangen und die Herstellung der Taster wirtschaftlich gestaltet. Diese Möglichkeit der meßkraftbezogenen Abnahme - oder Kontrollmessungen der Taster kann in vorteil hafter Weise auch für Taster mit höchsten Genauigkeitsansprüchen bzw. für ein ge sichertes Langzeitverhalten der Tastermeßkräfte herangezogen werden. Langzeitlich veränderlichen Meßkräften, beispielsweise durch Altern von Federele menten, kann so durch Eingabe neuer Korrekturfaktoren in den Steuer-Rechen-An zeigekomplex begegnet werden, ohne daß fertigungstechnische Eingriffe in die Ta ster erfolgen müssen.

Es ist auch vorteilhaft, daß durch die Realisierung mehrerer unterschiedlicher Ta stermeßkräfte mit den zugehörigen Korrekturfaktoren für den Steuer-Rechen-Anzei gekomplex eine Anpassung an meßkraftempfindliche Prüflingsoberflächen bzw. an störende Rand- und Umfeldbedingungen möglich ist.

Insgesamt lassen sich die Anordnungsvorteile durch die rationelle Trennung des Prüfmaßes von werkstoffbezogenen Einflüssen erklären, die mit einer qualifizierte ren Angabe der Prüflingsmeßwerte verbunden ist. Höchste Meßwertauflösungen moderner Tastermeßsysteme werden so durch die automatisierte Kompensation materialtechnischer Störgrößen aufgewertet und führen zu optimalen Auflösungen.

Das Wesen der Erfindung soll anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels mit vertikaler Antastung näher erläutert werden. Die Anwen dungsmöglichkeiten bleiben nicht auf dieses Beispiel beschränkt und erfassen ins besondere bei dem Steuer-Rechen-Anzeigekomplex die unterschiedlichsten Kombi nationen von Steuer-, Rechen- und Anzeigetechnik.

So können beispielsweise Steuergeräte und Anzeigeeinheiten mit Rechentechnik bzw. Anzeigeeinheiten mit Rechentechnik und integrierter Ansteuerung oder Steuer geräte mit Personalcomputer und Anzeigetechnik bzw. Personalcomputer mit inte grierter Ansteuerung und Anzeigetechnik zum Einsatz kommen. Im einfachen An wendungsfall kann auch eine Anordnung aus einem Längenmeßtaster, einem Steuergerät und einer Kleinrechnervariante mit Anzeige eingesetzt werden.

Es zeigen:

Fig. 1 im Blockschaltbild die Anordnung eines Längenmeßtasters und eines Steuer-Rechen-Anzeigekomplexes,

Fig. 2 schematisch eine Prüflingshöhenmessung mit vertikaler Antastung der ersten Meßstelle,

Fig. 3 schematisch die Prüflingshöhenmessung mit vertikaler Antastung der zweiten Meßstelle.

Für die automatisierte Kompensation elastischer Antastdeformationen und zur An zeige deformationsfreier bzw. weitgehend deformationsreduzierter Prüflingsmeß werte ist in Fig. 1 die Anordnung eines Längenmeßtasters mit antriebsgesteuerter Tastbolzenverstellung sowie Meßkraftvariation für zwei Meßkräfte F₁ und F₂ und ei nes Steuer-Rechen-Anzeigekomplexes dargestellt.

Für eine Prüflingshöhenmessung x mit vertikaler Antastung an der ersten Meßstelle zeigt Fig. 2 schematisch den Meßaufbau. Dieser umfaßt einen Meßtisch 1 mit einer Meßtischbezugsfläche 2, einen mit dem Meßtisch 1 gestellfest verbundenen Län genmeßtaster 4 mit dem zugehörigen Tastbolzen 5 und dessen Tastkugel 6. Unter Ausnutzung der automatisierten Ansteuerung durch den Steuer-Rechen-Anzeige komplex wird der mit der Meßkraft F₁ belastete Tastbolzen 5 an die Meßtischbe zugsfläche 2 angefahren. Durch den Steuer-Rechen-Anzeigekomplex wird bei der Berührung der Tastkugel 6 mit der Meßtischbezugsfläche 2 an der ersten Meßstel le 7 der mit nichtlinearer Hertzscher Abplattungsdeformation und linearer Tasterde formation behaftete Meßwert M₁ erfaßt. Anschließend wird an der ersten Meßstelle 7 unter weiterer Ausnutzung der automatisierten Ansteuerung durch den Steuer-Re chen-Anzeigekomplex über die Tastkugel 6 des mit der Meßkraft F₂ belasteten Tast bolzens 5 der mit den meßkraftabhängig veränderten Antastdeformationen behaftete Meßwert M₂ durch den Steuer-Rechen-Anzeigekomplex erfaßt. Für die Prüflingshö henmessung x mit vertikaler Antastung an der zweiten Meßstelle zeigt Fig. 3 sche matisch den Meßaufbau, der sich von Fig. 2 durch den auf die Meßtischbezugsflä che 2 aufgesetzten Prüfling 3 mit der die Prüflingshöhe x begrenzenden Prüflings deckfläche 9 und die veränderte Tastkugelposition unterscheidet. Unter Ausnutzung der automatisierten Ansteuerung durch den Steuer-Rechen-Anzeigekomplex wird der mit der Meßkraft F₁ belastete Tastbolzen 5 an die Prüflingsdeckfläche 9 des Prüflings 3 angefahren. Durch den Steuer-Rechen-Anzeigekomplex wird bei der Be rührung der Tastkugel 6 mit der Prüflingsdeckfläche 9 an der zweiten Meßstelle 8 der bei Werkstoffunterschieden zwischen der Meßtischbezugsfläche 2 und Prüf lingsdeckfläche 9 mit veränderter nichtlinearer Hertzscher Abplattungsdeformation und linearer Tasterdeformation behaftete Meßwert M₃ erfaßt. Anschließend wird an der zweiten Meßstelle 8 unter weiterer Ausnutzung der automatisierten Ansteuerung durch den Steuer-Rechen-Anzeigekomplex über die Tastkugel 6 des mit der Meß kraft F₂ belasteten Tastbolzens 5 der mit den meßkraftabhängig veränderten An tastdeformationen behaftete Meßwert M₄ durch den Steuer-Rechen-Anzeigekomplex erfaßt.

Bei einem Meßkraftverhältnis

des Längenmeßtasters 4 lassen sich für den vorliegenden Fall nichtlinearer Hertzscher Abplattung die beiden Korrekturfaktoren ) und ermitteln und in den Steuer-Rechen-Anzeigekomplex eingeben. Innerhalb des Korrekturprozesses werden nun die Meßwerte M₁, M₂, M₃ und M₄ in der Form

rationell so korrigiert, daß die deformationsfreie Prüflingshöhe x des Prüflings 3 durch die Anzeige des Steuer-Rechen-Anzeigekomplexes angezeigt wird.

Für ein nicht dargestelltes Beispiel der Prüflingshöhenmessung x des Prüflings 3 mit linearer Abplattungsdeformation an der Meßtischbezugsfläche 2 bzw. an der Prüflingsdeckfläche 9 beim Austausch der Tastkugel 6 gegen einen Tastzylinder mit zylindrischer Antastfläche lassen sich bei gleichem Meßkraftverhältnis

des Längenmeßtasters 4 für den vorliegenden Fall linearer Abplattung die beiden Korrekturfaktoren (b) und (b-1) ermitteln und in den Steuer-Rechen-Anzeigekomplex eingeben.

Innerhalb des Korrekturprozesses werden nun die zugehörigen Meßwerte M₁, M₂, M₃ und M₄ in der Form

Für Anwendungsfälle der Anordnung des Längenmeßtasters 4 und des Steuer-Rechen- Anzeigekomplexes, bei denen nichtlineare Hertzsche Abplattungsvorgänge und überlagerte lineare Tasterdeformationen derart auftreten, daß an den beiden Meßstellen für eine Prüflingsabmessung die linearen Tasterdeformationen bei gleicher Meßkrafteinleitung veränderlich sind, ist eine geänderte Zuordnung der Korrekturfaktoren zweckmäßig. So lassen sich mit den aus dem Meßkraftverhältnis

ermittelten Korrekturfaktoren (b), (b-1) die diesmal vorliegenden Meßwerte M₁, M₂, M₃ und M₄ innerhalb des Korrekturprozesses in der Form

rationell so korrigieren, daß weitgehend deformationsreduzierte Prüflingsmeßwerte durch die Anzeige des Steuer-Rechen-Anzeigekomplexes angezeigt werden. Diese Prüflingsmeßwerte enthalten nur noch abplattungsbedingte Restdeformationseinflüsse.

Während mit dem Längenmeßtaster 4 in der dargestellten vorteilhaften Weise die Antastdeformationen kompensiert und deformationsfreie bzw. weitgehend deformationsreduzierte Prüflingsmeßwerte angezeigt werden, können auch Prüflingsmessungen unter Ausnutzung nur jeweils einer Meßkraft ausgeführt werden. Dieser einfachere Antastvorgang ist zweckmäßig bei gleichbleibenden Antastdeformationen, aber auch bei genauigkeitsreduzierten Messungen, die Deformationseinflüsse enthalten dürfen.

Claims

1. Anordnung zur automatisierten Kompensation von elastischen Antastdeforma tionen bei Längenmeßtastern,
umfassend einen Längenmeßtaster mit antriebsgesteuerter Tastbolzenverstellung und Elementen zur Meßkraftvariation für n unterschiedliche Meßkräfte, mit n 2, womit die Meßkraftverhältnisse und deren Korrekturfaktoren und für nichtlineare Hertzsche Abplattungsvorgänge mit überlagerter linearer Tasterdeformation und/oder (b_m) und (b_m-1) für lineare Abplattungsvorgänge mit überlagerter linearer Tasterdeformation für jeweils zwei unterschiedliche Meßkräfte F₁ und F₂ verbunden sind, Mitteln zur Taster- und Prüflingsaufnahme sowie einen Steuer-Rechen- Anzeigekomplex, der eine Eingabe der für unterschiedliche Antastfälle zugeordneten Korrekturfaktoren , und/oder (b_m), (b_m-1) und eine Anzeige enthält, die sowohl werkstoffunabhängig deformationsfreie als auch deformationsreduzierte Prüflingsmeßwerte automatisch anzeigt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturfaktoren , und/oder (b_m), (b_m-1) bereits berechnet sind und manuell in den Steuer-Rechen-Anzeigekomplex eingebbar sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Eingabe der Meßkräfte bzw. deren Meßkraftverhältnisse in den Steuer-Rechen-Anzeigekomplex manuell oder automatisch in Verbindung mit ihrer ständigen Erfassung bei den Antastvorgängen durch an sich bekannte Mittel die Korrekturfaktoren , und/oder (b_m), (b_m-1) im Steuer-Rechen-Anzeigekomplex berechnet werden.