WO2003001149A1 - Verfahren und vorrichtung zum ermitteln eines objektpunktes an einem objekt - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum ermitteln eines objektpunktes an einem objekt Download PDF

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WO2003001149A1
WO2003001149A1 PCT/EP2002/006898 EP0206898W WO03001149A1 WO 2003001149 A1 WO2003001149 A1 WO 2003001149A1 EP 0206898 W EP0206898 W EP 0206898W WO 03001149 A1 WO03001149 A1 WO 03001149A1
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sensor
object point
determination
speed
unit
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PCT/EP2002/006898
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Wolfgang Buss
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Werth Messtechnik Gmbh
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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

  • the invention relates to a method and a device for determining an object point on an object such as a workpiece or tool by means of a sensor.
  • a sensor is designed as a switching and measuring button.
  • the essence of the known method is that an object point, such as the workpiece surface, is touched by movement with the mechanical push button and path measuring systems associated with the object point are read out when the push button is touched for the first time.
  • the coordinates of the sensor when probing are taken from the position measuring system and made available for further processing.
  • the present invention is based on the problem of developing a method and a device of the aforementioned type in such a way that an extremely precise measurement can be carried out at high measuring speed.
  • the problem is essentially solved by a method of the type mentioned at the outset in that a first determination of the object point is made by moving the sensor in the direction of the object at a first speed Vj and that a second determination of the object by moving the sensor away from the object at a second speed V, the actual measurement value determination being carried out during the second determination of the object.
  • a preferred procedure is characterized in that the first determination of the object point is carried out as a rough object point determination at a high speed Vj and that the second determination of the object point is carried out as an accurate object point determination at a low speed V 2 .
  • the method according to the invention avoids the disadvantages of the prior art in that the object is scanned relatively imprecisely with the first high probing speed Vj and a high measuring speed is thereby achieved.
  • the measured value determined in this way is only used to register the approximate object point.
  • the actual measured value is moved away from the object when the sensor is moved, i. H. when moving the sensor out of the object.
  • the high first speed Vj is preferably in the range from 5 mm / s ⁇ Vj ⁇ 10 m / s, preferably Vj ⁇ 1 m / s, and the low second speed V 2 in the range from 0.1 mm / s ⁇ V 2 ⁇ 200 mm / s, preferably V 2 ⁇ 0.5 mm / s. It is provided that the second speed V 2 is set to a constant value in the second object point determination. After the detection of the object point during the movement in the direction of the object, the sensor is stopped after a time Tj in the range from 0.1 ms ⁇ Tj ⁇ 1 s, preferably 10 ms.
  • the senor is moved at a low speed V 2 after a bouncing process in the direction away from the object and a trigger signal is set when the sensor moves out, with which a filter is switched off for filtering the measurement signal, the position of the object point being stored, the trigger signal being reset and the filter being switched on again when the measurement signal falls below a predetermined value.
  • the actual measurement value determination takes place from the second object point determination with the speed V 2 directed away from the object.
  • the final measured value can also be determined by mathematically linking the measured values of both object point determination processes.
  • an analog measurement signal is digitized and then digitally processed.
  • mechanically switching and / or measuring buttons are used as sensors.
  • the sensor is damped with mechanical aids, whereby the damping is disabled ⁇ v in the second object point determination.
  • optical and / or optoelectronic sensors are also provided.
  • the invention relates to a device for determining an object point on an object, such as a workpiece or tool, comprising at least one movable sensor connected to an evaluation unit.
  • the invention is essentially distinguished by the fact that the sensor for the first determination of the object point can be moved in the direction of the object at a first speed Vj and that the sensor for the second determination of the object point can be moved in the direction away from the object, the evaluation unit Has means for evaluating a measurement signal applied to the sensor during the second determination of the object point.
  • the device avoids the problem of incorrect probing in the case of sensitive buttons / sensors as a result of vibrations and bouncing behavior by the second determination of the object point when moving out of the object.
  • a preferred embodiment is characterized in that the speed of the sensor is adjustable, preferably controllable, the sensor being able to be moved in the direction of the object at a high speed Vj when the object point is first determined and with a speed when the object point is being determined a second time low speed V 2 is movable in the direction away from the object.
  • the evaluation unit has an amplifier unit, at least one filter unit, at least one converter unit and a computer unit.
  • the amplifier unit connected to the output of the sensor is designed as a programmable amplifier. It is also provided that an output of the amplifier unit is connected to an input of the filter unit.
  • the filter unit preferably consists of two programmable filters, such as a low-pass filter and / or one Bandpass filter. The programmable filters can optionally be switched on and off.
  • an output of the filter unit is connected to a converter unit, preferably a programmable precision AD converter, the output of which is connected to the computer like microcomputers. Furthermore, the output of the filter unit is connected to the input of a rectifier unit, the output of which is connected to an input of a preferably programmable comparator, the output of which is connected to the input of the computer unit.
  • the programmable filter unit has the advantage that the low-pass filter can optionally be switched on and off, the low-pass filter only being switched on during a general positioning process and the first object point determination.
  • the switchable low-pass filter is designed as a software component.
  • the switchable low-pass filter can also be designed as a hardware component.
  • the evaluation unit has a sensor detector with the possibility that the evaluation unit independently recognizes the type of the connected sensor.
  • both measuring and switching sensors can be coupled.
  • a particular advantage of the device is that different sensors can be used. So there is the possibility that the sensor is designed as a mechanically switching or measuring button.
  • the sensor can also be designed as a laser distance sensor. Alternatively, there is the possibility that the sensor is an auto focus sensor. Furthermore, optical and optoelectronic sensors can also be used.
  • the device is suitable for accommodating several sensors.
  • the device itself can be designed as a coordinate measuring machine or as a machine tool.
  • the sensor is designed as a single-stage or multi-stage touch probe system.
  • Fig. La is a schematic representation of the sensor when moving the sensor in
  • Fig. Lb is a schematic representation of the sensor when moving the sensor in
  • FIG. 1 and 2 show purely schematically a device 10 for determining an object point 12 on an object 14, such as a workpiece or a tool.
  • the device 10 comprises at least one sensor 16 which can be moved via a positioning system in the X, Y and Z directions of a Cartesian coordinate system 18.
  • the positioning system stops at a stop point 24 which is on a line between the object point 12 and the probing target point 22. In the first determination of the object point, the object point 12 is roughly determined.
  • FIG. 2 shows an evaluation unit 28 connected to the sensor 16.
  • An output 30 of the sensor is connected to an input 32 of an amplifier unit 34, which in the exemplary embodiment is designed as a programmable amplifier unit.
  • the amplifier 34 is connected via a connection 36 to an output 38 of a computing unit 40, such as a microcomputer.
  • An output 42 of the amplifier 34 is connected to the input 44 of a filter unit 46, which in the exemplary embodiment shown has a programmable, in particular switchable, low-pass filter 48 and preferably a programmable bandpass filter 50, each of which has connections 52, 54 to outputs 56, 58 of the microcomputer 40 are connected. At least one of the filter units 48, 50 is preferably designed to be switchable.
  • An output 60 of the filter unit 46 is connected to an input 62 of a precision AD converter 64, the output 66 of which is connected to an input 68 of the microcomputer 40.
  • the AD converter 64 is also programmable and is connected to an output 72 of the microcomputer 40 via a connection 70.
  • the output 60 of the filter unit 46 is connected to the input 74 of a rectifier 76, the output 78 of which is connected to an input 80 of a programmable comparator 82.
  • An output 84 of the comparator is connected to an input 86 of the microcomputer 40. To program the comparator, it is connected via a connection 88 to an output 90 of the microcomputer 40.
  • the filter unit 46 and the AD converter 64 can optionally be designed as software components or as hardware components. Furthermore, software filters 92, logic modules 94 as well as memory modules 96 and timers 98 are provided in the microcomputer 40.
  • a sensor detector 100 is provided, the input 102 of which is connected to the output 30 of the sensor and the output 104 of which is connected to an input 106 of the microcomputer 40.
  • the evaluation unit 28 contains a programmable power supply 108, which is connected via a connection 110 to an output 112 of the microcomputer 40 and whose output 114 provides a voltage supply for the sensor 16, the sensor detector 100 and the signal processing.
  • the sensor 16 can be designed as a mechanically switching and / or measuring button.
  • Optical or optoelectronic sensors can also be used, for example in the form of a laser distance sensor or an auto focus sensor. There is also the possibility that a single or multi-stage touch probe can be used as a sensor.
  • the method according to the invention avoids the problem of incorrect contact with sensitive sensors due to vibrations and bouncing by determining the object point when moving out of the object.
  • 3a) - h) show the sensor 16 in different positions relative to the object 14.
  • FIG. 4a shows an analog measurement signal 116 from the sensor 16 and
  • FIG. 4 b) shows a digitized measurement signal 118 which results from the analog measurement signal 116 was derived through digitization.
  • FIG. 4 c) shows a signal 120 for controlling the positioning system 18 and in FIG. 4 d) shows a trigger signal 122 for controlling the measured value recording when the sensor 16 is moved out.
  • sensor 16 is in a start position according to FIG.
  • the sensor 16 reaches the object 14 and detects the object point 12 or an object edge.
  • the first object point determination takes place at a relatively high speed Vj, i.e. H. with a low accuracy.
  • the associated rough measurement value of the first object determination can be saved for further preparation.
  • V Vj in the direction of the arrow 20 towards the stop point 24 and - as shown in FIG. 4c) - after a time Tj Time t 3 stopped.
  • the stop signal 120 shown in FIG. 4c) is set from the LOW state to the HIGH state (edge 3).
  • the second object point determination takes place at the lower speed V 2 and thus with a correspondingly higher accuracy.
  • the trigger signal 122 is set, ie switched from a LOW level to a HIGH level and simultaneously or essentially at the same time the filter 48, 50 is switched off.
  • the speed V 2 in the second object point determination is calculated in such a way that the positioning system 18 is moved at a constant speed in the range of the measurement uncertainty to be expected from the first object point determination.
  • the sensor 16 detaches itself from the object point 12, which is represented by a drop in the measurement signal 116 or the digitized measurement signal 118. Due to the drop in the measurement signal 116, 118, the trigger signal 122 is reset at time t 7 (area 7), so that the actual measurement value can be determined with high accuracy.
  • filter 28 is activated again.
  • the sensor 16 can vibrate after it has left the object point 12, but this has no influence on the measurement result.
  • the vibration is shown in the measurement signals in Fig. 4a) - b) (area 1 ').
  • time t 8 ie after the vibration has subsided, the measurement is ended (area 8).
  • the method according to the invention avoids the disadvantages of the prior art in that the object 12 is probed at a high speed V] relatively inaccurately, the measured value determined in this way only being used to roughly register the object point.
  • the actual measured value is taken over when the sensor 16 is moved out of the object 14, because a speed V 2 which is low for the speed requirement is selected when the sensor is moved out.
  • this only has to be inhibited for the short traversing distance between the times t 5 to t 7 around the actual object point.
  • the method works both for sensors 16 with switching clock systems (trigger probe) and for sensors 16 with measuring clock systems (scanning probe).
  • the method achieves a higher measuring speed with higher achievable accuracy by avoiding probing errors.

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln eines Objektpunktes (12) an einem Objekt (14) wie Werkstück oder Werkzeug mittels eines Sensors (16). Um bei hoher Messgeschwindigkeit eine überaus präzise Messung zu erzielen, ist vorgesehen, dass eine erste Bestimmung des Objektpunktes (12) durch Verfahren des Sensors (16) in Richtung des Objektes (14) mit einer ersten Geschwindigkeit V1 erfolgt und dass eine zweite Bestimmung des Objektpunktes (12) durch Verfahren des Sensors (16) von dem Objekt (14) weg mit einer zweiten Geschwindigkeit V2 erfolgt, wobei die eigentliche Messwertbestimmung bei der zweiten Objektpunktbestimmung durchgeführt wird.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln eines Obiektpunktes an einem Objekt
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln eines Objektpunktes an einem Objekt wie Werkstück oder Werkzeug mittels eines Sensors.
Aus dem Stand der Technik sind Verfahren und Vorrichtungen bekannt, bei denen ein Sensor als schaltender und messender Taster ausgebildet ist. Das Wesen des bekannten Verfahrens besteht darin, dass mit dem mechanischen Taster durch Bewegung ein Objektpunkt wie Werkstückoberfläche angetastet wird und beim ersten Berühren des Tasters mit dem Objektpunkt zugeordnete Wegmesssysteme ausgelesen werden. Die Koordinaten des Sensors beim Antasten werden aus dem Wegmesssystem entnommen und für eine weitere Verarbeitung zur Verfügung gestellt.
Der Nachteil der genannten Verfahren besteht darin, dass der Sensor beim Antasten gegenüber Störungen sehr empfindlich ist. Schwingungen und Ähnliches können zu Fehlauslösungen fuhren. Um dies zu vermeiden, wird nach der WO 88/01726 vorgeschlagen, einen Taster während einer schnellen Positionierbewegung unempfindlich zu stellen und kurz vor Antastung des Zielpunktes eine langsame Bewegung mit höherer Empfindlichkeit einzustellen. Dadurch entsteht jedoch der Nachteil, dass zum einen der eigentliche Antastvorgang mit sehr geringer Geschwindigkeit durchgeführt werden muss, was zu Zeitverlusten führt. Zum anderen ist das System während des eigentlichen Antastvorgangs weiterhin störanfällig. Ein sicheres Messen, insbesondere unter rauhen Umgebungsbedingungen, ist somit nicht möglich.
Davon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der zuvor genannten Art so weiterzubilden, dass bei hoher Messgeschwindigkeit eine überaus präzise Messung erfolgen kann.
Das Problem wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art im Wesentlichen dadurch gelöst, dass eine erste Bestimmung des Objektpunktes durch Verfahren des Sensors in Richtung des Objektes mit einer ersten Geschwindigkeit Vj erfolgt und dass eine zweite Bestimmung des Objektes durch Verfahren des Sensors vom Objekt weg mit einer zweiten Geschwindigkeit V erfolgt, wobei die eigentliche Messwertbestimmung bei der zweiten Bestimmung des Objektes durchgeführt wird.
Eine bevorzugte Verfahrensweise zeichnet sich dadurch aus, dass die erste Bestimmung des Objektpunktes als grobe Objektpunktbestimmung mit einer hohen Geschwindigkeit Vj und dass die zweite Bestimmung des Objektpunktes als genaue Objektpunktbestirnrnung mit einer geringen Geschwindigkeit V2 durchgeführt wird.
Durch das erfϊndungsgemäße Verfahren werden die Nachteile des Standes der Technik vermieden, indem das Objekt mit der ersten hohen Antastgeschwindigkeit Vj relativ ungenau angetastet und dadurch eine hohe Messgeschwindigkeit erreicht wird. Der dabei ermittelte Messwert wird lediglich dazu herangezogen, um den ungefähren Objektpunkt zu registrieren. Der eigentliche Messwert wird beim Verfahren des Sensors von dem Objekt weg, d. h. beim Herausfahren des Sensors aus dem Objekt übernommen.
Um eine präzise Messung zu gewährleisten, wird beim Herausfahren eine den An- tastgenauigkeitserfordernissen geringe Geschwindigkeit V gewählt. Diese muss jedoch nur für ein kurzes Verfahrstück um den eigentlichen Objektpunkt herum eingestellt werden. Insgesamt liegt der Vorteil in einer hohen Messgeschwindigkeit bei gleichzeitig höhe- rer erreichbarer Genauigkeit, wobei insbesondere die aus dem Stand der Technik bekannten Antastfehler vermieden werden.
Vorzugsweise liegt die hohe erste Geschwindigkeit Vj im Bereich von 5 mm/s < Vj < 10 m/s, vorzugsweise Vj « 1 m/s, und die geringe zweite Geschwindigkeit V2 im Bereich von 0,1 mm/s < V2 < 200 mm/s, vorzugsweise V2 ∞ 0.5 mm/s. Dabei ist vorgesehen, dass die zweite Geschwindigkeit V2 bei der zweiten Objektpunktbestimmung auf einen konstanten Wert eingestellt wird. Nach der Detektierung des Objektpunktes beim Verfahren in Richtung des Objekts wird der Sensor nach einer Zeit Tj im Bereich von 0,1 ms < Tj < 1 s, vorzugsweise 10 ms, gestoppt.
Um das Problem der Fehltantastung bei empfindlichen Sensoren in Folge von Schwingungen und Prellverhalten zu vermeiden, wird der Sensor nach Abklingen eines Prellvorgangs in Richtung von dem Objekt weg mit der geringen Geschwindigkeit V2 bewegt und beim Herausfahren des Sensors ein Triggersignal gesetzt, mit dem ein Filter zur Filterung des Messsignals ausgeschaltet wird, wobei beim Unterschreiten des Messsignals unter einen vorgegebenen Wert die Position des Objektpunktes gespeichert, das Triggersignal zurückgesetzt und das Filter wieder eingeschaltet wird.
Mit anderen Worten erfolgt die eigentliche Messwertbestimmung aus der zweiten Objektpunktbestimmung mit vom Objekt weg gerichteter Geschwindigkeit V2 . Für bestimmte Sensoren wie Autofocus-Sensoren kann der letztendliche Messwert auch durch mathematische Verknüpfiing aus den Messwerten beider Objektpunktbestimmungsgänge ermittelt werden.
Um eine digitale Messwertverarbeitung zu realisieren, wird ein in analoger Form vorliegendes Messsignal digitalisiert und anschließend digital weiterverarbeitet.
In bevorzugter Ausführungsform werden als Sensoren mechanisch schaltende und/oder messende Taster verwendet. Um ein Prellen des Messsignals beim Antasten des Objekt- punktes zu vermeiden, wird der Sensor mit mechanischen Hilfsmitteln gedämpft, wobei die Dämpfung bei der zweiten Objektpunlctbestimmung außer Funktion gebracht λvird. Neben mechanisch schaltenden und/oder messenden Tastern sind des Weiteren auch optische und/oder optoelektronische Sensoren vorgesehen.
Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zum Ermitteln eines Objektpunktes an einem Objekt, wie Werkstück oder Werkzeug, umfassend zumindest einen verfahrbaren und mit einer Auswerteeinheit verbundenen Sensor.
Vomchtungsmäßig zeichnet sich die Erfindung im Wesentlichen dadurch aus, dass der Sensor zur ersten Bestimmung des Objektpunktes in Richtung des Objektes mit einer ersten Geschwindigkeit Vj verfahrbar ist und dass der Sensor zur zweiten Bestimmung des Objektpunktes in Richtung von dem Objekt weg verfahrbar ist, wobei die Auswerteeinheit Mittel zur Auswertung eines bei der zweiten Bestimmung des Objektpunktes am Sensor anliegenden Messsignals aufweist.
Durch die Vorrichtung wird das Problem der Fehlantastung bei empfindlichen Tastern/- Sensoren in Folge von Schwingungen und Prellverhalten durch die zweite Bestimmung des Objektpunktes beim Herausfahren aus dem Objekt vermieden. Eine bevorzugte Aus- führungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Geschwindigkeit des Sensors einstellbar, vorzugsweise regelbar ist, wobei der Sensor bei der ersten Bestimmung des Objektpunktes mit einer hohen Geschwindigkeit Vj in Richtung des Objektes verfahrbar ist und bei der zweiten Bestimmung des Objektpunktes mit einer geringen Geschwindigkeit V2 in Richtung von dem Objekt weg verfahrbar ist.
In bevorzugter Ausführungsform weist die Auswerteeinheit eine Verstärkereinheit, zumindest eine Filtereinheit, zumindest eine Wandlereinheit sowie eine Rechnereinheit auf.
Um eine Anpassung des von dem Sensor gelieferten Messsignals vornehmen zu können, ist die mit dem Ausgang des Sensors verbundene Verstärkereinheit als programmierbarer Verstärker ausgebildet. Ferner ist vorgesehen, dass ein Ausgang der Verstärkereinheit mit einem Eingang der Filtereinheit verbunden ist. Vorzugsweise besteht die Filtereinheit aus zwei programmierbaren Filtern, wie beispielsweise einem Tiefpassfilter und/oder einem Bandpassfilter. Die programmierbaren Filter können wahlweise ein- und ausgeschaltet werden.
Des Weiteren ist vorgesehen, dass ein Ausgang der Filtereinheit mit einer Wandlereinheit vorzugsweise einem programmierbaren Präzisions-AD- Wandler verbunden ist, dessen Ausgang mit der Rechnereinlieit wie Mikrocomputer verbunden ist. Des Weiteren ist der Ausgang der Filtereinheit mit dem Eingang einer Gleichrichtereinheit verbunden, deren Ausgang mit einem Eingang eines vorzugsweise programmierbaren Komparators verbunden ist, dessen Ausgang mit dem Eingang der Rechnereinheit verbunden ist.
Durch die programmierbare Filtereinheit wird der Vorteil erreicht, dass der Tiefpassfilter wahlweise ein- und ausschaltbar ist, wobei der Tiefpassfilter lediglich bei einem allgemeinen Positioniervorgang und der jeweils ersten Objektpunktbestimmung eingeschaltet wird. In bevorzugter Ausführongsform ist vorgesehen, dass der schaltbare Tiefpassfilter als Software-Komponente ausgebildet ist. Alternativ kann der schaltbare Tiefpassfilter auch als Hardware-Komponente ausgebildet sein.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausfülirungsform ist vorgesehen, dass die Auswerteeinheit einen Sensordetektor aufweist mit der Möglichkeit, dass die Auswerteeinheit selbständig die Art des angeschlossenen Sensors erkennt. Insbesondere können sowohl messende als auch schaltende Sensoren angekoppelt werden.
Als besonderer Vorteil der Vorrichtung ist anzumerken, dass verschiedene Sensoren verwendet werden können. So besteht die Möglichkeit, dass der Sensor als mechanisch schaltender oder messender Taster ausgebildet ist. Auch kann der Sensor als Laserabstands- sensor ausgebildet sein. Alternativ besteht die Möglichkeit, dass der Sensor ein Autofokussensor ist. Ferner können auch optische und optoelektronische Sensoren eingesetzt werden.
Als weiterer Vorteil ist zu erwähnen, dass die Vorrichtung zur Aufnahme mehrerer Sensoren geeignet ist. Die Vorrichtung selbst kann als Koordinatenmessgerät oder als Werkzeugmaschine ausgebildet sein. Zur weiteren Verbesserung des Antastverhaltens ist vorgesehen, dass der Sensor als ein- oder mehrstufig schaltendes Tastsystem ausgebildet ist. Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den A tsprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen -für sich und/oder in Kombination-, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von den Zeichnungen zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
Fig. la eine schematische Darstellung des Sensors beim Verfahren des Sensors in
Richtung des Objektes,
Fig. lb eine schematische Darstellung des Sensors beim Verfahren des Sensors in
Richtung von dem Objekt weg,
Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Auswerteeinheit,
Fig. 3 a) - h) Stellungen des Sensors relativ zu dem Objekt in verschiedenen Verfahrenssituationen und
Fig. 4 a) - d) verschiedene Mess- und Steuersignale.
Die Fig. 1 und 2 zeigen rein schematisch eine Vorrichtung 10 zum Ermitteln eines Objektpunktes 12 an einem Objekt 14, wie beispielsweise einem Werkstück oder einem Werkzeug. Die Vorrichtung 10 umfasst zumindest einen Sensor 16, der über ein Positioniersystem in X-, Y-, und Z-Richtung eines kartesischen Koordinatensystems 18 verfahrbar ist.
Fig. la) zeigt den Sensor 16 in seiner Startposition, von der aus der Sensor in Richtung des Pfeils 20, d. h. in Richtung des Objektes 14, insbesondere in Richtung eines definierten Antastzielpunktes 22 mit einer Geschwindigkeit V = Vj verfahrbar ist. Sobald der Sensor 16' den Objektpunkt bei einer ersten Bestimmung des Objektpunktes detektiert hat, stoppt das Positioniersystem in einem Stopppunkt 24, der auf einer Linie zwischen dem Objekt- punkt 12 und dem Antastzielpunkt 22 liegt. Bei der ersten Objektpunktbestimmung wird der Objektpunkt 12 grob bestimmt.
Fig. lb) zeigt einen Verfahrensschritt, in dem der Sensor 16' mit einer geringen Geschwindigkeit V2 in Richtung des Pfeils 26 vom Objekt weg verfahren wird. Dabei erfolgt eine zweite genaue Bestimmung des Objektpunktes, aus der der eigentliche Messwert bestimmt wird.
Fig. 2 zeigt eine mit dem Sensor 16 verbundene Auswerteeinheit 28. Ein Ausgang 30 des Sensors ist mit einem Eingang 32 einer Verstärkereinheit 34 verbunden, die im Ausführungsbeispiel als programmierbare Verstärkereinheit ausgebildet ist. Zur Programmierung ist der Verstärker 34 über eine Verbindung 36 mit einem Ausgang 38 einer Rechnereinheit 40 wie Mikrocomputer verbunden.
Ein Ausgang 42 des Verstärkers 34 ist mit dem Eingang 44 einer Filtereinheit 46 verbunden, die im dargestellten Ausführungsbeispiel einen programmierbaren, insbesondere schaltbaren Tiefpassfilter 48 sowie vorzugsweise einen programmierbaren Bandpassfilter 50 aufweist, die jeweils über Verbindungen 52, 54 mit Ausgängen 56, 58 des Mikrocomputers 40 verbunden sind. Vorzugsweise ist zumindest einer der Filtereinheiten 48, 50 schaltbar ausgebildet.
Ein Ausgang 60 der Filtereinheit 46 ist mit einem Eingang 62 eines Präzisions-AD- Wandlers 64 verbunden, dessen Ausgang 66 mit einem Eingang 68 des Mikrocomputers 40 verbunden ist. Auch der AD-Wandler 64 ist programmierbar ausgebildet und über eine Verbindung 70 mit einem Ausgang 72 des Mikrocomputers 40 verbunden. Des Weiteren ist der Ausgang 60 der Filtereinheit 46 mit dem Eingang 74 eines Gleichrichters 76 verbunden, dessen Ausgang 78 mit einem Eingang 80 eines programmierbaren Komparators 82 verbunden ist. Ein Ausgang 84 des Komparators ist mit einem Eingang 86 des Mikrocomputers 40 verbunden. Zur Programmierung des Komparators ist dieser über eine Verbindung 88 mit einem Ausgang 90 des Mikrocomputers 40 verbunden. Die Filtereinheit 46 sowie der AD-Wandler 64 können wahlweise als Software- Komponenten oder als Hardware-Komponenten ausgebildet sein. Ferner sind in dem Mikrocomputer 40 Software-Filter 92, Logikbausteine 94 sowie Speicherbausteine 96 und Timer 98 vorgesehen.
Um verschiedene Sensoren 16 zu detektieren, ist ein Sensordetektor 100 vorgesehen, dessen Eingang 102 mit dem Ausgang 30 des Sensors verbunden ist und dessen Ausgang 104 mit einem Eingang 106 des Mikrocomputers 40 verbunden ist.
Zur Sparmungsversorgung enthält die Auswerteeinheit 28 eine programmierbare Stromversorgung 108, die über eine Verbindung 110 mit einem Ausgang 112 des Mikrocomputers 40 verbunden ist und deren Ausgang 114 eine Spannungsversorgung für den Sensor 16, den Sensordetektor 100 sowie die Signal aufbereitung zur Verfügung stellt.
Der Sensor 16 kann als mechanisch schaltender und/oder messender Taster ausgebildet sein. Auch können optische bzw. optoelektronische Sensoren zum Einsatz kommen, beispielsweise in Form eines Laserabstandssensors oder eines Autofokussensors. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass ein ein- oder mehrstufig schaltendes Tastsystem als Sensor zum Einsatz kommt.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird das Problem der Fehlantasrung bei empfindlichen Sensoren aufgrund von Schwingungen und Prellen durch Objektpunktbestimmung beim Herausfahren aus dem Objekt vermieden.
Das Verfahren wird nun anhand der Fig. 3 a) - h) sowie der Fig. 4 a) - d) detailliert erläutert. Die Fig. 3a) - h) zeigen den Sensor 16 in verschiedenen Positionen relativ zu dem Objekt 14. Fig.4a zeigt ein analoges Messsignal 116 des Sensors 16 und Fig. 4 b) zeigt ein digitalisiertes Messsignal 118, das aus dem analogen Messsignal 116 durch Digitalisierung abgeleitet wurde. Der Fig. 4 c) ist ein Signal 120 zur Ansteuerung des Positioniersystems 18 zu entnehmen und in Fig. 4 d) ist ein Triggersignal 122 zur Steuerung der Messwertaufnahme beim Herausfahren des Sensors 16 dargestellt. Zum Zeitpunkt tj befindet sich der Sensor 16 gemäß Fig. 3 a) in einer Startposition und wird ausgehend von dieser mit der ersten Geschwindigkeit V = V) in Richtung des Pfeils 20 mit einer Beschleunigung a > 0 verfahren. Während des Beschleunigυngsvorgangs kann es zu Schwingungen des Sensors 16 kommen, die in den Messsignalen 116, 118 gemäß Fig. 4a) und 4b) sichtbar sind (Bereich 1).
Zu einem Zeitpunkt t erreicht der Sensor 16 das Objekt 14 und delektiert den Objektpunkt 12 bzw. eine Objektkante. Die erste Objektpunktbestimmung erfolgt bei einer relativ hohen Geschwindigkeit Vj, d. h. mit einer geringen Genauigkeit. Der zugehörige grobe Messwert der ersten Objektbestimmung kann zur weiteren Vorbereitung abgespeichert werden.
Nachdem der Sensor 16 den Objektpunkt 12 detektiert hat, wird das Positioniersystem 18 weiter mit einer im Wesentlichen konstanten Geschwindigkeit V = Vj in Richtung des Pfeils 20 auf den Stopppunkt 24 zu bewegt und - wie in Fig. 4c) dargestellt - nach einer Zeit Tj zum Zeitpunkt t3 gestoppt. Hierzu wird das in Fig. 4c) dargestellte Stoppsignal 120 von dem Zustand LOW in den Zustand HIGH gesetzt (Flanke 3).
Aufgrund des Antastens des Sensors 16 an den Objektpunkt 12 kann es zu einem Prellvorgang kommen, der zum Zeitpunkt t4 in den Messsignalverläufen 116, 118 als Hochfrequenzschwingung dargestellt ist (Bereich 4). Zu diesem Zeitpunkt weist das Positioniersystem die Geschwindigkeit V = 0 und die Beschleunigung A = 0 auf.
Nachdem der Prellvorgang abgeschlossen ist, wird das in Fig. 4c) dargestellt Stoppsignal 120 zurückgesetzt (Flanke 5), so dass der Sensor 16 zu der zweiten Objektpunktbestimmung mit einer geringeren Geschwindigkeit V = V2 in Richtung des Pfeils 26 von dem Objekt 14 weg, d. h. herausgefahren wird.
Erfindungsgemäß erfolgt beim Herausfahren des Sensors 16 die zweite Objektpunktbestimmung mit der geringeren Geschwindigkeit V2 und somit einer entsprechend höheren Genauigkeit. Zu einem Zeitpunkt t6 wird das Triggersignal 122 gesetzt, d. h. von einem Pegel LOW auf einen Pegel HIGH geschaltet und gleichzeitig oder im Wesentlichen gleichzeitig wird der Filter 48, 50 ausgeschaltet. Die Geschwindigkeit V2 bei der zweiten Objektpunktbestimmung wird so berechnet, dass das Positioniersystem 18 im Bereich der zu erwartenden Messunsicherheit der ersten Objektpunktbestimmung mit konstanter Geschwindigkeit bewegt wird.
Zum Zeitpunkt t7 (dargestellt in Fig. 3g)) löst sich der Sensor 16 von dem Objektpυnkt 12, was durch einen Abfall des Messsignals 116 bzw. des digitalisierten Messsignals 118 dargestellt ist. Durch den Abfall des Messsignals 116, 118 wird das Triggersignal 122 zum Zeitpunkt t7 zurückgesetzt (Bereich 7), so dass die Bestimmung des eigentlichen Messwertes mit hoher Genauigkeit erfolgen kann.
Zum Zeitpunkt t7 wird der Filter 28 wieder aktiviert. Der Sensor 16 kann schwingen, nachdem dieser den Objektpunkt 12 verlassen hat, was jedoch keinen Einfluss auf das Messergebnis hat. Die Schwingung ist in den Messsignalen in Fig. 4a) - b) dargestellt (Bereich 1 '). Zum Zeitpunkt t8, d. h. nachdem die Schwingung abgeklungen ist, ist die Messung beendet (Bereich 8).
Zusammenfassend ist festzustellen, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden, indem das Objekt 12 mit einer hohen Geschwindigkeit V] relativ ungenau angetastet wird, wobei der dabei ermittelte Messwert lediglich dazu herangezogen wird, den Objektpunkt ungefähr zu registrieren. Der eigentliche Messwert wird beim Herausfahren des Sensors 16 aus dem Objekt 14 übernommen, denn beim Herausfahren wird eine dem Geschwindigkeitserfordernis geringe Geschwindigkeit V2 gewählt. Diese muss jedoch nur für das zwischen den Zeitpunkten t5 bis t7 zurückgelegte kurze Verfahrstück um den eigentlichen Objektpunkt hemm eingestellt werden. Insbesondere funktioniert das Verfahren sowohl für Sensoren 16 mit schaltenden Taktsystemen (trigger probe) als auch für Sensoren 16 mit messenden Taktsystemen (scanning probe). Insbesondere wird durch das Verfahren eine höhere Messgeschwindigkeit bei gleichzeitig höherer erreichbarer Genauigkeit durch Vermeidung von Antastfehlern erreicht.

Claims

PatentansprücheVerfahren und Vorrichtung zum Ermitteln eines Objektpunktes an einem Objekt
1. Verfahren zum Enriitteln eines Objektpunktes (12) an einem Objekt (14) wie Werkstück oder Werkzeug mittels eines Sensors (16), dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Bestimmung des Objektpunktes (12) durch Verfahren des Sensors (16) in Richtung des Objektes (14) mit einer ersten Geschwindigkeit Vj erfolgt und dass eine zweite Bestimmung des Objektpunktes (12) durch Verfahren des Sensors (16) von dem Objekt (14) weg mit einer zweiten Geschwindigkeit V2 erfolgt, wobei die eigentliche Messwertbestimmung bei der zweiten Objektpunktbestimmung durchgeführt wird.
2. Verfahrennach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Bestimmung des Objektpunktes (12) als grobe Objektpunktbestimmung mit einer hohen Geschwindigkeit Vj und dass die zweite Bestimmung des Objektpunktes (12) als genaue Objektpunktbestimmung mit einer geringen Geschwindigkeit V2 durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein bei der ersten Bestimmung des Objektpunktes (12) ermittelter Messwert verwendet wird, um den Objektpunkt (12) grob zu bestimmen.
4. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der eigentliche Messwert beim Verfahren des Sensors (16) vom Objekt (14) weg, d. h. beim Weg- bzw. Herausfahren des Sensors (16) vom bzw. aus dem Objekt übernommen wird.
5. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch geke zeichnet, dass die geringe zweite Geschwindigkeit V2 lediglich im engeren Bereich des Objektpunktes eingestellt wird.
6. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Anspräche, dadurch gekennzeichnet, dass die hohe erste Geschwindigkeit Vj im Bereich von 5 mm/s < Vj < 10 m/s, vorzugsweise Vj = 1 m/s, und die geringe zweite Geschwindigkeit V2 im Bereich von 0,1 mm/s < V2 < 200 mm/s, vorzugsweise V2 = 0,5 mm/s, liegt.
7. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Geschwindigkeit V2 während der zweiten Bestimmung des Objektpunktes (12) auf einen konstanten Wert eingestellt wird.
8. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (16) nach der Detektierung des Objektpunktes (12) beim Verfahren in Richtung des Objektes (14) nach einer Zeitspanne Tj im Bereich von 0,1 ms < Tj < 1 s, vorzugsweise 10 ms, gestoppt wird.
. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (16) nach Abklingen eines Prellvorgangs in Richtung von dem Objekt (14) weg mit der Geschwindigkeit V2 bewegt wird und dass beim Wegbzw. Herausfahren des Sensors (16) vom bzw. aus dem Objekt ein Triggersignal gesetzt wird, mit dem ein Filter (46) zur Filterung des Messsignals (11 , 118) ausgeschaltet wird, wobei beim Umerschreiten des Messsignals (116, 118) unter einen vorgegebenen Wert das Triggersignal (122) zurückgesetzt, die Position des Objektpunktes (12) gespeichert und der Filter (46) wieder eingeschaltet wird.
10. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der endgültige Messwert für bestimmte Sensoren durch mathematische Verknüpfung aus den Messwerten der beiden Objektpunktbestimmungsgänge ermittelt wird.
11. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich et, dass ein in analoger Form vorliegendes Messsignal (116) digitalisiert und anschließend digital weiterverarbeitet wird.
12. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensoren (16) mechanisch schaltende und/oder messende Taster verwendet werden.
13. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (16) mit mechanischen Hilfsmitteln gedämpft wird, wobei die Dämpfung bei der zweiten Objektpunktbestimmung außer Funktion gesetzt wird.
14. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensoren (16) optische und/oder optoelektronische Sensoren eingesetzt werden.
15. Vorrichtung (10) zum Ermitteln eines Objektpunktes (12) an einem Objekt (14), wie Werkstück oder Werkzeug, umfasssend zumindest einen verfahrbaren und mit einer Auswerteeinheit (28) verbundenen Sensor (i 6), dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (16) zur ersten Bestimmung des Objektpunktes (12) in Richtung des Objektpunktes (12) mit einer ersten Geschwindigkeit Vj verfahrbar ist und dass der Sensor (16) zur zweiten Bestimmung des Objektpunktes (12) in Richtung von dem Objekt weg verfahrbar ist, wobei die Auswerteeinheit (28) Mittel (34, 46, 64, 76, 82, 40) zur Auswertung eines bei der zweiten Bestimmung des Objektpunktes (12) am Sensor (16) anliegenden Messsignals (116) aufweist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch ekennzeichnet, dass die Geschwindigkeiten Vj und V2 des Sensors einstellbar, vorzugsweise regelbar sind, wobei der Sensor (16) bei der ersten Bestimmung des Objektpunktes (12) mit einer hohen Geschwindigkeit Vj in Richtung des Objektes (12) verfahrbar ist und bei der zweiten Bestimmung des Objektpunktes (12) bei einer geringen Geschwindigkeit V2 in Richtung von dem Objekt (12) weg verfahrbar ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15 und 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (28) eine Verstärkereinheit (34), zumindest eine Filtereinheit (46), zumindest eine Wandlereinlieit (64, 76, 82) sowie eine Rechnereinheit (40) wie Mikrocomputer aufweist.
18. Vorrichtung nach den Ansprüchen 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgang (30) des Sensor (16) mit einem Eingang (32), der als programmierbarer Verstärker ausgebildeten Verstärkereinheit (34) verbunden ist, und ein Ausgang (42) der Verstärkereinheit (34) mit einem Eingang (44) der Filtereinheit (46) verbunden ist und dass ein Ausgang (60) der Filtereinheit (46) einerseits mit einem Eingang (62) eines AD- Wandlers (64), dessen Ausgang (66) mit einem Eingang (68) der Rechnereinheit (40) verbunden ist, und andererseits mit einem Eingang (74) eines Gleichrichters (76) verbunden ist, dessen Ausgang (78) mit einem Eingang (80) eines Komparators (82) verbunden ist, der mit seinem Ausgang (84) mit einem Eingang (86) der Rechnereinheit (40) verbunden ist.
19. Vorrichtung nach den Ansprüchen 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkereinheit (34) über eine Verbindung (36) mit der Rechnereinheit verbunden und programmierbar ist.
20. Vorrichtung nach den Ansprüchen 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtereinheit (46) ein programmierbares Tiefpassfilter (48) und/oder ein programmierbares Bandpassfilter (50) aufweist, wobei die Filter jeweils über eine Verbindung (52, 54) mit einem Ausgang (56,.58) der Rechnereinheit (40) verbunden und somit wahlweise zu- und abschaltbar sind.
21. Vorrichtung nach den Ansprüchen 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der A/D- andler (64) über eine Verbindung (70) mit einem Ausgang (72) der Rechnereinheit (40) verbunden und programmierbar ausgebildet ist.
22. Vorrichtung nach den Ansprüchen 15 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass der Komparator (82) über eine Verbindung (88) mit einem Ausgang (90) der Rechnereinheit (40) verbunden und programmierbar ausgebildet ist.
23. Vorrichtung nach den Ansprüchen 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (28) einen Sensordetektor (100) aufweist mit der Möglichkeit, dass die Auswerteeinheit (28) selbständig die Art des angeschlossenen Sensors erkennt.
24. Vorrichtung nach den Ansprüchen 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (16) als messender und/oder als schaltender Taster ausgebildet ist.
25. Vorrichtung nach den Ansprüchen 15 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (16) als mechanisch schaltender und/oder messender Taster ausgebildet ist.
26. Vorrichtung nach den Ansprüchen 15 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (16) als Laserabstandssensor ausgebildet ist.
27. Vorrichtung nach den Ansprüchen 15 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (16) als Autofokussensor ausgebildet ist.
28. Vorrichtung nach den Ansprüchen 15 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (16) als optischer oder optoelektronischer Sensor ausgebildet ist.
29. Vorrichtung nach den Ansprüchen 15 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) zur Aufnahme melirerer Sensoren (16) ausgebildet ist.
30. Vorrichtung nach den Ansprüchen 15 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) ein Koordinatenmessgerät ist.
31. Voirichtung nach den Ansprüchen 15 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) eine Werkzeugmaschine ist.
32. Vomchtung nach den Ansprüchen 15 bis 31 , dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (16) ein ein- oder mehrstufig schaltendes Tastsystem ist.
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