WO2001061273A1 - Rotary pivoting device for the probe of a coordinate measuring device - Google Patents

Rotary pivoting device for the probe of a coordinate measuring device Download PDF

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WO2001061273A1
WO2001061273A1 PCT/EP2001/000531 EP0100531W WO0161273A1 WO 2001061273 A1 WO2001061273 A1 WO 2001061273A1 EP 0100531 W EP0100531 W EP 0100531W WO 0161273 A1 WO0161273 A1 WO 0161273A1
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WO
WIPO (PCT)
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rotary
rotation
swivel
vector
probe
Prior art date
Application number
PCT/EP2001/000531
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German (de)
French (fr)
Inventor
Werner Lotze
Karl-Hermann Breyer
Peter Ebersbach
Original Assignee
Carl Zeiss
Carl-Zeiss-Stiftung Trading As Carl Zeiss
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.)
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Publication date
Application filed by Carl Zeiss, Carl-Zeiss-Stiftung Trading As Carl Zeiss filed Critical Carl Zeiss
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Priority to JP2001560620A priority patent/JP2003526090A/en
Publication of WO2001061273A1 publication Critical patent/WO2001061273A1/en

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B21/00—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant
    • G01B21/02—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring length, width, or thickness
    • G01B21/04—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring length, width, or thickness by measuring coordinates of points
    • G01B21/045—Correction of measurements

Definitions

  • Rotary swivel device for the probe of a coordinate measuring machine
  • the invention relates to a rotary swivel device for the probe head of a coordinate measuring machine, with at least two pivot joints for angular alignment of the probe heads.
  • Turn-swivel devices have been known for a long time.
  • the so-called continuously rotatable rotary swivel devices in which the angle of rotation can be continuously adjusted via a corresponding motor and the exact angle of rotation is supplied by an encoder
  • the so-called latching rotary swivel devices in which only a limited number of angles of rotation can be adjusted.
  • a locking rotary swivel device marketed by the applicant with the type designation “RDS”
  • two interacting toothed rings of a so-called Hirth mink toothing are used for this purpose, which mesh in the locked state and thereby lock the respectively set angle of rotation.
  • a continuously rotatable rotary swivel device is disclosed in DE 37 400 70 AI and the corresponding US Patent 4,888,877.
  • correction values with respect to angular position deviations and the running deviations of the axes of rotation can alternatively or additionally also be provided, with the implementation of this last-mentioned correction not exactly describing how this can be used particularly advantageously.
  • the peculiarity of the rotary-swivel unit shown in DE 37 400 70 AI is to be seen in the fact that a separate correction model is required for each of the individual errors, so that on the one hand the error parameters have to be determined for several correction models and in the correction of the measured ones Measured values must be carried out several correction calculations.
  • German Offenlegungsschrift DE 40 01 433 AI and the corresponding US Pat. No. 5,138,563 show a correction method for rotary swivel devices in which errors are corrected which result from the elastic deformation of the rotary swivel device and the pushbutton configuration, in particular if the Probe configuration includes a probe extension by which the probe is held.
  • the method for correcting the position of the axes of rotation described in DE 37 400 70 AI, already cited above was expanded by a term B ( ⁇ , ⁇ ) which indicates the deformation.
  • the rotary swivel device with the probe configuration attached to it was considered here according to the model of a bending beam, so that to determine the term
  • the European publication EP 07 59 534 A2 shows a method for correcting continuously rotatable rotary swivel devices or latching rotary swivel devices. It is proposed to bring the rotary swivel device into two different angles of rotation and to calibrate each one here. A third angle of rotation lying between the angles of rotation is then corrected by interpolating between the recorded calibration data. None is explained here with regard to the correction model.
  • the object of the present invention is to provide an improved rotary / pivoting device.
  • the correction unit is a computer or a microprocessor in which the correspondingly recorded correction values are stored and which corrects the measured values according to the selected mathematical model.
  • the rotary swivel device according to the invention can be developed particularly advantageously by additionally correcting the wobble errors and / or the radial running deviations and / or the axial displacements of the rotary joints in the common mathematical model.
  • a Hirth toothing should be used particularly advantageously for locking the rotary positions, since this enables all rotary angle positions of the rotary / swivel device to be set with high reproducibility.
  • the rotary swivel device according to claims 1, 2 and 5 can be a latching rotary swivel device as well as a continuously rotatable rotary swivel device.
  • Fig. 1 shows a perspective view of the rotary swivel device
  • FIG. 2 shows a purely schematic illustration of the rotary swivel device according to FIG. 1
  • Fig. 3 shows the rotation of the center (P) of the probe ball (12) around an ideal hinge
  • FIG. 4 shows the rotation of the center point (P) of the probe ball (12) around a real swivel joint
  • FIG. 14) with run deviations 5 shows a schematic illustration of the errors in the rotation of the center point (P) of the probe ball (12) around a real swivel joint (14) with running deviations.
  • FIG. 6 shows a measurement setup with which the correction parameters for the running deviations of the swivel joint (14)
  • FIG. 7 shows a measurement setup with which the correction parameters for the running deviations of the swivel joint (15) can be determined.
  • FIG. 8 shows a purely schematic illustration of the principle of the rotary swivel device
  • Fig. 1 wherein the probe configuration includes a probe extension (19) and
  • FIG. 9 shows a purely schematic basic illustration of the elastic center (K) of a finite element.
  • FIG. 10 also shows a purely schematic basic illustration of the elastic center (K) of a finite element with the displacement of the center (P) of the probe ball (12)
  • Fig. 1 1 shows the rotary swivel device shown in Figure 1 from the front with a
  • Figure 1 shows a rotary swivel device, which is designed here as a so-called latching rotary swivel device.
  • the rotary swivel device is fastened to a horizontally aligned measuring arm (8) of a column measuring device and has two swivel joints (14, 15) which rotate the components (1) and (2) and components (2) and (3) Connect with each other, whereby the swivel joints (15, 14) define the axes of rotation (a A ) and (ae).
  • the rotary swivel device has so-called Hirth serrations (6) and (7) for fixed locking of the set angle of rotation. These are gear rings that work in pairs and mesh with one another.
  • a pneumatic cylinder inside the rotary swivel device, via which the component (2) relative to the component (1) and the component (3) relative to the component (2) can be lifted off.
  • an electric motor is provided for each of the rotary joints, by means of which the angle of rotation of the respective rotary joint (14, 15) can be adjusted.
  • the excavated components (1) and (2) or (2) and (3) are pulled together again by the pneumatics.
  • a probe (4) of the switching type is attached to the receptacle of the rotary swivel device.
  • a probe pin (11) with a probe ball (12) is in turn held interchangeably on the probe head (4), the probe head (4) triggering an electrical signal when a workpiece touches the probe ball (12).
  • an optical probe or a measuring probe can also be used, for example.
  • the probe (4) is attached to the holding plate (3) by means of an adapter part (5).
  • the measurement values recorded by the coordinate measuring machine during a measurement are corrected in the correction unit (22) shown here only in a purely schematic manner, according to a mathematical model.
  • This correction unit (22) is usually the computer of the coordinate measuring machine.
  • a specially provided microprocessor can also be used, which is arranged, for example, in the control of the coordinate measuring machine or even in the rotary-swivel unit itself.
  • FIG. 2 shows only a purely schematic representation of the rotary-pivoting device according to Figure 1, in which the same reference numerals as in Figure 1 were used for the same components.
  • This location vector (x) of the probe ball (12) in the device coordinate system (X G , Y G , Z G ) can be specified as a vector equation as follows:
  • Equation 1 x T; 1 R ⁇ (T 1 R B t + d) + c /
  • the points (A) and (B) represent the intersection of a straight line with the axes of rotation (a A ) and (a ß ), the straight line running along the shortest distance between the two axes of rotation (a A ) and (a ß )
  • the vector (x) here means the location vector of the center point (P) of the probe ball (12) based on the device coordinate system (X G , Y G , ZG).
  • the vector (t) is the vector from the point (B) to the center (P) of the probe ball (12).
  • the vector (c A ) is the location vector of the point (A) based on the device coordinate system (X G , Y G , Z G ).
  • the vector (d) is the distance vector of point (B) from point (A).
  • the rotation matrix (R A ) describes the rotation of the swivel joint (15) about the axis of rotation (a A ).
  • the rotation matrix (RB) describes the rotation of the swivel joint (14) about the axis (a ß ).
  • the transformation matrix (T A ) describes the transformation of the device coordinate system (XG, YG, ZG) into the joint coordinate system (XA, YA, Z A ) at point (A).
  • the transformation matrix (T B ) describes the transformation of the joint coordinate system (X A , Y A , Z A ) at point (A) into the joint coordinate system (X B , Y B , Z B ) at point (B).
  • This equation 1 corresponds to the equation described in DE 37 400 70 AI and is only mathematically described somewhat differently.
  • ( ⁇ ) denotes the angle of rotation about the respective swivel joint (14, 15).
  • ( ⁇ ) it is the angle of rotation ( ⁇ A ) of the swivel joint (15)
  • (R ß ) it is the angle of rotation (c ß ) of the swivel joint (14)
  • a swivel joint has only a single kinematic degree of freedom, which can be described with the rotation matrix according to equation 2 as a pure rotation around the axis of rotation, as is shown in FIG. 3 purely by way of example for the rotation about the axis (a ⁇ ).
  • the center of the probe ball (P) is rotated by an angle ( ⁇ ß ) around the axis of rotation (a ß ) to a point (P ') so that both lie on a circle, its plane is perpendicular to the relevant axis of rotation and its center (M) lies on the axis of rotation (a ß ).
  • the guided part thus performs a general rigid body movement in space, which consists of the displacement vector (v) and the vector ( ⁇ ) of the spatial rotations.
  • the spatial displacement of the center point (P) of the probe ball (12) is made up of seven components during a rotation about one of the two rotary joints (14 or 15) from (P) to (P ") together, namely the nominal rotation by the angle of rotation ( ⁇ A or cp ß ) and the six error components belonging to the respective rotation, ie three shifts (v x , v y , v z ) and three rotations ( ⁇ x, ⁇ y, ⁇ ).
  • the components expanded compared to the basic model according to equation 1 have the following meaning.
  • the vector (v A ) here means the displacement error caused by the swivel joint (15).
  • the rotation matrix (D A ) represents the rotation error that arises around the swivel joint (15).
  • the vector (v B ) means the displacement error caused by the
  • Swivel joint (14) is created.
  • the rotation matrix (D B ) represents the rotation error that arises around the swivel joint (14).
  • the spatial rotation matrices (D A ) and (D B ), which each consist of the individual rotations D x , D y and D z about the coordinate axes x, y and z with Euler's angles ⁇ 2 , ⁇ y , ⁇ x consequently as follows:
  • D A D B 0 cos ⁇ x cos ⁇ , 0 1 0 - sin ⁇ , cos ⁇ . 0 0 - cos ⁇ . cos ⁇ . sin ⁇ . 0 cos ⁇ . 0 0 V
  • the determination of the vector (v B ) for the displacement error in the swivel joint (14) and the rotation matrix (D ⁇ ) for the rotation error of the swivel joint (14) can be carried out relatively easily, as will be explained in connection with FIG. 6.
  • the rotary swivel device is clamped on a highly precise coordinate measuring machine and a ball test body (9) is attached to the rotary swivel device, which has at least three balls (16a, 16b, 16c).
  • a ball test body 9
  • the swivel joint (14) is brought into any of its possible rotation angles and the respective position of the balls (16a, 16b, 16c) is measured with a centering button, which is constructed similar to a thimble. It has been shown here that the errors are only sufficiently small if measurement is carried out with a sufficient measuring force. However, this leads to a relatively large bending of the ball test piece (9).
  • the exact position of the balls (16a, 16b, 16c) can be determined particularly advantageously by measuring with two different measuring forces and then extrapolating to the position which the balls have at the measuring force 0 N.
  • a plane is then spanned from the position of the balls (16a, 16b, 16c) and the center of gravity is determined from the measured ball positions.
  • the vector (v B ) for the displacement errors then results as a vector from the center of gravity in the reference angle of rotation of the rotary-pivoting device to the center of gravity in the current angle of rotation.
  • the error angles for the rotation matrix (D ß ) result from the rotations of the calculated plane in the reference rotation angle to the calculated plane in the current rotational position.
  • finite elastic elements are introduced according to the invention, with which the deformation of elastic systems under external static loading can be described.
  • manageable analytical model equations for the correction of the deformation can be derived, the coefficients of which can be determined by means of best fit calculations from a number of positions as well as deformation and load conditions.
  • the replacement model is to be explained here with reference to FIGS. 8 to 10.
  • the finite elements (17) and (18) are placed here in this particularly advantageous embodiment at the points at which the components (1) and (2) or which are rotatably connected to one another (2) and (3) abut each other, that is, at the point where the Hirth serrations (6,7) are located (cf. FIGS. 1 and 2).
  • These finite elements (17, 18) can be presented in simplified form as rubber disks that elastically connect parts (1) and (2) or (2) and (3) to one another.
  • the model is based on the assumption that the deformation is a spatial displacement and rotation between the articulated components (1) and (2) with respect to the swivel joint (15) and the components (2) and (3) with respect to the swivel joint (14) can be described, while the other components, such as the components (1), (2) and (3) of the rotary swivel device, the stylus (11), the probe (4) and the probe extension (19) as completely rigid be accepted.
  • the total error can then be calculated from a superposition of the corrections of the rigid model, as described above in equation 1 or equation 3, and the correction of the elastic bending errors, as described here. If one describes the deformation correction vector by which the joint (15) deforms as (ü A ) and the deformation correction vector by which the joint (14) deforms as (ö B ), the following equation results when combined with equation 3:
  • the deformation correction vectors (ö A ) and (G B ) can be combined with Equation 1 just as well, for example if a continuously rotatable rotary-swivel unit is used, the rotary joints of which have very few errors of the type described.
  • the deformation correction vectors (ü A ) and (ü B ) can also be calculated completely separately.
  • a finite element can be treated mathematically as if only a force vector (f) and a moment vector (m) were to attack in the center (K) of such a finite element (17), where the force vector (f) and the
  • Torque vector (m) are generated by the external load, ie the weight forces of the probe configuration and possibly by the measuring forces.
  • This model presupposes that the elastic center (K) of the finite element with its position and its orientation in space as well as with its elastic parameters contains the elastic properties of the deformed components.
  • the deformation must be linearly dependent on the loads and proportional to the forces and moments acting in the elastic center (K). The superposition principle must continue to apply.
  • the finite element reacts to the force vector (f) and the moment vector (m) with a
  • Deformation correction vector (ü) which is composed of a translation vector (w) and a rotation vector ( ⁇ ).
  • the deformation correction vector (ü) can be determined as follows:
  • (N) is the compliance matrix that contains the compliance matrices (Nu) to (N22) as a hypermatrix.
  • this means the following for the translation vector () and the rotation vector ( ⁇ ): Equation 8 w N ,, f + N 12 m
  • Equation 9 N 21 f + N 22 m
  • N 12 translation due to the moment vector (m) acting in the elastic center (K)
  • N 2 ⁇ rotation due to the force vector (f) acting in the elastic center (K)
  • N 22 rotation due to the moment vector (m) acting in the elastic center (K)
  • the compliance matrix is defined in the coordinates ( K , yi, Z K ) of the elastic center (K) and must be transformed into the current device coordinate system (X G , Y G , Z G ).
  • the dead weight consequently causes the moment vector (m) from the force vector (f) and the distance vector (s) between the elastic center (K) and the center of gravity (S) according to
  • Equation 10 m f x s
  • the deformation correction vector (ü) by which the center point (P) of the probe ball (12) is displaced as a result of the deformation then results from the superposition of spatial displacement according to the translation vector (w) and the rotation according to the rotation vector ( ⁇ ) as follows:
  • Equation 11 ü w + ⁇ x p
  • vector (p) is the distance vector between the elastic center (K) and the center (P) of the probe ball (12). How this is composed is shown in FIG. 10.
  • the vector ( ⁇ xp) is shown here as vector (i).
  • ( ⁇ ,, ⁇ 2 ) mean the flexibility for the tilt about the x and y axis (X ⁇ , Y ⁇ ) of the coordinate system of the finite elements and ( ⁇ 3 ) the rotation about the z axis (Z ).
  • the deformation correction correctors (Q A ) and (ü B ) are therefore calculated separately for each of the finite elements (17, 18) according to equation 12.
  • the choice of the number of finite elements (17, 18) and their position here is particularly advantageous in relation to the direction of rotation and rotation shown here. In principle, both the number and the location of the finite elements can be freely selected. For example, a single finite element is sufficient. The location is also variable. If, for example, the elastic deformation of the horizontally aligned measuring arm of a column measuring device and / or the connection of the rotary-pivoting device to the measuring arm is to be recorded, the finite element (18) should be moved further towards the measuring arm.
  • FIG. 11 shows a schematic diagram in which only the component (3) of the rotary-swivel unit shown in FIG. 1 can be seen, to which a probe extension (19) with probe (4) and a star stylus (21) is connected. If one assumes that approximately the same bending parameters are present for all probe balls (20a, 20b, 20c) of the star stylus (21), then it is sufficient for only one of the probe balls (20a, 20b, 20c) the parameters of the compliance matrix (N 2 ) to determine. Only the vector (t) then needs to be determined for the other probe balls (20a, 20b, 20c).

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Abstract

Disclosed is a rotary pivoting device for the probes (4) of coordinate measuring devices, comprising at least two hinges (14, 15) for angular orientation of said probes, in addition to a correction unit (22) wherein at least the position of the axes of rotation (aA, aB) of the hinges and deviations in the angular position of said hinges can be corrected. The correction process is simplified by correcting the above-mentioned errors with the aid of a common mathematical model.

Description

Dreh-Schwenkeinrichtung für den Tastkopfeines KoordinatenmeßgerätesRotary swivel device for the probe of a coordinate measuring machine
Die Erfindung betrifft eine Dreh-Schwenkeinrichtung für den Tastkopf eines Koordinatenmeßgerätes, mit wenigstens zwei Drehgelenken zur winkelmäßigen Ausrichtung der Tastköpfe.The invention relates to a rotary swivel device for the probe head of a coordinate measuring machine, with at least two pivot joints for angular alignment of the probe heads.
Dreh-Schwenkeinrichtungen sind bereits seit längerem bekannt. Es gibt hierbei einerseits die sogenannten kontinuierlich verdrehbaren Dreh-Schwenkeinrichtungen, bei denen sich der Drehwinkel kontinuierlich über einen entsprechenden Motor verstellen läßt und der exakte Drehwinkel durch einen Encoder geliefert wird, sowie die sogenannten rastenden Dreh- Schwenkeinrichtungen, bei denen nur eine begrenzte Anzahl von Drehwinkeln eingestellt werden können. In einer von der Anmelderin vertriebenen rastenden Dreh- Schwenkeinrichtung mit der Typenbezeichnung „RDS" werden hierzu zwei zusammenwirkende Zahnkränze einer sogenannten Hirth-Nerzahnung verwendet, die im verriegelten Zustand ineinandergreifen und hierdurch den jeweils eingestellten Drehwinkel verriegeln.Turn-swivel devices have been known for a long time. On the one hand, there are the so-called continuously rotatable rotary swivel devices, in which the angle of rotation can be continuously adjusted via a corresponding motor and the exact angle of rotation is supplied by an encoder, and the so-called latching rotary swivel devices, in which only a limited number of angles of rotation can be adjusted. In a locking rotary swivel device marketed by the applicant with the type designation “RDS”, two interacting toothed rings of a so-called Hirth mink toothing are used for this purpose, which mesh in the locked state and thereby lock the respectively set angle of rotation.
Eine kontinuierlich verdrehbare Dreh-Schwenkeinrichtung ist in der DE 37 400 70 AI und dem hierzu korrespondierenden US-Patent 4,888,877 offenbart. Hierin ist eine Dreh- Schwenkeinrichtung gezeigt, welche zwei motorisch betriebene, kontinuierlich verschwenkbare Drehgelenke aufweist, deren Drehachsen senkrecht aufeinander stehen. Damit der Taststift nicht bei jeder Änderung des Dreh winkeis der Drehgelenke neu kalibriert werden muß, sind bezüglich der unterschiedlichen Drehwinkel Korrekturwerte abgelegt, die die Lage der Drehachsen zueinander beschreiben. Außerdem können alternativ oder zusätzlich auch Korrekturwerte hinsichtlich Winkelpositionsabweichungen und der Laufabweichungen der Drehachsen vorgesehen sein, wobei hinsichtlich der Realisierung dieser letztgenannten Korrektur nicht genau beschrieben ist, wie diese besonders vorteilhaft eingesetzt werden kann. Die Besonderheit der in der DE 37 400 70 AI gezeigten Dreh-Schwenkeinheit ist hierbei darin zu sehen, daß für jeden der einzelnen Fehler ein separates Korrekturmodell erforderlich ist, so daß einerseits für mehrere Korrekturmodelle die Fehlerparameter bestimmt werden müssen, sowie bei der Korrektur der gemessenen Meßwerte mehrere Korrekturrechnungen durchgeführt werden müssen. Dies hat in der Vergangenheit dazu geführt, daß aufgrund der hohen Anforderungen an eine geringe Meßzeit nur die Lage der Drehachsen zueinander und die Winkelpositionsabweichungen der Drehgelenke korrigiert wurden. Diese Korrekturen waren jedoch nur für kontinuierlich verdrehbare Dreh-Schwenkeinrichtungen anwendbar, wie sie in der DE 37 400 70 AI gezeigt sind. Für rastende Dreh-Schwenkeinrichtungen, bei denen die Dreh-Schwenkeinrichtung in einer Vielzahl von unterschiedlichen Stellungen eingerastet werden kann, waren die Korrekturmodelle nur unzureichend. Auch für kontinuierlich drehbare Dreh-Schwenkeinrichtungen ist es grundsätzlich wünschenswert die Meßgenauigkeit weiter zu verbessern.A continuously rotatable rotary swivel device is disclosed in DE 37 400 70 AI and the corresponding US Patent 4,888,877. This shows a rotary swivel device which has two motor-driven, continuously pivotable swivel joints, the axes of rotation of which are perpendicular to one another. So that the stylus does not have to be calibrated each time the angle of rotation of the swivel joints changes, correction values are stored with regard to the different angles of rotation that describe the position of the axes of rotation relative to one another. In addition, correction values with respect to angular position deviations and the running deviations of the axes of rotation can alternatively or additionally also be provided, with the implementation of this last-mentioned correction not exactly describing how this can be used particularly advantageously. The peculiarity of the rotary-swivel unit shown in DE 37 400 70 AI is to be seen in the fact that a separate correction model is required for each of the individual errors, so that on the one hand the error parameters have to be determined for several correction models and in the correction of the measured ones Measured values must be carried out several correction calculations. In the past, this has resulted in the fact that only the position of the axes of rotation relative to one another and the angular position deviations of the rotary joints have been corrected due to the high demands on a short measuring time. However, these corrections were only applicable to continuously rotatable rotary swivel devices, as shown in DE 37 400 70 AI. The correction models were inadequate for latching rotary swivel devices in which the rotary swivel device can be locked in a variety of different positions. In principle, it is also desirable to further improve the measurement accuracy for continuously rotatable rotary swivel devices.
Die Deutsche Offenlegungsschrift DE 40 01 433 AI und das dazu korrespondierende US- Patent 5,138,563 zeigen ein Korrekturverfahren für Dreh-Schwenkeinrichtungen, bei denen Fehler korrigiert werden, die sich aufgrund der elastischen Verformung der Dreh- Schwenkeinrichtung und der Tastkonfiguration ergeben, insbesondere dann, wenn die Tastkonfiguration eine Tastkopfverlängerung umfaßt, von der der Tastkopf gehalten wird. Dazu wurde das in der oben bereits zitierten DE 37 400 70 AI beschriebene Verfahren zur Korrektur der Lage der Drehachsen um einen Term B(α,ß) erweitert, der die Verformung angibt. Die Dreh-Schwenkeinrichtung mit der daran befestigten Tastkonfiguration wurde hierbei nach dem Modell eines Biegebalkens betrachtet, so daß zur Bestimmung des TermsGerman Offenlegungsschrift DE 40 01 433 AI and the corresponding US Pat. No. 5,138,563 show a correction method for rotary swivel devices in which errors are corrected which result from the elastic deformation of the rotary swivel device and the pushbutton configuration, in particular if the Probe configuration includes a probe extension by which the probe is held. For this purpose, the method for correcting the position of the axes of rotation described in DE 37 400 70 AI, already cited above, was expanded by a term B (α, β) which indicates the deformation. The rotary swivel device with the probe configuration attached to it was considered here according to the model of a bending beam, so that to determine the term
B(α,ß) die maximale Durchbiegung der Dreh-Schwenkeinrichtung bestimmt wurde und inB (α, ß) the maximum deflection of the rotary swivel device was determined and in
Abhängigkeit von der jeweiligen Winkelstellung der Drehgelenke dann auf die entsprechende Durchbiegung interpoliert wurde. Das Modell hat in der Vergangenheit hervorragende Dienste geleistet. Aufgrund der stetig höher werdenden Anforderungen an die Meßgenauigkeit von Koordinatenmeßgeräten, wurde der Versuch unternommen die in DE 40 01 433 AI mit Bezugszeichen 5 bezeichnete Tastkopfverlängerung steifer zu gestalten. Hierbei stellte sich jedoch heraus, daß die Korrekturergebnisse nicht, wie erwartet, besser wurden, weil hierdurch die in der Dreh-Schwenkeinrichtung auftretenden Verformungen größer wurden, als die Verformungen in der Tastkopfverlängerung und deshalb das zugrundeliegende Modell ein. s Biegebalk^ns nicht mehr funktionierte.Depending on the respective angular position of the swivel joints was then interpolated to the corresponding deflection. The model has served excellently in the past. Due to the constantly increasing demands on the measuring accuracy of coordinate measuring machines, an attempt was made to make the probe extension in DE 40 01 433 AI designated by reference number 5 more rigid. It turned out, however, that the correction results did not improve as expected, because this caused the deformations occurring in the rotary-swivel device became larger than the deformations in the probe head extension and therefore the underlying model. s bending beam ^ ns no longer worked.
Die Europäische Veröffentlichungsichrift EP 07 59 534 A2 zeigt ein Verfahren um kontinuierlich verdrehbare Dreh -Schwenkeinrichtungen oder rastende Dreh- Schwenkeinrichtungen zu korrigieren. Hierin wird vorgeschlagen die Dreh- Schwenkeinrichtung in zwei unterschiedliche Drehwinkel zu bringen und hier jeweils zu kalibrieren. Ein dritter, zwischen den Drehwinkeln liegender Drehwinkel wird dann korrigiert, indem zwischen den aufgenommenen Kalibrierdaten interpoliert wird. Hinsichtlich des Korrekturmodells wird hier nichts näher ausgeführt.The European publication EP 07 59 534 A2 shows a method for correcting continuously rotatable rotary swivel devices or latching rotary swivel devices. It is proposed to bring the rotary swivel device into two different angles of rotation and to calibrate each one here. A third angle of rotation lying between the angles of rotation is then corrected by interpolating between the recorded calibration data. Nothing is explained here with regard to the correction model.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es hiervon ausgehend eine verbesserte Dreh- Schwenkeinrichtung anzugeben.Based on this, the object of the present invention is to provide an improved rotary / pivoting device.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüchen 1 und 6 gelöst.The object is solved by the features of independent claims 1 and 6.
Der Grundgedanke der Lösung gemäß unabhängigen Anpsruch 1 sieht vor wenigstens die Lage der Drehachsen zueinander und die Winkelpositionsabweichungen in einem gemeinsamen mathematischen Modell zu korrigieren.The basic idea of the solution according to independent claim 1 provides for at least the position of the axes of rotation relative to one another and the angular position deviations to be corrected in a common mathematical model.
Es sei an dieser Stelle ausdrücklich erwähnt, daß die Bezeichnung gemeinsames mathematisches Modell so zu verstehen ist, daß die einzelnen Fehler nicht getrennt berechnet werden brauchen.At this point it should be expressly mentioned that the term common mathematical model is to be understood in such a way that the individual errors do not have to be calculated separately.
Hierdurch kann sowohl der Rechenaufwand zur Bestimmung der Fehlerparameter erheblich reduziert werden, sowie auch die Zeit, die benötigt wird um die Einzelfehler zu bestimmen.As a result, both the computational effort for determining the error parameters can be considerably reduced, and also the time required to determine the individual errors.
Die Korrektureinheit ist hierbei ein Rechner oder ein Mikroprozessor, in dem die entsprechend aufgenommenen Korrekturwerte abgespeichert werden und der entsprechend dem gewählten mathematischen Modell die gemessenen Meßwerte korrigiert. Besonders vorteilhaft läßt sich die lösungsgemäße Dreh- Schwenkeinrichtung weiterbilden, indem zusätzlich in dem gemeinsamen mathematischen Modell auch die Taumelfehler und/oder die radialen Laufabweichungen und/oder die Axialverschiebungen der Drehgelenke korrigiert werden.The correction unit is a computer or a microprocessor in which the correspondingly recorded correction values are stored and which corrects the measured values according to the selected mathematical model. The rotary swivel device according to the invention can be developed particularly advantageously by additionally correcting the wobble errors and / or the radial running deviations and / or the axial displacements of the rotary joints in the common mathematical model.
Durch diese Maßnahme ergibt sich ein handhabbares Korrekturmodell, mit dem nunmehr auch insbesondere rastende Dreh-Schwenkeinrichtungen korrigiert werden können, was mit den bislang bekannten mathematischen Modellen noch nicht möglich war.This measure results in a manageable correction model which can now also be used to correct, in particular, latching rotary-pivoting devices, which was not yet possible with the previously known mathematical models.
Zum Rasten der Drehstellungen sollte besonders vorteilhaft eine Hirth-Verzahnung verwendet werden, da hierdurch sich alle Drehwinkelstellungen der Dreh- Schwenkeinrichtung mit hoher Reproduzierbarkeit einstellen lassen.A Hirth toothing should be used particularly advantageously for locking the rotary positions, since this enables all rotary angle positions of the rotary / swivel device to be set with high reproducibility.
Der Grundgedanke der Lösung gemäß unabhängigen Anspruch 6 ist darin zu sehen, daß nunmehr eine rastende Dreh-Schwenkeinrichtung geschaffen wird, bei der nicht mehr jede Drehstellung einzeln für jede Tastkonfiguration kalibriert werden muß.The basic idea of the solution according to independent claim 6 is to be seen in the fact that a latching rotary swivel device is now created, in which it is no longer necessary to calibrate each rotary position individually for each probe configuration.
Es sei an dieser Stelle nochmals ausdrücklich erwähnt, daß es sich bei der Dreh- Schwenkeinrichtung gemäß den Ansprüchen 1 ,2 und 5 sowohl um eine rastende Dreh- Schwenkeinrichtung wie auch um eine kontinuierlich verdrehbare Dreh-Schwenkeinrichtung handeln kann.At this point it should again be expressly mentioned that the rotary swivel device according to claims 1, 2 and 5 can be a latching rotary swivel device as well as a continuously rotatable rotary swivel device.
Weitere Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der Figurenbeschreibung.Further advantages and developments of the invention result from the description of the figures.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung der Dreh-SchwenkeinrichtungFig. 1 shows a perspective view of the rotary swivel device
Fig. 2 zeigt eine rein schematische Darstellung der Dreh-Schwenkeinrichtung gemäß Fig. 1FIG. 2 shows a purely schematic illustration of the rotary swivel device according to FIG. 1
Fig. 3 zeigt die Rotation des Mittelpunktes (P) der Tastkugel (12) um ein ideales DrehgelenkFig. 3 shows the rotation of the center (P) of the probe ball (12) around an ideal hinge
(14) ohne Laufabweichungen Fig. 4 zeigt die Rotation des Mittelpunktes (P) der Tastkugel (12) um ein reales Drehgelenk(14) without running deviations. FIG. 4 shows the rotation of the center point (P) of the probe ball (12) around a real swivel joint
(14) mit Laufabweichungen Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung der Fehler bei der Rotation des Mittelpunktes (P) der Tastkugel (12) um ein reales Drehgelenk (14) mit Laufabweichungen Fig. 6 zeigt einen Meßaufbau, mit dem die Korrekturparameter für die Laufabweichungen des Drehgelenkes (14) bestimmt werden können Fig. 7 zeigt einen Meßaufbau, mit dem die Korrekturparameter für die Laufabweichungen des Drehgelenkes (15) bestimmt werden können Fig. 8 zeigt eine rein schematische Prinzipdarstellung der Dreh-Schwenkeinrichtung nach(14) with run deviations 5 shows a schematic illustration of the errors in the rotation of the center point (P) of the probe ball (12) around a real swivel joint (14) with running deviations. FIG. 6 shows a measurement setup with which the correction parameters for the running deviations of the swivel joint (14) FIG. 7 shows a measurement setup with which the correction parameters for the running deviations of the swivel joint (15) can be determined. FIG. 8 shows a purely schematic illustration of the principle of the rotary swivel device
Fig. 1, wobei die Tastkonfiguration eine Tastkopfverlängerung (19) umfaßt und zurFig. 1, wherein the probe configuration includes a probe extension (19) and
Berechnung der elastischen Verformung zwei finite elastische Elemente (17 und 18) eingefügt wurden Fig. 9 zeigt eine rein schematische Prinzipdarstellung des elastischen Zentrums (K) eines finiten Elementes Fig.10 zeigt ebenfalls eine rein schematische Prinzipdarstellung des elastischen Zentrums (K) eines finiten Elementes mit der Verschiebung des Mittelpunktes (P) der Tastkugel (12) Fig. 1 1 zeigt die in Figur 1 gezeigte Dreh-Schwenkeinrichtung von vorne mit einemCalculation of the elastic deformation two finite elastic elements (17 and 18) were inserted. FIG. 9 shows a purely schematic basic illustration of the elastic center (K) of a finite element. FIG. 10 also shows a purely schematic basic illustration of the elastic center (K) of a finite element with the displacement of the center (P) of the probe ball (12) Fig. 1 1 shows the rotary swivel device shown in Figure 1 from the front with a
Sterntaster (21).Star button (21).
Figur 1 zeigt eine Dreh-Schwenkeinrichtung, die hier als sogenannte rastende Dreh- Schwenkeinrichtung ausgeführt ist. Die Dreh-Schwenkeinrichtung ist hierbei an einem horizontal ausgerichteten Meßarm (8) eines Ständermeßgerätes befestigt und weist zwei Drehgelenke (14,15) auf, die die Bauteile (1) und (2), sowie die Bauteile (2) und (3) drehbar miteinander verbinden, wobei die Drehgelenke (15,14) die Drehachsen (aA) und (ae) definieren. Zum Festrasten der eingestellten Drehwinkel weist die Dreh-Schwenkeinrichtung sogenannte Hirth- Verzahnungen (6) und (7) auf. Dies sind paarweise zusammenwirkende Zahnkränze, die ineinander greifen. Um die Drehwinkel der Drehgelenke (14,15) zu verändern, befindet sich im Inneren der Dreh-Schwenkeinrichtung ein pneumatischer Zylinder, über den das Bauteil (2) gegenüber dem Bauteil (1) sowie das Bauteil (3) gegenüber dem Bauteil (2) abgehoben werden kann. Außerdem ist für jedes der Drehgelenke ein Elektromotor vorgesehen, über den der Drehwinkel des jeweiligen Drehgelenkes (14,15) verstellt werden kann. Nachdem der gewünschte Drehwinkel erreicht ist, werden die ausgehobenen Bauteile (1) und (2) bzw. (2) und (3) wieder von der Pneumatik zusammengezogen. In der gezeigten Darstellung ist an die Aufnahme der Dreh-Schwenkeinrichtung ein Tastkopf (4) vom schaltenden Typ angesetzt. Am Tastkopf (4) ist wiederum ein Taststift (1 1) mit einer Tastkugel (12) auswechselbar gehalten, wobei der Tastkopf (4), bei der Berührung eines Werkstückes mit der Tastkugel (12), ein elektrisches Signal auslöst. Natürlich kann beispielsweise auch ein optischer Tastkopf oder ein messender Tastkopf verwendet werden. Der Tastkopf (4) ist mittels eines Adapterteils (5) an der Halteplatte (3) befestigt.Figure 1 shows a rotary swivel device, which is designed here as a so-called latching rotary swivel device. The rotary swivel device is fastened to a horizontally aligned measuring arm (8) of a column measuring device and has two swivel joints (14, 15) which rotate the components (1) and (2) and components (2) and (3) Connect with each other, whereby the swivel joints (15, 14) define the axes of rotation (a A ) and (ae). The rotary swivel device has so-called Hirth serrations (6) and (7) for fixed locking of the set angle of rotation. These are gear rings that work in pairs and mesh with one another. In order to change the angles of rotation of the rotary joints (14, 15), there is a pneumatic cylinder inside the rotary swivel device, via which the component (2) relative to the component (1) and the component (3) relative to the component (2) can be lifted off. In addition, an electric motor is provided for each of the rotary joints, by means of which the angle of rotation of the respective rotary joint (14, 15) can be adjusted. After the desired angle of rotation is reached, the excavated components (1) and (2) or (2) and (3) are pulled together again by the pneumatics. In the illustration shown, a probe (4) of the switching type is attached to the receptacle of the rotary swivel device. A probe pin (11) with a probe ball (12) is in turn held interchangeably on the probe head (4), the probe head (4) triggering an electrical signal when a workpiece touches the probe ball (12). Of course, an optical probe or a measuring probe can also be used, for example. The probe (4) is attached to the holding plate (3) by means of an adapter part (5).
Die hierbei vom Koordinatenmeßgerät während einer Messung aufgenommenen Meßwerte werden in der hier nur rein schematisch dargestellten Korrektureinheit (22) gemäß einem mathematischen Modell korrigiert. Bei dieser besagten Korrektureinheit (22) handelt es sich üblicherweise um den Rechner des Koordinatenmeßgerätes. Natürlich kann alternativ auch ein eigens vorgesehener Mikroprozessor verwendet werden, der beispielsweise in der Steuerung des Koordinatenmeßgerätes oder sogar in der Dreh- Schwenkeinheit selber angeordnet ist.The measurement values recorded by the coordinate measuring machine during a measurement are corrected in the correction unit (22) shown here only in a purely schematic manner, according to a mathematical model. This correction unit (22) is usually the computer of the coordinate measuring machine. Of course, alternatively, a specially provided microprocessor can also be used, which is arranged, for example, in the control of the coordinate measuring machine or even in the rotary-swivel unit itself.
1. Grundmodell1. Basic model
Um bei einer derartigen Dreh-Schwenkeinrichtung mit unterschiedlichen Drehwinkeln der Drehgelenke (14,15) Messungen durchfuhren zu können muß für jeden Drehwinkel der genaue Ortsvektor ( x ) des Mittelpunktes (P) der Tastkugel (12) bezogen auf das Gerätekoordinatensystem (XQ,YG,ZG) bekannt sein. Dieser Sachverhalt soll im Folgenden anhand von Figur 2 erläutert werden. Figur 2 zeigt lediglich eine rein schematische Darstellung der Dreh-Schwenkeinrichtung gemäß Figur 1, in der für die gleichen Komponenten dieselben Bezugszeichen wie in Figur 1 verwendet wurden.In order to be able to carry out measurements with such a rotary swivel device with different angles of rotation of the rotary joints (14, 15), the exact location vector (x) of the center point (P) of the probe ball (12) must be related to the device coordinate system (XQ, Y G , Z G ) be known. This state of affairs will be explained below with reference to FIG. 2. Figure 2 shows only a purely schematic representation of the rotary-pivoting device according to Figure 1, in which the same reference numerals as in Figure 1 were used for the same components.
Diesen Ortsvektor ( x ) der Tastkugel (12) im Gerätekoordinatensystem (XG,YG,ZG) kann man als Vektorgleichung wie folgt angeben:This location vector (x) of the probe ball (12) in the device coordinate system (X G , Y G , Z G ) can be specified as a vector equation as follows:
Gleichung 1 x = T;1 R^ (T 1 RB t + d)+ c/ Die Punkte (A) und (B) stellen die Schnittpunkte einer Geraden mit den Drehachsen (aA) und (aß) dar, wobei die Gerade ent.ang des kürzesten Abstandes der beiden Drehachsen (aA) und (aß) verläuft. Der Vektor (x ) bedeutet hierbei den Ortsvektor des Mittelpunktes (P) der Tastkugel (12) bezogen auf das Gerätekoordinatensystem (XG,YG,ZG). Der Vektor ( t ) ist der Vektor vom Punkt (B) zum Mittelpunkt (P) der Tastkugel (12). Der Vektor (cA ) ist der Ortsvektor des Punktes (A) bezogen auf das Gerätekoordinatensystem (XG,YG,ZG). Der Vektor ( d) ist der Abstandsvektor des Punktes (B) vom Punkt (A). Die Rotationsmatrix (RA) beschreibt die Rotation des Drehgelenkes (15) um die Drehachse (aA). Die Rotationsmatrix (RB) beschreibt die Rotation des Drehgelenkes (14) um die Achse (aß). Die Transformationsmatrix (TA) beschreibt die Transformation des Gerätekoordinatensystems (XG,YG,ZG) in das Gelenkkoordinatensystem (XA,YA,ZA) im Punkt (A). Die Transformationsmatrix (TB) beschreibt die Transformation des Gelenkkoordinatensystems (XA,YA,ZA) im Punkt (A) in das Gelenkkoordinatensystem (XB,YB,ZB) im Punkt (B).Equation 1 x = T; 1 R ^ (T 1 R B t + d) + c / The points (A) and (B) represent the intersection of a straight line with the axes of rotation (a A ) and (a ß ), the straight line running along the shortest distance between the two axes of rotation (a A ) and (a ß ) , The vector (x) here means the location vector of the center point (P) of the probe ball (12) based on the device coordinate system (X G , Y G , ZG). The vector (t) is the vector from the point (B) to the center (P) of the probe ball (12). The vector (c A ) is the location vector of the point (A) based on the device coordinate system (X G , Y G , Z G ). The vector (d) is the distance vector of point (B) from point (A). The rotation matrix (R A ) describes the rotation of the swivel joint (15) about the axis of rotation (a A ). The rotation matrix (RB) describes the rotation of the swivel joint (14) about the axis (a ß ). The transformation matrix (T A ) describes the transformation of the device coordinate system (XG, YG, ZG) into the joint coordinate system (XA, YA, Z A ) at point (A). The transformation matrix (T B ) describes the transformation of the joint coordinate system (X A , Y A , Z A ) at point (A) into the joint coordinate system (X B , Y B , Z B ) at point (B).
Diese Gleichung 1 entspricht hierbei der in DE 37 400 70 AI beschriebenen Gleichung und ist lediglich etwas anders mathematisch beschrieben.This equation 1 corresponds to the equation described in DE 37 400 70 AI and is only mathematically described somewhat differently.
Im Fall der idealen, fehlerfreien Drehgelenke ist deren Bewegung eine reine Rotation und es gilt für die Rotationsmatrizen (RA) und (Rß) für die Drehung um die Z- Achse des jeweiligen Gelenkkoordinatensystems (XA,YA,ZA bzw. Xß,Yß,Zß).In the case of the ideal, error-free swivel joints, their movement is a pure rotation and the rotation matrices (R A ) and (R ß ) apply to the rotation around the Z axis of the respective joint coordinate system (X A , Y A , Z A or Xß, Yß, Z ß ).
Gleichung 2 RA
Figure imgf000009_0001
Equation 2 R A
Figure imgf000009_0001
In dieser Gleichung 2 bezeichnet (φ) hierbei den Drehwinkel um das jeweilige Drehgelenk (14,15). Für die Rotationsmatrix (RA) ist es der Drehwinkel (ΨA) des Drehgelenkes (15), für die Rotationsmatrix (Rß) ist es der Drehwinkel (c ß) des Drehgelenkes (14)In this equation 2, (φ) denotes the angle of rotation about the respective swivel joint (14, 15). For the rotation matrix (R A ) it is the angle of rotation (Ψ A ) of the swivel joint (15), for the rotation matrix (R ß ) it is the angle of rotation (c ß ) of the swivel joint (14)
Alle weiteren Vektoren und Matrizen sind auch im Fall idealer Drehgelenke unbekannt und müssen experimentell bestimmt werden, und zwar 9 Komponenten von Vektoren sowie 6 Raumwinkel der Transformationsmatrizen. Dazu kommen als weitere Unbekannte die Nullwinkel der beiden Winkelmeßsysteme. Demgemäß sind für die Kalibrierung der Dreh- Schwenkeinheit Messungen für mindestens 17 unabhängige Bedingungsgleichungen durchzuführen. Das ist auch dann noch der Fall, wenn die Korrektur der einzelnen Drehgelenke bekannt ist.All other vectors and matrices are also unknown in the case of ideal swivel joints and must be determined experimentally, namely 9 components of vectors and 6 solid angles of the transformation matrices. The zero angles of the two angle measuring systems are also unknown. Accordingly, for the calibration of the rotary Swivel unit measurements for at least 17 independent condition equations. This is still the case if the correction of the individual swivel joints is known.
2. Kinematische Korrektur2. Kinematic correction
In nullter Näherung besitzt ein Drehgelenk nur einen einzigen kinematischen Freiheitsgrad, der mit der Rotationsmatrix nach Gleichung 2 als reine Rotation um die Drehachse beschreibbar ist, wie dies in Figur 3 rein beispielhaft für die Rotation um die Achse (aß) gezeigt ist. Wie hier zu sehen ist, wird in diesem Falle der Tastkugelmittelpunkt (P) bei Rotation um einen Winkel (ψß) um die Drehachse (aß) auf einen Punkt (P') so abgebildet, daß beide auf einem Kreis liegen, dessen Ebene lotrecht auf die betreffende Drehachse steht und dessen Mittelpunkt (M) auf der Drehachse (aß) liegt.In a zero approximation, a swivel joint has only a single kinematic degree of freedom, which can be described with the rotation matrix according to equation 2 as a pure rotation around the axis of rotation, as is shown in FIG. 3 purely by way of example for the rotation about the axis (aβ). As can be seen here, in this case the center of the probe ball (P) is rotated by an angle (ψ ß ) around the axis of rotation (a ß ) to a point (P ') so that both lie on a circle, its plane is perpendicular to the relevant axis of rotation and its center (M) lies on the axis of rotation (a ß ).
Ein reales Drehgelenk weist demgegenüber bedingt durch die Fertigungsungenauigkeiten Bewegungen in allen sechs Freiheitsgraden auf, wie dies gut anhand der rein schematischen Figur 4 gesehen werden kann. Wie hieraus zu sehen, wird der Tastkugelmittelpunkt (P) bei Rotation um die Drehachse (aß) diesmal auf einem Punkt (P") abgebildet, der nicht auf dem besagten Kreis um die Drehachse (aß) liegt. Die sechs Freiheitsgrade in denen die Bewegungen stattfinden können entsprechen zugleich den sechs Fehlerkomponenten, die zu dem theoretischen Punkt (Pς) dazugerechnet werden müssen, um zum tatsächlichen Punkt (P") zu gelangen, wie dies Figur 5 zeigt. Diese Fehlerkomponenten sind:On the other hand, due to the manufacturing inaccuracies, a real swivel joint has movements in all six degrees of freedom, as can be seen well from the purely schematic FIG. 4. As can be seen from this, the center of the probe ball (P) is rotated this time around the axis of rotation (a ß ) on a point (P ") that is not on the said circle around the axis of rotation (a ß ). The six degrees of freedom in that the movements can take place at the same time correspond to the six error components that have to be added to the theoretical point (P ς ) in order to arrive at the actual point (P "), as shown in FIG. 5. These error components are:
- Winkelpositionsabweichungen (δφ = δz) des Rastsystems oder Winkelmeßsystems- Angular position deviations (δφ = δ z ) of the locking system or angle measuring system
- radiale Laufabweichungen (y., vy) in x und y-Richtung,- radial run deviations (y . , v y ) in the x and y direction,
- Axialverschiebungen vz - axial displacements v z
- Kippungen δx, δy um die x- und y-Achse als Taumelfehler.- tilts δ x , δ y around the x and y axes as wobble errors.
Anstelle der Rotationsbewegung vollführt damit das geführte Teil eine allgemeine Starrkörperbewegung im Raum, die aus dem Verschiebungsvektor ( v) und dem Vektor (δ ) der räumlichen Drehungen besteht. Dementsprechend setzt sich bezogen auf die Dreh-Schwenkeinrichtung gemäß Figur 2 die räumliche Verschiebung des Mittelpunktes (P) der Tastkugel ( 12) bei einer Drehung um eines der beiden Drehgelenke (14 oder 15) von (P) nach (P") aus sieben Komponenten zusammen, und zwar der nominellen Rotation um den Drehwinkel (ψA oder cpß) und den jeweils zu der betreffenden Drehung dazugehörigen sechs Fehlerkomponenten, d.h. je drei Verschiebungen (vx,vy,vz) und drei Drehungen (δx,δy, δφ).Instead of the rotational movement, the guided part thus performs a general rigid body movement in space, which consists of the displacement vector (v) and the vector (δ) of the spatial rotations. Accordingly, based on the rotary swivel device according to FIG. 2, the spatial displacement of the center point (P) of the probe ball (12) is made up of seven components during a rotation about one of the two rotary joints (14 or 15) from (P) to (P ") together, namely the nominal rotation by the angle of rotation (ψ A or cp ß ) and the six error components belonging to the respective rotation, ie three shifts (v x , v y , v z ) and three rotations (δx, δy, δφ).
Unter den obigen Betrachtungen kann das oben genannte Grundmodell also wie folgt erweitert werden:Under the above considerations, the basic model mentioned above can therefore be expanded as follows:
Gleichung 3 x = TA-IRA[DA (τ-,RB(DB t + vB) + d) + vA + c .Equation 3 x = T A - I R A [D A (τ- , R B (D B t + v B ) + d) + v A + c.
Die gegenüber dem Grundmodell nach Gleichung 1 erweiterten Komponenten haben hierbei nachfolgende Bedeutung. Der Vektor (vA ) bedeutet hierbei den Verschiebefehler, der durch das Drehgelenk (15) entsteht. Die Drehmatrix (DA) repräsentiert den Drehfehler der um das Drehgelenk (15) entsteht. Der Vektor ( vB) bedeutet den Verschiebefehler, der durch dasThe components expanded compared to the basic model according to equation 1 have the following meaning. The vector (v A ) here means the displacement error caused by the swivel joint (15). The rotation matrix (D A ) represents the rotation error that arises around the swivel joint (15). The vector (v B ) means the displacement error caused by the
Drehgelenk (14) entsteht. Die Drehmatrix (DB) repräsentiert den Drehfehler der um das Drehgelenk (14) entsteht.Swivel joint (14) is created. The rotation matrix (D B ) represents the rotation error that arises around the swivel joint (14).
Die Vektoren (vA ) und ( vB ), die sich jeweils aus den Verschiebefehlern in x, y und z- Richtung zusammensetzen definieren sich folglich wie folgt:The vectors (v A ) and (v B ), which are each composed of the displacement errors in the x, y and z direction, are therefore defined as follows:
Gleichung 4 V A
Figure imgf000011_0001
Equation 4 V A
Figure imgf000011_0001
Die räumlichen Drehmatrizen (DA) und (DB), die sich jeweils aus den Einzeldrehungen Dx , Dyund Dz um die Koordinatenachsen x,y und z mit den Eulerschen Winkeln δ2, δy, δx zusammensetzen ergeben sich folglich wie folgt:The spatial rotation matrices (D A ) and (D B ), which each consist of the individual rotations D x , D y and D z about the coordinate axes x, y and z with Euler's angles δ 2 , δ y , δ x consequently as follows:
1 0 0 cosδ„ 0 - cosδ. cosδ.. sinδz 01 0 0 cosδ "0 - cosδ. cosδ .. sinδ z 0
Gleichung 5 DA = DB 0 cosδx cosδ, 0 1 0 - sinδ, cosδ. 0 0 - cosδ. cosδ. sinδ. 0 cosδ. 0 0 V Die Ermittlung der Vektors (vB) für die Verschiebefehler beim Drehgelenk (14) sowie der Drehmatrix (Dß) für die Drehfehler des Drehgelenkes (14) kann relativ einfach erfolgen, wie dies im Zusammenhang mit Figur 6 erläutert wird. Dazu wird die Dreh-Schwenkeinrichtung auf einem hochgenauen Koordinatenmeßgerät aufgespannt und an der Dreh- Schwenkeinrichtung ein Kugelprüfkörper (9) angebracht, der wenigstens drei Kugeln (16a, 16b, 16c) aufweist. Nunmehr wird das Drehgelenk (14) in jeden seiner möglichen Drehwinkel gebracht und die jeweilige Lage der Kugeln (16a, 16b, 16c) mit einem Zentriertaster, der ähnlich einem Fingerhut aufgebaut ist, vermessen. Es hat sich hierbei gezeigt, daß die Fehler erst dann ausreichend klein sind, wenn mit einer ausreichenden Meßkraft: gemessen wird. Dies führt jedoch zu einer relativ großen Verbiegung des Kugelprüfkörpers (9). Deshalb kann besonders vorteilhaft die exakte Lage der Kugeln (16a, 16b, 16c) bestimmt werden, indem mit zwei unterschiedlichen Meßkräften gemessen wird und dann auf die Lage extrapoliert wird, die die Kugeln bei der Meßkraft 0 N aufweisen. Für jeden Drehwinkel des Drehgelenkes (14) wird dann aus der Lage der Kugeln (16a, 16b, 16c) eine Ebene aufgespannt, sowie der Flächenschwerpunkt aus den gemessenen Kugelpositionen bestimmt. Der Vektor (vB) für die Verschiebefehler ergibt sich dann als Vektor vom Schwerpunkt im Referenzdrehwinkel der Dreh-Schwen einrichtung zum Schwerpunkt im aktuellen Drehwinkel. Die Fehlerwinkel für die Drehmatrix (Dß) ergeben sich aus den Verdrehungen der berechneten Ebene im Referenzdrehwinkel zur berechneten Ebene in der aktuellen Drehstellung.Equation 5 D A = D B 0 cos δ x cos δ, 0 1 0 - sin δ, cos δ. 0 0 - cos δ. cosδ. sinδ. 0 cos δ. 0 0 V The determination of the vector (v B ) for the displacement error in the swivel joint (14) and the rotation matrix (D β ) for the rotation error of the swivel joint (14) can be carried out relatively easily, as will be explained in connection with FIG. 6. For this purpose, the rotary swivel device is clamped on a highly precise coordinate measuring machine and a ball test body (9) is attached to the rotary swivel device, which has at least three balls (16a, 16b, 16c). Now the swivel joint (14) is brought into any of its possible rotation angles and the respective position of the balls (16a, 16b, 16c) is measured with a centering button, which is constructed similar to a thimble. It has been shown here that the errors are only sufficiently small if measurement is carried out with a sufficient measuring force. However, this leads to a relatively large bending of the ball test piece (9). Therefore, the exact position of the balls (16a, 16b, 16c) can be determined particularly advantageously by measuring with two different measuring forces and then extrapolating to the position which the balls have at the measuring force 0 N. For each angle of rotation of the swivel joint (14), a plane is then spanned from the position of the balls (16a, 16b, 16c) and the center of gravity is determined from the measured ball positions. The vector (v B ) for the displacement errors then results as a vector from the center of gravity in the reference angle of rotation of the rotary-pivoting device to the center of gravity in the current angle of rotation. The error angles for the rotation matrix (D ß ) result from the rotations of the calculated plane in the reference rotation angle to the calculated plane in the current rotational position.
Vollkommen analog wird auch der Vektor ( v A ) für die Verschiebefehler beim DrehgelenkThe vector (v A ) for the displacement errors in the swivel joint is also completely analogous
(15) sowie der Drehmatrix (DA) für die Drehfehler des Drehgelenkes (15) ermittelt, wobei dann der Kugelprüfkörper (9) über ein Winkelstück (10) an der Dreh-Schwenkeinrichtung befestigt wird.(15) and the rotation matrix (D A ) for the rotation errors of the swivel joint (15) are determined, in which case the ball test piece (9) is attached to the rotary swivel device via an angle piece (10).
3. Korrektur elastischer Biegefehler3. Correction of elastic bending errors
Unter realen Bedingungen kommt es, bedingt durch die Gewichtskräfte insbesondere der Tastkonfϊguration, also des Tastkopfes (4), des Taststiftes (11) sowie insbesondere von Tastkopfverlängerungen (19) ∑τι Verformungen sowohl der Dreh-Schwenkeinrichtung, wie auch der Tastkonfiguration seber (siehe Fig. 8).Under real conditions, due to the weight forces, in particular the probe configuration, that is to say the probe (4), the stylus (11) and in particular Probe head extensions (19) ∑τι Deformation of both the rotary swivel device, as well as the probe configuration seber (see Fig. 8).
Für die Berechnung dieser elastischen Verformung werden erfindungsgemäß finite elastische Elemente eingeführt, mit denen sich die Verformung elastischer Systeme unter äußerer statischer Belastung beschreiben läßt. Hierduch lassen sich auf dieser Grundlage überschaubare analytische Modellgleichungen für die Korrektur der Verformung ableiten, deren Koeffizienten sich mittels Bestfit-Rechnungen aus einer Anzahl von Stellungen sowie Verformungs- und Belastungszuständen bestimmen lassen. Das Ersatzmodell soll hierbei anhand von Figuren 8 bis 10 erläutert werden. Wie aus der rein schematischen Prinzipskizze gemäß Figur 8 ersehen werden kann, sind die finiten Elemente (17) und (18) hier in dieser besonders vorteilhaften Ausgestaltung an den Stellen angesetzt, an denen die drehbar miteinander verbundenen Bauteile (1) und (2) oder (2) und (3) aneinanderstoßen, also an der Stelle, an der die Hirth- Verzahnungen (6,7) sitzen (vgl. Figuren 1 und 2). Diese finiten Elemente (17,18) können vereinfacht als Gummischeiben vorgestellt werden, die die Teile (1) und (2) oder (2) und (3) elastisch miteinander verbinden.For the calculation of this elastic deformation, finite elastic elements are introduced according to the invention, with which the deformation of elastic systems under external static loading can be described. On this basis, manageable analytical model equations for the correction of the deformation can be derived, the coefficients of which can be determined by means of best fit calculations from a number of positions as well as deformation and load conditions. The replacement model is to be explained here with reference to FIGS. 8 to 10. As can be seen from the purely schematic schematic diagram according to FIG. 8, the finite elements (17) and (18) are placed here in this particularly advantageous embodiment at the points at which the components (1) and (2) or which are rotatably connected to one another (2) and (3) abut each other, that is, at the point where the Hirth serrations (6,7) are located (cf. FIGS. 1 and 2). These finite elements (17, 18) can be presented in simplified form as rubber disks that elastically connect parts (1) and (2) or (2) and (3) to one another.
Das Modell geht hierbei von der Annahme aus, daß sich die Verformung als räumliche Verschiebung und Drehung zwischen den gelenkig miteinander verbundenen Bauteilen (1) und (2) bezüglich des Drehgelenkes (15) und den Bauteilen (2) und (3) bezüglich des Drehgelenkes (14) beschreiben läßt, während die anderen Komponenten, wie die Bauteile (1), (2) und (3) der Dreh-Schwenkeinrichtung, der Taststift (11), der Tastkopf (4) und die Tastkopfverlängerung (19) als vollkommen starr angenommen werden. Der Gesamtfehler kann dann aus einer Überlagerung der Korrekturen des starren Modells, wie oben in Gleichung 1 oder der Gleichung 3 beschrieben und der Korrektur der elastischen Biegefehler, wie hier beschrieben, berechnet werden. Beschreibt man den Verformungskorrekturvektor, um den sich das Gelenk (15) verformt als ( üA ) und den Verformungskorrekturvektor, um den sich das Gelenk (14) verformt als (öB ), so ergibt bei Kombination mit Gleichung 3 folgende Gleichung:The model is based on the assumption that the deformation is a spatial displacement and rotation between the articulated components (1) and (2) with respect to the swivel joint (15) and the components (2) and (3) with respect to the swivel joint (14) can be described, while the other components, such as the components (1), (2) and (3) of the rotary swivel device, the stylus (11), the probe (4) and the probe extension (19) as completely rigid be accepted. The total error can then be calculated from a superposition of the corrections of the rigid model, as described above in equation 1 or equation 3, and the correction of the elastic bending errors, as described here. If one describes the deformation correction vector by which the joint (15) deforms as (ü A ) and the deformation correction vector by which the joint (14) deforms as (ö B ), the following equation results when combined with equation 3:
Gleichung 6 x = TA-'RA [DA (τB IRB (DB t + vB) + d) + vA] + cA + ÜA + ÜB Es versteht sich, daß Gleichung 6 besonders vorteilhaft ist, weil neben der Verformung gleichzeitig auch Winkelpositionsabweichungen, radiale Laufabweichungen, Axialverschiebungen und Taumelfehler der Drehgelenke (14) und (15) korrigiert werden, wie oben ausgeführt. Natürlich können die Verformungskorrekturvektoren ( ö A ) und ( GB ) genauso gut mit Gleichung 1 kombiniert werden, beispielsweise dann, wenn eine kontinuierlich verdrehbare Dreh-Schwenkeinheit verwendet wird, deren Drehgelenke nur sehr geringe Fehler der bezeichneten Art haben. Gleichfalls können die Verformungskorrekturvektoren ( ü A ) und ( ü B ) auch völlig separat berechnet werden.Equation 6 x = T A -'R A [D A (τ B I R B (D B t + v B ) + d) + v A ] + c A + Ü A + Ü B It goes without saying that equation 6 is particularly advantageous because, in addition to the deformation, angular position deviations, radial running deviations, axial displacements and wobble errors of the rotary joints (14) and (15) are also corrected, as stated above. Of course, the deformation correction vectors (ö A ) and (G B ) can be combined with Equation 1 just as well, for example if a continuously rotatable rotary-swivel unit is used, the rotary joints of which have very few errors of the type described. Likewise, the deformation correction vectors (ü A ) and (ü B ) can also be calculated completely separately.
Damit läßt sich, wie Figur 9 dies zeigt, ein finites Element mathematisch so behandeln, als ob im Zentrum (K) eines solchen finiten Elementes (17) oder (18) nur ein Kraftvektor (f ) und ein Momentenvektor ( m ) angreifen würde, wobei der Kraftvektor ( f ) und derThus, as FIG. 9 shows, a finite element can be treated mathematically as if only a force vector (f) and a moment vector (m) were to attack in the center (K) of such a finite element (17), where the force vector (f) and the
Momentenvektor ( m ) durch die äußere Belastung, also die Gewichtskräfte der Tastkonfiguration und ggf. durch die Meßkräfte erzeugt werden. Dieses Modell setzt voraus , daß das elastische Zentrum (K) des finiten Elementes mit seiner Lage und seiner Orientierung im Raum sowie mit seinen elastischen Parametern die elastischen Eigenschaften der verformten Bauteile enthält. Außerdem muß die Verformung linear abhängig von den Belastungen sein und proportional zu den im elastischen Zentrum (K) wirkenden Kräften und Momenten. Es muß weiterhin das Superpositionsprinzip gelten. Das finite Element reagiert auf den Kraftvektor (f ) und den Momentenvektor ( m ) mit einemTorque vector (m) are generated by the external load, ie the weight forces of the probe configuration and possibly by the measuring forces. This model presupposes that the elastic center (K) of the finite element with its position and its orientation in space as well as with its elastic parameters contains the elastic properties of the deformed components. In addition, the deformation must be linearly dependent on the loads and proportional to the forces and moments acting in the elastic center (K). The superposition principle must continue to apply. The finite element reacts to the force vector (f) and the moment vector (m) with a
Verformungskorrekturvektor ( ü ), der sich aus einem Translationsvektor ( w ) und einem Rotationsvektor ( γ ) zusammensetzt. Der Verformungskorrekturvektor ( ü ) kann wie folgt bestimmt werden:Deformation correction vector (ü), which is composed of a translation vector (w) and a rotation vector (γ). The deformation correction vector (ü) can be determined as follows:
Gleichung 7
Figure imgf000014_0001
Equation 7
Figure imgf000014_0001
Wobei (N) die Nachgiebigkeitsmatrix ist, die als Hypermatrix die Nachgiebigkeitsmatrizen (Nu) bis (N22) enthält. Übersichtlich geschrieben bedeutet dies für den Translationsvektor ( ) und den Rotationsvektor (γ ) folgendes: Gleichung 8 w = N,,f + N12mWhere (N) is the compliance matrix that contains the compliance matrices (Nu) to (N22) as a hypermatrix. Written clearly, this means the following for the translation vector () and the rotation vector (γ): Equation 8 w = N ,, f + N 12 m
Gleichung 9 γ = N21f + N22mEquation 9 γ = N 21 f + N 22 m
In dieser Gleichung bedeuten die Nachgiebigkeitsmatrizen (Nu) bis (N22) folgendes:In this equation, the compliance matrices (Nu) through (N 22 ) mean the following:
Nj ι= Translation infolge des im elastischen Zentrum (K) wirkenden Kraftvektors ( f )Nj ι = translation due to the force vector (f) acting in the elastic center (K)
N12= Translation infolge des im elastischen Zentrum (K) wirkenden Momentenvektors ( m ) N2ι= Rotation infolge des im elastischen Zentrum (K) wirkenden Kraftvektors (f )N 12 = translation due to the moment vector (m) acting in the elastic center (K) N 2 ι = rotation due to the force vector (f) acting in the elastic center (K)
N22= Rotation infolge des im elastischen Zentrum (K) wirkenden Momentenvektors ( m )N 22 = rotation due to the moment vector (m) acting in the elastic center (K)
Die Nachgiebigkeitsmatrix wird dabei in den Koordinaten ( K, yi , ZK) des elastischen Zentrums (K) definiert und muß in das aktuelle Gerätekoordinatensystem (XG,YG,ZG) transformiert werden. Am realen System wirkt, wie dies an der rein schematischen Prinzipskizze gemäß Figur 10 ersichtlich ist, als äußere Belastung das Eigengewicht der Tastkonfiguration, wie beispielsweise des Tastkopfes (4) nach der allseits bekannten Formel f = m * g im Schweφunkt (S). Das Eigengewicht bewirkt demzufolge den Momentenvektor ( m ) aus dem Kraftvektor ( f ) und dem Abstandsvektor ( s ) zwischen dem elastischen Zentrum (K) und dem Schwerpunkt (S) nach derThe compliance matrix is defined in the coordinates ( K , yi, Z K ) of the elastic center (K) and must be transformed into the current device coordinate system (X G , Y G , Z G ). In the real system, as can be seen from the purely schematic schematic diagram according to FIG. 10, the dead weight of the probe configuration, such as the probe (4), acts as an external load according to the well-known formula f = m * g in the center (S). The dead weight consequently causes the moment vector (m) from the force vector (f) and the distance vector (s) between the elastic center (K) and the center of gravity (S) according to
Gleichung 10 m = f x sEquation 10 m = f x s
Der Verformungskorrekturvektor ( ü ) um den der Mittelpunkt (P) der Tastkugel (12) infolge der Verformung verschoben wird ergibt sich dann aus der Überlagerung von räumlicher Verschiebung gemäß dem Translationsvektor ( w ) und der Drehung gemäß dem Rotationsvektor ( γ ) wie folgt:The deformation correction vector (ü) by which the center point (P) of the probe ball (12) is displaced as a result of the deformation then results from the superposition of spatial displacement according to the translation vector (w) and the rotation according to the rotation vector (γ) as follows:
Gleichung 11 ü = w + γ x pEquation 11 ü = w + γ x p
= Nuf + N12(f χ s) + (N21f + N22(f χ s)) x p wobei der Vektor (p ) der Abstandsvektor zwischen dem elastischen Zentrum (K) und dem Mittelpunkt (P) der Tastkugel (12) ist. Wie sich dies zusammensetzt wird an Figur 10 deutlich. Hierin ist der Vektor (γ x p ) als Vektor ( i ) dargestellt.= N u f + N 12 (f χ s) + (N 21 f + N 22 (f χ s)) xp wherein the vector (p) is the distance vector between the elastic center (K) and the center (P) of the probe ball (12). How this is composed is shown in FIG. 10. The vector (γ xp) is shown here as vector (i).
Wählt man hierbei das Koordinatensystem so, daß der Kraftvektor (f ) im elastischenIf you choose the coordinate system so that the force vector (f) is elastic
Zentrum (K) alleine eine Translation verursacht und der Momentenvektor ( m ) im elastischen Zentrum (K) alleine eine Rotation verursacht, so können die Untermatrizen (Nι ) und (N2ι) durch Nullmatrizen ersetzt werden. Bei großen Längen des Abstandsvektors (p ) und damit auch des Abstandsvektors ( s ) und hoher translatorischer Steifigkeit des elastischen Ersatzelementes kann der Translationsvektor ( ) und demzufolge auch die Nachgiebigkeitsmatrix (Nu) vernachlässigt werden. Bei entsprechender Wahl des Koordinatensystems (X ,Yκ,Zκ) der finiten elastischen Elemente werden die Koeffizienten außerhalb der Hauptdiagonalen der Nachgiebigkeitsmatrizen (N,j) Null. Mit diesen Vereinfachungen gilt nunmehr folgende Gleichung:Center (K) alone causes a translation and the moment vector (m) in the elastic center (K) alone causes rotation, the sub-matrices (Nι) and (N 2 ι) can be replaced by null matrices. With long lengths of the distance vector (p) and thus also the distance vector (s) and high translational rigidity of the elastic replacement element, the translation vector () and consequently also the compliance matrix (Nu) can be neglected. With a corresponding choice of the coordinate system (X, Yκ, Zκ) of the finite elastic elements, the coefficients outside the main diagonals of the compliance matrices (N, j ) become zero. With these simplifications, the following equation now applies:
Gleichung 12 ü « γ x p = (N22(f x sJJ x pEquation 12 ü «γ xp = (N 22 (fx sJJ xp
Die ursprünglich 36 Koeffizienten der Hypermatrix (N) sind damit auf drei rotatorische Nachgiebigkeitskoeffizienten reduziert worden und die verbleibende Matrix lautet dann:The original 36 coefficients of the hypermatrix (N) have thus been reduced to three rotary compliance coefficients and the remaining matrix is then:
Φ, 0 0Φ, 0 0
Gleichung 13 N22 = Nφ = φ2 0Equation 13 N 22 = N φ = φ 2 0
0 φj0 φ j
In dieser Matrix N 2 bedeuten ( Φ, ,Φ2 ) die Nachgiebigkeit für die Kippung um die x- und y- Achse (Xκ,Yκ) des Koordinatensystems der finiten Elemente und (Φ3 ) die Rotation um die z-Achse (Z ).In this matrix N 2, (Φ,, Φ 2 ) mean the flexibility for the tilt about the x and y axis (Xκ, Yκ) of the coordinate system of the finite elements and (Φ 3 ) the rotation about the z axis (Z ).
Die Verformungskorrekturverktoren ( Q A ) und ( üB ) werden also gemäß Gleichung 12 separat für jedes der finiten Elemente (17,18) berechnet. Wie bereits eingangs erwähnt ist die Wahl der Anzahl der finiten Elemente (17,18) sowie deren Lage hier zwar bezogen auf die hier gezeigte Dreh-Schwenkeiiirichtung besonders vorteilhaft. Prinzipiell sind sowohl Anzahl, wie auch Lage der finiten Elemente frei wählbar. Es reicht beispielsweise auch ein einziges finites Element. Auch die Lage ist variabel. Soll beispielsweise die elastische Verformung des horizontal ausgerichteten Meßarms eines Ständermeßgerätes und/oder der Anbindung der Dreh-Schwenkeinrichtung an den Meßarm erfaßt werden, so sollte das finite Element (18) weiter in Richtung auf den Meßarm zu verschoben werden.The deformation correction correctors (Q A ) and (ü B ) are therefore calculated separately for each of the finite elements (17, 18) according to equation 12. As already mentioned at the beginning The choice of the number of finite elements (17, 18) and their position here is particularly advantageous in relation to the direction of rotation and rotation shown here. In principle, both the number and the location of the finite elements can be freely selected. For example, a single finite element is sufficient. The location is also variable. If, for example, the elastic deformation of the horizontally aligned measuring arm of a column measuring device and / or the connection of the rotary-pivoting device to the measuring arm is to be recorded, the finite element (18) should be moved further towards the measuring arm.
Um bei einer neu an der Dreh-Schwenkeinrichtung aufgenommenen Tastkonfiguration die Parameter der Nachgiebigkeitsmatrix (N22) sowohl für das Gelenk (14) wie auch für das Gelenk (15) zu ermitteln wie auch den Vektor ( t) vom Mittelpunkt (P) der Tastkugel (12) zum Punkt (B) zu ermitteln, müssen wenigstens 8 Kalibrierungen in unterschiedlichen Drehstellungen der Drehgelenke (14) und (15) am Kalibriernormal des Koordinatenmeßgerätes vorgenommen werden. Häufig müssen jedoch im Meßalltag Tastkonfigurationen, beispielsweise der Taststift oder die TastkopfVerlängerung ausgetauscht werden. Wird die selbe Tastkonfiguration zu einem späteren Zeitpunkt wieder verwendet, so müssen o.g. Parameter erneut bestimmt werden, was relativ zeitaufwendig ist. Geht man davon aus, daß bei einem erneuten Einwechseln ein und derselben Tastkonfiguration die elastischen Eigenschaften der Tastkonfiguration und damit die Parameter der Nachgiebigkeitsmatrix (N22) nahezu unverändert bleiben, so reicht es aus in diesem Falle nur den Vektor ( t ) zu bestimmen, sodaß prinzipiell nur eine einzige Kalibrierung am Kalibriernormal ausreichen würde.In order to determine the parameters of the compliance matrix (N 22 ) both for the joint (14) and for the joint (15) as well as the vector (t) from the center point (P) of the probe ball in a probe configuration newly recorded on the rotary swivel device (12) to determine point (B), at least 8 calibrations in different rotary positions of the rotary joints (14) and (15) must be carried out on the calibration standard of the coordinate measuring machine. Often, however, probe configurations, such as the stylus or the probe extension, have to be replaced in everyday measurement. If the same button configuration is used again at a later point in time, the above parameters must be determined again, which is relatively time-consuming. If one assumes that when the same probe configuration is replaced, the elastic properties of the probe configuration and thus the parameters of the compliance matrix (N 22 ) remain almost unchanged, in this case it is sufficient to determine only the vector (t), so that in principle, only a single calibration on the calibration standard would suffice.
Besonders vorteilhaft kann dieses Verfahren bei der Kalibrierung von Sterntaststiften eingesetzt werden. Figur 11 zeigt diesbezüglich eine Prinzipskizze, bei der von der aus Figur 1 gezeigten Dreh-Schwenkeinheit lediglich das Bauteil (3) zu sehen ist, an das sich eine TastkopfVerlängerung (19) mit Tastkopf (4) und einem Stern taststift (21) anschließt. Geht man davon aus, daß bezüglich aller Tastkugeln (20a, 20b, 20c) des Sterntaststiftes (21) näherungsweise dieselben Biegeparameter vorliegen, so reicht es aus nur für eine der Tastkugeln (20a, 20b, 20c) die Parameter der Nachgiebigkeitsmatrix (N 2) zu bestimmen. Für die anderen Tastkugeln (20a, 20b, 20c) braucht dann nur noch der Vektor ( t ) bestimmt zu werden. This method can be used particularly advantageously when calibrating star styli. In this regard, FIG. 11 shows a schematic diagram in which only the component (3) of the rotary-swivel unit shown in FIG. 1 can be seen, to which a probe extension (19) with probe (4) and a star stylus (21) is connected. If one assumes that approximately the same bending parameters are present for all probe balls (20a, 20b, 20c) of the star stylus (21), then it is sufficient for only one of the probe balls (20a, 20b, 20c) the parameters of the compliance matrix (N 2 ) to determine. Only the vector (t) then needs to be determined for the other probe balls (20a, 20b, 20c).

Claims

Patentansprüche: claims:
1. Dreh-Schwenkeinrichtung für Tastköpfe (4) von Koordinatenmeßgeräten, mit mindestens zwei Drehgelenken (14,15) zur winkelmäßigen Ausrichtung der Tastköpfe, bei der der Dreh-Schwenkeinrichtung eine Korrektureinheit (22) zugeordnet ist, in der wenigstens die Lage der Drehachsen (aA , aB) der Drehgelenke (14,15) zueinander und die Winkelpositionsabweichungen (δφ=δz) der Drehgelenke korrigiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß diese Fehler mit einem gemeinsamen mathematischen Modell korrigiert werden.1. Rotary swivel device for probe heads (4) of coordinate measuring machines, with at least two swivel joints (14, 15) for angular alignment of the probe heads, in which the rotary swivel device is assigned a correction unit (22) in which at least the position of the axes of rotation ( aA, a B ) of the rotary joints (14, 15) to one another and the angular position deviations (δ φ = δ z ) of the rotary joints are corrected, characterized in that these errors are corrected using a common mathematical model.
2. Dreh-Schwenkeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektureinheit (22) so ausgestaltet ist, daß zusätzlich in dem gemeinsamen mathematischen Modell auch die Taumelfehler (δx, δy) der Drehgelenke und/oder die radialen Laufabweichungen (vx,vy) und/oder die Axialverschiebungen (vz) der Drehgelenke (14,15) korrigiert werden.2. Rotary swivel device according to claim 1, characterized in that the correction unit (22) is designed such that in addition to the common mathematical model also the wobble (δ x , δ y ) of the rotary joints and / or the radial run deviations (v x , v y ) and / or the axial displacements (v z ) of the rotary joints (14, 15) are corrected.
3. Dreh-Schwenkeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine rastende Dreh-Schwenkeinrichtung verwendet wird.3. rotary swivel device according to claim 1 or 2, characterized in that a latching rotary swivel device is used.
4. Dreh-Schwenkeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Dreh-Schwenkeinrichtung zum Rasten der Drehstellungen eine Hirth- Verzahnung (6,7) verwendet wird.4. Rotary swivel device according to one of claims 1 to 3, characterized in that a Hirth toothing (6,7) is used in the rotary swivel device for locking the rotational positions.
5. Dreh-Schwenkeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß folgendes mathematisches Modell verwendet wird:5. Rotary swivel device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the following mathematical model is used:
= TA-1RA[DA (τB 1RB(DB t + vB) + d) + v 4 + c .= T A - 1 R A [D A (τ B 1 R B (D B t + v B ) + d) + v 4 + c.
wobei hierin bedeuten: x Ortsvektor des Tastkugelmittelpunktes im Gerätekoordinatensystem (XG,YG,ZG) t Abstandsvektor vom Punkt (B) zum Mittelpunkt (P) der Tastkugel (12) cA Ortsvektor des Punktes (A) im Gerätekoordinatensystem (XG,YG,ZG) d Abstandsvektor zwischen dem Punkt (A) und dem Punkt (B)where mean: x location vector of the probe center in the device coordinate system (X G , Y G , Z G ) t distance vector from point (B) to the center (P) of the probe ball (12) c A location vector of point (A) in the device coordinate system (X G , Y G , Z G ) d distance vector between point (A) and point (B)
RA Rotationsmatrix für die Rotation des Drehgelenkes (15)R A rotation matrix for the rotation of the swivel joint (15)
RB Rotationsmatrix für die Rotation des Drehgelenkes (14)R B rotation matrix for the rotation of the swivel joint (14)
TA Transformationsmatrix für die Raumlage des Systems im Punkt (A) bezogen auf dasT A transformation matrix for the spatial position of the system in point (A) related to the
Gerätekoordinatensystem (XG,YG.ZG) TB Transformationsmatrix für die für die Raumlage des Koordinatensystems im PunktDevice coordinate system (XG, YG.ZG) T B transformation matrix for the for the spatial position of the coordinate system in the point
(B) bezogen auf das Koordinatensystem im Punkt (A) v A Vektor für den Verschiebefehler des Drehgelenkes (15) vB Vektor für den Verschiebefehler des Drehgelenkes (14) DA Drehmatrix für den Drehfehler um das Drehgelenk ( 15) Dß Drehmatrix für den Drehfehler um das Drehgelenk (14)(B) based on the coordinate system in point (A) v A vector for the displacement error of the swivel joint (15) v B vector for the displacement error of the swivel joint (14) D A rotation matrix for the rotation error around the swivel joint (15) D ß rotation matrix for the rotation error around the swivel joint (14)
6. Dreh-Schwenkeinrichtung für Tastköpfe (4) von Koordinatenmeßgeräten, mit mindestens zwei Drehgelenken (14,15) zur winkelmäßigen Ausrichtung der Tastköpfe, wobei zum Rasten der Drehstellungen eine Hirth- Verzahnung (6,7) verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Dreh-Schwenkeinrichtung eine Korrektureinheit (22) zugeordnet ist, in der die gemessenen Meßwerte korrigiert werden.6. rotary swivel device for probes (4) of coordinate measuring machines, with at least two rotary joints (14, 15) for angular alignment of the probes, a Hirth toothing (6, 7) being used for latching the rotational positions, characterized in that the A rotary unit is assigned a correction unit (22) in which the measured values are corrected.
7. Dreh-Schwenkeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage der Drehachsen (aA , aB) der Drehgelenke zueinander und/oder die7. rotary swivel device according to claim 6, characterized in that the position of the axes of rotation (a A , a B ) of the rotary joints to each other and / or
Winkelpositionsabweichungen (δφ=δz) der Drehgelenke und/oder die Taumelfehler (δx, δy) der Drehgelenke und/oder die radialen Laufabweichungen (vx,vy) und/oder die Axialverschiebungen (vz) der Drehgelenke (14,15) korrigiert werden. Angular position deviations (δ φ = δ z ) of the rotary joints and / or the wobble errors (δ x , δ y ) of the rotary joints and / or the radial run deviations (v x , v y ) and / or the axial displacements (v z ) of the rotary joints (14 , 15) are corrected.
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