NL1030138C2

NL1030138C2 - Meet-samenstel en werkwijze voor het bepalen van de onderlinge positie van machinedelen.

Info

Publication number: NL1030138C2
Application number: NL1030138A
Authority: NL
Inventors: Henrikus Adrianus Maria Spaan; Ivo Widdershoven
Original assignee: Ibs Prec Engineering B V
Priority date: 2005-10-07
Filing date: 2005-10-07
Publication date: 2007-04-11
Also published as: US20090126212A1; DE602006013012D1; US7849605B2; ES2342844T3; WO2007043883A1; EP1934553B1; EP1934553A1; ATE461421T1

Description

Meet-samenstel en werkwijze voor het bepalen van de onderlinge positie van machinedelen

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een driedimensionaal meet-samenstel 5 voor het bepalen van de onderlinge positie van onderdelen, zoals machinedelen en/of instrumenten. De uitvinding heeft tevens betrekking op een werkwijze voor het met een referentieorgaan volgens een der voorgaande conclusies bepalen van de onderlinge positie van onderdelen, zoals meer in het bijzonder machinedelen.

10 Veel activiteit in de hedendaagse industrie zijn gericht op realisatie van producten met hoge precisie. In precisie-instrumenten en -machines is gebruikelijk een interactie te onderkennen van een groot aantal onderdelen die ieder voor zich de uiteindelijke onnauwkeurigheid beïnvloeden door afwijkingen die het gevolg zijn van geometrische, kinematische en dynamische effecten. Afwijkingen zijn niet alleen het gevolg van de 15 instrumenten of machine op zichzelf; ook de omgeving speelt een rol (door middel van bijvoorbeeld variabiliteit in temperatuur, vocht en trilling). Bestaande apparatuur voor het testen en kalibreren van precisie-apparatuur, zoals bijvoorbeeld meetapparatuur op basis van laser technologie, is gebruikelijk volumineus en kostbaar. Dergelijke apparatuur is daarom niet of moeilijk bruikbaar bij kleinere apparatuur en is 20 daarenboven kostbaar.

Doel van de onderhavige uitvinding is het verschaffen van middelen voor het tegen beperkte kosten bepalen van de onderlinge positie van onderdelen die tevens bruikbaar is bij kleine of zeer kleine onderdelen. In het bijzonder, maar niet exclusief, wordt er ! 25 gedacht aan het meten van machinedelen een werkbereik van minder dan 500 mm tot zelfs machinedelen met een werkbereik op nano-niveau zoals bijvoorbeeld 2,5D AFM-achtige machinedelen.

De uitvinding verschaft daartoe een driedimensionaal meet-samenstel voor het bepalen 30 van de onderlinge positie van onderdelen, zoals machinedelen, welke samenstel omvat: een taster voorzien van een bolvormig contactdeel, een referentieorgaan voorzien van ten minste één door een drietal positioneervlakken bepaalde referentieopening, waarbij de taster en het referentieorgaan zodanig zijn gedimensioneerd dat het bolvormig contactdeel van de taster slechts op één enkele wijze kan worden opgelegd in de _1 0 3 0 1 5 8_ f 2 referentieopening. Een dergelijke één-één-duidige positionering van de taster ten opzichte van het referentieorgaan wordt ook wel aangeduid als een “kinematische oplegging”. De positioneervlakken kunnen vlak zijn uitgevoerd maar kunnen ook anders dan vlak zijn zoals bijvoorbeeld gekromd (concaaf of convex) of anderszins 5 complex zijn gevormd. Het voordeel van een dergelijk meet-samenstel is dat de taster relatief eenvoudig is te vervaardigen en daarom ook zeer klein kan worden uitgevoerd.

Hierbij kan bijvoorbeeld worden gedacht aan een bolvormig contactdeel in de ordegrootte van maximaal 0,5 mm, waardoor de toepassing van het meet-samenstel voor zeer kleinschalige machinedelen mogelijk wordt. Aldus word het mogelijk 10 dergelijke kleinere machinedelen, of althans machinedelen met een klein tot zeer klein werkbereik, met grote nauwkeurigheid te kunnen meten, kalibreren, ijken, uit te richten, aan te sturen of anderszins. Tevens is het voordelig indien de draagstructuur van de taster is voorzien van ten minste één rotatieas, en een positie-opnemer is ingericht voor het registreren van de rotatiestand van de betreffende rotatieas. Vanwege de rotatieas 15 (die ook wel kan worden aangeduid als een zwenkas) kan de taster eenvoudig in het referentieorgaan worden opgelegd; de taster kan zo immers min of meer zelfzoekend (en dus makkelijk) in de één-éénduidige oplegpositie worden gedrongen. De positie-opnemer geeft vervolgens aan in welke positie de taster zich bevindt uit welke gegevens (samen met de gegevens van één of meerdere positie-opnemers waarmee de positie in 20 de richting van één of meerdere translatieassen wordt bepaald) de oplegpositie kan worden berekend. Opgemerkt zij dat het in de praktijk de voorkeur geniet het meet-samenstel uit te voeren met meerdere rotatieassen, bijvoorbeeld drie, met bijbehorend drie sensoren wederom ter vergroting van de bewegingsvrijheid van de taster en dus ter vergroting van de meet-vrijheid.

25 1

Bij voorkeur is de taster voorzien van een op het bolvormig contactorgaan aangrijpende draagstructuur voorzien van ten minste één positie-opnemer. Met één of meerdere van dergelijke positie-opnemers kan bijvoorbeeld een positie in X-, Y-, en/of Z-richting (de mogelijke translatieassen) worden bepaald. In een voorkeursvariant is het mogelijk 30 middels drie verschillende positie-opnemers in al deze drie richtingen een positie te bepalen; een dergelijke taster heeft immers een grote bewegingsvrijheid en bezit dientengevolge veel mogelijkheden ten aanzien van de te verrichten metingen. Voor een goede verwerking van de meetwaarden zijn de positie-opnemers zo uitgevoerd dat zij elektrische signalen genereren die vervolgens in een verwerkingseenheid _^ 0 3 0 1 3 8_ 3 (computer)kunnen worden verwerkt. De verwerking van de gegevens is er verder bij gebaat indien de taster is voorzien van een interface voor aansluiting van de taster op zo’n verwerkingseenheid (computer).

5 Het referentieorgaan kan relatief eenvoudig worden gevormd door een vlakke plaat in een vlakke contactzijde waarvan ten minste één referentieopening is aangebracht. Zo een vlakke plaat kan veelal makkelijk worden opgespannen of worden bevestigd in respectievelijk aan een te meten onderdeel. Overigens is het niet noodzakelijk het referentieorgaan uit te voeren als een vlakke plaat; alternatief is bijvoorbeeld dat de 10 referentieopeningen zijn gelegen op verschillende hoogten om zo ook meerdere referentieposities op uiteengelegen hoogten te verkrijgen hetgeen bijvoorbeeld een nauwkeurige ijking van machinedelen in een hoogte-richting (die bijvoorbeeld kan worden aangeduid als een Z-richting of een verticale richting) mogelijk maakt.

15 Tevens is het wenselijk dat het referentieorgaan is voorzien van meerdere referentieopeningen opdat zo meerdere metingen kunnen worden verricht aan hetzelfde referentieorgaan. Aldus word het pas echt mogelijk nauwkeurig de relatieve nauwkeurigheid van meerdere opvolgend uitgevoerde metingen te bepalen. In de praktijk zal er ten minste steeds een drietal, maar bij voorkeur nog een groter aantal, 20 referentieopeningen in een enkel referentieorgaan zijn voorzien. Dat kan bijvoorbeeld door het referentieorgaan te voorzien van een matrix, bijvoorbeeld door snijdende groeven bepaalde, referentieopeningen.

Een relatief eenvoudige, en dus goedkope wijze om referentieopeningen in het 25 referentieorgaan te bepalen is de toepassing van, voor iedere referentieopening een drietal, elkaar snijdende groeven. Zulke groeven kunnen elkaar snijden onder steeds een hoek van 120° en de groeven kunnen ieder worden bepaalde door ten minste twee vlakke groefzijden; een eerste groefzijde evenwijdig met de normaal van een contactzijde van het referentieorgaan en een tweede groefzijde die een hoek van 30 ongeveer 35°, bij voorkeur 35,26 °, insluit met de normaal van de contactzijde van het referentieorgaan. Daarbij worden dan de positioneervlakken van de referentieopeningen bepaald door een drietal elkaar snijdende tweede groefzijden. Op de snijpunten worden steeds de positioneervlakken bepaald waarop de taster kan aangrijpen. Zoals bekend verondersteld is het aanbrengen van groeven een mechanisch eenvoudige bewerking die 10 3 0 1 3 8 . ' 4 tevens met de benodigde grote nauwkeurigheid kan worden uitgevoerd. Tevens is het op deze wijze eenvoudig mogelijk het referentieorgaan te voorzien van een matrix door groeven bepaalde referentieopeningen.

5 De onderhavige uitvinding verschaft tevens een werkwijze voor het met een referentieorgaan volgens een der voorgaande conclusies bepalen van de onderlinge positie van onderdelen, zoals machinedelen, omvattende de bewerkingsstappen; A) het met een eerste onderdeel verbinden van de taster, B) het met een tweede onderdeel verbinden van het referentieorgaan, C) het kinematisch’ opleggen van het bolvormig 10 contactdeel van de taster in een referentieopening van het referentieorgaan, D) het gedurende de kinematische oplegging registreren van de onderlinge positie van de positievariabelen van het eerste en tweede onderdeel, en E) het vergelijken van de geregistreerde positievariabelen met de referentiewaarden. Bij voorkeur worden daarbij de bewerkingsstappen C) tot en met E) meerdere malen worden herhaald voor 15 verschillende in het zelfde referentieorgaan aangebrachte referentieopeningen. Middels deze werkwijze kunnen de voordelen worden gerealiseerd zoals reeds bovengaand beschreven naar aanleiding van de inrichting volgens de onderhavige uitvinding.

Door het met elkaar vergelijken van de waargenomen positievariabelen en de vooraf 20 bekende referentiewaarden kan de nauwkeurigheid worden bepaald van de onderlinge verplaatsing van het eerste en tweede onderdeel. Tevens is het mogelijk dat de bepaalde nauwkeurigheid (respectievelijk onnauwkeurigheid) van het eerste en tweede onderdeel wordt teruggevoerd naar de besturingsmiddelen van het eerste en tweede onderdeel zodanig dat de bepaalde afwijking in de nauwkeurigheid ten minste gedeeltelijk wordt 25 gecompenseerd.

De onderhavige uitvinding zal verder worden verduidelijkt aan de hand van de in navolgende figuren beschreven niet-limitatieve uitvoeringsvoorbeelden. Hierin toont: figuur 1 een zijaanzicht op een schematisch weergeven meet-samenstel volgens de 30 onderhavige uitvinding, figuur 2 een bovenaanzicht op een kinematisch in een referentieopening van een referentieorgaan opgelegd bolvormig contactdeel van een taster, j figuur 3A een perspectivisch aanzicht op een referentieplaat door middel van sleuven waarin een matrix van referentieopeningen is aangebracht, 1030138 5 figuur 3B een perspectivisch detailaanzicht op een deel van de in figuur 3A getoonde referentieplaat, figuur 4 een perspectivisch aanzicht op een alternatieve uitvoeringsvariant van een referentieplaat met een matrix van referentieopeningen, en 5 figuur 5 een perspectivisch aanzicht op een tweede alternatieve uitvoeringsvariant van een referentieplaat met een matrix van boldelen waardoor referentieopeningen worden bepaald.

Figuur 1 toont een meet-samenstel 1 bestaande uit een taster 2 en een referentieplaat 3.

10 De taster 2 bestaat uit een bolvormig contactdeel 4 dat door middel van een draagarm 5 is bevestigd aan een tastergestel 6. De verplaatsing van het tastergestel 6 ten opzichte van de een machine 13 wordt waargenomen door middel van translatiesensoren 7, waarvan er slechts één is weergegeven. De translatiesensor 7 zal daarom gebruikelijk ten minste gedeeltelijk toebehoren aan de machine 13. De draagarm 5 is zwenkbaar 15 verbonden met het tastergestel 6 en de mate van zwenking wordt waargenomen door middel van rotatiesensoren 8, waarvan er slechts één is weergegeven. Zowel de translatiesensoren 7 als de rotatiesensoren 8 zijn zodanig opgesteld dat zij verplaatsingen in uiteenlopende richtingen kunnen waarnemen. De door de translatiesensoren 7 en de rotatiesensoren 8 geregistreerde meetwaarden kunnen door 20 middel van respectievelijk signaalleidingen 9, 10 aan een centrale computer 11 worden toegevoerd. Het bolvormig contactdeel 4 van de taster 2 grijpt aan op een daartoe in de referentieplaat 3 aangebrachte referentieopening 12 die zodanig is gedimensioneerd dat het middelpunt van het bolvormig contactdeel 4 slechts op één enkele positie in een stabiele positie kan worden gebracht ten opzichte van de referentieopening 12. De 25 vormgeving van de referentieopening 12 zal navolgend in meer detail worden besproken.

Figuur 2 toont een bovenaanzicht op een deel van een referentieplaat 20 waarin een referentieopening 21 is uitgespaard. Tevens is een kogel- of bolvormig contactdeel 22 30 getoond dat onderdeel uitmaakt van een verder in deze figuur niet weergegeven taster.

Figuur 3A toont een referentieplaat 30 in een contactoppervlak 31 waarvan zodanig groeven 32, 33, 34 zijn aangebracht dat er steeds snijpunten bestaan van drie groeven 32, 33, 34. De snijdende groeven 32, 33, 34 sluiten onderling steeds hoeken in van 120°.

1030138 6

De groeven 32, 33, 34 zijn ieder voorzien van een eerste groefzijde 35 die evenwijdig is aan de normaal van het contactoppervlak 31 van de referentieplaat en een tweede groefzijde 36 die een hoek van ongeveer 35°, bij voorkeur 35,26 °, insluit met de normaal van het contactoppervlak 31 van de referentieplaat 31. Voor een meer 5 gedetailleerd aanzicht van de snijdende groeven 32, 33, 34 zie tevens figuur 3B. Aldus ontstaan er ter hoogte van de locatie waar de groeven 32, 33, 34 elkaar snijden drie contactvlakken 37,38, 39 (die onderdeel zijn van de tweede groefzijden 36 van de groeven 32, 33, 34) waarop een bolvormig contactdeel (mits van voldoende kleine afmeting) kinematisch zal aangrijpen.

10

Figuur 4 toont een alternatieve uitvoeringsvariant van een referentieplaat 40 waarin een matrix van referentieopeningen 41 is uitgespaard. De referentieopeningen 41 kunnen bijvoorbeeld door middel van vonken of frezen zijn aangebracht. Ter illustratie is tevens een (los van het overige deel van een taster weergegeven) bolvormig contactdeel 42 in 15 de figuur opgenomen dat kinematisch is opgelegd in een referentieopening 41.

Figuur 5 ten slotte toont weer een andere referentieplaat 50 waarop een matrix van bolsegmenten 51 is aangebracht. Steeds drie bolsegmenten 51 bepalen een referentieopening 52. Wederom is ter illustratie een (los van het overige deel van een 20 taster weergegeven) bolvormig contactdeel 53 in de figuur opgenomen dat kinematisch is opgelegd in een referentieopening 52.

1030138

Claims

1. Driedimensionaal meet-samenstel voor het bepalen van de onderlinge positie van onderdelen, zoals machinedelen, welke samenstel omvat: 5. een taster voorzien van een bolvormig contactdeel, - een referentieorgaan voorzien van ten minste één door een drietal positioneervlakken bepaalde referentieopening, waarbij de taster en het referentieorgaan zodanig zijn gedimensioneerd dat het bolvormig contactdeel van de taster slechts op één enkele wijze kan worden opgelegd in 10 de referentieopening.

2. Meet-samenstel volgens conclusie 1, met het kenmerk dat de taster is voorzien van een op het bolvormig contactorgaan aangrijpende draagstructuur voorzien van ten minste één positie-opnemer. 15

3. Meet-samenstel volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk dat de draagstructuur van de taster is voorzien van ten minste één rotatieas, en een positie-opnemer is ingericht voor het registreren van de rotatiestand.

4. Meet-samenstel volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat de taster is voorzien van een interface voor aansluiting van de taster op een verwerkingseenheid.

5. Meet-samenstel volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat 25 het referentieorgaan wordt gevormd door een vlakke plaat in een vlakke contactzijde waarvan ten minste één referentieopening is aangebracht.

6. Meet-samenstel volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat het referentieorgaan is voorzien van meerdere referentieopeningen. 30

7. Meet-samenstel volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat de referentieopeningen worden bepaald door een drietal elkaar snijdende groeven. 1030138

8. Meet-samenstel volgens conclusie 7, met het kenmerk dat de drie groeven elkaar snijden onder steeds een hoek van 120°.

9. Meet-samenstel volgens conclusie 7 of 8, met het kenmerk dat de groeven 5 ieder worden bepaalde door ten minste twee vlakke groefzijden; een eerste groefzijde die evenwijdig is met de normaal van een contactzijde van het referentieorgaan en een tweede groefzijde die een hoek van ongeveer 35°, bij voorkeur 35,26 °, insluit met de normaal van de contactzijde van het referentieorgaan.

10. Meet-samenstel volgens conclusie 9, met het kenmerk dat de positioneervlakken van de referentieopeningen worden bepaald door een drietal elkaar snijdende tweede groefzijden.

11. Meet-samenstel volgens een der conclusies 7-10, met het kenmerk dat het 15 referentieorgaan is voorzien van een matrix door groeven bepaalde referentieopeningen.

12. Werkwijze voor het met een referentieorgaan volgens een der voorgaande conclusies bepalen van de onderlinge positie van onderdelen, zoals machinedelen, omvattende de bewerkings stappen;

20 A) het met een eerste onderdeel verbinden van de taster, B) het met een tweede onderdeel verbinden van het referentieorgaan, C) het kinematisch opleggen van het bolvormig contactdeel van de taster in een referentieopening van het referentieorgaan, D) het gedurende de kinematische oplegging registreren van de onderlinge positie van 25 de positievariabelen van het eerste en tweede onderdeel, en E) het vergelijken van de geregistreerde positievariabelen met de referentiewaarden.

13. Werkwijze volgens conclusie 12, met het kenmerk dat de bewerkingsstappen C) tot en met E) meerdere malen worden herhaald voor verschillende in het zelfde 30 referentieorgaan aangebrachte referentieopeningen.

14. Werkwijze volgens conclusie 12 of 13, met het kenmerk dat de waargenomen positievariabelen en de vooraf bekende referentiewaarden met elkaar worden 10 3 0 1 3 8 Λ vergeleken voor het bepalen van de nauwkeurigheid van de onderlinge verplaatsing van het eerste en tweede onderdeel.

15. Werkwijze volgens conclusie 14, met het kenmerk dat de bepaalde 5 nauwkeurigheid van de onderlinge verplaatsing van het eerste en tweede onderdeel wordt teruggevoerd naar de besturingsmiddelen van het eerste en tweede onderdeel zodanig dat een bepaalde afwijking in de nauwkeurigheid ten minste gedeeltelijk wordt gecompenseerd. 1030 f ift ,