DE60300331T2

DE60300331T2 - Dynamischer vergleich von artefakten

Info

Publication number: DE60300331T2
Application number: DE60300331T
Authority: DE
Inventors: Benjamin Roller Berkeley TAYLOR; Geoffrey Dursley McFARLAND
Original assignee: Renishaw PLC
Current assignee: Renishaw PLC
Priority date: 2002-03-06
Filing date: 2003-03-06
Publication date: 2005-06-30
Anticipated expiration: 2023-03-07
Also published as: JP2005519277A; EP1446636B1; EP1528355B1; ATE289407T1; EP1446636B2; EP1528355A3; EP1528355A2; JP5425267B2; EP1446636A1; DE60300331T3; GB0205332D0; DE60300331D1; US20050005465A1; AU2003216997A1; WO2003074968A1; CN1295484C; CN1639541A; US7079969B2; JP2012198241A

Description

Die Erfindung betrifft eine Koordinatenmessvorrichtung zum Prüfen der Abmessungen von Werkstücken. Eine Koordinatenmessvorrichtung umfasst zum Beispiel Koordinatenmessmaschinen (CMM), Werkzeugmaschinen, manuelle Koordinaten-Messarme und Prüfroboter.
Es ist übliche Praxis, Werkstücke, nachdem sie gefertigt wurden, an einer Koordinatenmessmaschine mit einer Hülse, an der ein Tastkopf befestigt ist, der in drei orthogonalen Richtungen X, Y, Z innerhalb eines Arbeitsvolumens der Vorrichtung angetrieben werden kann, zu prüfen.
Durch die dynamischen Verformungen des Tastkopfes bewirkte Ungenauigkeiten können reduziert werden, indem der Tastkopf sehr langsam bewegt wird, wenn er die Oberfläche des Werkstückes berührt.
Es ist üblich, bevor jegliche Messungen vorgenommen werden, einen Kalibrier- oder „Bezugs"-Zyklus durchzuführen, bei dem der Tastkopf durch Berühren von Oberflächen eines Referenzobjekts bei der gleichen langsamen Geschwindigkeit kalibriert wird. Dies ermöglicht die Berechnung von Offsets, die gespeichert und verwendet werden, um die nachfolgenden Messablesungen hinsichtlich solcher Faktoren wie den Durchmesser der Tasterkugel zu korrigieren.
Unser vorhergehendes US-Patent Nr. 4 991 304 offenbart ein Verfahren zum Prüfen einer Serie von Werkstücken unter Verwendung einer Koordinatenmessmaschine, bei der ein Tastkopf zunächst für jede vorgesehene Richtung einer Abtastbewegung kalibriert oder für diesen eine oder mehrere Bezugsgrößen genommen werden, indem er mit einer langsamen Ge schwindigkeit gegen ein Referenzobjekt wie z. B. eine Bezugskugel in Kontakt gebracht wird, um einen Satz von Korrektur-Offsets bereitzustellen, die in dem Computer gespeichert und für nachfolgende Messungen verwendet werden.
Das erste zu messende Werkstück wird auf den Tisch der Koordinatenmessvorrichtung gestellt und ein Satz von Punkten an der Oberfläche des Werkstückes wird bei einer langsamen Geschwindigkeit gemessen, um zu erlauben, dass genaue Ablesungen genommen werden können. Die Messung des ersten Werkstückes wird dann bei einer schnellen Geschwindigkeit wiederholt. Die Differenz zwischen den Ablesungen bei der langsamen Geschwindigkeit und den Ablesungen bei der schnellen Geschwindigkeit wird berechnet und gespeichert.
Der gespeicherte Fehlerwert für jeden gemessenen Punkt berücksichtigt die dynamischen Verformungen des Vorrichtungsaufbaus bei der schnelleren Geschwindigkeit.
Das nächste zu messende Werkstück wird auf dem Tisch der Koordinatenmessvorrichtung eingerichtet und Ablesungen werden bei der schnellen Geschwindigkeit vorgenommen. Bei dieser Geschwindigkeit sind die Ablesungen ungenau, aber wiederholbar. Jede schnelle Ablesung wird durch Hinzufügen bzw. Addieren des entsprechenden gespeicherten Fehlerwertes eingestellt, und somit werden Fehler, die durch ein schnelle Ablesung verursacht werden, kompensiert.
Dieses Verfahren besitzt den Vorteil, dass durch Erstellen einer dynamischen Fehlerkarte von nur einem Werkstück eine ganze Serie von nominell identischen Werkstücken bei einer schnellen Geschwindigkeit gemessen werden kann.
Es besteht jedoch der Nachteil, dass die CCM statisch fehlerkartiert werden muss, damit sie in der Lage ist, das Teil bei langsamen Geschwindigkeiten genau zu messen.
Das US-Patent 5 895 442 offenbart ein Verfahren zum Erhöhen der Messgenauigkeit einer Koordinatenmessvorrichtung, wenn Formmessungen von kreisförmig, zylindrisch und kugelförmig geformten geometrischen Elementen durchgeführt werden. Ein Satz bekannter Formen (zum Beispiel Ringlehren) mit entsprechenden Durchmessern, der kreisförmig geformte oder kreissegmentartig geformte Messlinien definiert, weist einen vorbestimmten ersten Satz von Formabweichungen auf, die den Durchmessern und den Messlinien entsprechen. Diese bekannten Formen werden in unterschiedlichen Positionen oder Ebenen (XY, XZ, YZ) der Koordinatenmessvorrichtung angeordnet. Diese Messlinien werden durch die Koordinatenmessvorrichtung bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten abgetastet, um einen zweiten Satz von Formabweichungen zu erhalten. Durch Vergleichen der ersten und zweiten Sätze von Formabweichungen werden Korrekturwerte erzeugt. Wenn an der Koordinatenmessvorrichtung echte Werkstücke gemessen werden, informiert die Software den Benutzer über einen entsprechenden Datensatz mit Korrekturwerten, sobald die ausgewählte Messaufgabe zeigt, dass kreisförmig geformte, zylindrisch oder kugelförmig geformte geometrische Elemente gemessen werden sollen, wobei der Durchmesser und die Abtastgeschwindigkeit in dem fraglichen Bereich liegen. Der Benutzer kann dann entscheiden, ob er dieses Korrekturverfahren verwenden möchte.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Prüfen einer Serie von Werkstücken unter Verwendung einer Koordinatenmessvorrichtung bereit, bei der ein ein Werkstück erfassender Tastkopf in eine positionserfassen de Beziehung mit jedem Werkstück bewegt wird und eine Positionsablesung durchgeführt wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte in geeigneter Reihenfolge umfasst, dass:

(a) ein Gegenstand ohne die Verwendung der Koordinatenmessvorrichtung kalibriert wird;
(b) der Gegenstand mit der Koordinatenmessvorrichtung bei einer gewünschten Geschwindigkeit gemessen wird, wobei die gewünschte Geschwindigkeit verwendet wird, nachfolgende Teile zu messen;
(c) eine Fehlerkarte oder Fehlerfunktion entsprechend dem Unterschied zwischen der Kalibrierung des Gegenstands und der Messung des Gegenstands erzeugt wird;
(d) nachfolgende Werkstücke mit der Koordinatenmessvorrichtung bei der gewünschten Geschwindigkeit gemessen werden; und
(e) die Messungen der nachfolgenden Werkstücke unter Verwendung der Fehlerkarte oder Fehlerfunktion korrigiert und dadurch dynamische Fehler entfernt oder verringert werden.

Der Gegenstand kann ein Werkstück in der Serie von Werkstücken umfassen. Alternativ kann der Gegenstand Merkmale aufweisen, deren Größe und Anordnung dem Werkstück angenähert sind. Der Gegenstand kann die gleiche Oberflächenbeschaffenheit aufweisen wie das Werkstück oder kann alternativ der Oberflächenbeschaffenheit des Werkstückes nachgeahmt sein.
Die Koordinatenmessvorrichtung kann in Bezug auf geometrische Fehler korrigiert werden oder nicht in Bezug auf geometrische Fehler korrigiert werden.
Der das Werkstück erfassende Tastkopf kann ein Kontakttastkopf wie z. B. ein analoger (Scanning)-Tastkopf oder ein bei Berührung auslösender bzw. Touch-Trigger-Tastkopf sein. Alternativ kann der das Werkstück erfassende Tastkopf ein kontaktloser Tastkopf wie z. B. ein kapazitiver, induktiver oder optischer Tastkopf sein.
Nunmehr wird beispielhaft die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine schematische Darstellung einer Koordinatenmessmaschine (CMM) ist; und
2 ein Flussdiagramm des Verfahrens ist.
Die in 1 dargestellte Koordinatenmessvorrichtung (CMM) umfasst einen Tisch 10, auf dem ein Werkstück 12 angeordnet werden kann. Dies erfolgt vorzugsweise durch ein automatisches Mittel (nicht gezeigt), das jedes einer Serie von im Wesentlichen identischen Werkstücken 12 aus einem Fertigungsablauf in zumindest nominell derselben Position und Ausrichtung auf dem Tisch 10 anordnet. Ein analoger Tastkopf 14 ist in einer Hülse (nicht gezeigt) der Vorrichtung befestigt, obwohl auch andere Typen von Tastköpfen (einschließlich Touch-Trigger-Tastköpfe) verwendet werden können. Die Hülse und der Tastkopf können sich unter der Wirkung von durch den Computer 18 gesteuerten X-, Y- und Z-Antrieben 16 in die X-, Y- und Z-Richtungen bewegen. X-, Y- und Z-Skalen 20 (die Zäh ler bzw. Zählwerke für die Ausgänge der Skalen umfassen) zeigen die aktuellen Koordinaten der Position der Hülse, in der der Tastkopf 14 befestigt ist, in drei Dimensionen. Die Signale 22 von dem Tastkopf 14, die die Ablenkung des Tastkopftasters angeben, werden mit den Ablesungen von den X-, Y- und Z-Skalen 20 der Koordinatenmessvorrichtung kombiniert, um die Position des Tasters und somit die Oberfläche des Werkstückes zu berechnen. Alternativ friert bei einem Touch-Trigger-Tastkopf ein Signal, das angibt, dass der Tastkopf die Oberfläche des Werkstückes 12 berührt hat, die Skalen 20 ein, und der Computer 18 nimmt eine Ablesung der X-, Y-, Z-Koordinaten der Oberfläche des Werkstückes vor.
Soweit bisher beschrieben handelt es sich um eine herkömmliche Vorrichtung. Der Computer 18 enthält ein Programm, das den Tastkopf 14 dazu bringt, die Oberfläche des Werkstückes abzutasten, oder, bei einem Touch-Trigger-Tastkopf, die Oberfläche des Werkstückes 12 an einer Vielzahl verschiedener Punkte zu berühren, die ausreichend ist, um alle erforderlichen Abmessungen und die Form des Werkstückes für das erforderliche Prüfverfahren aufzunehmen.
Unter Bezugnahme auf 2 wird die folgende Vorgehensweise bei dem vorliegenden Prüfverfahren verwendet. Ein Werkstück aus der zu messenden Serie von Werkstücken wird zuerst kalibriert 24. Die Abmessungen und die Form des Werkstückes werden nach dem bestmöglichen Standard kalibriert, entweder an einer sehr genauen Vorrichtung, zum Beispiel durch Formmessung, oder an einer Standardmaschine durch mehrfaches Messen des Werkstücks oder Messen des Werkstücks in vielen Ausrichtungen. Dieses Werkstück kann nun als ein kalibriertes Referenzmodell bzw. Mastermodell verwendet werden.
Alternativ könnte ein kalibrierter Gegenstand verwendet werden, der dem Werkstück angenähert ist, insbesondere indem er Merkmale aufweist, deren Größe und/oder Anordnung mit den Merkmalen des Werkstückes übereinstimmen. Der Gegenstand könnte zum Beispiel an einer Rundheitsmessvorrichtung kalibriert werden. Es ist wünschenswert, dass der Gegenstand die gleiche Oberflächenbeschaffenheit wie die zu messende oder abzutastende Serie von Werkstücken aufweist, oder sie der Oberflächenbeschaffenheit der Serie von Werkstücken nachgeahmt ist.
Das/der kalibrierte Referenzmodell oder Gegenstand wird auf einer Koordinatenpositioniervorrichtung, zum Beispiel eine Koordinatenmessvorrichtung 26, eingerichtet und bei einer gewünschten Geschwindigkeit 28 abgetastet oder gemessen. Die gewünschte Geschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, bei der auch die übrigen der Serie von Werkstücken gemessen werden und ist vorzugsweise eine schnelle Geschwindigkeit, um den Durchsatz zu maximieren. Diese gewünschte Geschwindigkeit muss zulassen, dass die Koordinatenpositioniervorrichtung die Abtastung oder Messung wiederholt innerhalb gewünschter Grenzen durchführen kann.
Zwischen den Ergebnissen aus der Messung oder der Abtastung des kalibrierten Referenzmodells oder Gegenstands bei der gewünschten Geschwindigkeit und den/der bekannten Abmessungen und Form des kalibrierten Referenzmodells oder Gegenstands (von der Kalibrierung hergeleitet) wird eine Fehlerkarte erzeugt 30. Alternativ könnte eine Fehlerfunktion wie z. B. eine Fehlerpolynomfunktion verwendet werden.
Nachfolgende Werkstücke in der Serie von Werkstücken werden auf die Koordinatenmessvorrichtung 32 gestellt und von der Koordinatenmessvorrichtung 34 gemessen oder abgetastet. Die Daten, die sich auf diese nachfolgenden Werkstücke beziehen, werden durch die Fehlerkarte oder Feh lerfunktion 36 korrigiert. Wünschenswerterweise werden die nachfolgenden Teile bei im Wesentlichen der gleichen Geschwindigkeit wie zuvor gemessen oder abgetastet. Zusätzlich sind die nachfolgenden Werkstücke, da die Dynamik des Messsystems in Abhängigkeit davon, wo sie sich in dem Arbeitsraum der Vorrichtung befinden, unterschiedlich wirkt, wünschenswerterweise in im Wesentlichen der gleichen Position wie der des kalibrierten Referenzmodells oder Gegenstands angeordnet.
Dieses Verfahren lässt zu, dass eine Koordinatenpositioniervorrichtung hoch präzise Messungen bei hohen Geschwindigkeiten durchführen kann.
Da das Verfahren das Vergleichen dynamischer Fehler an einem kalibrierten Referenzmodell oder Gegenstand mit jenen eines Werkstückes, das identisch mit oder ähnlich dem kalibrierten Gegenstand ist, beinhaltet, besteht keine Notwendigkeit, statische Fehler zu korrigieren. Die Verwendung eines kalibrierten Referenzmodells oder Gegenstands resultiert somit darin, dass keine Notwendigkeit besteht, geometrische Fehler der Koordinatenmessvorrichtung zu korrigieren. Dies hat den Vorteil der Beschleunigung des Verfahrens und der Verringerung von Kalibrierungskosten, da die Koordinatenmessvorrichtung keine regelmäßige Kalibrierung mehr benötigen wird.
Dieses Verfahren kompensiert daher sowohl dynamische als auch statische Fehler, ohne dass eine Korrektur der geometrischen Fehler der Koordinatenmessvorrichtung erforderlich ist.
In einer bevorzugten Abwandlung des vorstehenden Verfahrens kann ein Teilkoordinatensystem des kalibrierten Referenzmodells oder Gegenstands z. B. durch Verwendung von Bezugsmerkmalen an dem Referenzmodell oder Gegenstand eingerichtet werden. Dies kann durchgeführt werden, bevor oder nachdem das/der Referenzmodellwerkstück oder -gegenstand an der hochgenauen Koordinatenmessvorrichtung kalibriert ist. Die während der Kalibrierung erhaltene genaue Messung des kalibrierten Referenzmodells oder Gegenstands wird sodann in diesem Teilkoordinatensystem gespeichert.
Das gleiche Teilkoordinatensystem wird dann an der Koordinatenmessvorrichtung, an der das erste Werkstück aus der Serie von Werkstücken bei hoher Geschwindigkeit gemessen werden soll, eingerichtet. Wie zuvor kann dieses mit Hilfe von Bezugsmerkmalen an dem Werkstück eingerichtet werden. Die Messung und Fehlerkorrektur erfolgen somit in dem Teilkoordinatensystem, nicht in dem Koordinatensystem der Koordinatenmessvorrichtung. Dies ermöglicht, dass die genauen Daten aus der Kalibrierung des Referenzmodells oder -gegenstands einfach mit den aus der Serie von Werkstücken gesammelten Daten in Beziehung gesetzt werden können.
Dieses Verfahren ist auch für die Verwendung bei einem kontaktlosen Tastkopf wie z. B. einem optischen, kapazitiven oder induktiven Tastkopf geeignet.

Claims

Verfahren zum Prüfen einer Serie von Werkstücken unter Verwendung einer Koordinatenmessvorrichtung, bei der ein ein Werkstück erfassender Tastkopf in eine positionserfassende Beziehung mit jedem Werkstück bewegt wird und eine Positionsablesung durchgeführt wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte in geeigneter Reihenfolge umfasst, dass: (a) ein Gegenstand ohne die Verwendung der Koordinatenmessvorrichtung kalibriert wird; (b) der Gegenstand mit der Koordinatenmessvorrichtung bei einer gewünschten Geschwindigkeit gemessen wird, wobei die gewünschte Geschwindigkeit verwendet wird, nachfolgende Teile zu messen; (c) eine Fehlerkarte oder Fehlerfunktion entsprechend dem Unterschied zwischen der Kalibrierung des Gegenstands und der Messung des Gegenstands erzeugt wird; (d) nachfolgende Werkstücke mit der Koordinatenmessvorrichtung bei der gewünschten Geschwindigkeit gemessen werden; und (e) die Messungen der nachfolgenden Werkstücke unter Verwendung der Fehlerkarte oder Fehlerfunktion korrigiert und dadurch dynamische Fehler entfernt oder verringert werden.
Verfahren zum Prüfen einer Serie von Werkstücken nach Anspruch 1, wobei der Gegenstand ein Werkstück in der Serie von Werkstücken umfasst.
Verfahren zum Prüfen einer Serie von Werkstücken nach Anspruch 1, wobei der Gegenstand Merkmale aufweist, deren Größe und Anordnung dem Werkstück angenähert sind.
Verfahren zum Prüfen einer Serie von Werkstücken nach einem der Ansprüche 1 oder 3, wobei der Gegenstand die gleiche Oberflächenbeschaffenheit wie das Werkstück aufweist.
Verfahren zum Prüfen einer Serie von Werkstücken nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Oberflächenbeschaffenheit des Gegenstands der Oberflächenbeschaffenheit des Werkstücks nachgeahmt ist.
Verfahren zum Prüfen einer Serie von Werkstücken nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Koordinatenmessvorrichtung hinsichtlich geometrischer Fehler korrigiert wird.
Verfahren zum Prüfen einer Serie von Werkstücken nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Koordinatenmessvorrichtung nicht hinsichtlich geometrischer Fehler korrigiert wird.
Verfahren zum Prüfen einer Serie von Werkstücken nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Teilkoordinatensystem für den Gegenstand eingerichtet wird, und wobei Mess- und Fehlerdaten des Werkstücks in diesem Teilkoordinatensystem gespeichert werden.
Verfahren zum Prüfen einer Serie von Werkstücken nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Werkstück erfassende Tastkopf ein Kontakttastkopf ist.
Verfahren zum Prüfen einer Serie von Werkstücken nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Werkstück erfassende Tastkopf ein kontaktloser Tastkopf ist.