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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Biegekennzeichnen
bzw. Bestimmen der Durchbiegung eines Fühler-Stiletts bzw. einer Berührungssonde,
das an einer Maschine zum Messen durch Kontakt verwendet wird, bei
laufender Verwendung, wobei die Maschine einen beweglichen Messkopf
aufweist, an dem das Fühler-Stilett
fest angebracht ist, wobei dieses letztere einen Haltestift aufweist,
der an einem ersten Ende ein Kontaktelement oder eine Spitze, und
Verbindungsmittel, welche die Sicherstellung der Verbindung mit
dem Messkopf bei dem zweiten Ende ermöglichen.
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Der
Deformationsgrad gewisser Fühler-Stiletts
ist bekannt. Diese Fühler-Stiletts
umfassen einen flexiblen Messstift, wobei die Deformation durch optische
Stiletts (siehe Dokumente
DE
198 24 107 und WO 00/60310) oder Extensiometer (siehe Dokument
DE 39 33 575 ) bestimmt wird.
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Die
Verwendung eines Referenzgegenstandes zum Kalibrieren von Maschinenwerkzeugen,
beinhaltend einen Messkopf, welcher ein Fühler-Stilett trägt, ist
ebenso seit langem bekannt gewesen. In der Tat erlaubt die Verwendung
eines derartigen Referenzgegenstandes, dessen Abmessungen bekannt sind,
ein sehr genaues Kalibrieren des Messkopfes mit Bezug auf dreidimensionale
räumliche
Koordinatenmessungen.
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Jedoch
weist die Art der Kalibrierung, wie sie vorhergehend beschrieben
worden ist, gewisse Unsicherheiten auf, welche die Präzision aufeinander
folgender Messungen ungünstig
beeinflussen. In der Tat erlaubt eine Kalibrierung, wie sie im Stand
der Technik durchgeführt
wird, den räumliche
Ursprung von Messungen festzulegen, berücksichtigt aber nicht gewisse
Unsicherheiten, so wie Unsicherheiten, die sich auf Deformationen
des Fühler-Stiletts
beziehen, welche sich zu den inhärenten
Messunsicherheiten addieren. Das Messunsicherheits-„Budget" für eine derartige
Maschine wird somit erhöht,
da berechnet wird, die damit verbundene Unsicherheit mit dem Endergebnis
zu berücksichtigen,
wenn diese Unsicherheit maximal ist. Infolgedessen ergibt die geringste
Abnahme in einer der Unsicherheiten, die in einem Messverfahren
auftreten, eine entsprechende Abnahme in dem Unsicherheits-Budget.
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Unsicherheiten,
welche Deformationen des Fühler-Stiletts
hervorrufen, sind sehr klein, aber aufgrund der raschen Entwicklung
in der Technologie und der Zunahme in der Präzision, welche bei Herstellungs-
und Messmethoden verfügbar
ist, entsteht ein permanenter Bedarf, alle Arten von Unsicherheit soweit
wie möglich
zu begrenzen.
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Der
Fühler-Stilett
wird im Allgemeinen aus zwei oder drei Teilen gebildet, die Verbindungsmittel sind,
ein Haltestift und ein Kontaktelement. Die Unsicherheiten, die vorhergehend
beschrieben wurden, stammen aus der Verwendung eines Kontaktelementes,
dessen geometrische Merkmale nicht ideal sind, und aus den unterschiedlichen
Verfahren, die verwendet werden, um die Fühler-Stilett-Komponenten zusammenzubauen.
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Das
Verfahren, welches im Moment zum Zusammenbauen von Fühler-Stilett-Komponenten
verwendet wird, ist ein Verkleben bzw. Bonden, wobei ein adhäsives Material
bzw. Klebstoff verwendet wird. Jedoch weist ein Verkleben den Nachteil
auf, dass die Verteilung des adhäsiven
Materials auf den zwei Oberflächen,
die vor dem Anordnen geklebt werden sollen, nicht in einer zuverlässigen Weise
gesteuert werden kann. Deshalb variiert die Ausrichtung der unterschiedlichen
Komponenten des Fühler-Stiletts in
Bezug zueinander von einem Stilett zu einem anderen, wie auch die
Qualität
der Adhäsion.
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Infolgedessen
ist das dynamische Verhalten von zwei, theoretisch identischen Stiletts
nicht das gleiche, insbesondere wenn man das Biegen betrachtet.
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Das
Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist es somit, die Nachteile
des vorher genannten Standes der Technik durch Bereitstellen eines
Verfahrens zu überwinden,
welches Deformationen von Fühler-Stiletts
während
dem Messzyklus zu berücksichtigen
erlaubt.
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Die
Erfindung betrifft deshalb ein Verfahren zum Biegekennzeichnen eines
Fühler-Stiletts,
das an einer Maschine zum Messen durch Kontakt verwendet wird, bei
laufender Verwendung, wobei die Maschine einen beweglichen Messkopf
aufweist, an dem das Fühler-Stilett
fest angebracht ist, wobei dieses letztere einen Haltestift aufweist,
der an einem ersten Ende ein Kontaktelement und an dem zweiten Ende
Verbindungsmittel, die die Sicherstellung der Verbindung mit dem
Messkopf ermöglichen,
trägt, wobei
das Verfahren die Schritte umfasst, die darin bestehen:
- a) das Fühler-Stilett
durch die Verbindungsmittel an einem Träger zu befestigen,
- b) auf einen Ausübungspunkt,
der sich an einem ersten Teil des Fühler-Stiletts befindet, eine
Kraft auszuüben,
- c) die durch den ersten Teil des Fühler-Stiletts ausgeführte Verlagerung
mit Hilfe einer ersten Messvorrichtung zu messen,
- d) die Schritte b) und c) mehrmals zu wiederholen, indem jedes
Mal die Ausübungspunkte
der Kraft und der entsprechenden Messung geändert werden, derart, dass
eine radiale Verteilung des Wertes der Biegung, der das Fühler-Stilett
unterworfen wird, erhalten wird,
- e) eine Darstellung der durch die Ausführung der Schritte a) bis d)
erhaltenen Messergebnisse zu liefern.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird die Kraft auf einen ersten Teil des Kontaktelementes ausgeübt, wobei
die Messvorrichtung auf einem zweiten Teil des Kontaktelementes
angeordnet ist, wobei es angeordnet ist, dass es auf den ersten
Teil zeigt. Der Schritt b) von vorher besteht in dem Fall, dass
das Messwerkzeug ein Fühler-Stilett
ist, dessen Kontaktelement eine Kugel ist, in einem Ausüben von Druck
auf einen ersten Punkt, welcher sich im Wesentlichen auf dem Äquator der
Kugel befindet, wobei die entsprechende Größe der Verlagerung der Kugel gemessen
wird, indem ein Komparator in der Nähe eines zweiten Punktes der
Kugel, diametral gegenüber
dem ersten Punkt verwendet wird.
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Infolgedessen
besteht Schritt c) vorhergehend dann in einem Berechnen der Biegung,
welcher der Fühler-Stilett
bei Bedingungen nahe der realen Verwendungsbedingungen unterzogen
wird.
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Darüber hinaus
ermöglicht
ein mehrmaliges Wiederholen der vorhergehenden Schritte b) bis c) die
Biegung des Fühler-Stiletts in allen
Richtungen zu bestimmen und somit eine radiale Verteilung der Biegung
zu erhalten, wobei es möglich
ist, das dynamische Verhalten des Fühler-Stiletts vollständig zu
kennen.
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Ein
zweiter Komparator kann während
den Messschritten verwendet werden, wobei es möglich ist die Stärke der
Verlagerungen des Verbindungsmittels des Stiletts mit Bezug auf
den Halt und mit Bezug auf das Kontaktelement zu bestimmen.
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Ähnlich kann
ein dritter Komparator verwendet werden, welcher erlaubt, die Größe der Verlagerung
des Endes des Haltestiftes, welcher sich in der Nähe des Kontaktelementes
befindet, insbesondere mit Bezug auf das Kontaktelement selbst zu
bestimmen. Auf diese Weise kann man ein genaues, vollständiges und
detailliertes Wissen des dynamischen Verhaltens des Fühler-Stiletts
erhalten. Dies erlaubt einem vorteilhaft, genauer als im Moment
zu bestimmen, welche Unsicherheiten im Hinblick auf den Messkopf
entstehen, und somit das Unsicherheits-Budget des Messkopfes in
einem großen
Ausmaß zu
reduzieren. Je mehr man in einem derartigen Fall wünscht, die
Messung mit einem Stilett durchzuführen, desto vorteilhafter ist
es selbstverständlich ein
automatisiertes Verfahren zu verwenden.
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Infolgedessen
kann der Hersteller derartiger Mess-Stiletts das dynamische Verhalten
jedes Stiletts, den er vermarkten möchte, definieren, und einen
Bericht, welcher erhaltene Ergebnisse darstellt, in der Form eines
Zertifikates bereitstellen, welches die Höhe der Unsicherheiten, die
mit dem Stilett verbunden sind, dem Kunden garantiert. Der Nutzer kann
somit diese Information mit der nachfolgend erhaltenen kombinieren,
wenn das Bezugsobjekt gemessen wird, um das Gesamtniveau einer Unsicherheit
seines Maschinenwerkzeuges exakt zu definieren.
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Die
Erfindung wird mittels Verwendung der folgenden Beschreibung eines
Ausführungsbeispieles
mit Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen genauer erklärt,
in welchen:
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1 eine
vereinfachte Draufsicht darstellt, wobei ein Teil dieser ein Querschnitt
eines Fühler-Stiletts
ist, das auf einem Träger
befestigt ist, zum Implementieren des Verfahrens gemäß der Erfindung;
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2 eine
vereinfachte Draufsicht eines Fühler-Stiletts
von 1 ist, wobei das Stilett zum Zwecke der Klarheit
während
eines Messschrittes des Verfahrens gemäß der Erfindung in einer absichtlich übertriebenen
Weise verformt ist;
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3 ein
Beispieldiagramm ist, welches die Amplitude der Verlagerungen darstellt,
welcher das Kontaktelement mit Bezug auf seine Ruheposition unterzogen
wird, welche durch Implementieren des Verfahrens gemäß der Erfindung
erhalten wird.
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Die
drei Komponenten eines Fühler-Stiletts 1 können in 1 unterschieden
werden, d.h. Verbindungsmittel 2, welches hier mit einem
Träger 3 mit fester
Position verbunden ist, wobei nur ein Teil davon sichtbar ist, Haltestift 4 und
Kontaktelement oder Spitze 5, welches hier eine Kugel ist.
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Es
ist selbstverständlich
klar, dass, wenn einmal eine Kalibrierung gemäß der Erfindung durchgeführt worden
ist, das Fühler-Stilett
verwendet werden kann, um Messungen durchzuführen und wobei es infolgedessen
auf einem Messkopf (nicht dargestellt) an der Stelle des festen
Trägers 3 angeordnet
ist.
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Bevorzugt
sind das Verbindungsmittel 2 und der Haltestift 4 aus
einem harten, leichten Material, so wie einem Cermet, beispielsweise
Wolframcarbid hergestellt. Diese Materialien ermöglichen einem Stilett, gute
mechanische Eigenschaften im Hinblick auf Steifigkeit und zu erzielender
Leichtigkeit aufzuweisen, die unerlässlich bezüglich der Genauigkeit und Schnelligkeit
der Messungen sind.
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Der
Zusammenbau dieser zwei Teile wird bevorzugt mittels Laserschweißen oder
-Binden (hooping) erzielt. Das Verbindungsmittel 2 ist
von einer herkömmlichen
Art, so wie einem zylindrischen Teil, welcher eine äußere Einfädelung (threading)
auf einer Seite zum Bilden der Verbindung mit dem Messkopf, hier
festen Träger 3,
trägt und
eine Bohrung (bore) auf der anderen Seite zum Bilden der Verbindung 6 mit
dem Haltestift 4. Es kann auch festgestellt werden, dass
das Verbindungsmittel 2 zwei Löcher 17 (wobei nur
eines dieser in 2 sichtbar ist) beinhaltet,
die als Griffe (grips) zum Erleichtern des Befestigens auf dem festen
Träger 3 oder
auf einem Messkopf verwendet werden.
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Darüber hinaus
muss die Kugel 5 auch aus einem harten, leichten Material
aus den vorhergenannten Gründen
hergestellt sein, weshalb ein keramisches Material oder Kurund bevorzugt
verwendet werden. Diese Materialien weisen auch einen guten Widerstand
bezüglich
Reibungsabnutzung auf, was ebenso unerlässlich beim Bilden eines Kontaktelementes
ist. Die Kugel 5 ist auf dem Haltestift 4 mittels Verkleben
bzw. Bonden oder Löten
gesichert, wobei diese beiden Techniken üblich und preiswert sind. Ein Kleben
in diesem Fall weist weniger Schwierigkeiten beim Anordnen des Haltestifts 4 auf
dem Verbindungsmittel 2 auf, da die beiden Oberflächen, die
miteinander verklebt werden sollen, leicht zugänglich sind, was somit die
Verteilung des Klebstoffes genau steuern lässt.
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Aber
auch andere Ausführungsformen
eines Fühler-Stiletts 1 können ins
Auge gefasst werden, so wie ein Verwenden eines Haltestift-4-Verbindungsmittels 2,
eine Anordnung, die aus einem einzelnen Teil hergestellt wird. Ebenso
können
andere passende Materialien zum Herstellen der Kugel 5 verwendet werden.
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Auch
drei Komparatoren 7, 8 und 9 sind schematisch
in 1 dargestellt, zusätzlich zu einem Pfeil über jedem
der Komparatoren, welcher ein mobiles Fühlerelement 10 darstellt,
welches eine Hand 11 des Komparators aktiviert. Die Ausübung von
Druck auf dieses mobile Fühlerelement 10 erzeugt
eine Rotation der Hand 11 und die Messung der entsprechenden
Verlagerungsgröße.
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Um
das Verfahren gemäß der Erfindung
zu implementieren, wird das Stilett 1 auf dem festen Träger 3 gesichert,
wie in 1 gesehen werden kann. Ein Druck von beispielsweise
ungefähr
3 Newton wird dann auf einen ersten Punkt der Kugel 5 nahe deren Äquator ausgeübt. Dieser
Druck entspricht dem Druckwert des Stiletts 1, welchem
dieser während
eines herkömmlichen
Messzyklus unterzogen wird. Gleichzeitig ist ein Komparator 7 vor
einer Ausübung
des Druckes auf einen zweiten Punkt der Kugel 5 gegenüber dem
ersten Punkt angeordnet, welcher die Verlagerungsgröße der Kugel,
die durch den Druck verursacht wird, misst.
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Diese
erste Messung ermöglicht
somit die Gesamtbiegungsdeformation des Stiletts 1 während eines
Arbeitsvorgangs festzustellen, genauer die Biegedeformation, die
zwischen der Kugel 5 und dem Träger des Messkopfes 3 auftritt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird ein zweiter Komparator 8 verwendet, welcher
auf einem Peripheriepunkt des Verbindungsmittels 2 in der
medianen Ebene des Stiletts 1, die durch zwei Punkte der
Kugel 5 auf der Seite des zweiten Punktes definiert wird,
angeordnet ist. Dieser zweite Komparator 8 ermöglicht die
Verlagerungsgröße des Verbindungsmittels 2 zu
messen, welche durch Ausübung
des Druckes hervorgerufen wird. Man kann somit die Biegungsdeformation
des Stiletts 1, die zwischen der Kugel 5 und Verbindungsmittel 2 auftritt,
ableiten.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird ein dritter Komparator 9 verwendet,
welcher auf einem Peripheriepunkt des Haltestifts 4 in
der medianen Ebene auf der Seite des zweiten Punktes und in der
Nähe der
Kugel 5 angeordnet ist. Der dritte Komparator 9 ermöglicht die
Verlagerungsgröße des entsprechenden
Endes des Stiftes 4, die durch Ausübung des Druckes verursacht wird,
zu messen.
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Im
Allgemeinen und in der Praxis ist das Verfahren nicht auf die hier
vorhergehend beschriebenen Messungen beschränkt, besteht aber eher in einer
Wiederholung aller dieser Messungen, wobei die mediane Ebene bei
jeder neuen Gruppe von Messungen gewechselt wird, wobei der Übergang
von einer medianen Ebene zu der nächsten in einer Rotation über einen
Winkel von a = 360/x um die Symmetrieachse 12 des Stiletts 1 besteht,
wobei x der Anzahl gewünschter
Messungen entspricht.
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Selbstverständlich bringt
ein Multiplizieren der Messungen eine Zunahme in der Implementierungsdauer
des Verfahrens gemäß der Erfindung
mit sich, weshalb es vorteilhaft ist, in einem derartigen Fall das
Verfahren zu automatisieren. Man kann beispielsweise den Träger 3 auf
einer Rotationsanordnung, die durch Kugellager 13 in 1 und 2 dargestellt
ist, anordnen und somit diese rotieren, wobei eine Steuerungseinheit
(nicht dargestellt) verwendet wird, wobei entweder diskontinuierlich
mit einem anpassbaren Rotationsgrad a oder kontinuierlich rotiert
wird.
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Gleichzeitig
können
die Komparatoren mit einer elektronischen Vorrichtung zum Messen
und Verarbeiten der Ergebnisse verbunden werden, so wie einem Computer,
dargestellt durch das Bezugszeichen 14 in 2.
Diese elektronische Vorrichtung 14 kann auch mit einem
Drucker 15 verbunden sein, welcher Messergebnisse druckt,
beispielsweise in der Form eines Diagramms.
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Auf
diese Weise kann der Stiletthersteller Informationsaufzeichnungen
bezüglich
des Biegens des Stiletts in alle Richtung mit Bezug auf seine Symmetrieachse
erhalten und seinen Kunden bereitstellen. Ein Beispiel des Diagrammtyps,
welches für
diesen Zweck dargestellt werden kann, ist in 3 dargestellt.
Dieses zeigt einen ersten Graphen, welcher mit a bezeichnet wird, welcher die Abschwächung in einer
Sphärizität des Kontaktelementes 5 mit
Bezug zu einer perfekten Kugel von gleichem Radius zu dem mittleren
Radius des Kontaktelementes 5 darstellt, und welche auf
ihrer äquatorialen
Peripherie gemessen wurde, wobei von einer Startposition ausgegangen
wird, die Null in dem Diagramm entspricht. Die zweite Kurve, die
mit b bezeichnet wird, ist
ein Diagramm der Messergebnisse, die durch Implementieren des Verfahrens
gemäß der Erfindung
erzielt worden sind. Jeder Punkt auf der Kurve b stellt für einen gewissen Winkel mit
Bezug auf die Startposition die Amplitude der Verlagerung dar, die
durch das Kontaktelement mit Bezug auf seine Ruheposition erzeugt
wird. In dem hier dargestellten Beispiel wurden 36 Messungen durchgeführt, die
durch kleine Pfeile dargestellt sind, wobei das Stilett 1 um
10° zwischen jeder
Messung gedreht worden ist. Die Kurve b wurde
dann mittels Extrapolationsberechnungen, die durch eine elektronische
Vorrichtung 14 durchgeführt wurden,
erzielt.
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Die
zuletzt beschriebene Variante ermöglicht vorteilhaft das Verhalten
des Stiletts während
eines Messzyklusses genau zu bestimmen. Insbesondere ermöglicht es,
das vollständige
Verhalten der unterschiedlichen Komponenten eines Stiletts 1 in
Bezug zueinander, zusätzlich
zu dem Gesamtverhalten des Stiletts, insbesondere beim Biegen zu
kennen. Dieses Wissen ermöglicht
dem Stiletthersteller den Kunden, welcher dieses Stilett verwendet,
genau über
die Unsicherheiten, die beim Berechnen des Unsicherheits-Budgets
herangezogen werden müssen,
zu informieren. Der Hersteller kann jedes der Stiletts mit einem
Zertifikat vermarkten, welches die dynamische Kalibrierung zertifiziert
und somit seinen Kunden einen gewissen Unsicherheitswert für jedes
Stilett garantieren. Ein Zertifikat dieses Typs sagt dem Nutzer eines
derartigen Stiletts die genauen Unsicherheiten bei der Geometrie
des Stiletts, die er heranziehen muss, um sein Unsicherheits-Budget
zu berechnen.
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Die
vorhergehende Beschreibung entspricht bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung und sollte in keinster Weise als darauf beschränkt betrachtet
werden. Der Stiletthersteller kann beispielsweise, auf einer Fall-zu-Fall-Basis selbst über die Zahl
der Messungen entscheiden, die bei einem Stilett durchgeführt werden
sollen, um Daten zu erhalten, die repräsentativ für das Verhalten des Stiletts sind.
Darüber
hinaus entspricht die Anordnungsweise, die für die unterschiedlichen Stilettkomponenten beschrieben
wurde, der bevorzugten Ausführungsform,
wobei allerdings das Verfahren gemäß der Erfindung auf alle Stilettarten
angewendet werden kann.