EP0285624A1 - Verfahren zur reduzierung von temperatureinflüssen auf koordinatenmessgeräte - Google Patents

Verfahren zur reduzierung von temperatureinflüssen auf koordinatenmessgeräte

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Publication number
EP0285624A1
EP0285624A1 EP19870906177 EP87906177A EP0285624A1 EP 0285624 A1 EP0285624 A1 EP 0285624A1 EP 19870906177 EP19870906177 EP 19870906177 EP 87906177 A EP87906177 A EP 87906177A EP 0285624 A1 EP0285624 A1 EP 0285624A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
temperature
coordinate measuring
measuring machine
correction data
air
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP19870906177
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Karl-Hermann Breyer
Rainer Ohnheiser
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Carl Zeiss AG
Original Assignee
Carl Zeiss AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Carl Zeiss AG filed Critical Carl Zeiss AG
Publication of EP0285624A1 publication Critical patent/EP0285624A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B5/00—Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques
    • G01B5/0011—Arrangements for eliminating or compensation of measuring errors due to temperature or weight
    • G01B5/0014—Arrangements for eliminating or compensation of measuring errors due to temperature or weight due to temperature

Definitions

  • the measuring accuracy of a coordinate measuring machine is very strongly influenced by the ambient temperature and the temporal and spatial temperature gradient in the area of the machine.
  • Coordinate measuring machines are therefore mainly used in measuring rooms that are air-conditioned to a constant reference temperature of 20 ° C and in which the temporal and spatial temperature gradients are maintained at less than 0.5 ° C per hour or 0.5 ° C above the measuring range of the machine are. If the coordinate measuring machine has a device for arithmetically correcting its guiding errors, the correction data created during machine acceptance also apply only under the above-mentioned conditions.
  • the correction data sets (KT) required for the correction of the guide error are determined at several different temperatures (T 1 ... T n ) and stored in the computer of the coordinate measuring machine,
  • the coordinate measuring machine is surrounded by a heat-insulating encapsulation and air is blown into the encapsulation
  • the temperature is measured at a representative point and is used to select the current correction data set (T E ).
  • the heat-insulating encapsulation significantly reduces convection, heat conduction and heat radiation and thus also the change in temperature gradients in the machine.
  • a sufficiently high air throughput through the encapsulation and defined entry and exit points for the blown-in air mean that the existing temperature gradients only depend on the temperature T at a representative point and not on other, not measurable ambient conditions. This is the prerequisite for a reproducible dependency of the systematic machine errors on the measured temperature and allows correction data sets for different temperatures to be set up and used in the subsequent measuring operation.
  • the representative location the temperature of which is decisive for the selection of the correct correction data record, depends on the design of the coordinate measuring machine used and is determined experimentally for the machine type, for example. Alternatively, it is possible to measure the temperature of the air blown in at the air inlet point and then make a delayed selection based on this temperature value.
  • Fig. 1 is a perspective view of the
  • FIG. 2 is a block diagram to illustrate the processing of measured values in the computer of the coordinate measuring machine from FIG. 1;
  • 3 is an exemplary representation of a part of the data fields used for the measured value correction.
  • the coordinate measuring machine (1) shown in Fig. 1 is set up within a rectangular cabin (2), the side walls, floor and ceiling of which are made of heat-insulating material. On the front there is a sliding window (7) through which the workpieces can be fed and the measuring process can be observed.
  • a blower (3) is located above the cabin (2). This fan sucks in ambient air through a nozzle (4) and blows this air into the cabin, where it exits through the fins (6) at a defined point.
  • a temperature sensor (5) at a representative point on the coordinate measuring machine (1) is used to measure the temperature T E.
  • the temperature of the sucked-in air is changed step by step, for example between 18 ° C and 26 ° C, in steps of 2 ° C and kept constant at the respective value with the help of an upstream air conditioning device that is only required.
  • the temperature is measured using the temperature sensor (5) on the coordinate measuring machine.
  • the systematic machine errors are determined for each preset temperature, ie the translational and rotatori see guide errors of the three measuring axes x, y and z according to known measuring methods.
  • the data obtained in this way are stored in the memory (9) of the computer of the coordinate measuring machine designated by (4) in FIG. 2 for correcting the measurement results.
  • the blower (3) draws in the non-air-conditioned ambient air through the nozzle (4).
  • the thermal sensor (5) measures the temperature on the coordinate measuring machine and passes this measured value T E on to the computer (4) of the coordinate measuring machine.
  • the computer (4) selects the associated data record KT E from the data field stored in the memory (9) and corrects the coordinate measured values x, y and z taken from the scales (11, 12, 13) of the measuring machine (1) .
  • the corrected measured values x ', y', z ' are then shown on the display (10) of the computer.
  • the temperature at the measuring point lies between two temperatures for which correction data sets are stored, then a data set formed by interpolation from the adjacent correction data sets is expediently used by the computer.
  • the measuring point itself, to which the temperature sensor (5) is attached, was determined experimentally and corresponds in its time behavior, with which it follows temperature changes in the environment, to the time behavior which the supporting parts and guides relevant for the machine geometry have.
  • the method described above can also be combined with a correction method for the error which arises due to different scale temperature and the temperature of the workpiece to be measured, if this is described in the earlier application P 36 20 118.9 procedure and additionally determines the temperatures of the workpiece to be measured on the coordinate measuring machine and the scales of the coordinate measuring machine and uses them to correct the coordinate measured values to a level applicable to a fixed reference temperature of, for example, 20 ° C.
  • the combination of both correction methods is even particularly advantageous for production-related use of the coordinate measuring machine, since usually both error influences, undefined ambient temperatures and an undefined workpiece temperature, occur simultaneously.
  • the temperature sensors Tx, y, z necessary for carrying out the method described in the earlier application are attached to the scales (11, 12 and 13) of the coordinate measuring machine in FIG. 1.
  • the temperature of the workpiece or its deviation from the reference temperature is expediently determined, as explained in P 36 20 118.9, by means of a length measurement on a reference body (gauge block) of a defined length, which has passed through the manufacturing process together with the workpiece and has therefore assumed its temperature.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)

Description

Beschreibung
Verfahren zur Reduzierung von Temperatureinflüssen auf Koordinatenmeßgeräte
Die Meßgenauigkeit eines Koordinatenmeßgerätes wird sehr stark von der Umgebungstemperatur sowie dem zeitlichen und räumlichen Temperaturgradienten im Bereich der Maschine beeinflußt. Koordinatenmeßgeräte werden deshalb überwiegend in Meßräumen benutzt, die auf eine konstante Bezugstemperatur von 20 °C klimatisiert sind und in denen die zeitlichen und räumlichen Temperaturgradienten auf weniger als 0,5 °C pro Stunde bzw. 0,5 °C über dem Meßbereich der Maschine eingehalten sind. Besitzt das Koordinatenmeßgerät eine Einrichtung zur rechnerischen Korrektur seiner Führungsfehler, so gelten die bei der Maschinenabnahme erstellten Korrekturdaten ebenfalls nur unter den oben genannten Voraussetzungen.
In jüngster Zeit besteht jedoch die Tendenz dazu, Koordinatenmeßgeräte direkt im Fertigungsbereich, z.B. neben Bearbeitungsmaschinen einzusetzen bzw. in flexible Fertigungssysteme zu integrieren. Im Fertigungsbereich läßt sich die Bezugstemperatur von 20 °C nicht einhalten. Außerdem tritt dort häufig Wärmestrahlung auf, z.B. von den Bearbeitungsmaschinen auf das Koordinatenmeßgerät oder im Winter vom Koordinatenmeßgerät zu den Wänden oder dem Fußboden der Fertigungshalle. Diese Wärmestrahlung verursacht lokale Temperaturgradienten, die zu einer thermischen Deformation der Führungen des Koordinatenmeßgerätes führen. Dies wiederum hat zur Folge, daß die bei der Abnahme der Maschine erstellten Korrekturdaten für die rechnerische Eliminierung von Führungsfehlern in Frage gestellt werden.
In der älteren Anmeldung P 36 20 118.9 ist ein Korrekturverfahren beschrieben, mit dem der Meßfehler aufgrund unterschiedlicher Temperaturen von Koordinatenmeßgerät und zu vermessendem Werkstück beseitigt wird. Dieses Verfahren berücksichtigt auch die von Temperaturgradienten in der Maschine hervorgerufene, unterschiedliche Längenausdehnung der Maßstäbe in den drei Meßachsen des Koordinatenmeßgerätes. Nicht berücksichtigt wird dagegen die Meßunsicherheit, die durch das Verformen der Führungen des Koordinatenmeßgerätes aufgrund von Temperaturgradienten entsteht.
Aus "Werkstatt und Betrieb" 117 (1984), Heft 9, Seite 573-578, ist es bekannt, Koordinatenmeßgeräte zum Schutz gegen ölnebel und Staub mit einer Kapselung zu versehen, in die gereinigte Luft eingeblasen wird.
Es ist auch schon vorgeschlagen worden, das im Fertigungsbereich aufgestellte Koordinatenmeßgerät in eine klimatisierte Kabine zu stellen. Auf diese Weise sollen für die allernächste Umgebung der Haschine Heßraumbedingungen mit konstanter Bezugstemperatur geschaffen werden. Diese Haßnahme erfordert jedoch einen sehr hohen Aufwand für die Klimatisierung und wird deshalb nur selten eingesetzt.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dem der thermische Einfluß der Umgebung auf die Meßunsicherheit von Koordinatenmeßgeräten ohne großen Aufwand reduziert werden kann.
Diese Aufgabe wird gemäß den im Kennzeichen des Hauptanspruches angegebenen Maßnahmen dadurch gelöst, daß
- die für die Führungsfehlerkorrektur benötigten Korrekturdatensätze (KT) bei mehreren unterschiedlichen Temperaturen (T1...Tn) ermittelt und im Rechner des Koordinatenmeßgerätes gespeichert werden,
- das Koordinatenmeßgerät mit einer wärmeisolierenden Kapselung umgeben und in die Kapselung Luft eingeblasen wird,
- die Temperatur an einer repräsentativen Stelle gemessen und zur Auswahl des aktuellen Korrekturdatensatzes (TE) verwendet wird. Mit dieser Lösung ist der für eine Klimatisierung auf räumliche und zeitliche konstante Temperatur erforderliche Aufwand vermieden. Es wird vielmehr zugelassen, daß sich die Temperatur der in die Kapselung eingeblasenen Luft, die beispielsweise direkt aus der Umgebung der Maschine entnommen wird, räumlich und zeitlich über einen größeren Temperaturbereich ändert. Zweckmäßig ist lediglich eine Vorklimatisierung mit dem Ziel, die zeitliche Änderung der Temperatur der eingeblasenen Luft z.B. auf einen Wert unter 1° C pro Stunde zu halten. Der dafür nötige Aufwand ist jedoch gering.
Die wärmeisolierende Kapselung reduziert Konvektion, Wärmeleitung und Wärmestrahlung wesentlich und damit auch die Änderung von Temperaturgradienten in der Maschine. Zudem läßt sich durch einen ausreichend hohen Luftdurchsatz durch die Kapselung und definierte Eintritts- und Austrittsstellen für die eingeblasene Luft erreichen, daß die vorhandenen Temperaturgradienten nur noch von der Temperatur T an einer repräsentativen Stelle und nicht von anderen, nicht meßbaren Umgebungsbedingungen abhängen. Das ist die Voraussetzung für eine reproduzierbare Abhängigkeit der systematischen Maschinenfehler von der gemessenen Temperatur und erlaubt es, Korrekturdatensätze für verschiedene Temperaturen aufzustellen und im anschließenden Meßbetrieb einzusetzen.
Die repräsentative Stelle, deren Temperatur für die Auswahl des richtigen Korrekturdatensatzes maßgebend ist, hängt von dem konstruktiven Aufbau des verwendeten Koordinatenmeßgerätes ab und wird beispielsweise für den Maschinentyp einmal experimentell bestimmt. Alternativ dazu ist es möglich die Temperatur der eingeblasenen Luft an der Lufteinlaßstelle zu messen und die Auswahl anschließend auf diesen Temperaturwert bezogen zeitverzögert vorzunehmen.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren 1 - 3 der beigefügten Zeichnungen.
Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung des zur
Durchführung des Verfahrens gekapselten Meßgerätes;
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm zur Verdeutlichung der Meßwertverarbeitung im Rechner des Koordinatenmeßgerätes aus Fig. 1;
Fig. 3 ist eine beispielhafte Darstellung eines Teils der für die Meßwertkorrektur verwendeten Datenfelder.
Das in Fig. 1 dargestellte Koordinatenmeßgerät (1) ist innerhalb einer rechteckförmigen Kabine (2) aufgestellt, deren Seitenwände, Boden und Decke aus wärmeisolierendem Material bestehen. Auf der Vorderseite ist ein Schiebefenster (7) angebracht, durch das die Werkstücke zugeführt und der Meßablauf beobachtet werden kann. Oberhalb der Kabine (2) befindet sich ein Gebläse (3). Dieses Gebläse saugt Umgebungsluft über einen Stutzen (4) an und bläst diese Luft in die Kabine, wo sie an definierter Stelle durch die Lamellen (6) wieder austritt. Ein Temperaturfühler (5) an einer repräsentativen Stelle am Koordinatenmeßgerät (1) dient zur Messung der Temperatur T E .
Bei der Abnahme des Koordinatenmeßgerätes wird die Temperatur der angesaugten Luft mit Hilfe eines nur dann benötigten, vorgeschalteten Klimagerätes schrittweise beispielsweise zwischen 18 °C und 26 °C in Schritten von 2 °C verändert und auf dem jeweiligen Wert konstant gehalten. Die Temperaturmessung erfolgt dabei über den Temperaturfühler (5) am Koordinatenmeßgerät. Zu jeder voreingestellten Temperatur ermittelt man die systematischen Maschinenfehler, d.h. die translatorischen und rotatori sehen Führungsfehler der drei Meßachsen x,y und z nach bekannten Meßverfahren. Man erhält dadurch ein Datenfeld, bestehend aus mehreren Datensätzen mit der Temperatur der Umgebungsluft als Parameter. In Fig. 3 ist ein solches Datenfeld für den translatorischen Führungsfehler Δx der y- Achse des Koordinatenmeßgerätes dargestellt. Es ist klar, daß entsprechende Datenfelder auch für die übrigen signifikanten Führungsfehler der Maschine aufgenommen werden können.
Die so gewonnenen Daten werden zur Korrektur der Meßergebnisse im Speicher (9) des in Fig. 2 mit (4) bezeichneten Rechners des Koordinatenmeßgerätes abgelegt.
Beim anschließenden Einsatz des Koordinatenmeßgerätes im Fertigungsbereich saugt das Gebläse (3) die nichtklimatisierte Umgebungsluft durch den Stutzen (4) ein. Der Thermofühler (5) mißt die Temperatur am Koordinatenmeßgerät und gibt diesen Meßwert T E an den Rechner (4) des Koordinatenmeßgerätes weiter. Entsprechend diesem Meßwert wählt der Rechner (4) den dazu gehörigen Datensatz KTE aus dem im Speicher (9) abgelegten Datenfeld aus und korrigiert die von den Maßstäben (11,12,13) der Meßmaschine (1) abgenommenen Koordinatenmeßwerte x,y und z. Angezeigt werden dann die korrigierten Meßwerte x',y',z' auf dem Display (10) des Rechners.
Liegt die Temperatur an der Meßstelle zwischen zwei Temperaturen, für die Korrekturdatensätze gespeichert sind, so wird zweckmäßig ein durch Interpolation aus den benachbarten Korrekturdatensätzen gebildeter Datensatz vom Rechner benutzt. Die Meßstelle selbst, an der der Temperaturfühler (5) angebracht ist, wurde experimentell bestimmt und entspricht in ihrem Zeitverhalten, mit der sie Temperaturänderungen der Umgebung folgt, dem Zeitverhalten, das die für die Maschinengeometrie maßgeblichen Tragteile und Führungen besitzen.
Das vorstehend beschriebene Verfahren läßt sich noch mit einem Korrekturverfahren für den Fehler verbinden, der aufgrund unterschiedlicher Maßstabstemperatur und davon abweichender Temperatur des zu vermessenden Werkstückes entsteht, wenn man hierzu wie in der älteren Anmeldung P 36 20 118.9 beschrieben vorgeht und zusätzlich die Temperaturen des auf dem Koordinatenmeßgerät zu vermessenden Werkstücks und der Maßstäbe des Koordinatenmeßgeräts ermittelt und zur Korrektur der Koordinatenmeßwerte auf ein für eine feste Bezugstemperatur von z.B. 20 °C geltendes Maß verwendet. Für einen fertigungsnahen Einsatz des Koordinatenmeßgerätes ist die Kombination beider Korrekturverfahren sogar besonders vorteilhaft, da dort meist beide Fehlereinflüsse, Undefinierte Umgebungstemperaturen und eine Undefinierte Werkstücktemperatur, gleichzeitig auftreten. Entsprechend sind an den Maßstäben (11,12 und 13) des Koordinatenmeßgerätes in Fig. 1 die zur Durchführung des in der älteren Anmeldung beschriebenen Verfahrens nötigen Temperatursensoren Tx,y,z angebracht. Die Temperatur des Werkstücks bzw. dessen Abweichung von der Bezugstemperatur wird dabei zweckmäßig wie in P 36 20 118.9 ausgeführt über eine Längenmessung an einem Referenzkörper (Endmaß) definierter Länge ermittelt, das den Fertigungsprozess gemeinsam mit dem Werkstück durchlaufen und somit dessen Temperatur angenommen hat.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Reduzierung von Temperatureinflüssen auf
Koordinatenmeßgeräte mit einer Einrichtung zur rechnerischen Korrektur systematischer Führungsfehler, dadurch gekennzeichnet, daß
- die für die Führungsfehlerkorrektur benötigten Korrekturdatensätze K(T) für mehrere unterschiedliche Temperaturen (T1...Tn) ermittelt und im Rechner (4) des Koordinatenmeßgerätes (1) gespeichert werden,
- das Koordinatenmeßgerät (1) mit einer wärmeisolierenden Kapselung (2) umgeben und in die Kapselung Luft eingeblasen wird,
- die Temperatur an einer repräsentativen Stelle gemessen und zur Auswahl des aktuellen Korrekturdatensatzes (TE) verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die repräsentative Meßstelle (5) im bzw. am Koordinatenmeßgerät selbst befindet und experimentell bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die repräsentative Stelle in der Nähe des Lufteinlaß (3) der Kapselung befindet.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswahl eines neuen Korrekturdatensatzes nach einer Temperaturänderung zeitverzögert erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Rechner (4) angewandte, aktuelle Korrekturdatensatz K(T) durch Interpolation aus den gespeicherten Datensätzen (K(T1)... K(Tn) berechnet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eingeblasene Luft in Bezug auf den zeitlichen Temperatur- gradienten grob vorklimatisiert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich die Temperaturen des auf dem Koordinatenmeßgerät zu vermessenden Werkstücks und der Maßstäbe des Koordinatenmeßgerätes ermittelt und zur Korrektur der Koordinatenmeßwerte auf ein für eine feste Bezugstemperatur geltendes Maß verwendet werden.
8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturabweichung des Werkstücks von der Bezugstemperatur über eine Längenmessung an einem Referenzkörper definierter Länge (Endmaß) ermittelt wird, welches den Fertigungsprozess gemeinsam mit dem Werkstück durchlaufen hat.
EP19870906177 1986-09-19 1987-09-03 Verfahren zur reduzierung von temperatureinflüssen auf koordinatenmessgeräte Withdrawn EP0285624A1 (de)

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DE19863631825 DE3631825A1 (de) 1986-09-19 1986-09-19 Verfahren zur reduzierung von temperatureinfluessen auf koordinatenmessgeraete

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