DE4409469C1

DE4409469C1 - Verfahren zum Antasten eines Meßpunktes auf einem Werkstück mit Hilfe einer Koordinatenmeßmaschine

Info

Publication number: DE4409469C1
Application number: DE19944409469
Authority: DE
Inventors: Karl Juergen Lenz
Original assignee: Leitz Messtecknik GmbH
Current assignee: Hexagon Metrology GmbH
Priority date: 1994-03-19
Filing date: 1994-03-19
Publication date: 1995-05-11
Anticipated expiration: 2014-03-20

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Antasten eines Meßpunktes auf einem Werkstück mit Hilfe einer Koordinatenmeßmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Zum Antasten des Werkstückes wird der Tastkopf so weit verschoben, bis die Spitze des Tasters das Werkstück berührt. Der Tastkopf besteht aus einem festen Teil, der mit einer Achse des Koordinatenmeßgerätes verbunden ist, und einem beweglichen Teil, der mittels Federelementen im "festen" Teil des Meßkopfes ausweichbar gelagert ist. Die Federn halten das Antastelement vor der Berührung mit dem Werkstück in einer Null-Lage. Zum Antasten des Werkstückes wird der Tastkopf mittels der verfahrbaren Achsen der Koordinatenmeßmaschine auf das Werkstück zu bewegt. Bei Berührung des Antastelementes mit der Werkstückoberfläche wird der bewegliche Teil des Tastkopfes relativ zu dem festen Teil verschoben. Mittels Längenmeßmitteln, die die Bewegung der Achsen sowohl des beweglichen Teiles des Tastkopfes als auch die Achsen des festen Teiles des Tastkopfes registrieren, ist es möglich, die Lage des Berührungspunktes im Raum genau zu bestimmen. Dabei werden während der Verschiebungsphase des beweglichen Teiles des Tastkopfes fortwährend die Koordinaten des Tastkopfes abgelesen. Trägt man die jeweils zu einem Zeitpunkt gehörenden Werte der Auswanderung des Antastelementes bei der Antastung des Werkstückes und der Koordinaten des festen Teiles des Meßpunktes in einem Diagramm gegeneinander auf (EP 0 599 513 A1), so erhält man eine ansteigende oder abfallende Gerade, je nachdem, ob die Werte unmittelbar nach der ersten Berührung des Werkstückes des Antastelementes mit dem Werkstück beim Hineinfahren (Hineinfahren in das Werkstück) oder nach einer Bewegungsumkehr unmittelbar vor dem Verlassen des Werkstückes (Herausfahren aus dem Werkstück) aufgenommen werden. Aus dieser Geraden wird durch Extrapolation der Antastzeitpunkt gewonnen und die diesem Zeitpunkt zugeordnete Koordinate.

Gemäß der DE 42 04 602 A1 werden zur Bestimmung des genauen Antastzeitpunktes und der dazugehörenden Koordinaten die Daten vor, während und nach der Antastung gemessen und zur Gewinnung des Antastzeitpunktes mit den Mustersignalen verglichen.

Diese Verfahren erfordern ein langsames Anfahren des Tasters an das Werkstück.

In der Zeitschrift "Industrie-Anzeiger", 97. Jahrgang, Nr. 65 vom 15. August 1975, Seiten 1404 bis 1408, werden Probleme aufgezeigt, welche bei einem schnellen Anfahren des Tasters an das Werkstück auftreten. Lösungen dieser Probleme werden in diesem Artikel nicht angegeben und insbesondere wird nicht die Tatsache berücksichtigt, daß der Taster beim schnellen Anfahren an das Werkstück zum Schwingen angeregt wird.

Die Verfahren nach dem Stand der Technik haben deshalb den Nachteil, daß die Bewegung des Tastkopfes beim Anfahren an das Werkstück sehr langsam erfolgen muß, um einen genügend genauen Antastzeitpunkt zu erhalten. Dies bedingt eine erhebliche Zeitverzögerung bis zum Erhalt des Meßergebnisses.

Bis heute ist kein Gerät bekanntgeworden, das ein schnelles Anfahren des Tasters an das Werkstück gestattet.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das es gestattet, unter Berücksichtigung der Anfahrgeschwindigkeit die Antastzeit zu verkürzen, so daß der Tastkopf mit seinem Antastelement mit erheblich größerer Geschwindigkeit während der Meßwertaufnahme an das Werkstück und wieder von ihm weggefahren werden kann, ohne daß die Genauigkeit des Meßergebnisses hierunter leidet.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im Anspruch 1 gelöst. Dadurch, daß jetzt die Koordinatenachsen des Tastkopfes in Abhängigkeit von der Anfahrgeschwindigkeit korrigiert werden, erhält man auch bei schnellem Anfahren des Antastelementes an das auszumessende Werkstück sehr genau korrigierte Koordinaten als Meßwerte. Die der Schnellanfahrt zugrundeliegende Differentialgleichung des Anspruches 1 ist hierbei für jede Koordinatenrichtung gesondert anzusetzen.

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

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Antastvorrichtung;

Fig. 2 die Anfahrposition der Antastvorrichtung nach Fig. 1;

Fig. 3 das Diagramm der Auslenkung des Antastelementes in Abhängigkeit vom Fahrweg der Maschinenachse.

In den Fig. 1 und 2 ist mit (1) der gestrichelt eingezeichnete Tastkopf bezeichnet. Mit (2) ist der Taster bezeichnet, der aus dem Tasterstift (3) besteht und einer das Werkstück antastenden Rubinkugel (4). Das anzutastende Werkstück selbst ist mit (5) bezeichnet. Mit dem Werkstück (5) fest verbunden ist eine Maßverkörperung (6). Die feste Verbindung dieser Teile ist durch die Linie (7) dargestellt. Der Tastkopf (1) weist ein feststehendes Element (8) auf, das mit dem Taster (2) zur Antastung des Werkstückes im Punkt (A) in Richtung des Pfeiles (9) bewegt wird. An dem feststehenden Element (8) ist das den Taster (2) tragende bewegliche Element (10) befestigt. Das Element (10) ist mittels Federn, von denen in den Fig. 1 und 2 nur eine Feder (11) dargestellt worden ist, mit dem festen Teil (8) des Tastkopfes (1) verbunden. Der Feder (11) ist eine Dämpfungseinrichtung (12) parallel geschaltet.

Die Auslenkung des beweglichen Teiles (10) beim Anfahren des Tasters (2) an das Werkstück (5) beträgt, wie schematisch mit Hilfe des Pfeiles (13) und einer Skala (14) dargestellt worden ist, den Wert q.

Beim Verfahren des Tasterkopfes (1) derart, daß der Taster (2) das Werkstück (5) berührt, wandert der bewegliche Teil (10) gegen die Kraft der Feder (11) in Richtung des Pfeiles (15) aus. Dieses Anfahren verläuft nach der Differentialgleichung einer gedämpften harmonischen Schwingung, nämlich

m₁_*d²q/dt² + æ_*dq/dt + C₁_*q = 0,

wobei m₁ die Masse des beweglichen Teiles (10) des Tastkopfes (1) ist, C₁ die Federkonstante der Feder (11) und æ der Dämpfungsfaktor des schwingend gelagerten Tasters (2).

Wie in Fig. 2 dargestellt, trifft die Spitze (Rubinkugel (4)) des Tasters (2) auf das Werkstück (5) im Punkt (A), wenn der Tastkopf in Richtung des Pfeiles (9) bewegt wird. Beim Auftreffen der Kugel (4) auf das Werkstück (5) biegt sich der Taststift (3) durch, wie in Fig. 2 dargestellt. Die Steifigkeit des Tasters (2) ist mit C₂ bezeichnet. Damit erhält man die erweiterte Differentialgleichung der gedämpften harmonischen Schwingung nach dem Anspruch 1

m₁_*d²q/dt² + æ_*dq/dt + (C₁ + C₂)_*q = C₂_*v_*t.

In diese Differentialgleichung ist also die Anfahrgeschwindigkeit v des Tastkopfes (1) mit eingegangen, ferner die Steifigkeit der Tastspitze (3).

Die Lösung der Differentialgleichung liefert ein Weg- Zeitgesetz für die Auslenkung des beweglichen Teiles (10) des Tastkopfes (1), das geeignet ist, das Verhalten des Tastkopfes (1) bei Antastung des Werkstückes (5) mit erheblich größeren Geschwindigkeiten v als bisher üblich mit ausreichender Genauigkeit zu beschreiben. Die Meßpunkte lassen sich durch Variationen der Größen: Frequenz, Amplitude und Phase so angeben, daß der Moment der Berührung des Tasters (2) mit dem Werkstück (5) trotz der vorhandenen Schwingungen sicher bestimmt werden kann.

Fig. 3 zeigt den Antastvorgang in graphischer Darstellung.

Als Abszisse ist der Fahrweg der Maschinenachse (X, Y oder Z) angegeben, mit anderen Worten, der Verfahrweg des Tasterkopfes (1) in einer der Koordinatenrichtungen.

Auf der Ordinate sind die Tastkopfauslenkungen q aufgetragen. Beim Antasten erhält man eine Kurve (20) mit den sternförmig eingezeichneten Meßpunkten (21). Die Kurve (20) schneidet die Abszisse im Antastpunkt (M) des Diagrammes. Dieser Antastpunkt (M) ergibt sich aus der Lösung der Differentialgleichung des Anspruches 1 für q = 0.

Man erkennt, daß bei diesem Verfahren die Antastung praktisch mit beliebiger Geschwindigkeit erfolgen kann und trotzdem ein exakter Koordinatenwert X, Y oder Z für jede Antastrichtung erhalten wird, wobei die Differentialgleichung für jede Antastrichtung gesondert anzusetzen ist.

Die Fig. 1 und 2 zeigen die Antastung des Werkstückes (5) für eine Koordinatenrichtung. Für die weiteren Koordinatenrichtungen sind entsprechende Federaufhängungen des Tasters (2) vorgesehen.

Bezugszeichenliste

1 Tastkopf
2 Taster
3 Taststift
4 Rubinkugel
5 Werkstück
6 Maßverkörperung
7 Linie
8 feststehender Teil des Tastkopfes
9 Pfeil
10 beweglicher Teil des Tastkopfes
11 Feder
12 Dämpfungseinrichtung
13 Pfeil
14 Skala
15 Pfeil
20 Kurve
21 Meßpunkte
A Antastpunkt
M Antastpunkt im Diagramm

Claims

1. Verfahren zum Antasten eines Meßpunktes auf einem Werkstück mit Hilfe einer Koordinatenmeßmaschine, welche einen in den Koordinatenrichtungen meßbar verschiebbaren Tastkopf aufweist, in dem der Taster federnd gelagert ist und beim Anfahren des Meßpunktes eine Ausweichbewegung durchführt, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschinenkoordinaten (X, Y, Z) des Verschiebeweges des Tastkopfes (1) jeweils mit einem Wert q korrigiert werden, der sich aus der federnden Aufhängung des Tasters (2) ergibt sowie der Anfahrgeschwindigkeit v des Tasters (2) auf dem Werkstück (5) und daß q aus der Funktion g = f (t) für jede Koordinatenrichtung (X, Y, Z) ermittelt wird, wobei q die Auslenkung des Tasters (2) im Tastkopf (1) beim Auftreffen des Tasters (2) auf das Werkstück (5) bedeutet und aus der Differentialgleichung m₁_*d²q/dt² + æ_*dq/dt + (C₁ + C₂)_*q = C₂_*v_*termittelt wird, wobei m₁ die Masse des den Taster tragenden beweglichen Teiles (10) des Tastkopfes (1), C₁ die Federkonstante der den Taster tragenden Federn (11), C₂ die Biegesteifigkeit des Tasterstiftes (3), æ der Dämpfungsfaktor des schwingend an den Federn (11) aufgehängten Tasters (2), v die Anfahrgeschwindigkeit des Tasters (2) an das auszumessende Werkstück (5), t die Zeit ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für q = 0 die zugehörige Maschinenkoordinaten in den einzelnen Koordinatenrichtungen (X, Y, Z) ermittelt werden.