DE4436782B4

DE4436782B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Vermessung von Prüflingen auf einem Koordinatenmeßgerät

Info

Publication number: DE4436782B4
Application number: DE4436782A
Authority: DE
Inventors: Karl-Hermann Dr. Breyer; Hans-Gerd Pressel; Egbert Morgenbrod; Karl Schepperle
Original assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 1993-10-21
Filing date: 1994-10-14
Publication date: 2006-05-04
Anticipated expiration: 2014-10-15
Also published as: DE4436782A1

Abstract

Verfahren zur Vermessung von Prüflingen (19) auf einem Koordinatenmeßgerät, wobei der Prüfling (19) in ein im Meßbereich des Koordinatenmeßgeräts angeordnetes Flüssigkeitsbad (5, 13) gesetzt wird, dessen Temperatur während des Meßvorganges im wesentlichen konstant gehalten wird, und die Meßpunkte am Prüfling (19) mit einem in das Flüssigkeitsbad (5, 13) eintauchenden Taststift (17) angetastet werden.

Description

Die geometrischen Abmessungen von Prüflingen werden auf Koordinatenmeßgeräten bisher ausschließlich "trocken", d.h. in Luft gemessen, indem die zu vermessenden Punkte am Prüfling mit der Tastkugel des am Tastkopf beweglich gehaltenen Taststiftes mechanisch in Kontakt gebracht werden. Dabei hängt die Genauigkeit der Koordinatenmessung unter anderem davon ab, wie gut die Temperatureinflüsse auf das Koordinatenmeßgerät und den Prüfling ausgeschaltet oder korrigiert werden können.
Die Meßwerte werden in der Regel für die Bezugstemperatur 20°C angegeben. Der klimatechnische Aufwand, die Bezugstemperatur während der Messung für die Maschinenteile und den Prüfling einzuhalten, ist allerdings hoch. Deshalb wird oft auch bei anderen Temperaturen gemessen und die Meßwerte werden auf die Bezugstemperatur von 20°C umgerechnet. Das setzt jedoch voraus, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient des Prüflings hinreichend genau bekannt und homogen ist. Diese Voraussetzung ist jedoch nicht immer gegeben. Prüflinge, die während der Bearbeitung z.B. durch Hochgeschwindigkeitsschleifen örtlich sehr stark aufgeheizt werden, unterliegen Gefügeänderungen, die den thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_T unsicher machen. Er weicht dann für den Prüfling von dem für das Material angegebenen Werten teils merklich ab. Außerdem ist es schwierig, Temperaturgradienten innerhalb des Koordinatenmeßgerätes oder des Prüflings während der Messung zuverlässig auszuschließen. Temperaturgradienten im Prüfling haben ebenfalls nicht korrigierbare Abweichungen zur Folge.
Ein weiteres Problem besteht darin, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient α_T oftmals nicht hinreichend genau bekannt ist. Denn meist wird nur der Wert für die betreffende z.B. Stahlsorte spezifiziert, während das daraus z.B. hergestellte Endmaß sich infolge des induktiven Härteprozesses im thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_T verändert. Wenn dann mit solchen Endmaßen Koordinatenmeßgeräte der höchsten Genauigkeitsklasse nicht bei der Bezugstemperatur abgenommen werden, ergeben sich falsche Meßwerte.
Es besteht zwar die Möglichkeit, den thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Normalen von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt bestimmen zu lassen. Hierfür werden jedoch nur Prüflinge mit bestimmten Abmessungen wie beispielsweise Endmaße angenommen, entsprechend dem Meßbereich des dort verwendeten Monokomperators. Die Ermittlung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten von größeren Prüflingen erfordert eine Meßzeit von mehreren Tagen, da diese Messung dann mit einem Laserinterferometer erfolgt und hierfür der gesamte Meßraum mit der darin befindlichen Meßapparatur temperiert wird.

Aus der DE 36 31 825 A1 ist es bekannt, Koordinatenmeßgeräte zur Reduzierung von Temperatureinflüssen auf die Meßgenauigkeit in einer klimatisierten Kabine zu kapseln. Aus der DE 38 12 956 A1 ist es weiterhin bekannt, zumindest Teile eines Koordinatenmeßgerätes zu temperieren und damit die Temperatur z.B. der Führungen des Koordinatenmeßgeräts konstant zu halten, damit diese sich nicht aufgrund von Temperaturgradienten verformen. Beide Maßnahmen sind jedoch nicht dazu geeignet, Fehlereinflüsse aufgrund eines Temperaturgradienten im Prüfling oder aufgrund eines nicht bekannten oder inhomogenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Prüfling auszuschalten.

Aus der DE 33 25 387 ist es bekannt, Prüfnormale während des Abnahmevorganges für ein Koordinatenmeßgerät zu temperieren.

Hierbei handelt es sich um spezielle Prüfnormale, in die Kanäle eingearbeitet sind, durch die die Kühlflüssigkeit zirkuliert.

Für die Vermessung von sonstigen Prüflingen, die z.B. direkt aus der Fertigung angeliefert werden, ist diese Methode nicht geeignet.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren anzugeben, das die Koordinatenmessung an beliebigen Prüflingen auch bei ganz unterschiedlichen und von der Bezugstemperatur von 20°C abweichenden Temperaturen mit hoher Genauigkeit zuläßt.

Diese Aufgabe wird mit dem in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Ein dafür geeignetes Koordinatenmeßgerät besitzt den in Anspruch 5 angegebenen Aufbau.

Gemäß der Erfindung wird also der Prüfling in einem Flüssigkeitsbad gemessen, dessen Temperatur während des Meßvorganges beispielsweise mit Hilfe eines Thermostaten konstant gehalten wird. Hierdurch ergeben sich mehrere Vorteile: Einmal findet ein schneller Übergang zwischen der anfänglichen Prüflingstemperatur und der Meßtemperatur statt, d.h. der Prüfling gleicht sich sehr schnell an das gewünschte Temperaturniveau an. Außerdem wird durch den verbesserten Wärmeübergang zwischen dem Prüfling und dem Bad die Temperatur innerhalb des Prüflings homogener, d.h. Temperaturgradienten im Prüfling werden vermieden, so daß sich Formabweichungen besser und sicherer messen lassen.

Da sich der Prüfling und seine Umgebung, d.h. das Flüssigkeitsbad auf gleicher Temperatur befinden, läßt sich diese auch sehr viel genauer messen. Entsprechend genauer ist der auf die Bezugstemperatur von 20°C bezogene Meßwert.

Das Verfahren bietet außerdem die Möglichkeit, die Abmessung des Prüflings hochgenau bei verschiedenen Temperaturen zu ermitteln und damit den thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_T des Prüflings direkt auf dem Koordinatenmeßgerät zu bestimmen. Das ist in vielen Fällen sehr von Vorteil, beispielsweise wenn es sich bei dem Prüfling um Meßmittel wie z.B. Endmaße und Lehren handelt, die zur Abnahme von Geräten bei ganz unterschiedlichen Temperaturen eingesetzt werden sollen.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der 1 und 2 der beigefügten Zeichnungen.
1 ist eine perspektivische Prinzipskizze, in der ein Koordinatenmeßgerät mit aufgesetztem temperierten Flüssigkeitsbad dargestellt ist;
2 zeigt das Flüssigkeitsbad (5) aus 1 mit dem darin eingesetzten Meßobjekt (19) im Schnitt und vergrößertem Maßstabe.
Das in 1 dargestellte Koordinatenmeßgerät ist eines vom sogenannten Portaltyp herkömmlicher Bauart. Es besitzt einen Granittisch (1), auf dem das Portal (2) waagerecht verfahrbar ist. Das Portal (2) trägt seinerseits wieder den senkrecht dazu ebenfalls waagerecht verschiebbaren Querschlitten (3), in dem die vertikal verschiebbare Pinole (4) gelagert ist. Am unteren Ende der Pinole (4) ist der Tastkopf (7) mit dem darin auslenkbar gelagerten Taststift angesetzt. Mit (11) ist die Steuerung des Koordinatenmeßgerätes bezeichnet. Sie ist mit dem Rechner (12) verbunden, der die Bewegungen des Tastkopfes (7) steuert und die ermittelten Koordinatenmeßwerte weiter verarbeitet. Ein solches Koordinatenmeßgerät wird beispielsweise unter der Bezeichnung "UPMC Carat" von der Anmelderin vertrieben.
Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist auf den Tisch (1) des Koordinatenmeßgerätes ein Flüssigkeitsbad (5) aufgesetzt, in dem sich der zu vermessende Prüfling befindet. Das Flüssigkeitsbad (5) wird von einer Temperiereinheit (8) versorgt, die über eine Zuleitung (10) die auf die gewünschte Temperatur aufgeheizte bzw. abgekühlte Flüssigkeit in das Bad (5) pumpt und über den Ablauf (9) wieder abzieht. Eine solche Temperiereinheit wird beispielsweise von der Firma Julabo in Seelbach unter der Bezeichnung FP50MH vertrieben. Mit der Temperiereinheit (8) läßt sich die Temperatur des Flüssigkeitsbades (5) auf besser als 0,05 k konstant halten.
Die Flüssigkeit im Bad (5) besteht dann, wenn die darin zu vermessenden Prüflinge Aluminium- oder Kunststoffteile sind, aus reinem Wasser. Für die Vermessung von Stahl- oder Eisenteilen wird das Bad hingegen zweckmäßig mit einem synthetischen Öl gefüllt, das unter der Bezeichnung "Synfluid" vertrieben wird. Dieses 61 ist ein schadstofffreies, geruchsneutrales Öl mit geringem Dampfdruck auf der Basis von Polyalphaolefin, das dennoch aber ausreichend dünnflüssig ist, um die Temperaturkonstanz im Bad (5) zu gewährleisten.
Wie aus 2 hervorgeht befindet sich die Flüssigkeit (13) des Bades in einer doppelwandigen Wanne (15/16), um die Flüssigkeit (13) ausreichend von der Umgebung zu isolieren. Die Wanne (15) ist mit einem Deckel (6) abgedeckt, der eine schlitzförmige Öffnung (14) nur in dem Bereich besitzt, in dem der Taststift (17) zur Vermessung des Prüflings (19) in die Flüssigkeit (13) des Bades (5) eintaucht. Hierdurch wird der Wärmeaustausch zwischen der Flüssigkeit (13) und der Umgebung über die Dampfphase weitgehend eingeschränkt.
Ein Temperaturfühler (18) dient dazu, die Temperatur der Flüssigkeit (13) und damit des Prüflings (19) in unmittelbarer Nähe des Prüflings (19) ebenfalls auf 1/100° C genau zu ermitteln. Der Temperaturfühler (18) ist mit der Elektronik (11) des Koordinatenmeßgeräts verbunden und die Temperaturmeßwerte werden ebenfalls an den Rechner (12) des Koordinatenmeßgeräts weitergeleitet und von diesem bei der Berechnung der Koordinatenmeßwerte berücksichtigt.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Prüfling (19) ein Stufenendmaß, dessen Abmessungen mit höchster Genauigkeit im subμm-Bereich bei der Bezugstemperatur von 20° gemessen werden sollen, auf die die Temperatur des Öls (13) konstant gehalten wird. Da das Endmaß (19) nach seiner Kalibrierung anschließend zur Abnahme von Koordinatenmeßgeräten bei auch von 20° abweichenden Temperaturen benutzt werden soll, wird gleichzeitig der thermische Ausdehnungskoeffizient α_T des Endmaßes (19) bestimmt. Hierzu wird die Flüssigkeit (13) in der Wanne (16) über einen Temperaturbereich von ca. 30° in Abständen von 5°C variiert und die Positionen der Endmaßstücke (20) durch Antasten mit dem Taststift (17) am Tastkopf (7) des Koordinatenmeßgeräts bei den verschiedenen Temperaturen bestimmt. Auf diese Weise ist es möglich, den thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_T des Endmaßes (19) auf besser als 2 × 10^–7 zu messen.
Um den Meßablauf automatisch durchführen zu können ist die Temperiereinheit (8) an den Rechner (12) des Koordinatenmeßgerätes angeschlossen und eine entsprechende Steuersoftware sorgt dafür, daß sich die Meßabläufe des Koordinatenmeßgerätes nach dem Einregeln der Temperatur des Flüssigkeitsbades auf den nächsten einzustellenden Wert wiederholen.
Im beschriebenen Ausführungsbeispiel wird der Taststift (17) sich dann, wenn er in die Flüssigkeit (13) eintaucht und diese eine andere Temperatur besitzt als die übrigen Teile des Koordinatenmeßgerätes, entsprechend seinem eigenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten verkürzen oder verlängern. Diese Maßänderung ergibt dann keinen Meßfehler, wenn der Taststift wie dargestellt senkrecht zu den anzutastenden Flächen der Endmaßstücke (20) ausgerichtet ist. Bei anderen Meßaufgaben, wenn beispielsweise ein Sterntaster für das Messen in der Flüssigkeit (13) benutzt wird, ist die Längenänderung des Taststifts zu berücksichtigen. Dies kann entweder rechnerisch geschehen oder indem der Taststift bei jeder Temperaturänderung an einen ebenfalls im Bad (5) aufgestellten Referenzkörper neu kalibriert wird.
Neben dem vorstehend beschriebenen hochgenauen Vermessen von Endmaßen kann das erfindungsgemäße Verfahren auch für die Messung von Werkstücken benutzt werden, die direkt aus der Fertigung mit einer nicht konstanten Temperatur zwischen beispielsweise 26°C und 30°C zum Meßgerät kommen. Dieses Meßproblem tritt u.a. auf, wenn produktionsnah mittels Hochgeschwindigkeitsschleifen fertig bearbeitete Lagerringe auf Rundheit und Durchmesser gemessen werden müssen. Nach dem Eintauchen in das Bad nehmen sie schnell dessen Temperatur an und können beispielsweise direkt bei der Referenztemperatur von 20°C gemessen werden.

Claims

Verfahren zur Vermessung von Prüflingen (19) auf einem Koordinatenmeßgerät, wobei der Prüfling (19) in ein im Meßbereich des Koordinatenmeßgeräts angeordnetes Flüssigkeitsbad (5, 13) gesetzt wird, dessen Temperatur während des Meßvorganges im wesentlichen konstant gehalten wird, und die Meßpunkte am Prüfling (19) mit einem in das Flüssigkeitsbad (5, 13) eintauchenden Taststift (17) angetastet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Temperatur des Prüflings (19) bzw. der Flüssigkeit (13) des Bades (5) während der Koordinatenmessung auf besser als 1/10°C ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Abmessungen des Prüflings (19) bei verschiedenen Temperaturen ermittelt und der thermische Ausdehnungskoeffizient α_T des Prüflings (19) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, wobei die Temperatur der Flüssigkeit (13) des Bades (5) von der Ümgebungstemperatur und insbesondere von der Bezugstemperatur für Längenmessungen von 20°C abweicht und die Längenausdehnung des in die Flüssigkeit (13) des Bades (5) eintauchenden Taststiftes (17) bei der Vermessung des Prüflings (19) mit berücksichtigt wird.
Koordinatenmeßgerät für die Längenmessung an Prüflingen mit – einem in mehreren Raumrichtungen beweglichen Tastkopf (7) der einen Taststift (17) trägt, – einem Tisch (1) zur Aufnahme des zu vermessenden Prüflings – einem Rechner (12), der die Bewegungen des Tastkopfs steuert und die ermittelten Meßwerte weiterverarbeitet, – einem auf dem Meßtisch (1) angeordneten Flüssigkeitsbad (5, 13), in welches der zu vermessende Prüfling (19) vollständig eintaucht, – einer Temperiereinheit (8) zur Regelung der Temperatur des Flüssigkeitsbades (5, 13), und – einem Temperaturfühler (18), der die Temperatur des Prüflings (19) bzw. der Flüssigkeit (13) mißt und die Temperaturmeßwerte an den Rechner (8) des Koordinatenmeßgeräts überträgt.
Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 5, wobei der Prüfling (19) aus Stahl besteht und die Flüssigkeit (13) des Bades (5) Öl ist.
Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 5, wobei der Prüfling aus Kunststoff oder Aluminium besteht und die Flüssigkeit des Bades Wasser ist.
Koordinatenmeßgerät nach einem der Ansprüche 5–6, wobei das Bad (5) eine Abdeckung (6) besitzt, die öffnungen (14) nur an den Stellen aufweist, an denen der Taststift (17) für die Messung am Prüfling (19) in das Bad (5) eintaucht.
Koordinatenmeßgerät nach einem der Ansprüche 5–8, wobei die Prüflinge Endmaße (19) oder Lehren sind.
Koordinatenmeßgerät nach einem der Ansprüche 5–9, wobei die Prüflinge direkt aus der Fertigung kommende Teile mit unsicherem thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_T bzw. von der Umgebungstemperatur oder der Bezugstemperatur 20° C abweichender Temperatur sind.
Koordinatenmeßgerät nach einem der Ansprüche 5–10, wobei die Temperiereinheit (8) und die Steuerung (11) des Koordinatenmeßgeräts an einem gemeinsamen Rechner (12) angeschlossen sind, der ein Softwaremodul für die automatische Bestimmung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_T von Prüflingen enthält.