DE4325602C1

DE4325602C1 - Verfahren zum taktilen Vermessen von Werkstücken

Info

Publication number: DE4325602C1
Application number: DE19934325602
Authority: DE
Inventors: Jan Dr Neumann
Original assignee: Leitz Messtecknik GmbH
Current assignee: Hexagon Metrology GmbH
Priority date: 1993-07-30
Filing date: 1993-07-30
Publication date: 1994-09-29
Anticipated expiration: 2013-07-31

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum taktilen Vermessen von Werkstücken, bei dem die Meßpunkte des Werkstückes in vorherbestimmter Reihenfolge mit den den Meßpunkten zugeordneten Tastern eines Tastkopfes einer Koordinatenmeßmaschine CNC-gesteuert angefahren werden. Bei sogenannten schaltenden Tastköpfen wird im Augenblick der Berührung des Tasters mit dem Werkstück oder kurz danach ein Signal erzeugt, das die Antastung anzeigt. Dieses Signal löst eine Ablesung der Maßstäbe in der Koordinatenmeßmaschine aus. Die Lage des Antastpunktes im Koordinatensystem der Maschine ist nunmehr bekannt. Da die Koordinatenmeßmaschine einen endlichen Bremsweg besitzt, ist der Taster zu seinem Schutz fest in einer Aufnahme angeordnet, die mittels eines kinematischen Gelenkes nach der Berührung mit dem Werkstück aus ihrer Ruhelage ausweichen kann, wobei alle sechs kinematischen Freiheitsgrade (Längsbewegungen in den drei Koordinatenrichtungen und Drehungen um diese Koordinatenrichtungen) durch eine geeignete Lagergeometrie statisch bestimmt sind. Dadurch ist gewährleistet, daß die Tasteraufnahme und damit der Taster selbst nach einer Antastung wieder in die vorbestimmte Ruhelage zurückkehrt.

Je nach dem physikalischen Prinzip der Antasterkennung ergeben sich jedoch unterschiedliche Verzögerungszeiten zwischen der eigentlichen Antastung und der durch das Antastsignal ausgelösten Maßstabsablesung. Da die Achsen der Koordinatenmeßmaschine sich zu diesem Zeitpunkt noch in Bewegung befinden, wird das Meßergebnis mit einem Offset (Fehler) belegt, der je nach Antastrichtung des Meßpunktes und der Geometrie der Tasteranordnung üblicherweise unterschiedliche Werte annimmt.

In der Literatur sind verschiedene Methoden beschrieben, wie man systematischen Fehlern dieser und anderer Art begegnen kann. So beschreibt beispielsweise die Patentschrift DD 2 39 854 A1 ein Verfahren, bei dem durch Messung eines rotationssymmetrischen Prüfkörpers (Zylinder, Kegel) in mehreren Schnittebenen senkrecht zur Symmetrieachse dieser Prüfkörper die Z-Abhängigkeit der X-Y-Stabilität der Z-Achse bestimmt und wie die so gewonnenen Werte zur Korrektur bei Werkstückmessungen herangezogen werden können.

In der Druckschrift "Technische Rundschau" Heft 50, 1992, wird auf Seite 20 ff. im Artikel "Messende Taster mit mehreren Freiheitsgraden" von W. Lotze diskutiert, wie die bei messenden Tastern bei endlicher Meßkraft unvermeidlichen Tasterbiegungen durch individuelle Kalibrierung eines Tasters an einem Kalibriernormal berücksichtigt werden können. Dabei wird ein streng linearer Zusammenhang zwischen der Meßkraft und der Tasterbiegung vorausgesetzt und bei der Kalibrierung der Proportionalitätsfaktor bestimmt. Mit Hilfe dieses Faktors kann dann bei der Werkstückantastung mit bekannter Meßkraft die Biegung berechnet und berücksichtigt werden.

In der Druckschrift "Industrie-Anzeiger" 97. Jahrgang Nr. 65, 1975, werden auf Seite 1404 ff. im Artikel "Prinzip eines Meßtasters für die automatische schnelle Abtastung räumlicher Konturen mittels Koordinaten-Meßmaschinen" von H. Janocha verschiedene Fehlermöglichkeiten beim Messen mit schaltenden Tastern aufgezeigt, unter anderem auch der hier beschriebene Offsetfehler, der dadurch zustande kommt, daß die Ruhelage des Tasters vor der Antastung nicht mit seiner Nullage übereinstimmt, sondern eine Vorauslenkung, verursacht durch Reibung in seiner kinematischen Aufnahme, besitzt. Verfahren, die diese Fehler beseitigen könnten, werden in dem Artikel nicht aufgezeigt.

Üblicherweise versucht man diesem Nachteil zu begegnen, daß man vor dem eigentlichen Meßlauf einen Kalibrierlauf durchführt, der an einem Werkstück bekannter Geometrie (üblicherweise eine Kugel bekannten Durchmessers) die Offsets anhand einiger ausgewählter Antastrichtungen (üblicherweise in Richtung der Koordinatenachsen der Koordinatenmeßmaschine) bestimmt. Die so bestimmten Offsets werden dann von dem während des Meßlaufes gewonnenen Meßergebnis vorzeichenrichtig abgezogen.

Der Nachteil dieses Verfahrens nach dem Stand der Technik liegt darin, daß die Offsetbestimmung nur für diejenige Antastrichtung gültig ist, bei der sie durchgeführt wurde. Auch läßt sich der Offset für Antastrichtungen, die eine Linearkombination aus den Richtungen der Koordinatenachsen darstellen, im allgemeinen nicht durch eine entsprechende Linearkombination der orthogonalen Offsetkomponenten gewinnen. Die Ursache ist bei den Tastköpfen zu suchen, die eine Antastung durch Ausheben aus dem kinematischen Gelenk erkennen, denn dieses Gelenk weist keine kartesische Geometrie auf. Bei Tastköpfen, die eine Antastung durch Auswertung eines Körperschallimpulses bei der Berührung erkennen, liegt die Ursache darin, daß die Steilheit des Anstieges des Körperschallsignales je nach Antastrichtung und Tastergeometrie sehr unterschiedlich für die einzelnen Antastrichtungen ist. Da üblicherweise das überschreiten einer vorbestimmten Schwelle (zum Beispiel eines vorgegebenen Spannungswertes) dieses Körperschallsignales als Kriterium für den Antastzeitpunkt herangezogen wird, sorgt die unterschiedliche Steilheit des Anstieges dieser Signalkurve für die unterschiedlichen Offsets im Meßergebnis.

Nach dem Stand der Technik werden deshalb beim Antasten der Meßpunkte eines Werkstückes die ermittelten Koordinaten jedes Meßpunktes mit einem Korrekturwert (Offset) versehen, wobei die Offsetwerte durch Antastung einer Kalibrierkugel bekannten Durchmessers in den Koordinatenrichtungen gewonnen werden. Weicht die Antastrichtung von diesen Koordinatenrichtungen ab, werden die Offsets mit Hilfe der bekannten Offsets in den Koordinatenrichtungen interpoliert.

Da darüber hinaus bei der taktilen Vermessung eines Werkstückes für bestimmte Meßpunkte unterschiedliche Taster gebraucht werden, stellt ein Tasterwechsel eine zusätzliche Fehlerquelle dar.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Meßlauf bei der Koordinatenbestimmung eines Werkstückes durch Festlegung von Offsetwerten für jede in Frage kommende Antastrichtung eines Meßpunktes und den zugehörigen Taster auf dem Werkstück genauer zu gestalten als bisher, ohne den Aufwand für die Offsetbestimmung für die einzelnen Meßpunkte wesentlich zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren des Anspruches 1 gelöst.

Dadurch, daß jetzt zunächst eine Kalibrierkugel bekannten Durchmessers in derselben Richtung wie für die Antastung des entsprechenden Punktes auf dem Werkstück, bezogen auf den Mittelpunkt der Kalibrierkugel, angetastet wird, kann zunächst ein sogenannter Kalibrierlauf mit den zu verwendenden Tastern in der Reihenfolge des Meßlaufes bei der Werkstückausmessung durchgeführt werden, der aufgrund der bekannten Geometrie der Kugel leicht die Offsetwerte, bezogen auf die Kugel, ermitteln läßt. Diese richtungsabhängigen Offsetwerte können bei der Antastung des entsprechenden Meßpunktes auf dem Werkstück in Ansatz gebracht werden.

Diese Offsetwert-Ermittlung setzt jedoch voraus, daß die Lage des Mittelpunktes der Kalibrierkugel bekannt ist. Die exakte Lage des Mittelpunktes der Kalibrierkugel ist aber üblicherweise nicht bekannt. Deshalb wird zunächst die Kalibrierkugel in wenigstens drei auf den Mittelpunkt der Kugel gerichteten Richtungen mit einem Referenztaster angetastet, um aus diesen wenigstens drei erhaltenen Punktlagen auf der Oberfläche der Kalibrierkugel und den dazugehörigen Koordinatenwerten rechnerisch die Lage des Mittelpunktes der Kugel zu bestimmen.

Für jeden verwendeten Meßtaster ergibt sich nun jedoch rechnerisch eine andere Mittelpunktslage der Kalibrierkugel. Die Differenz der Mittelpunktslagen, bezogen auf jeden Taster und den Referenztaster, bezeichnet man als "Ablage", welche bei der Offsetwert-Ermittlung zu berücksichtigen ist.

Ausgehend von den Antastpunkten des Meßlaufes werden nunmehr mit jedem Taster die ihm zugeordneten korrespondierenden Antastpunkte auf der Kalibrierkugel angetastet, und zwar in der Reihenfolge, in der der Meßlauf am Werkstück erfolgt. Da nunmehr die wahre Lage der Punkte auf der Oberfläche der Kugel koordinatenmäßig bekannt ist, kann aus den erhaltenen Meßwerten beim Antasten dieses Punktes mit Hilfe des dem Meßwert auf dem Werkstück zugeordneten Tasters ein Offset ermittelt werden, der auch dem entsprechenden Meßpunkt auf dem Werkstück zuzuordnen ist. Mit anderen Worten, die auf der Kugel gewonnenen Offsetwerte für die einzelnen Meßpunkte werden bei der Antastung der entsprechenden Punkte auf dem Werkstück als Korrekturwerte bei der Koordinatenbestimmung zur Anwendung gebracht.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeigt bereits bei der Ausmessung eines Werkstückes erhebliche Vorteile hinsichtlich Genauigkeit der Messung, indem die sonst mit starken Fehlern behaftete Interpolation mit Bezug auf eine abweichende Antastrichtung entfällt. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens vervielfacht sich bei Serienmessungen von Werkstücken, weil dann, wenn ein neues Werkstück in der Lage des vorherigen Werkstückes angeordnet wird, was ohne Schwierigkeiten möglich ist, die entsprechenden Meßpunkte in derselben Richtung angetastet werden können, so daß die bereits ermittelten Offsets erneut verwendet werden können.

Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, und zwar zeigen:

Fig. 1 die Kalibrierkugel in einem räumlichen Koordinatensystem mit den x-, y- und z-Achsen in perspektivischer Darstellung;

Fig. 2 das auszumessende Werkstück;

Fig. 3 die Kalibrierkugel mit den anzutastenden und auf diese Kugel zu übertragenden Meßpunkten.

In Fig. 1 ist der Mittelpunkt der Kalibrierkugel (K) mit (O) bezeichnet. Die x-Achse schneidet die Oberfläche der Kugel in den Punkten (A₁ und A₂). Die y-Achse schneidet die Oberfläche der Kugel in den Punkten (B₁ und B₂). Die z- Achse schneidet die Oberfläche der Kugel in den Punkten (C₁) und (C₂). Fünf dieser Punkte, zum Beispiel die Punkte (A₁, A₂, B₁, B₂ und C₁) werden jeweils in Richtung der Pfeile (10, 11, 12, 13 und 14) angetastet, das heißt jeweils zum Mittelpunkt (O) der Kugel (K) hin gerichtet, und zwar mit einem Referenztaster (R).

Aufgrund dieser Antastung kann die Mittelpunktslage (O) der Kugel, bezogen auf den Referenztaster, ermittelt werden.

In Fig. 2 ist ein Werkstück (20) dargestellt, das im wesentlichen einen Quader mit einer abgeschnittenen Ecke (21) bildet.

Liegt die Aufgabe vor, zum Beispiel die Lagekoordinaten der Meßpunkte (1, 2, 3 und 4) auf der Oberfläche des Werkstückes (20) zu bestimmen, das heißt einerseits an den Quaderflächen und andererseits an der abgeschnittenen Ecke (21), und zwar jeweils senkrecht zu diesen Flächen, dann werden zunächst die Antastrichtungen (1a, 2a, 3a, 4a) in diesen Punkten (1, 2, 3, 4) ermittelt. Mit diesen Antastrichtungen wird die Kalibrierkugel (K) in den Punkten (P₁, P₂, P₃, P₄) zum Beispiel mit dem Meßtaster (30) angetastet (Fig. 3). Aus den gemessenen Koordinatenwerten in den Punkten (P₁, P₂, P₃, P₄) auf der Kalibrierkugel (K), welche bei Antastung mit dem Taster (30) erhalten werden, und den wahren, bekannten Werten dieser Punkte auf der Kalibrierkugel (K) wird bei dieser Tastung in jedem Punkt (P₁, P₂, P₃, P₄) ein Offset (K₁, K₂, K₃, K₄) erhalten, mit dem die ermittelten Koordinatenwerte der Meßpunkte (1, 2, 3, 4) bei der Antastung des Werkstückes (20) zu korrigieren sind.

Gemäß dem soeben beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde für sämtliche vier Antastungen derselbe Taster (30) verwendet.

Grundsätzlich kann es notwendig werden, für die Ausmessung verschiedener Meßpunkte auf ein und demselben Werkstück (20) unterschiedliche Meßtaster zu verwenden, beispielsweise in der Richtung (1a) den Meßtaster (30), in der Richtung (2a) einen Meßtaster (35) und in der Richtung (3a) einen Meßtaster (36).

Unterschiedliche Meßtaster haben beispielsweise unterschiedliche Antastkugeldurchmesser an ihrer Spitze. Bei leicht zugänglichen Flächen werden Taster mit größeren Kugeldurchmessern verwendet, um Unebenheiten in der anzutastenden Fläche, zum Beispiel Kratzer, zu kompensieren. An schwer zugänglichen Stellen muß man dagegen Taster mit kleineren Tastkugeln verwenden.

Für unterschiedliche Meßtaster ergeben sich in den einzelnen Punkten der Kalibrierkugel (K) unterschiedliche Offsets. Um diese Abweichungen zu erfassen, werden die Meßpunkte (P₁, P₂, P₃, P₄) sowohl auf der Kalibrierkugel (K) als auch auf dem Werkstück (20) in derselben Reihenfolge angetastet, wie es der Meßlauf vorsieht, und zwar mit dem jeweils einem bestimmten Meßpunkt zugeordneten Taster.

Die Verwendung unterschiedlicher Meßtaster (35, 36) ist in Fig. 2 durch hinter die Bezugszahlen (30) in Klammern gesetzte Bezugszahlen (35, 36) kenntlich gemacht.

Für die Bestimmung der Offsets ist weiterhin zu berücksichtigen, daß jeder Taster (30, 35, 36) bei der Antastung der Kalibrierkugel (K) von einer anderen Mittelpunktslage (O′) der Kalibrierkugel (K) auszugehen hat. Denn bestimmt man den Mittelpunkt der Kalibrierkugel (K) mit einem Meßtaster (30, 35 oder 36), zum Beispiel durch Antasten der Oberfläche der Kalibrierkugel (K) in den Punkten (A₁, A₂, B₁, B₂ und C₂) mit den einzelnen Tastern, erhält man jeweils rechnerisch für jeden Taster eine andere Mittelpunktslage (O′) in Fig. 1.

Zur Bestimmung der Koordinaten des Mittelpunktes der Kugel wird zunächst die Antastung der Punkte (A₁, A₂, B₁, B₂, C₁), insgesamt von mindestens drei Punkten auf der Oberfläche der Kugel, mit Hilfe der einzelnen Taster (30, 35, 36) vorgenommen. Aus den erhaltenen Werten wird rechnerisch die Mittelpunktslage der Kugel für jeden Taster (30, 35, 36) ermittelt und daraus weiter die als "Ablage" bezeichneten koordinatenmäßigen Abstände der Tastkugelmittelpunkte der einzelnen Taster (30, 35, 36), bezogen auf die jeweilige Ruhelage der einzelnen Taster im genannten kinematischen Gelenk.

Liegt somit der dieser Kugel zugrunde liegende Mittelpunkt (O′) für jeden Taster (30, 35, 36) fest, wird in der Reihenfolge des Meßlaufes die Kalibrierkugel (K) angetastet, und zwar in den Punkten (P₁, P₂, P₃, P₄), welche den Meßpunkten (1, 2, 3, 4) auf dem Werkstück entsprechen. Aus den gemessenen Koordinatenwerten in den Punkten (P₁, P₂, P₃, P₄) und den wahren Koordinatenwerten dieser Punkte auf der Oberfläche der Kalibrierkugel (K) werden die Offsets für die Punkte (P₁, P₂, P₃, P₄) ermittelt. Diese Werte werden als Offsets bei der eigentlichen Antastung des Werkstückes (20) in den Punkten (1, 2, 3, 4) jeweils in Anrechnung gebracht.

Liegen somit für jeden Punkt auf der Oberfläche der Kalibrierkugel (K) die Offsetwerte für jeden Meßpunkt und für jeden Taster fest, kann dieser Offsetwert bei Antastung eines entsprechenden Punktes auf irgendeinem Werkstück (20), jedoch in derselben Antastrichtung und dem zugeordneten Taster verwendet werden.

Da im allgemeinen die Zahl unterschiedlicher Antastrichtungen für einen spezifischen Taster nicht sehr groß ist und auch die Zahl der Taster gering ist, ist der Aufwand für das beschriebene Verfahren im Vergleich zu dem konventionellen Vorgehen klein, der Genauigkeitsgewinn bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens dagegen sehr groß.

Bezugszeichenliste

K Kalibrierkugel
O Mittelpunkt der Kalibrierkugel
O′ verlagerter Mittelpunkt der Kalibrierkugel
A₁, A₂ Antastpunkte auf der Oberfläche der Kalibrierkugel in der x-Richtung
B₁, B₂ Antastpunkte auf der Oberfläche der Kalibrierkugel in der y-Richtung
C₁, C₂ Antastpunkte auf der Oberfläche der Kalibrierkugel in der z-Richtung
R Referenztaster
x, y, z Koordinatenachsen
P₁, P₂, P₃, P₄ auf die Kalibrierkugel übertragene Meßpunkte
K₁, K₂, K₃, K₄ Offsets
1, 2, 3, 4 Meßpunkte auf dem Werkstück
1a, 2a, 3a, 4a Pfeile (Antastrichtungen der Meßpunkte 1 bis 4)
10, 11 Pfeile in x-Richtung
12, 13 Pfeile in y-Richtung
14 Pfeil in z-Richtung
20 Werkstück
21 Ecke
30 Meßtaster
35 Meßtaster
36 Meßtaster

Claims

1. Verfahren zum taktilen Vermessen von Werkstücken, bei dem die Meßpunkte auf dem Werkstück in bestimmter Reihenfolge mit den einzelnen Meßpunkten zugeordneten Tastern CNC-gesteuert angefahren werden, und bei dem die gemessenen, mit maschinenbedingten systematischen Fehlern behafteten Koordinatenwerte eines jeden Meßpunktes mit einem Korrekturwert (Offset) belegt werden, dadurch gekennzeichnet,

a) daß die Meßpunkte (1, 2, 3, 4) auf dem Werkstück (20) mit ihren Antastrichtungen (1a, 2a, 3a, 4a) auf die Oberfläche einer Kalibrierkugel (K) übertragen werden, derart, daß die Antastrichtungen (1a, 2a, 3a, 4a) wenigstens näherungsweise auf den Mittelpunkt (O) der Kalibrierkugel (K) weisen,
b) daß die diesen Richtungen auf der Oberfläche der Kalibrierkugel (K) zugeordneten Meßpunkte (P₁₁, P₂, P₃, P₄) des Werkstückes (20) mit dem jedem Meßpunkt (1, 2, 3, 4) auf dem Werkstück (20) zugeordneten Taster (30, 35, 36) in der Reihenfolge des vorgegebenen Meßlaufes angetastet und ihre Koordinaten bestimmt werden,
c) daß aus der Differenz der auf der Oberfläche der Kalibrierkugel (K) gemessenen Koordinatenwerte und der wahren Koordinatenwerte der Meßpunkte (P₁, P₂, P₃, P₄) auf der Oberfläche der Kalibrierkugel (K) für jeden Meßpunkt (P₁, P₂, P₃, P₄) ein Offset (K₁₁, K₂, K₃, K₄) ermittelt und abgespeichert wird,
d) daß die Meßpunkte (1, 2, 3, 4) auf dem Werkstück (20) mit den ihnen zugeordneten Tastern (30, 35, 36) im vorgegebenen Meßlauf angetastet werden und die sich hierbei ergebenden Koordinatenwerte in der Koordinatenmeßmaschine mit den auf der Kalibrierkugel (K) für die Meßpunkte (P₁, P₂, P₃, P₄) gewonnenen entsprechenden Offsetwerten korrigiert werden.