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Die Erfindung betrifft die Kalibrierung eines Gelenktastkopfes für eine
Koordinatenpositionierungsmaschine,
Koordinatenpositionierungsmaschinen, wie beispielsweise Koordinatenmessmaschinen oder
Werkzeugmaschinen umfassen einen Arm und einen Tisch, die typischerweise mit
drei linearen Freiheitsgraden relativ zueinander bewegbar sind. Derartige
Maschinen können mit einem Taster ausgerüstet sein, um eine Prüfung
der Abmessungen oder der Kontur von Komponenten zu ermöglichen. Es
ist häufig erwünscht, den Taster relativ zu dem Arm der Maschine, an
dem dieser befestigt ist, zu orientieren, um verschieden orientierte Flächen
einer Komponente zu prüfen.
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Eine bekannte Vorrichtung, die eine Zweiachsen-Orientierung eines
Tasters relativ zu dem Arm der Maschine vorsieht, ist der Tastkopf Renishaw
PH9, der einen Taster in eine von 720 diskreten wiederholbaren Positionen
orientiert, die im Wesentlichen um erste und zweite orthogonale Achsen
vorgesehen sind. Die Position des Tasters in jeder der 720 Positionen (oder
so viele von den Positionen, wie erforderlich sind) ist vorkalibriert. Da jede
der Positionen eine sehr gute Wiederholgenauigkeit aufweist ist, d. h. jedes
Mal, wenn der Taster in eine gegebene Position orientiert wird, belegt er im
Wesentlichen dieselbe Position im Raum, berücksichtigt die Kalibrierung
der Tasterposition Fehler, wie beispielsweise eine Absenkung des Tasters
unter dem Einfluss von Schwerkraft.
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Ein weiterer Typ eines Tastkopfes ist aus der U.S. 4,888,877 bekannt, die
eine kontinuierliche Zweiachsen-Orientierung eines Tasters relativ zu dem
bewegbaren Arm vorsieht, wobei die Orientierung des Tasters durch
Codierer in dem Tastkopf gemessen wird. Fehler, wie beispielsweise eine
Achsenexzentrizität und eine mangelnde lotrechte Anordnung von Achsen
sind vorkalibriert. Fehler infolge einer Absenkung werden dadurch
korrigiert, dass die Absenkung des Tasters für eine gegebene
Winkelorientierung berechnet wird und ein entsprechender Korrekturwert in Messungen
eingeführt wird, die nachfolgend mit dem Tastkopf bei dieser Orientierung
durchgeführt werden (wie in der U.S. 5,138,563 gezeigt ist).
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Die vorliegende Erfindung sieht eine Kalibrierung eines Tastkopfes von
einem schaltenden oder messenden Typ vor, die ermöglicht, dass die
Position der Erfassungsspitze eines Tasters, die in einer gegebenen
Winkelzone liegt, auf der Basis von Messungen der Position der
Schreiberspitze gefolgert werden kann, die in zwei Positionen, die Grenzen für die Zone
definieren, gemacht wurden, wobei Fehler in der Zone als sich linear
ändernd angenommen werden. Dieses Verfahren berücksichtigt alle Fehler
ohne ständiges Messen oder Kalibrieren in Bezug auf den Wert einer
einzelnen Fehlerquelle.
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Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht ein Verfahren
zum Betrieb einer Koordinatenpositionierungsmaschine vor, mit:
einem Arm und einem Tisch, die relativ zueinander bewegbar sind; einem
Gelenktastkopf, der an dem Arm befestigt ist, um einen Taster relativ zu
dem Arm um zumindest eine Rotationsachse zu orientieren, wobei der
Tastkopf zumindest ein Rotationsachsenelement, das den Taster trägt,
und einen Winkelverstellungswandler umfasst, um die Winkelorientierung
des Rotationsachsenelementes relativ zu einem Bezugspunkt zu messen;
wobei das Verfahren durch die Schritte gekennzeichnet ist, dass: die
Position des Tasters bei ersten und zweiten Winkelorientierungen des
Rotationsachsenelementes gemessen wird; eine tatsächliche
Winkelverstellung zwischen den gemessenen Tasterorientierungen berechnet wird;
das Rotationsachsenelement in eine dritte Winkelorientierung orientiert
wird, die zwischen der ersten und zweiten Winkelorientierung liegt; die
Position des Tasters in der dritten Winkelorientierung des
Rotationsachsenelementes dadurch bestimmt wird, dass aus der tatsächlichen
Winkelverstellung, der dritten Winkelorientierung und zumindest der Differenz
zwischen den ersten und zweiten Winkelorientierungen eine tatsächliche
Winkelorientierung des Tasters entsprechend der dritten
Winkelpositionierung des Rotationsachsenelementes berechnet wird.
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung nur beispielhaft
unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in
welchen:
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Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines Tastkopfes ist;
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Fig. 2 eine schematische Darstellung der Grundlage des
Kalibrierungsverfahrens der vorliegenden Erfindung ist;
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Fig. 3 ein Diagramm ist, das die Verteilung von
Kalibrierungspunkten in dem Tastkopf der Fig. 1 und. 2 zeigt; und
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Fig. 4 und 5 einen Kalibrierungsvorgang zeigen.
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Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, orientiert ein Tastkopf PH einen Taster
16, der an dem Ende einer Verlängerung 18 befestigt ist, um im Wesentlichen
orthogonale Achsen A und B. Der Tastkopf PH umfasst eine Basis
10, über die dieser an dem bewegbaren Arm einer
Koordinatenpositionierungsmaschine befestigt ist, und erste und zweite
Rotationsachsenelemente 12, 14. Motoren (nicht gezeigt) und Wandler, wie beispielsweise
Codierer 30, sind vorgesehen, um die Rotationsachsenelemente 12, 14 zu
drehen und ihre Winkelorientierung oder ihren "Verstellungswinkel" α, β
um die A- und B-Achsen bezüglich eines Referenzwinkels zu messen.
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Konzeptionell liegt jeder gegebene Punkt an dem Taster 16, wie
beispielsweise dem Zentrum der Erfassungsspitze 20, in einem räumlichen
Polarkoordinatensystem, und sein Ort kann durch die Ausgänge (α, β) von den
Codierern 30, der Distanz zwischen der Spitze 20 und der B-Achse und
der Versetzung der Rotationsebene der Spitze 20 von der A-Achse genau
definiert werden. In der Praxis beeinflussen jedoch viele Fehlerquellen die
tatsächliche Position der Erfassungsspitze 20, wie beispielsweise eine
mangelnde Orthogonalität der A- und B-Achsen, eine mangelnde
Überschneidung der A- und B-Achsen, eine Exzentrizität der Drehung des
Rotationsachsenelementes 12 und/oder des Rotationsachsenelementes 14
um die A- und/oder B-Achsen, eine nicht planare Rotation des
Rotationsachsenelementes 12 und/oder des Rotationsachsenelementes 14 und eine
Absenkung der verschiedenen Elemente des Tastkopfes PH, der
Verlängerung 18 und des Tasters 16. Der Tastkopf PH kann bezüglich eines oder
mehrerer dieser Fehler dadurch kalibriert werden, dass die Position der
Erfassungsspitze 20 bei einer Vielzahl von Winkelorientierungen des
Rotationsachsenelementes 14 gemessen wird und anschließend der Fehler
zwischen gemessenen Positionen der Erfassungsspitze 20 linear
interpoliert wird. Für die Zwecke des vorliegenden Beispiels wird nur der Fehler,
der aus einer Absenkung resultiert, infolge seiner relativ vorhersagbaren
Natur betrachtet, jedoch berücksichtigt eine Kalibrierung eines Tastkopfes
gemäß der Technik, die durch die vorliegende Erfindung vorgesehen wird,
auch alle anderen Fehlerquellen, die oben erwähnt sind.
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Die konzeptionellen O&sub1;-, O&sub2;- und tatsächlichen A&sub1;-, A&sub2;-Positionen des
Tasters 16 um die B-Achse sind für die Winkelpositionen β = β&sub1; und β = β&sub2;
des Rotationsachsenelementes 14 gezeigt. Die tatsächlichen Positionen
unterscheiden sich von den konzeptionellen Positionen aufgrund einer
Anzahl von Fehler, wie oben erwähnt ist (obwohl nur der Fehler
hinsichtlich einer Absenkung des Tastkopfes PH, der Verlängerung 18 und des
Tasters 16 gezeigt worden ist). Um Messfehler zu verringern, die
ansonsten aus diesen Fehlerquellen resultieren würden, sieht eine
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vor, dass die Position des Tasters 16 an
einer Vielzahl von Winkelorientierungen β des Rotationsachsenelementes
14 gemessen wird, wobei angenommen werden kann, dass sich die
verschiedenen Fehler zwischen jeder derselben innerhalb des zulässigen
Fehlerbereiches des Tastkopfes linear ändern (wenn überhaupt).
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Somit werden bei einem Beispiel die Positionen A&sub1;, A&sub2; der Schreiberspitze
20 bestimmt und dazu verwendet, einen Wert einer tatsächlichen
Winkelverstellung γ zu berechnen, die die Spitzenpositionen A&sub1;, A&sub2; trennt. Die
Differenz (β&sub1; - β&sub2;) in den Winkelorientierungen β&sub1;, β&sub2; des
Rotationsachsenelementes 14 wird anschließend berechnet. Dann kann ein
Kalibrierungsverhältnis erhalten werden, das ergibt, was als Änderung des
Verstellungswinkels der Schreiberspitze 20 um die B-Achse pro Einheit
Verstellungswinkel des Rotationsachsenelementes 14, wie von den Codierern 30
angegeben wird, für das Winkelsegment β = β&sub1; bis β = β&sub2; angenommen
wird. Bei dem vorliegenden Beispiel ist das Kalibrierungsverhältnis gleich
γ/(β&sub1; - β&sub2;).
Die tatsächliche Winkelorientierung der Erfassungsspitze 20
bezüglich des Referenzwinkels in dem Segment (β&sub1; - β&sub2;) und bei einem
Winkel β des Rotationsachsenelementes 14 wird somit aus dem Ausdruck
βγ/(β&sub1; - β&sub2;) gefolgert. Ähnliche Berechnungen können für andere
Winkelsegmente um die B-Achse ausgeführt werden.
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Die Größe eines Winkelsegmentes, innerhalb dem die Fehler als linear
angenommen werden können, variiert abhängig von der
Winkelorientierung β des Rotationsachsenelementes 14 um die B-Achse. In Fig. 3 ist
gezeigt, dass die Funktion, die die Absenkung des Tastkopfes PH, der
Verlängerung 18 und des Tasters 16 mit sich ändernder Winkelposition β
um die B-Achse beschreibt, sinusförmig ist und sich daher gut einer
linearen Funktion in den Bereichen β = 0º-45º und β = 135º-180º
annähert. Jedoch wird die Funktion zunehmend nichtlinear, wenn sich β
90º annähert. Die größte Dichte von gemessenen Werten der Position der
Schreiberspitze 20 sollte daher in dem Bereich β = 90º liegen. Alle anderen
Fehlerquellen variieren zufällig von einem Tastkopf zu einem anderen, und
daher können stark nichtlineare Schwankungen in diesen Fehlerquellen
über bestimmte Bereiche einer Winkelverstellung nicht im Voraus
vorhergesagt werden.
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Wie in den Fig. 4 und. 5 gezeigt ist, werden die Positionen A der
Erfassungsspitze 20 bei einer Vielzahl von Winkelorientierungen β des
Rotationsachsenelementes 14 berechnet, wie folgt. Der Tastkopf PH wird zu
einem gegebenen Wert von βp orientiert, für den eine Messung des
entsprechenden Wertes Ap der Position der Erfassungsspitze 20 erforderlich
ist, und wenn der Tastkopf PH in dieser Orientierung ist, werden die
Positionen einer Vielzahl (zumindest 4) von Punkten auf der Oberfläche
einer Kugel 40 (die an dem Tisch 50 der Maschine befestigt ist) gemessen.
Dies wird auf eine von sich aus bekannte Art und Weise durch
Aufzeichnen der Ausgänge von Wandlern, die die Position des bewegbaren Armes
60 der Maschine (an dem der Tastkopf PH befestigt ist) messen, in dem
Moment durchgeführt, wenn die Schreiberspitze 20 die Oberfläche der
Kugel 40 berührt. Aus diesen gemessenen Werten werden Koordinaten
berechnet, die die Position Pp des Zentrums der Kugel 40 definieren.
Dieses Verfahren wird für Orientierungen βq, βr wiederholt, hinsichtlich denen
entsprechende Positionen Aq, Ar der Erfassungsspitze 20 erforderlich sind.
Da, wenn die Oberfläche der Kugel 40 mit verschiedenen Orientierungen
βp, βq, βr des Tastkopfes PH gemessen wird, der Arm 60 in einer
verschiedenen räumlichen Beziehung bezüglich des Zentrums der Kugel 40 steht,
erzielen Messungen, die mit dem Tastkopf in verschiedenen
Orientierungen durchgeführt werden, verschiedene Koordinaten für die Position des
Zentrums der Kugel 40. Vorausgesetzt, dass die Kugel 40 andauernd
statisch geblieben ist, entsprechen die Position Pp, Pq, Pr, die durch jeden
Satz von Koordinaten definiert sind, der (theoretischen) Position des
Tastkopfes PH, wenn das Zentrum der Schreiberspitze 20 in der Position des
Zentrums der Kugel 40 liegt. Daher ist die tatsächliche Winkelverstellung
γ zwischen benachbarten gemessenen Positionen Ap, Aq der
Erfassungsspitze 20 beispielsweise gleich dem Winkel, der zwischen benachbarten
Positionen Pp, Pq an dem Zentrum der Kugel 40 aufgespannt wird.
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Bei einem weiteren entwicklungsunabhängigen Aspekt der vorliegenden
Erfindung kann der Tastkopf anfänglich in einer Vielzahl von
vorbestimmten Winkelorientierungen kalibriert werden, deren Dichte die Variation
bezüglich einer Nicht-Linearität der Änderung der Absenkung des Kopfes
PH mit sich ändernder Orientierung β berücksichtigt. Diese anfängliche
Kalibrierung kann lediglich mit einem Taster 16 (d. h. nicht mit der
Verlängerung 18) und einem Hauptschreiber mit zumindest drei
Erfassungsspitzen durchgeführt werden. Für jede vorbestimmte Winkelorientierung
(α, β) wird die Position der drei Erfassungsspitzen bestimmt, wodurch eine
Ebene und ein Normalvektor relativ dazu definiert wird. Der Normalvektor
zeigt somit für jede gegebene vorbestimmte Winkelorientierung (α, β) die
Richtung an, in der sich der Schreiber 22 des Tasters 16 erstreckt. Wenn
der Tastkopf anschließend mit einer anderen Konfiguration eines Tasters
und/oder einer Verlängerung 18 umgerüstet wird, kann dieser Vektor
dazu verwendet werden, die Anzahl von Positionen der Erfassungsspitze
20 bezüglich Winkelorientierungen zu verringern, die die Begrenzung einer
linearen Fehlerzone definieren. Dies lässt sich darauf zurückführen, dass,
sobald die neue Konfiguration aus Taster und Verlängerung mit dem
Tastkopf verbunden ist, eine Messung einer einzelnen Spitzenposition die
Berechnung eines Versetzungsvektors ermöglicht, der die Versetzung der
Position der Erfassungsspitze bezüglich des vorher berechneten
Normalvektors angibt. Dieser Versetzungsvektor kann anschließend in
Verbindung mit dem geeigneten Normalvektor verwendet werden, um die Position
der Erfassungsspitze mit der neuen Konfiguration in anderen
Winkelorientierungen zu folgern, für die ein Normalvektor berechnet worden ist. Diese
Technik kann in Verbindung mit oder unabhängig von der oben
beschriebenen Folgerungstechnik verwendet werden.
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Es sind Aspekte der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf einen
Gelenktastkopf gezeigt und beschrieben worden, der eine kontinuierliche
Orientierung eines Tasters vorsieht und Winkelwandler in der Form von
Codierern verwendet. Die Erfindung ist jedoch gleichermaßen auf schaltende
Tastköpfe mit anderen Typen von Wandlern anwendbar, wie
beispielsweise Potentiometern oder Schrittmotoren.
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Jedes technische Merkmal oder jede Funktion, die hier beschrieben ist,
kann durch andere Merkmale, die dieselbe oder eine ähnliche Funktion
ausführen, oder andere Funktionen ersetzt werden, die dasselbe oder ein
ähnliches Ergebnis erreichen. Ferner stellt keines der Merkmale oder
Funktionen, die hier beschrieben sind, notwendigerweise ein wesentliches
Element der Kombination von Merkmalen oder Funktionen dar, in
Verbindung mit denen sie beschrieben sind. Wo die Kombination von Merkmalen
dasselbe oder ein ähnliches Ergebnis in Abwesenheit eines oder mehrerer
seiner offenbarten Elemente erreichen kann, sind derartige Elemente
unwesentlich.
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Die anderen Merkmale der Erfindung, die oben beschrieben ist, sind nicht
notwendigerweise auf ihr Zusammenspiel mit den Ausführungsformen
beschränkt, in Verbindung mit denen sie beschrieben wurden. Viele
Aspekte der Erfindung sind allgemein auf andere Ausführungsformen der
hier beschriebenen Erfindung anwendbar.