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DE102015205566B4 - Kalibrierung eines an einem beweglichen Teil eines Koordinatenmessgeräts angebrachten taktilen Tasters - Google Patents

Kalibrierung eines an einem beweglichen Teil eines Koordinatenmessgeräts angebrachten taktilen Tasters Download PDF

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DE102015205566B4
DE102015205566B4 DE102015205566.3A DE102015205566A DE102015205566B4 DE 102015205566 B4 DE102015205566 B4 DE 102015205566B4 DE 102015205566 A DE102015205566 A DE 102015205566A DE 102015205566 B4 DE102015205566 B4 DE 102015205566B4
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DE
Germany
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button
tactile
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determination
coordinate measuring
Prior art date
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Inventor
Tobias Held
Rainer Sagemüller
Dominik Seitz
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Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Original Assignee
Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
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Publication date
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Abstract

Verfahren zum Kalibrieren eines an einem beweglichen Teil (8) eines Koordinatenmessgeräts (11) angebrachten taktilen Tasters (12), wobei- der taktile Taster (12), der ein Tastelement (13) zum taktilen Antasten eines Werkstücks aufweist, durch einen Betrieb eines Antriebssystems des Koordinatenmessgeräts (11) in einen Ortsbereich einer Positionsbestimmungseinrichtung (14) bewegt wird, die mit einer Basis (1) des Koordinatenmessgeräts (11) verbunden ist,- mittels zumindest eines Sensors (15, 16) der Positionsbestimmungseinrichtung (14) eine Position des taktilen Tasters (12) relativ zu der Positionsbestimmungseinrichtung (14) bestimmt wird und- der taktile Taster (12) unter Berücksichtigung der bestimmten Position kalibriert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der taktile Taster (12) an eine vorgegebene Position in einem Koordinatensystem der Positionsbestimmungseinrichtung (14) bewegt wird und von einem Messsystem (6) des Koordinatenmessgeräts (11), das zusätzlich zu der Positionsbestimmungseinrichtung (14) vorhanden ist und von dem während eines Messbetriebes des Koordinatenmessgeräts (11) zum Bestimmen von Koordinaten von Werkstücken Bewegungspositionen des beweglichen Teils (8) gemessen werden, gemessen wird, an welcher Bewegungsposition sich der bewegliche Teil (8) mit dem daran angebrachten taktilen Taster (12) befindet, während der taktile Taster (12) an der vorgegebenen Position ist, und wobei der taktile Taster (12) unter Berücksichtigung der gemessenen Bewegungsposition kalibriert wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Kalibrieren eines an einem beweglichen Teil eines Koordinatenmessgeräts angebrachten taktilen Tasters.
  • Es ist bekannt, mit taktilen Tastern die Oberfläche von Werkstücken anzutasten, d.h. Kontakt zu der Oberfläche herzustellen, unter Verwendung des Messsystems eines Koordinatenmessgeräts die Position des taktilen Tasters zu bestimmen und daraus die Koordinaten des angetasteten Oberflächenpunkts zu ermitteln.
  • Aus verschiedenen Gründen ist eine Kalibrierung des Tasters erforderlich. Insbesondere werden durch Kalibrierung die Geometrie des Tasters sowie die Relativposition und/oder die relative Ausrichtung des Tasters zu dem beweglichen Teil des Koordinatenmessgeräts ermittelt oder überprüft. Diese Größen können sich jedoch mit der Zeit und/oder durch ein erneutes Anbringen des Tasters an dem Koordinatenmessgerät gegenüber einem früheren Betriebszustand verändern. Veränderungen im Laufe der Zeit können auf Veränderungen der Temperatur und auf Abnutzung zurückgeführt werden. Die Kalibrierung des Tasters sollte daher wiederholt ausgeführt werden.
  • Abhängig von den Zielen einer Vermessung eines Werkstücks werden in vielen Fällen mehrere verschiedene Taster eingesetzt, die gleichzeitig und/oder nacheinander an dem beweglichen Teil eines Koordinatenmessgeräts (kurz: KMG) angebracht werden. Jeder der Taster ist nach dem Anbringen zu kalibrieren.
  • Es ist bekannt, einen Kalibrierkörper, insbesondere eine Kugel, an einer Halteeinrichtung zu befestigen, die wie auch das mit dem KMG zu vermessende Werkstück an einer Basis des KMG positioniert ist. Insbesondere wenn die Halteeinrichtung und der Kalibrierkörper nicht oder nur in geringem Maße von Temperaturänderungen beeinflusst werden, bildet der Kalibrierkörper eine gute Positionsreferenz. Der Kalibrierkörper wird an verschiedenen Stellen seiner Oberfläche von dem zu kalibrierenden Taster angetastet und aus den Messwerten des Messsystems werden die Koordinaten zumindest eines charakteristischen Punkts des Kalibrierkörpers ermittelt. Veränderungen der Geometrie des Tasters und Veränderungen der Relativposition und/oder relativen Ausrichtung des Tasters zu dem beweglichen Teil des KMG führen zu scheinbaren Abweichungen der Position des charakteristischen Punktes von seiner erwarteten Position. Folglich kann der Taster durch Nutzung der Information über die Abweichungen kalibriert werden. Eine Halteeinrichtung zum Halten eines Kalibrierkörpers und ein Verfahren zum Kalibrieren eines Messsensors eines KMG in sind z.B. aus WO 2009/152962 A2 bekannt.
  • WO 88/07656 A1 , die die Merkmale der Oberbegriffe der beigefügten Patentansprüche 1 und 4 offenbart, beschreibt ein Koordinatenmessgerät, bei dem an einer Pinole ein Taster zum taktilen Abtasten eines zu vermessenden Werkstücks angeordnet ist. Mit dem Taster gekoppelt sind drei Reflektoren, die sich bei Bewegung des Tasters mitbewegen. Eine Mehrzahl von Interferometern emittieren Laserstrahlung jeweils auf einen der Reflektoren und messen den Abstand von dem jeweiligen Interferometer zu dem Reflektor. Auf diese Weise ist es möglich, die exakte Position der Anordnung von Reflektoren mit dem Taster zu bestimmen. Es können aber auch lediglich zwei Reflektoren am Taster vorgesehen sein. Zumindest vier Interferometer verfolgen die zwei Reflektoren, d.h. zwei Interferometer für jeden Reflektor.
  • US 2002/0189120 A1 beschreibt ein Verfahren zum Messen der Position einer Schnittkante eines Werkzeugs, das an einer Spindel einer NC-Werkzeugmaschine montiert ist. Die Dimension des Zentrums der Endfläche der Spindel relativ zu einer Referenzposition in einem Maschinenkoordinatensystem wird in den axialen Richtungen der X-, Y- und Z-Achsen gemessen. Ferner werden die Abmessungen der Position der Schnittkante des Werkzeugs relativ zu dem Zentrum der Endfläche der Spindel in den drei axialen Richtungen gemessen. Gemäß einer ersten Ausführungsform wird eine erste Spindel-Referenzpositionsmesseinheit verwendet, die eine Mehrzahl von Abstandssensoren aufweist, die an einem Rahmen befestigt sind. Die Abstandssensoren können berührungslos messende Abstandssensoren sein.
  • US 2015/0049186 A1 beschreibt ein Koordinatenmessgerät zum Bestimmen von zumindest einer räumlichen Koordinate eines Messpunkts eines zu vermessenden Objekts. Das KMG hat eine Basis und einen Antriebsmechanismus, der ausgestaltet ist, einen Messkopf so anzutreiben, dass er relativ zu der Basis bewegt wird. An dem Messkopf ist ein Taststift zum taktilen Antasten des Messobjekts befestigt. Neben der Basis ist eine Kamera angeordnet, aus deren Bildern eine Punktwolke des Messobjekts erzeugt wird mit 3D-Positionen von Zielpunkten des Objekts. Eine Steuerung ist ausgestaltet, den Antriebsmechanismus auf Basis der 3D-Positionen der Zielpunkte anzusteuern. Um das KMG zu kalibrieren, wird der Messkopf nacheinander zu den Spitzen von vier Pyramiden verfahren, die als Kalibrierobjekte auf der Basis angeordnetsind. Wenn erforderlich, kann dann eine Kalibrierung des KMG durchgeführt werden. Anstelle der Pyramiden können andere geeignete Kalibriermittel zur Kompensation von Messfehlern des KMG verwendet werden, um die Genauigkeit der Messergebnisse zu verbessern.
  • US 2014/0167745 A1 beschreibt die Messung einer relativen Beweglichkeit zweier relativ zueinander beweglicher Teile eines Koordinatenmessgeräts, wobei die Beweglichkeit zusätzlich zu der Beweglichkeit eines Sensors z.B. an einer Pinole des KMGs gegeben ist. Die Beweglichkeit des ersten und des zweiten Teils ist z.B. das Resultat von mechanischer Biegung aufgrund mechanischer Kräfte und/oder der thermischen Expansion oder Kontraktion, insbesondere einer Pinole.
  • DE 10 2013 205 456 A1 betrifft ein Ausrichtelement für einen optischen Sensor, insbesondere einen optischen Sensor zur Ermittlung eines Bewegungsfehlers einer Drehvorrichtung, In 12 der DE 10 2013 205 456 A1 ist eine optische Sensoranordnung zur Ausrichtung von insgesamt fünf optischen Sensoren relativ zu einem Zielobjekt dargestellt, wobei es sich bei dem Zielobjekt um ein Doppelkugelnormal handelt. Dieses Doppelkugelnormal ist auf einem drehbaren Teil eines Drehtisches angeordnet, mit seiner Längsachse koaxial zur Drehachse des drehbaren Teils. Von den optischen Sensoren werden Abstände zu den Kugeln des Doppelkugelnormals gemessen, während das drehbare Teil gedreht wird. Ein weiterer optischer Sensor erfasst einen Abstand in Längsrichtung des Doppelkugelnormals. Der Sensorhalter ist motorisch angetrieben in den drei Raumrichtungen positionierbar. Alternativ kann ein Koordinatenmessgerät den Sensorhalter bewegen und positionieren.
  • WO 2014/108187 A1 beschreibt ein Verfahren zur Ermittlung eines oder mehrerer Fehler eines Drehpositionsermittlungssystems. Die Drehvorrichtung weist zwei relativ zueinander verdrehbare Teile auf. Ferner ist eine Referenzdrehvorrichtung vorgesehen, das ebenfalls zwei relativ zueinander drehbare Teile aufweist. Ein drehbares Teil der Referenzdrehvorrichtung ist mit einem drehbaren Teil der Drehvorrichtung gekoppelt. Alternativ kann ein Dreh-/Schwenkgelenks mittels eines Doppelkugelnormals kalibriert werden, wobei an der Basis des Koordinatenmessgeräts eine ortsfeste Abstandssensoranordnung montiert ist.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Anordnung zum Kalibrieren eines an einem beweglichen Teil eines Koordinatenmessgeräts angebrachten taktilen Tasters anzugeben, mit denen der Aufwand für die Kalibrierung reduziert werden kann.
  • Es ist eine der Erfindung zugrundeliegende Erkenntnis, dass für die taktile Antastung eines Kalibrierkörpers an mehreren Oberflächenpunkten erhebliche Zeit für das Bewegen des Tasters zu den verschiedenen Oberflächenpunkten benötigt wird. Der mehrfache Vorgang des Antastens eines Oberflächenpunkts benötigt zusätzliche Zeit. Ferner kann es aufgrund von wiederholten Kalibriervorgängen zu Abnutzungen des Kalibrierkörpers und/oder des Tastelements des Tasters kommen. Außerdem haben verschiedene Taster, die an dem beweglichen Teil des KMG angebracht sein können, unterschiedliche Tastelemente, z. B. Tastkugeln unterschiedlichen Durchmessers. Die Art des Tastelements und die Abnutzung des Tastelements werden aber üblicher Weise nicht explizit berücksichtigt und tragen daher zu einem Fehler der Kalibrierung bei.
  • Es wird daher vorgeschlagen, zusätzlich zu dem Messsystem des Koordinatenmessgeräts (kurz: KMG) eine Positionsbestimmungseinrichtung für die Kalibrierung des taktilen Tasters zu verwenden. Die Positionsbestimmungseinrichtung ist mit einer Basis des KMG verbunden. Während des Messbetriebes des KMG ist auch das zu vermessende Werkstück mit der Basis (z. B. einem Messtisch) verbunden, insbesondere unmittelbar oder mittelbar (z. B. über einen Drehtisch). Die Positionsbestimmungseinrichtung kann unmittelbar oder mittelbar über weitere Bauteile mit der Basis verbunden sein. Eine mittelbare Verbindung kann z.B. eine Bewegungseinrichtung (z.B. eine Drehvorrichtung) aufweisen, mittels der die Positionsbestimmungseinrichtung relativ zu der Basis bewegt werden kann. Die Bewegungseinrichtung ist jedoch insbesondere unabhängig von dem Antriebssystem des KMG, mit dem der bewegliche Teil des KMG bewegt wird, an dem der taktile Taster angebracht ist. Ferner kann der bewegliche Teil des KMG unabhängig von der Bewegungseinrichtung bewegt werden. Daher kann die Positionsbestimmungseinrichtung in derselben Bewegungsposition verbleiben, während der taktile Taster durch eine Bewegung des beweglichen Teils bewegt wird.
  • Bei der Basis (z. B. ein Messtisch, auf dem das zu vermessende Werkstück angeordnet wird) kann es sich um eine ortsfeste Basis handeln, wie es bei KMG z.B. in Portalbauweise der Fall ist. Dies bedeutet, dass die Basis nicht bewegt wird, wenn der bewegliche Teil des KMG bewegt wird, um den taktilen Taster zu bewegen. Der bewegliche Teil des KMG kann jedoch alternativ lediglich relativ zu einer beweglichen Basis beweglich sein, indem die Basis bewegt wird. Dies ist z.B. bei KMG mit beweglichen Messtischen der Fall.
  • Die Positionsbestimmungseinrichtung weist zumindest einen Sensor auf, der ausgestaltet ist, eine Relativposition des taktilen Tasters relativ zu der Positionsbestimmungseinrichtung zu bestimmen. Insbesondere kann der Sensor ausgestaltet sein, den Abstand des Tasters zu dem Sensor oder zu einem anderen Teil der Positionsbestimmungseinrichtung insbesondere in einer Bestimmungsrichtung des Sensors zu bestimmen. Die Relativposition kann z.B. in der Weise bestimmt werden, dass der Sensor bestätigt, dass sich der Taster an einer vorgegebenen, erwarteten Position relativ zu der Positionsbestimmungseinrichtung befindet. Alternativ oder zusätzlich kann der Sensor ausgestaltet sein und/oder dazu verwendet werden, die Relativposition und insbesondere den Abstand zu messen. In diesem Fall kann der Sensor innerhalb eines Ortsbereiches der Positionsbestimmungseinrichtung verschiedene Messwerte der Relativposition erzeugen, je nachdem, in welcher Relativposition sich der Taster tatsächlich befindet. Der Ortsbereich ist derjenige Bereich, in dem sich der Taster und insbesondere ein bestimmter Teil des Tasters, wie z.B. sein Tastelement zum Antasten von Werkstückoberflächen, befinden kann, sodass der Sensor die Relativposition messen kann. Z.B. ist der Sensor für Messungen innerhalb des Ortsbereichs kalibriert und/oder zugelassen und/oder liefert der Sensor ausschließlich innerhalb des Ortsbereichs eindeutige Messergebnisse (d.h. jede Position innerhalb des Ortsbereichs liefert einen individuellen, eindeutig der Position zugeordneten Messwert).
  • Vorzugsweise weist die Positionsbestimmungseinrichtung eine Mehrzahl der Sensoren auf. Dies ermöglicht es, die Relativposition redundant und damit mit größerer Zuverlässigkeit zu bestimmen und/oder die Relativposition bezüglich verschiedener Bestimmungsrichtungen zu bestimmen. Insbesondere kann daher mit mehreren Sensoren die Relativposition bezüglich zweier oder dreier linearer Freiheitsgrade der Bewegung (d.h. Freiheitsgrade bezüglich jeweils einer Geraden, die in der Bestimmungsrichtung verläuft) bestimmt werden, wobei die Freiheitsgrade unabhängig voneinander sind. Die Positionsbestimmungseinrichtung kann aber alternativ z. B. Sensoren zur Bestimmung der Relativposition bezüglich mehr als drei rotatorischer und/oder linearer Freiheitsgrade der Bewegung aufweisen.
  • Die Positionsbestimmungseinrichtung mit dem zumindest einen Sensor ermöglicht insbesondere wie beschrieben die Bestimmung einer Relativposition des Tastelements zu der Positionsbestimmungseinrichtung. Wenn die Position und/oder Ausrichtung der Positionsbestimmungseinrichtung bezüglich der Basis bekannt ist, kann durch die bestimmte Relativposition auch die entsprechende Position des Tasters bezüglich der Basis ermittelt werden. Dies wiederum kann dazu genutzt werden, den Taster zu kalibrieren. Insbesondere kann dabei in analoger Weise vorgegangen werden, wie bei der Kalibrierung eines Tasters nach Antastung eines Kalibrierobjekts. Z.B. nach dem Antasten einer Kalibrierkugel an verschiedenen Oberflächenpunkten kann der Kugelmittelpunkt ermittelt werden. Die Position des Kugelmittelpunkts stellt einen Mittelwert der Positionen der angetasteten Oberflächenpunkte dar. Wenn sich die Geometrie des Tasters oder seine Position und/oder Ausrichtung an dem beweglichen Teil des Koordinatenmessgeräts verändert hat, wird durch Antastung der Kalibrierkugel eine entsprechend veränderte Position des Kugelmittelpunktes ermittelt. Im Fall der zusätzlichen Positionsbestimmungseinrichtung entspricht dem eine veränderte Relativposition des Tasters und insbesondere des Tastelements zu der Positionsbestimmungseinrichtung. Z.B. kann ein Positions-Korrekturwert berechnet werden, der gleich der Differenz des früheren Positionswerts und des veränderten Positionswerts ist. Es ist aber auch möglich, das Ergebnis der Bestimmung der Relativposition für eine Korrektur der Bewegungsmechanik des KMG zu nutzen, z. B. als Führungsfehlerkorrektur.
  • Wie bereits erwähnt, kann die Position und/oder Ausrichtung des taktilen Tasters in Bezug auf den beweglichen Teil des KMG variieren. Insbesondere wenn der bewegliche Teil mit einer Wechselschnittstelle zum Auswechseln des Tasters verbunden ist, führt ein erneutes Einwechseln desselben Tasters zu einer veränderten Position und/oder Ausrichtung. Insbesondere gibt es Tasterwechselschnittstellen, bei denen die Drehpositionen des angebrachten Tasters um eine virtuelle Rotationsachse, die z.B. eine Symmetrieachse der Wechselschnittstelle ist, variieren kann. In der Praxis kommen z.B. Variationen im Bereich von einer Winkelsekunde vor. Wenn es sich bei dem Taster um einen Taststift handelt, dessen Schaft-Längsachse sich quer zu der virtuellen Rotationsachse erstreckt, führt eine Variation der Drehposition um eine Winkelsekunde bei Schaftlängen in der Größenordnung von 10 cm zu Positionsabweichungen des Tastelements im Bereich um einen halben Mikrometer. Mit einer in kurzer Zeit ausführbaren Kalibrierung unter Verwendung der Positionsbestimmungseinrichtung kann eine solche Positionsabweichung schnell durch Kalibrierung kompensiert werden. Die Kalibrierung kann mit geringem Aufwand wiederholt ausgeführt werden.
  • Bei bestimmten Messaufgaben, z.B. der Vermessung von Zahnrädern, werden Taster mit einer Vielzahl von Tastelementen eingesetzt, wobei eine hohe Messgenauigkeit gefordert ist. Die zeitsparende Kalibrierung ermöglicht es, die Taster bezüglich der Positionen der verschiedenen Tastelemente wiederholt zu kalibrieren.
  • Wenn ein KMG abgeschaltet war und nun für den Betrieb vorbereitet wird, ändert sich die Temperatur relativ schnell und treten verhältnismäßig große Temperaturgradienten auf. Falls in dieser Aufwärmphase Taster kalibriert werden, ist mit einem größeren Kalibrierungsfehler zu rechnen als nach der Aufwärmphase. Die schnelle Kalibrierung unter Verwendung der Positionsbestimmungseinrichtung ermöglicht es, während der Aufwärmphase wiederholt zu kalibrieren. Insbesondere kann auch nach der Aufwärmphase einmal oder wiederholt kalibriert werden, ohne die für den Messbetrieb zur Verfügung stehende Zeit erheblich zu verkürzen. An diesem Beispiel kann verdeutlicht werden, dass die Kalibrierung unter Verwendung der Positionsbestimmungseinrichtung mit einer Kalibrierung durch Antasten eines Kalibrierobjekts kombiniert werden kann. Z.B. wird zunächst eine Kalibrierung durch Abtasten eines Kalibrierkörpers durchgeführt und davor, währenddessen und/oder danach eine Kalibrierung mittels der Positionsbestimmungseinrichtung durchgeführt. Wenn davon ausgegangen werden kann, dass sich der Zustand zwischen der Ausführung der beiden Arten der Kalibrierung nicht wesentlich geändert hat, bildet die Kalibrierung durch Antasten des Kalibrierkörpers eine Referenz für die Kalibrierung unter Verwendung der Positionsbestimmungseinrichtung. Durch Wiederholung der Kalibrierung unter Verwendung der Positionsbestimmungseinrichtung kann schnell ermittelt werden, wie sich die Geometrie, Position und/oder Ausrichtung des Tasters im Vergleich zum Referenzzeitpunkt geändert hat. Die Kalibrierung unter Verwendung der Positionsbestimmungseinrichtung kann auch zwischen den Antastungen verschiedener Oberflächenpunkte des Kalibrierkörpers durchgeführt werden.
  • Insbesondere kann die Kalibrierung durch Antastung von Oberflächenpunkten eines Kalibrierkörpers zusätzliche Informationen für die Kalibrierung liefern, die durch die Positionsbestimmungseinrichtung nicht geliefert werden können oder nicht geliefert werden. Z.B. kann der Taster nicht nur bezüglich seiner Position und/oder Ausrichtung kalibriert werden, sondern auch sein Verhalten bei Auslenkung aus einer Ruhelage, wie es bei Tastern vom messenden Typ üblich ist. Durch die beim Antasten eines Oberflächenpunktes auf den Taster wirkenden Kräfte wird dieser aus der Ruhelage ausgelenkt. Wie noch näher ausgeführt wird, kann unter bestimmten Umständen auch unter Verwendung der Positionsbestimmungseinrichtung Kalibrierungsinformation über die Auslenkung eines Tasters gewonnen werden.
  • Unter dem Kalibrieren eines an einem beweglichen Teil eines Koordinatenmessgeräts angebrachten taktilen Tasters wird allgemein verstanden, dass Information über die Geometrie (z.B. Taststiftlänge und/oder Tastelementgröße) des Tasters und/oder über die Relativposition (z.B. Position an einem Wechselteller zum Ankoppeln verschiedener Taster) und/oder Ausrichtung (z.B. Ausrichtung der Längsachse eines Taststift-Schaftes) des Tasters bezüglich des beweglichen Teils des Koordinatenmessgeräts gewonnen wird, wobei die gewonnene Information für den Betrieb des KMG unter Verwendung des Tasters verfügbar gemacht wird.
  • Der Oberbegriff des Patentanspruchs 1 enthält: Ein Verfahren zum Kalibrieren eines an einem beweglichen Teil eines Koordinatenmessgeräts angebrachten taktilen Tasters, wobei
    • - der taktile Taster, der ein Tastelement zum taktilen Antasten eines Werkstücks aufweist, durch einen Betrieb eines Antriebssystems des Koordinatenmessgeräts in einen Ortsbereich einer Positionsbestimmungseinrichtung bewegt wird, die mit einer Basis des Koordinatenmessgeräts verbunden ist,
    • - mittels zumindest eines Sensors der Positionsbestimmungseinrichtung eine Position des taktilen Tasters relativ zu der Positionsbestimmungseinrichtung bestimmt wird und
    • - der taktile Taster unter Berücksichtigung der bestimmten Position kalibriert wird.
  • Der Oberbegriff des Patentanspruchs 4 enthält: Eine Anordnung zum Kalibrieren eines an einem beweglichen Teil eines Koordinatenmessgeräts angebrachten taktilen Tasters, wobei die Anordnung aufweist:
    • - das Koordinatenmessgerät, wobei das Koordinatenmessgerät eine Basis aufweist, relativ zu der der bewegliche Teil durch einen Betrieb eines Antriebssystems des Koordinatenmessgeräts bewegbar ist,
    • - den taktilen Taster, der an dem beweglichen Teil des Koordinatenmessgeräts angebracht ist und der ein Tastelement zum taktilen Antasten eines Werkstücks aufweist,
    • - ein Messsystem des Koordinatenmessgeräts, von dem während eines Messbetriebes des Koordinatenmessgeräts zum Bestimmen von Koordinaten von Werkstücken Bewegungspositionen des beweglichen Teils gemessen werden,
    • - eine Positionsbestimmungseinrichtung, die zusätzlich zu dem Messsystem des Koordinatenmessgeräts vorhanden ist, die mit der Basis des Koordinatenmessgeräts verbunden ist und die zumindest einen Sensor zur Bestimmung einer Position des taktilen Tasters relativ zu der Positionsbestimmungseinrichtung hat,
    • - eine Steuerung des Koordinatenmessgeräts, die ausgestaltet ist, den taktilen Taster durch einen Betrieb des Antriebssystems des Koordinatenmessgeräts in einen Ortsbereich der Positionsbestimmungseinrichtung zu bewegen, sodass mittels des zumindest einen Sensors die Position des taktilen Tasters relativ zu der Positionsbestimmungseinrichtung bestimmt wird,
    • - eine Kalibrierungseinrichtung, die ausgestaltet ist, den taktilen Taster unter Berücksichtigung der bestimmten Position zu kalibrieren.
  • Bei der Kalibrierung unter Verwendung der Positionsbestimmungseinrichtung kann sich, wie oben bereits beschrieben wurde, der Taster aufgrund von Veränderungen seiner Geometrie, seiner Relativposition und/oder seiner relativen Ausrichtung zu dem beweglichen Teil des Koordinatenmessgeräts (kurz: KMG) in einer anderen Relativposition zu der Positionsbestimmungseinrichtung als zuvor (bei einer früheren Kalibrierung) befinden, die dann von der Positionsbestimmungseinrichtung gemessen wird. Es ergeben sich daher im Unterschied zu der Antastung eines Kalibrierkörpers zwei verschiedene Messprinzipien, die jedoch auch miteinander kombiniert werden können. Nur das erste Messprinzip ist Gegenstand der Patentansprüche.
  • Gemäß dem Messprinzip der Gegenstände der Patentansprüche, dem ersten Messprinzip, wird der Taster ähnlich wie beim Antasten eines Kalibrierkörpers immer an derselben Relativposition zur Basis oder zur Positionsbestimmungseinrichtung positioniert und werden die zur Kalibrierung benötigten Informationen aus dem Messsystem des KMG gewonnen. Gemäß einer konkreten Ausführungsform wird der taktile Taster an eine vorgegebene Position in einem Koordinatensystem der Positionsbestimmungseinrichtung bewegt und wird von einem Messsystem des Koordinatenmessgeräts, das zusätzlich zu der Positionsbestimmungseinrichtung vorhanden ist und von dem während eines Messbetriebes des Koordinatenmessgeräts zum Bestimmen von Koordinaten von Werkstücken Bewegungspositionen des beweglichen Teils gemessen werden, gemessen, an welcher Bewegungsposition sich der bewegliche Teil mit dem daran angebrachten taktilen Taster befindet, während der taktile Taster an der vorgegebenen Position ist. Der taktile Taster wird unter Berücksichtigung der gemessenen Bewegungsposition kalibriert. Dem entspricht eine Ausführungsform der Anordnung, bei der die Steuerung ausgestaltet ist, den taktilen Taster an eine vorgegebene Position in einem Koordinatensystem der Positionsbestimmungseinrichtung zu bewegen, wobei das Messsystem des Koordinatenmessgeräts ausgestaltet ist zu messen, an welcher Bewegungsposition sich der bewegliche Teil mit dem daran angebrachten taktilen Taster befindet, während der taktile Taster an der vorgegebenen Position ist, und wobei die Kalibrierungseinrichtung ausgestaltet ist, den taktilen Taster unter Berücksichtigung der gemessenen Bewegungsposition zu kalibrieren, zumindest bezüglich der Geometrie des Tasters.
  • Gemäß dem zweiten Messprinzip wird der Taster bei verschiedenen Kalibrierungsvorgängen immer an derselben Bewegungsposition des beweglichen Teils des KMG positioniert, was gegebenenfalls zu einer veränderten Relativposition zu der Positionsbestimmungseinrichtung führt. Die Bewegungsposition wird aus den Messinformationen bestimmt, die das Messsystem des KMG liefert. Wie erwähnt kann dieses Messprinzip auch mit dem ersten Messprinzip kombiniert werden. Im Fall der Kombination werden insbesondere sowohl vom Messsystem des KMG als auch von dem zumindest einen Positionssensor der Positionsbestimmungseinrichtung jeweils zumindest ein Messwert erzeugt, aus denen die Bewegungsposition des beweglichen Teils des KMG bzw. des Tasters ermittelt werden und für die Kalibrierung verwendet werden.
  • Gemäß einer konkreten Ausgestaltung des zweiten Messprinzips wird der bewegliche Teil mit dem daran angebrachten taktilen Taster in eine vorgegebene Position in einem Koordinatensystem des Koordinatenmessgeräts bewegt und wird in der vorgegebenen Position die Relativposition des taktilen Tasters relativ zu der Positionsbestimmungseinrichtung bestimmt. Dem entspricht eine Ausführungsform der Anordnung, bei der die Steuerung ausgestaltet ist, der bewegliche Teil mit dem daran angebrachten taktilen Taster in eine vorgegebene Position in einem Koordinatensystem des Koordinatenmessgeräts zu bewegen, wobei die Positionsbestimmungseinrichtung ausgestaltet ist, in der vorgegebenen Position die Position des taktilen Tasters relativ zu der Positionsbestimmungseinrichtung zu bestimmen.
  • Da der Taster bei Anwendung jedes der beiden Messprinzipien, und auch bei Kombination der beiden Messprinzipien lediglich an einer einzigen Position im Ortsbereich der Positionsbestimmungseinrichtung positioniert werden muss, um die für die Kalibrierung des Tasters erforderliche Information (die von dem zumindest einen Sensor der Positionsbestimmungseinrichtung geliefert wird) zu gewinnen, wird im Vergleich zu der Abtastung eines Kalibrierobjekts an verschiedenen Oberflächenpositionen Zeit gespart. Es ist daher insbesondere möglich, die Kalibrierung schneller und/oder häufiger auszuführen.
  • Insbesondere führt die Steuerung bei einer Ausführungsform des ersten Messprinzips einen Vorgang aus, der als Positionsregelung bezeichnet werden kann. Die Steuerung erhält von der Positionsbestimmungseinrichtung Information über die momentane Relativposition des Tasters und bewegt den Taster unter Nutzung dieser Information bis in die vorgegebene Position im Koordinatensystem der Positionsbestimmungseinrichtung. Alternativ kann die Steuerung den Taster innerhalb des Ortsbereichs der Positionsbestimmungseinrichtung z.B. entlang einem vorgegebenen Bewegungspfad bewegen (z.B. einem spiralförmigen Bewegungspfad), auf dem sich mit großer Wahrscheinlichkeit die vorgegebene Position befindet. Wenn die vorgegebene Position erreicht ist, erzeugt die Positionsbestimmungseinrichtung ein Signal an das Messsystem des KMG und die momentanen Messwerte oder der momentane Messwert des Messsystems wird als Bewegungsposition festgestellt, die der vorgegebenen Position des Tasters in dem Koordinatensystem der Positionsbestimmungseinrichtung entspricht. Das erste Messprinzip hat auch den Vorteil, dass der zumindest eine Sensor der Positionsbestimmungseinrichtung nicht für exakte Messungen im gesamten Ortsbereich kalibriert sein muss. Er muss lediglich ausgestaltet sein, die vorgegebene Position präzise festzustellen. Nachteil ist, dass Messfehler des Messsystems des KMG die gewonnene Kalibrierinformation verfälschen.
  • Beim zweiten Messprinzip ist eine präzise Messung der Relativposition durch den zumindest einen Sensor der Positionsbestimmungseinrichtung erforderlich. Dies kann z.B. durch Kalibrierung des Sensors erreicht werden. Z.B. wenn der Taster als Tastelement eine Tastkugel aufweist und die Positionsbestimmungseinrichtung zumindest zwei Sensoren aufweist, die in unterschiedliche Bestimmungsrichtungen messen, kann ein Messfehler auftreten, weil die Bestimmungsrichtung nicht senkrecht auf die Tastkugel ausgerichtet ist und der auf der Tastkugel erfasste Oberflächenpunkt nicht in dem Abstand eines vollen Kugelradius zu der Senkrechten durch den Kugelmittelpunkt liegt. Vorteil ist jedoch, dass der Messfehler des Messsystems des KMG auf die Reproduzierbarkeit der vorgegebenen Position in dem Koordinatensystem des KMG begrenzt ist, in die der bewegliche Teil mit dem daran angebrachten taktilen Taster zu bringen ist.
  • Für den zumindest einen Sensor der Positionsbestimmungseinrichtung kommen verschiedene Typen von Sensoren infrage. Insbesondere kann es sich bei dem zumindest einen Sensor um einen taktil tastenden Sensor handeln, d.h. die Relativposition des an dem beweglichen Teil des KMG angebrachten Tasters relativ zu der Positionsbestimmungseinrichtung wird unter Berührung mit dem zumindest einen taktil antastenden Sensor der Positionsbestimmungseinrichtung bestimmt. Z.B. kann der taktil antastende Sensor der Positionsbestimmungseinrichtung ähnlich wie taktile Taster an Koordinatenmessgeräten elastisch, z.B. gegen eine Federung, aus einer Ruhelage ausgelenkt werden und kann daraus die Relativposition bestimmt werden. Bevorzugt wird, dass die Bewegung des taktil tastenden Sensors luftgelagert und damit reibungsarm geführt ist. Insbesondere wenn der Taster in eine vorgegebene Position bezüglich der Positionsbestimmungseinrichtung gebracht wird, während der Sensor die Relativposition misst, werden daher Hystereseeffekte minimiert.
  • Bevorzugt wird jedoch, dass der zumindest eine Sensor der Positionsbestimmungseinrichtung ein berührungslos arbeitender Sensor ist. Dies hat den Vorteil, dass die Bestimmung frei von auf den Taster wirkenden Kräften ist, die durch die Positionsbestimmung zusätzlich auftreten. Andererseits kann es in manchen Fällen von Vorteil sein, wenn bei der Positionsbestimmung zum Zweck der Kalibrierung ähnliche Kräfte auf den Taster wirken wie bei der Bestimmung von Koordinaten eines Werkstücks.
  • Besonders bevorzugt wird, dass der zumindest eine Sensor der Positionsbestimmungseinrichtung ein berührungslos messender Abstandssensor ist. Insbesondere hat der Abstandssensor eine Bestimmungsrichtung, die auch als Messrichtung bezeichnet werden kann. In dieser Bestimmungsrichtung wird der Abstand zu einem im Ortsbereich der Positionsbestimmungseinrichtung angeordneten Gegenstand bestimmt. Die Bestimmungsrichtung entspricht einer Geraden im Raum. Außer der Richtung ist auch die Position der Geraden von Bedeutung.
  • Gut geeignet sind optische berührungslos messende Sensoren, insbesondere Laserinterferometer. Besonders bevorzugt werden Mehrwellen-Laserinterferometer, d.h. Sensoren, die Laserstrahlung unterschiedlicher Wellenlängen nutzen. Sie verfügen über einen besonders großen Messbereich, in dem der Abstand zu dem zu bestimmenden Objekt eindeutig festgestellt wird. Dieser Eindeutigkeitsbereich kann mit der entsprechenden Länge des Ortsbereichs der Positionsbestimmungseinrichtung gleichgesetzt werden, d.h. der Ortsbereich hat in der Bestimmungsrichtung die Länge des Eindeutigkeitsbereichs der Abstandsmessung. Geeignete Mehrwellen-Laserinterferometer mit einem Eindeutigkeitsbereich von mehreren Millimetern und einer Auflösung im Bereich von 10 nm werden auf dem Markt angeboten. Ein großer Ortsbereich der Positionsbestimmungseinrichtung hat den Vorteil, dass Taster mit unterschiedlichen Geometrien auf einfache Weise nacheinander unter Verwendung derselben Positionsbestimmungseinrichtung kalibriert werden können. Insbesondere wenn die verschiedenen Taster jeweils Tastkugeln als Tastelemente haben, wobei sich jedoch der Tastkugeldurchmesser erheblich unterscheidet, ist ein großer Ortsbereich und Eindeutigkeitsbereich der Positionsbestimmungseinrichtung vorteilhaft. Typische Durchmesser von Tastelementen, insbesondere Tastkugeln, liegen im Größenbereich von 1 mm bis 20 mm.
  • Mit einem Mehrwellen-Laserinterferometer oder einem anderen berührungslos messenden Abstandssensor kann der Abstand des im Ortsbereich der Positionsbestimmungseinrichtung angeordneten Tasters zu dem Sensor oder zu einem anderen Bezugspunkt gemessen werden. Z.B. kann bei einer ersten Kalibrierung durch die Positionsbestimmungseinrichtung der Abstand und damit die Relativposition des Tasters bestimmt werden. Anschließend wird der Taster aus dem Ortsbereich der Positionsbestimmungseinrichtung entfernt und z.B. für den regulären Messbetrieb des KMG verwendet. Zu einem späteren Zeitpunkt wird der Taster wieder in den Ortsbereich der Positionsbestimmungseinrichtung bewegt und wird wieder der Abstand bzw. die Relativposition des Tasters durch den zumindest einen Sensor bestimmt. Daraus wird insbesondere die Änderung der Relativposition (zu der Positionsbestimmungseinrichtung und/oder in Bezug auf das Messsystem des KMG) im Vergleich zu der ersten Kalibrierung ermittelt und z.B. für eine erneute Kalibrierung des Tasters verwendet. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass sich ein systematischer Fehler oder Offsetwert bei der Positionsbestimmung durch die Positionsbestimmungseinrichtung nicht auf das Ergebnis auswirkt. Insbesondere bleibt der zumindest eine Sensor der Positionsbestimmungseinrichtung zwischen der ersten und der zweiten Positionsbestimmung des Tasters kontinuierlich in Betrieb. Alternativ wird der Betrieb des zumindest einen Sensors nach der ersten Positionsbestimmung wieder gestartet, bevor der Taster zum Zweck der zweiten Positionsbestimmung wieder in den Ortsbereich der Positionsbestimmungseinrichtung hineinbewegt wird.
  • Weitere mögliche Typen von Abstandssensoren, die berührungslos messen, sind kapazitive Sensoren oder Wirbelstromsensoren. In diesen Fällen muss zumindest der Teil des Tasters, dessen Relativposition zu der Positionsbestimmungseinrichtung bestimmt werden soll, elektrisch leitend sein. Insbesondere bei Tastkugeln von taktilen Tastern ist dies häufig nicht der Fall. Derartige Tastkugeln können jedoch zusätzlich mit einer elektrisch leitfähigen Schicht auf ihrer Oberfläche versehen werden, z.B. mit einem Metall bedampft werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Tastelement z.B. einen elektrisch leitfähigen, z.B. metallischen Kern haben. Alternativ oder zusätzlich kann ein anderer Teil des Tasters elektrisch leitfähig sein oder elektrisch leitfähig ausgestaltet werden. Ferner ist es möglich, einen Taster mit einem zusätzlichen Teil zu versehen, das elektrisch leitfähig ist. Z.B. kann konzentrisch zu der Längsachse eines Taststift-Schaftes ein elektrisch leitfähiger Ring angebracht werden, dessen Relativposition von der Positionsbestimmungseinrichtung bestimmt wird.
  • Weitere geeignete Typen von Sensoren sind Laser-Triangulationsscanner oder Kameras, insbesondere Digitalkameras, die zweidimensionale digitale Bilder erzeugen. Alternativ kann es sich bei der Kamera um eine TOF (Time of Flight)-Kamera handeln, die für jedes Bildelement einer Matrix-Zeile oder einer zweidimensionalen Bildmatrix Abstandsinformation zu dem im Ortsbereich der Positionsbestimmungseinrichtung positionierten Objekt erfasst. Im Fall einer Digitalkamera kann die Relativposition des Tasters insbesondere durch Auswertung der einzelnen Pixel der digitalen Bilder bestimmt werden. Vorzugsweise werden dabei an sich bekannte Methoden der Bildverarbeitung angewandt, bei denen auch Orte im jeweiligen digitalen Bild ermittelt werden, die zwischen den Pixelgrenzen liegen. Eine solche Vorgehensweise, die nicht durch die Pixelgröße gegebene Bildauflösung beschränkt ist, wird auch als Sub-Pixeling bezeichnet.
  • Optional kann die Positionsbestimmungseinrichtung mehrere Kameras aufweisen, die jeweils in einer zugeordneten Bestimmungsrichtung ausgerichtet sein können. Alternativ oder zusätzlich kann eine Kamera an einer Drehvorrichtung angeordnet sein, die die Kamera relativ zur dem Ortsbereich der Positionsbestimmungseinrichtung um eine Drehachse dreht. Insbesondere kann die Drehachse durch den Ortsbereich der Positionsbestimmungseinrichtung verlaufen, sodass die Kamera um den im Ortsbereich angeordneten zu erfassenden Gegenstand drehbar ist. Insbesondere kann der Gegenstand auf diese Weise mittels der Kamera gescannt werden. Dies kann bei einander überlappenden Bildern, die während des Scannens aufgenommen werden, zu einer Erhöhung der Genauigkeit bei der Positionsbestimmung aufgrund von Überbestimmung führen.
  • Wenn ein Teil des Tasters magnetisch ist und z.B. einen Permanentmagneten aufweist, kann der zumindest eine Sensor ein Hall-Sensor oder ein magnetoresistiver Sensor sein. Der magnetische Teil kann ein Teil des Tasters selbst (z.B. ein Teil des Schaftes eines Taststifts oder ein Teil des Tastelements) sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Taster zum Zweck des Ein- und Auswechselns von Tastern an Koordinatenmessgeräten eine Befestigungs-Schnittstelle haben, z.B. einen sogenannten Wechselteller. In vielen Fällen sind die Schnittstellen mit Magneten ausgestattet, da die Befestigungskraft, mit der der Taster an dem KMG gehalten wird, eine Magnetkraft ist. In diesem Fall kann von einem der erwähnten Magnetsensoren der Positionsbestimmungseinrichtung ein magnetischer Teil der Schnittstelle des Tasters hinsichtlich seiner Relativposition bestimmt werden.
  • Vorzugsweise weist die Positionsbestimmungseinrichtung zumindest zwei Sensoren auf, mittels denen die Position des taktilen Tasters relativ zu der Positionsbestimmungseinrichtung bestimmt wird, wobei jeder der zumindest zwei Sensoren eine Bestimmungsrichtung hat, in der er die Position des taktilen Tasters relativ zu der Positionsbestimmungseinrichtung bestimmt, und wobei die Bestimmungsrichtungen der zumindest zwei Sensoren paarweise senkrecht zueinander verlaufen. Wie noch näher ausgeführt wird, werden sich die den Bestimmungsrichtungen entsprechenden Geraden nicht exakt schneiden, sondern sich nahe aneinander vorbei erstrecken. Die Anordnung mit den zumindest zwei oder zumindest drei Sensoren, deren Bestimmungsrichtungen paarweise senkrecht zueinander verlaufen, kann in Analogie zu einem kartesischen Koordinatensystem als kartesische Sensoranordnung bezeichnet werden. Im Fall von zwei solchen Sensoren wird die Relativposition bezüglich zweier relativ zueinander unabhängiger Freiheitgrade der Bewegung bestimmt, im Fall von drei solchen Sensoren bezüglich dreier voneinander unabhängiger linearer Freiheitsgrade der Bewegung. Die Anordnungen können kurz als 2D- bzw. 3D-Sensoranordnungen bezeichnet werden. Es ist jedoch nicht zwingend erforderlich, dass die Bestimmungsrichtungen der zwei bzw. drei Sensoren paarweise senkrecht zueinander stehen, um zweidimensionale bzw. dreidimensionale Positionsinformation zu erhalten.
  • Vorzugsweise wird der Teil des Tasters, dessen Relativposition zu der Positionsbestimmungseinrichtung gemessen werden soll, in den Bereich der Positionsbestimmungseinrichtung bewegt, in dem sich die Bestimmungsrichtungen kreuzen, d.h. den alle Bestimmungsrichtungen der zweidimensionalen oder dreidimensionalen Sensoranordnung durchlaufen. Im Fall eines Tasters mit einer Tastkugel als Tastelement wird vorzugsweise der Mittelpunkt der Tastkugel am Kreuzungspunkt der Bestimmungsrichtungen positioniert.
  • Insbesondere weist die Positionsbestimmungseinrichtung eine Halterung auf, die den zumindest einen Sensor der Positionsbestimmungseinrichtung hält. Insbesondere kann die Halterung je nach Ausführung der Positionsbestimmungseinrichtung zwei bis fünf Sensoren halten. Wenn die Halterung zumindest zwei Sensoren hält, deren Bestimmungsrichtungen nicht auf einen gemeinsamen Kreuzungspunkt ausgerichtet sind, sondern z.B. parallel zueinander und in einem Abstand zueinander verlaufen, kann nicht nur die Relativposition des Tasters relativ zu der Positionsbestimmungseinrichtung bestimmt werden, sondern auch die Ausrichtung des Tasters. Z.B. können die Bestimmungsrichtungen verschiedener Sensoren auf unterschiedliche Längsabschnitte eines Schaftes eines Taststifts ausgerichtet sein und können die Ausrichtung und Relativposition des Schaftes bestimmt werden. Um die Ausrichtung quer zu einer Längsachse des Tasters in zwei Richtungen messen zu können, werden vier Sensoren verwendet, von denen z.B. jeweils zwei Bestimmungsrichtungen haben, die auf denselben Teil des Tasters ausgerichtet sind. Z.B. verlaufen die Bestimmungsrichtungen der Sensoren, die auf denselben Teil des Tasters und damit auf dasselbe Zielgebiet im Ortsbereich der Positionsbestimmungseinrichtung ausgerichtet sind, senkrecht zueinander. Ein weiterer fünfter Sensor kann mit seiner Bestimmungsrichtung in der genannten Längsrichtung des Tasters ausgerichtet sein, wobei seine Bestimmungsrichtung insbesondere auf die Kreuzungspunkte der Bestimmungsrichtungen beider Sensor-Paare ausgerichtet ist, die jeweils auf einen gemeinsamen Teil des Tasters bzw. auf dasselbe Zielgebiet ausgerichtet sind.
  • Insbesondere kann die Halterung fest mit der Basis des KMG verbunden sein. Alternativ, wie bereits erwähnt, kann die Halterung über eine Bewegungseinrichtung mit der Basis verbunden sein, sodass die Bewegungsposition der Halterung und damit der Sensoren der Positionsbestimmungseinrichtung relativ zu der Basis einstellbar ist. Z.B. im Fall der oben erwähnten vier oder fünf Sensoren kann eine Drehachse der Drehvorrichtung mit der genannten Längsachse zusammenfallen, d.h. die jeweils zwei Paare von Sensoren, deren Bestimmungsrichtungen auf dasselbe Zielgebiet ausgerichtet sind, können um die Drehachse gedreht werden. Insbesondere diese Anordnung ermöglicht es, Taster mit unterschiedlichen Geometrien ungehindert in den Ortsbereich der Positionsbestimmungseinrichtung zu bewegen. Insbesondere kann durch Drehung der Positionsbestimmungseinrichtung um eine Drehachse, die z.B. durch einen Schnittpunkt der Bestimmungsrichtungen von mehreren Sensoren der Positionsbestimmungseinrichtung verläuft, mittels der Positionsbestimmungseinrichtung die Form des Tastelements bestimmt werden. Insbesondere wenn die Position der Positionsbestimmungseinrichtung bezüglich der Drehvorrichtung bekannt ist, kann die Drehachse auch anders verlaufen. Im Fall einer Tastkugel kann z.B. die Rundheit der Oberflächenlinie entlang des Äquators der Kugel bestimmt werden. Das gleiche Ergebnis kann dadurch erzielt werden, dass nicht die Positionsbestimmungseinrichtung gedreht wird, sondern der Taster mittels einer am beweglichen Teil des Koordinatenmessgeräts angeordneten Drehvorrichtung gedreht wird.
  • Es ist auch möglich, die Positionsbestimmungseinrichtung an einer Drehvorrichtung anzuordnen, die zumindest zwei in unterschiedliche Richtungen ausgerichtete Drehachsen aufweist, um die jeweils eine Drehbewegung der Positionsbestimmungseinrichtung relativ zu der Basis ausgeführt werden kann. Z.B. kann die Drehvorrichtung manuell einstellbar sein. In jedem Fall ermöglicht es eine solche Drehvorrichtung, die Positionsbestimmungseinrichtung so auszurichten, dass ein an dem KMG montierter Taster besonders einfach, ohne die Gefahr eines Anschlagens an der Positionsbestimmungseinrichtung und/oder mit einer optimalen Ausrichtung bezüglich der Sensoren der Positionsbestimmungseinrichtung bestimmt werden kann.
  • Der Taster bzw. der zu messende Teil des Tasters kann in den Ortsbereich der Positionsbestimmungseinrichtung bewegt werden und ruhen, während der zumindest eine Sensor die Relativposition bestimmt. Es ist jedoch auch möglich, dass der Taster bzw. der Teil des Tasters kontinuierlich bewegt wird, während der zumindest eine Sensor die Relativposition bestimmt. Bei der kontinuierlichen Bewegung kann es sich gemäß einem der bereits beschriebenen Messprinzipien z.B. um eine spiralförmige Bewegung handeln. Es ist aber auch möglich, dass der Taster bzw. der Teil des Tasters kontinuierlich an dem zumindest einen Sensor vorbeibewegt wird und insbesondere an einer Seite in den Ortsbereich eintritt und an einer gegenüberliegenden Seite den Ortsbereich wieder verlässt.
  • Von Vorteil ist es, wenn die Bestimmung der Relativposition bei unveränderten Randbedingungen (insbesondere Temperaturverhältnissen) des Betriebes des KMG wiederholt ausgeführt wird. Dies ermöglicht es insbesondere, zufällige Fehler bei der Positionsbestimmung zu eliminieren, z.B. durch Mittelwertbildung der Positionswerte der einzelnen Messungen.
  • Vorzugsweise besteht die Halterung aus einem Material, das einen kleinen Temperaturausdehnungskoeffizienten hat. Beispiele sind Metall-Legierungen wie z.B. die Legierung mit der Werkstoffnummer 1.3912 des Stahlinstituts VDEh oder faserverstärkte Kunststoffe, deren Faser-Längsrichtungen gewickelten Bahnen folgen. Alternativ oder zusätzlich kann der Einfluss von Temperaturschwankungen und Temperaturgradienten auf die Positionsbestimmungseinrichtung und insbesondere auf deren Halterung rechnerisch korrigiert werden, wenn entsprechende Informationen über die Temperatur gesammelt werden. Z.B. kann in einem einfachen Fall die Temperatur der Halterung und optional auch die Temperatur der Umgebung der Halterung gemessen werden.
  • Vorzugsweise wird angestrebt, dass die auf der Basis positionierte Halterung eine möglichst geringe Höhe hat. Dadurch stellt die Halterung für die meisten Bewegungen während des Messbetriebes des KMG kein Hindernis dar. Andererseits ist es von Vorteil, wenn insbesondere ein Sensor der Positionsbestimmungseinrichtung, dessen Bestimmungsrichtung horizontal verläuft, auf einem Höhenniveau über der Basis positioniert ist, auf dem auch das Tastelement eines zu kalibrierenden Tasters Oberflächenpunkte von Werkstücken antastet.
  • Insbesondere kann die Positionsbestimmungseinrichtung (z.B. die Halterung) einen Bereich aufweisen, der zur Bestimmung der Position und/oder Ausrichtung der Positionsbestimmungseinrichtung im Betriebsbereich des KMG benutzt wird. Dieser Bereich kann als charakteristischer Bereich oder als Artefakt ausgestaltet sein. Z.B. kann es sich um einen Eckbereich der Halterung oder um eine Aussparung oder Verformung (z.B. um eine Senkung) der Halterung handeln. Der Bereich kann mit dem an dem beweglichen Teil des KMG angeordneten taktilen Taster angetastet werden (vorzugsweise an mehreren Oberflächenpunkten) und auf diese Weise kann die Position und/oder Ausrichtung der Positionsbestimmungseinrichtung bestimmt werden. Insbesondere unter Verwendung von Zusatzinformation über die Geometrie der Positionsbestimmungseinrichtung kann dann der Taster in den Ortsbereich der Positionsbestimmungseinrichtung bewegt werden, um die Relativposition des Tasters zu der Positionsbestimmungseinrichtung zu bestimmen. Die Position des charakteristischen Bereichs oder des Artefakts kann auch wiederholt durch Antasten mit dem taktilen Taster ermittelt werden, um Auswirkungen einer thermischen Drift zu ermitteln. Eine andere Art der Bestimmung der thermischen Drift unter Verwendung der Sensoren der Positionsbestimmungseinrichtung wird noch beschrieben.
  • Alternativ oder zusätzlich kann zur Bestimmung der Position und/oder Ausrichtung der Positionsbestimmungseinrichtung im Betriebsbereich des KMG der Taster in den Ortsbereich der Positionsbestimmungseinrichtung bewegt werden. Die Tatsache, dass der Taster den Ortsbereich erreicht hat, wird insbesondere dadurch festgestellt, dass der zumindest eine Sensor die Relativposition des Tasters bestimmt. Bei einer Mehrzahl von Sensoren, deren Bestimmungsrichtungen einander kreuzen, kann die Position und bei verschiedenen Bereichen, in denen sich Bestimmungsrichtungen von Sensoren kreuzen, auch die Ausrichtung der Positionsbestimmungseinrichtung bestimmt werden, indem der Taster in den Bereich des Kreuzungspunkts oder in die Bereiche der Kreuzungspunkte bewegt wird und die Sensoren entsprechende Bestimmungssignale erzeugen. Insbesondere befindet sich der Taster (z.B. eine Tastkugel des Tasters) genau am Kreuzungspunkt von Bestimmungsrichtungen, wenn die dem Kreuzungspunkt zugeordneten Sensoren alle den kleinstmöglichen (zumindest annähernd) gleichen Abstand messen. Die so aufgefundene Position und/oder Ausrichtung der Positionsbestimmungseinrichtung kann später wieder mit dem Taster angefahren werden, um den Taster zu kalibrieren.
  • Zusammenfassend können folgende Vorteile erwähnt werden: Insbesondere die Position einer Tastkugel eines taktilen Tasters kann mit hoher Genauigkeit durch die Positionsbestimmungseinrichtung bestimmt werden. Wenn die Relativposition des Tasters berührungslos gemessen wird, wirken keine Kräfte auf den Taster, die die Messung verfälschen können. Es tritt dann auch keine unerwünschte Verformung auf und es entstehen keine Hystereseeffekte. Auch entsteht keine Reibung zwischen dem Sensor der Positionsbestimmungseinrichtung und dem zu messenden Taster. Aufgrund der Tatsache, dass der Taster lediglich in einer Relativposition und optional einer Ausrichtung von der Positionsbestimmungseinrichtung bestimmt werden muss, kann das Verfahren im Vergleich zu der Kalibrierung durch Antastung mehrerer Punkte eines Kalibrierobjekts sehr schnell ausgeführt werden. Auch sind klassische Verfahren bekannt, bei denen drei Paare von parallel zueinander ausgerichteten Zylinderflächen verwendet werden, wobei das Tastelement in gleichzeitigem Kontakt mit jeweils beiden Zylinderflächen desselben Paares gebracht wird. Dabei können jedoch unerwünschte Fehler durch Reibung oder Verformung des Tasters auftreten. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich die Relativposition und optional die Ausrichtung des Tasters in einfacher Weise bezüglich der gewünschten Freiheitsgrade der Bewegung bestimmen. Es muss lediglich die entsprechende Anzahl von Sensoren als Teil der Positionsbestimmungseinrichtung vorgesehen werden und die Sensoren müssen lediglich entsprechend den zu bestimmenden Freiheitsgraden der Bewegung ausgerichtet werden. Besonders gut ist das Verfahren geeignet, wenn Taster mit sphärisch geformten Tastelementen bestimmt werden sollen. Das Verfahren ist jedoch auch für anders geformte Taster und/oder Taster mit anders geformten Tastelementen geeignet.
  • Insbesondere wird der Taster, der an dem beweglichen Teil des KMG angeordnet ist, nachdem seine Relativposition im Ortsbereich der Positionsbestimmungseinrichtung bestimmt wurde und er kalibriert wurde, dazu verwendet, ein Werkstück anzutasten und dadurch Koordinaten des Werkstücks zu ermitteln. Vorzugsweise wird die Kalibrierung unter Verwendung der Positionsbestimmungseinrichtung nach dem Antasten des Werkstücks wiederholt.
  • Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung einer einzigen Positionsbestimmungseinrichtung beschränkt. Z.B. können mehrere derartige Positionsbestimmungseinrichtungen an verschiedenen Orten im Bewegungsbereich des Tasters angeordnet sein. Wenn mit jeder der Positionsbestimmungseinrichtungen zumindest einmal die Relativposition des Tasters zu der jeweiligen Positionsbestimmungseinrichtung bestimmt wird, können insbesondere systematische Fehler des KMG, z.B. Bewegungsfehler, ermittelt werden. Bei den Bewegungsfehlern kann es sich z.B. um Rechtwinkligkeitsfehler handeln, d.h. Abweichungen von idealer Weise rechtwinklig zueinander verlaufenden Bewegungsachsen des KMG.
  • Wenn der Ortsbereich der Positionsbestimmungseinrichtung ausreichend groß ist, kann unter Verwendung ihres zumindest einen Sensors eine Bewegung des KMG bestimmt werden. Während der Bewegung misst der zumindest eine Sensor wiederholt die Relativposition des Tasters im Ortsbereich. Die Bewegung ist z.B. eine kleine Kreisbewegung, die bei Koordinatenmessgeräten als Circle Path bekannt ist.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Die einzelnen Figuren der Zeichnung zeigen:
    • 1 ein Koordinatenmessgerät in Portalbauweise,
    • 2 schematisch eine Seitenansicht einer Positionsbestimmungseinrichtung mit drei Sensoren, deren Bestimmungsrichtungen entsprechend den Koordinatenachsen eines kartesischen Koordinatensystems ausgerichtet sind, wobei sich die Tastkugel eines Taststifts etwa im Kreuzungspunkt der drei Bestimmungsrichtungen befindet,
    • 3 eine Anordnung ähnlich der in 2, wobei die Positionsbestimmungseinrichtung jedoch zwei zusätzliche Sensoren aufweist, deren Bestimmungsrichtungen sich wie die Koordinatenachsen eines zweidimensionalen kartesischen Koordinatensystems kreuzen, wobei die Bestimmungsrichtungen der beiden zusätzlichen Sensoren parallel über den Bestimmungsrichtungen von zwei der drei anderen Sensoren verlaufen,
    • 4 schematisch eine Seitenansicht einer Basis eines KMG, auf der die Positionsbestimmungseinrichtung aus 2 und eine Kalibrierkugel angeordnet sind, und
    • 5 zwei Sensoren einer Positionsbestimmungseinrichtung, deren Bestimmungsrichtungen einander wie die Koordinatenachsen eines zweidimensionalen kartesischen Koordinatensystems kreuzen, und eine Tastkugel, deren Radius von den Sensoren bestimmt wird.
  • Das in 1 dargestellte Koordinatenmessgerät (KMG) 11 in Portalbauweise weist eine als Messtisch ausgestaltete Basis 1 auf, über der Säulen 2, 3 in Y-Richtung eines kartesischen Koordinatensystems X-Y-Z beweglich angeordnet sind. Die Säulen 2, 3 bilden zusammen mit einem Querträger 4 ein Portal des KMG 11. Der Querträger 4 ist an seinen gegenüberliegenden Enden mit den Säulen 2 bzw. 3 verbunden. Nicht näher dargestellte Elektromotoren verursachen die Linearbewegung der Säulen 2, 3 in Y-Richtung. Dabei ist z. B. jeder der beiden Säulen 2, 3 ein Elektromotor zugeordnet.
  • Der Querträger 4 ist mit einem Querschlitten 7 kombiniert, welcher luftgelagert entlang dem Querträger 4 in X-Richtung des kartesischen Koordinatensystems beweglich ist. Die momentane Position des Querschlittens 7 relativ zu dem Querträger 4 kann anhand einer Maßstabsteilung 6 festgestellt werden. Die Bewegung des Querträgers 4 in X-Richtung wird durch einen weiteren Elektromotor angetrieben.
  • An dem Querschlitten 7 ist eine in vertikaler Richtung bewegliche Pinole 8 gelagert, die an ihrem unteren Ende über eine Montageeinrichtung 10 mit einem Messkopf 5 verbunden ist. An dem Messkopf 5 ist über eine Taststifthalterung 9 ein Taststift 12 auswechselbar angeordnet, der an seinem unteren, freien Ende eine Tastkugel 13 als Tastelement zum taktilen Antasten von Objekten aufweist. Die Pinole 8 kann angetrieben durch einen weiteren Elektromotor relativ zu dem Querschlitten 7 in Z-Richtung des kartesischen Koordinatensystems bewegt werden. Durch die im Ausführungsbeispiel insgesamt vier Elektromotoren kann der Taststift 12 daher zu jedem Punkt unterhalb des Querträgers 4 und oberhalb der Basis 1 verfahren werden, der in dem durch die Säulen 2, 3 definierten Zwischenraum liegt.
  • Das KMG 11 weist ein in 1 nicht näher dargestelltes Messsystem auf, um die momentane Bewegungsposition der Säulen 2, 3 in Y-Richtung, des Querschlittens 7 in X-Richtung und der Pinole 8 in Z-Richtung zu messen. Die Koordinatenachsen der X-, Y- und Z-Richtungen bilden ein kartesisches Koordinatensystem. Von dem Messsystem ist lediglich die Maßstabsteilung 6 dargestellt, welche sich entlang dem Querträger in X-Richtung erstreckt. Z.B. ist in dem Querschlitten 7 zumindest ein Lesekopf angeordnet, der mit der Maßstabsteilung zusammenwirkt und die Bestimmung der Position des Querschlittens 7 in X-Richtung ermöglicht. Entsprechende Maßstabsteilungen und Leseköpfe können auch zur Bestimmung der Position der Säulen 2, 3 in Y-Richtung und zur Bestimmung der Position der Pinole 8 relativ zu dem Querschlitten 7 in Z-Richtung vorgesehen sein.
  • Dies ist lediglich ein Beispiel für ein KMG, das ein bewegliches Teil aufweist, an dem ein taktiler Taster angeordnet ist. Andere Beispiele sind KMG mit Gelenkarmen und KMG in Gantry-Bauweise. Auch KMG mit beweglichen Messtischen fallen in diese Kategorie. Zwar wird in diesem Fall lediglich der Messtisch aktiv bewegt. Dies führt jedoch ebenfalls zu einer Relativbewegung des Tasters zu dem Messtisch, zu einem darauf angeordneten zu vermessenden Werkstück und zu einer darauf angeordneten Positionsbestimm ungsein richtung.
  • Beispielsweise durch Kalibrierung des Taststifts 12 an einer in 1 nicht dargestellten Kalibrierkugel kann die Position des Mittelpunkts der Tastkugel 13 relativ zu der Pinole 8 ermittelt werden. Alternativ oder zusätzlich kann vorab bekannte Information über die Abmessungen der an der Pinole 8 angeordneten Teile benutzt werden, um den Mittelpunkt der Tastkugel 13 relativ zur Pinole 8 festzustellen. Die Bestimmung der Position des Mittelpunktes der Tastkugel 13 relativ zu der Pinole stellt jedoch nur eine mögliche Art der Kalibrierung des Tasters 12 dar. Alternativen bestehen z.B. darin, dass durch Kalibrierung die Position eines anderen Punktes des Tasters 12 (z.B. ein bestimmter Oberflächenpunkt der Tastkugel 13) ermittelt wird. Ferner kann die Kalibrierung lediglich zu dem Zweck ausgeführt werden, bestehende Vorab-Information über die Geometrie, die Position und/oder Ausrichtung des Tasters zu überprüfen und gegebenenfalls zu korrigieren. Bei der Vorabinformation kann es sich insbesondere auch um das Ergebnis einer früheren Kalibrierung handeln. Weiterhin muss die Position des Mittelpunkts der Tastkugel oder die Position eines anderen bestimmten Punktes des Tasters nicht in Bezug auf die Pinole bestimmt werden, sondern kann z.B. in Bezug auf einen bestimmten Punkt der Basis (z.B. den Ursprung des Koordinatensystems des KMG) bestimmt werden.
  • Schematisch ist durch ein Rechteck in 1 eine Steuerung 50 des KMG 11 dargestellt, die den Betrieb des KMG 11 steuert und insbesondere die Bewegung des beweglichen Teils (hier z. B. der Pinole 8) steuert, an dem der Taster 12 angebracht ist. Die Steuerung (z.B. eine Recheneinheit mit Datenprozessor) kann auch die Funktion der Kalibrierungseinrichtung erfüllen, die aus den von der Positionsbestimmungseinrichtung 14 und von dem Messsystem des KMG 11 gewonnenen Informationen den Taster für dessen weiteren Betrieb kalibriert.
  • In der Nähe des rechts in 1 dargestellten Randes der Basis 1 ist eine Positionsbestimmungseinrichtung 14 auf der Basis 1 angeordnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Positionsbestimmungseinrichtung 14 zwei Sensoren 15, 16 auf, mit denen die Relativposition des Tasters 12 (oder eines anderen von der Taststifthalterung 9 gehaltenen Tasters) relativ zu der Positionsbestimmungseinrichtung 14 bestimmbar ist. Der in einem seitlich nach oben ragenden Teil der Positionsbestimmungseinrichtung 14 angeordnete erste Sensor 15 ist z.B. so ausgestaltet, dass er den Abstand in X-Richtung zu einem in seiner Nähe angeordneten Teil und damit zu dem Taststift 12 messen kann, wenn sich der Taststift 12 im Ortsbereich neben dem ersten Sensor 15 und über dem zweiten Sensor 16 befindet, welcher in einen Sockel der Positionsbestimmungsvorrichtung 14 integriert ist. Der zweite Sensor 16 ist ausgestaltet, den Abstand eines über ihm angeordneten Teils in Z-Richtung zu bestimmen.
  • Eine andere Positionsbestimmungseinrichtung kann zusätzlich zu dem ersten Sensor 15 und dem zweiten Sensor 16 einen dritten Sensor (z. B. in einem weiteren seitlich nach oben ragenden Teil) aufweisen, der ausgestaltet ist, den Abstand eines in seiner Nähe angeordneten Teils in Y-Richtung zu messen. Dabei kreuzen sich die Bestimmungsrichtungen der drei Sensoren (und im Fall der Positionsbestimmungseinrichtung 14 der zwei Sensoren 15, 16) möglichst nahe an einem gemeinsamen Punkt. In der Praxis wird es jedoch in der Regel keinen gemeinsamen Schnittpunkt geben. Vielmehr werden die Bestimmungsrichtungen der verschiedenen Sensoren in möglichst geringem Abstand aneinander vorbei verlaufen, wie es bei windschiefen Geraden der Fall ist. Bevorzugt wird daher, dass die Bestimmungsrichtung der einzelnen Sensoren durch Kalibrierung ermittelt wird. Z.B. kann ein Kalibrierkörper in Form einer Kugel oder einer Kugelkalotte quer zur Bestimmungsrichtung bewegt werden und die Position des Kalibrierkörpers ermittelt werden, in der der Abstand zu dem Sensor minimal ist, dessen Bestimmungsrichtung kalibriert werden soll. In dieser Position verläuft die Bestimmungsrichtung senkrecht zur Oberfläche der Kugel oder Kugelkalotte. Z. B. ein für die Kalibrierung genutztes Messsystem, das nicht den Sensor oder die Sensoren der Positionsbestimmungseinrichtung nutzt, liefert die Position des Kalibrierkörpers und daher gemeinsam mit dem Bestimmungsergebnis des Sensors die Lage der Bestimmungsrichtung des Sensors. Sobald die Bestimmungsrichtung für jeden der Sensoren ermittelt ist, kann z.B. auch ermittelt werden, wie genau die Bestimmungsrichtungen sich in einem Punkt schneiden bzw. wie groß die verbleibenden Abstände der entsprechenden Geraden im Raum sind. Alternativ oder zusätzlich zu der Kalibrierung können die Bestimmungsrichtungen der Sensoren justiert werden, sodass sie sich in einem gemeinsamen Schnittpunkt schneiden oder möglichst nahe an einem gemeinsamen Punkt vorbeilaufen.
  • Bei der in 2 dargestellten Positionsbestimmungseinrichtung handelt es sich z.B. um eine Abwandlung der Positionsbestimmungseinrichtung 14 aus 1, die drei Sensoren zur Bestimmung der Relativposition eines Tasters und insbesondere einer Tastkugel hat. Eine Halterung 20 hält die drei Sensoren 15, 16, 17, sodass deren Bestimmungsrichtungen im Wesentlichen unveränderlich im Raum verlaufen. Ein erster Sensor 15 ist in einem seitlich nach oben ragenden Teil der Halterung 20 gehalten, sodass sich seine Bestimmungsrichtung horizontal von rechts nach links in der Bildebene erstreckt. Ein zweiter Sensor 16 ist an einer tieferen Position von der Halterung 20 gehalten. Seine Bestimmungsrichtung verläuft in vertikaler Richtung in der Bildebene. Ein dritter Sensor 17 ist in 2 lediglich durch einen gestrichelten Kreis angedeutet. Er wird von einem hinter der Tastkugel 13 des dargestellten Taststifts 12 nach oben ragenden Bereich der Halterung 20 gehalten. Seine Bestimmungsrichtung erstreckt sich senkrecht zur Figurenebene. Die drei Bestimmungsrichtungen der Sensoren 15, 16, 17 kreuzen sich annähernd in einem gemeinsamen Punkt, der als Schnittpunkt der drei den Bestimmungsrichtungen entsprechenden kartesischen Koordinatenachsen betrachtet werden kann. Außerdem ist in 2 schematisch die Taststifthalterung 9 des Koordinatenmessgerätes dargestellt, an der der Taststift 12 angeordnet ist.
  • Die in 3 dargestellte Variante einer Positionsbestimmungseinrichtung 34 weist fünf Sensoren 15, 16, 17, 18, 19 zum Bestimmen der Relativposition eines Tasters relativ zu der Positionsbestimmungseinrichtung 34 auf. Im unteren Bereich der Darstellung gleicht die Positionsbestimmungseinrichtung 34 der in 2 dargestellten Positionsbestimmungseinrichtung 24. Die nach oben ragenden Teile der Halterung 30 erstrecken sich jedoch weiter nach oben als im Fall der 2. Über dem ersten Sensor 15 wird in dem seitlich nach oben ragenden Teil der Halterung 30 ein vierter Sensor 18 gehalten, dessen Bestimmungsrichtung sich parallel und vertikal oberhalb der Bestimmungsrichtung des ersten Sensors 15 erstreckt. In dem hinter dem Taststift 22 nach oben ragenden Teil der Halterung 30 ist ein fünfter Sensor 19 oberhalb des dritten Sensors 17 angeordnet, wobei sich die Bestimmungsrichtung des fünften Sensors 19 parallel und vertikal oberhalb der Bestimmungsrichtung des dritten Sensors 17 erstreckt. Die Bestimmungsrichtungen des vierten Sensors 18 und des fünften Sensors 19 kreuzen einander an einem Kreuzungspunkt, der vertikal oberhalb des Kreuzungspunktes der Bestimmungsrichtungen des ersten Sensors 15 und des dritten Sensors 17 liegt.
  • Während der erste Sensor 15, der zweite Sensor 16 und der dritte Sensor 17 dazu verwendet werden, einen ersten Teil eines Tasters bezüglich seiner Relativposition zu den einzelnen Sensoren 15, 16, 17 zu bestimmen (im Ausführungsbeispiel ist der erste Teil die Tastkugel 13 des Taststifts 22), werden der vierte Sensor 18 und der fünfte Sensor 19 dazu verwendet, einen zweiten Teil desselben Tasters bezüglich seiner Relativposition zu den Sensoren 18, 19 zu bestimmen. Im Ausführungsbeispiel weist der dargestellte Taststift 22 im Kreuzungspunkt der Bestimmungsrichtungen des vierten Sensors 18 und des fünften Sensors 19 einen ringförmigen Wulst 23 mit im Querschnitt halbkreisförmiger, außen um den Schaft des Taststifts 22 umlaufender Querschnittsfläche auf. Der dargestellte Taststift 22 wird wiederum von der Taststifthalterung 9 des KMG gehalten.
  • Die Positionsbestimmungseinrichtung 34 ermöglicht es daher, nicht nur die Relativposition des Tasters, sondern auch dessen Ausrichtung im Raum zu bestimmen. Ferner kann eine Längenänderung des Taststift-Schaftes gegenüber einer früheren Messung selbständig von der Positionsbestimmungseinrichtung 34 bestimmt werden. Hierzu wird z.B. die Position des Mittelpunktes der Tastkugel 13 und der Mittelpunkt des ringförmigen Wulstes 23 bestimmt. Dazu kann der Taststift 22 in vertikaler Richtung bewegt werden, sodass z.B. zunächst der Tastkugel-Mittelpunkt im Kreuzungspunkt des ersten, zweiten und dritten Sensors 15, 16, 17 positioniert wird und danach der Mittelpunkt des ringförmigen Wulstes 23 im Kreuzungspunkt der Bestimmungsrichtungen des vierten und des fünften Sensors 18, 19 positioniert wird. Alternativ kann der Tastkugel-Mittelpunkt lediglich ungefähr im Kreuzungspunkt der Bestimmungsrichtungen der unteren drei Sensoren 15, 16, 17 angeordnet werden und gleichzeitig der Mittelpunkt des ringförmigen Wulstes 23 lediglich ungefähr im Kreuzungspunkt der oberen beiden Sensoren 18, 19 angeordnet werden. In diesem Fall ist damit zu rechnen, dass die Bestimmungsrichtungen der Sensoren nicht exakt senkrecht zu der jeweiligen kugelförmigen Oberfläche der Tastkugel 13 bzw. des ringförmigen Wulstes 23 verlaufen. Für die Bestimmung der Positionen der Mittelpunkte können optional Vorkenntnisse über die Geometrie des Taststiftes verwendet werden.
  • Unter Verwendung der Positionsbestimmungseinrichtung kann auf einfache Weise und mit geringem Zeitaufwand die thermische Drift eines KMG bestimmt werden und können die Auswirkungen der thermischen Drift korrigiert und insbesondere kompensiert werden. Unter der thermischen Drift wird die Veränderung der Geometrie des KMG verstanden, die auf Temperaturänderungen zurückzuführen ist. Z.B. kann die thermische Drift für jeden Punkt des KMG dadurch angegeben werden, dass die Veränderung der Position des Punktes in einem ortsfesten Koordinatensystem angegeben wird. Insbesondere ist es möglich, den Ursprung dieses Koordinatensystems an einen Ort der Positionsbestimmungseinrichtung zu legen, z.B. den Kreuzungspunkt von drei Sensoren, deren Bestimmungsrichtungen einander im Wesentlichen genau in einem gemeinsamen Kreuzungspunkt kreuzen.
  • Anhand von 4 wird nun ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens und einer Anordnung zur Bestimmung der thermischen Drift beschrieben. 4 zeigt auf der Basis 1 eine Positionsbestimmungseinrichtung 24, insbesondere die Positionsbestimmungseinrichtung 24 aus 2, und eine an einer Halterung mit Sockel 43 und Arm 42 gehaltenen Kalibrierkugel 41. Von dem KMG ist lediglich die Taststifthalterung mit dem von ihr gehaltenen Taststift 12 an zwei verschiedenen Orten dargestellt, nämlich an einem ersten Ort, an dem die Tastkugel 13 des Taststifts 12 die Oberfläche der Kalibrierkugel 41 antastet, und an einem zweiten Ort, an dem sich die Tastkugel 13 im Ortsbereich (Messbereich) der Positionsbestimmungseinrichtung 24 befindet.
  • Beispielsweise während der Aufwärmphase nach dem Einschalten des KMG wird mit dem Taststift 12 sowohl eine Mehrzahl von Oberflächenpunkten der Kalibrierkugel 41 angetastet und aus den Antastergebnissen insbesondere die Position des Mittelpunktes der Kalibrierkugel 41 ermittelt, als auch der Taststift insbesondere mit seiner Tastkugel 13 in den Ortsbereich der Positionsbestimmungseinrichtung 24 gebracht. Insbesondere wird der Taststift 12 aus dem Messergebnis der Antastung der Kalibrierkugel 41 in an sich bekannter Weise mit hoher Genauigkeit kalibriert und bildet eine Bestimmung der Relativposition oder die mehrfache Bestimmung der Relativposition des Tasters 12 unter Verwendung der Positionsbestimmungseinrichtung 24 eine Referenz für die folgende Bestimmung der thermischen Drift während der weiteren Aufwärmphase des KMG oder während eines Betriebes des KMG. Wenn die Auswirkungen der thermischen Drift im weiteren Lauf der Zeit bestimmt werden sollen, wird der Taster 12 wieder insbesondere mit seiner Tastkugel 13 in den Ortsbereich der Positionsbestimmungseinrichtung 24 gebracht und wird die Relativposition des Tasters 12 zu der Positionsbestimmungseinrichtung 24 bestimmt. Veränderungen der Relativposition und/oder der Position des Tasters 12 gemäß dem Messsystem des KMG werden in Bezug zu den Messergebnissen der erwähnten Referenz gesetzt. Wenn sich z.B. die Position des Tastkugel-Mittelpunktes gegenüber der Referenz um 0,5 um verändert hat, kann diese Veränderung als Ergebnis der thermischen Drift aufgefasst werden und z.B. eine entsprechende Korrektur beim Betrieb des KMG vorgenommen werden. Alternativ oder zusätzlich kann insbesondere in der Aufwärmphase des KMG die Veränderung aufgrund der thermischen Drift mehrfach in der genannten Weise festgestellt werden und kann der Betrieb des KMG erst dann freigegeben werden, wenn die thermische Drift zu keinen weiteren erheblichen Veränderungen der Tasterposition führt. Z.B. kann ein Grenzwert für die Positionsänderung des Tasters aufgrund der thermischen Drift pro Zeitintervall vorgegeben werden. Sobald dieser Grenzwert unterschritten wird, kann der Betrieb des KMG freigegeben werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Positionsänderung oder eine andere unter Verwendung der Positionsbestimmungseinrichtung ermittelte Größe zunächst mehrfach als mathematische Funktion der Zeit bestimmt werden und dann der weitere Verlauf dieser mathematischen Funktion in die Zukunft extrapoliert werden. Auch daraus kann ermittelt werden, wann mit ausreichend konstanten Betriebsbedingungen für einen genauen Messbetrieb des KMG zu rechnen ist. Z.B. kann auch bei dieser Ermittlung der genannte vorgegebene Grenzwert herangezogen werden.
  • Ferner alternativ oder zusätzlich kann bei einer unter Verwendung der Positionsbestimmungseinrichtung festgestellten thermischen Drift, die ein vorgegebenes Kriterium erfüllt (z.B. wenn ein vorgegebener Grenzwert der Positionsänderung des Tasters pro Zeitintervall überschritten wird), eine Kalibrierung des Tasters auf andere Weise als unter Verwendung der Positionsbestimmungseinrichtung allein (z.B. durch erneutes Antasten mehrerer Oberflächenpunkte der Kalibrierkugel 41) ausgelöst werden. Gemäß einer Variante dieser Vorgehensweise wird die Häufigkeit der Wiederholung der Kalibrierung des Taststiftes auf andere Weise als unter Verwendung der Positionsbestimmungseinrichtung allein abhängig von dem Ergebnis der Positionsbestimmung durch die Positionsbestimmungseinrichtung festgelegt.
  • Umgekehrt kann das Eintreten vorgegebener Ereignisse eine Positionsbestimmung des Tasters unter Verwendung der Positionsbestimmungseinrichtung auslösen. Z.B. kann eine solches vorgegebenes Ereignis darin bestehen, dass sich zumindest eine Messgröße aus der Überwachung der Umgebung des KMG in vorgegebener Weise verändert hat. Z.B. wird die Temperatur der Umgebung des KMG überwacht und besteht das Ereignis darin, dass sich die Temperatur um einen vorgegebenen Betrag gegenüber einem früheren Zeitpunkt verändert hat. Alternativ oder zusätzlich wird die Umgebungstemperatur an mehreren Stellen gemessen und besteht das Ereignis darin, dass zwischen den verschiedenen Temperaturmesspositionen ein Temperaturunterschied festgestellt wird, der größer als ein vorgegebener Grenzwert ist. Ein weiteres mögliches Ereignis besteht darin, dass eine unbeabsichtigte Kollision des Tasters mit einem Objekt im Bewegungsbereich des Tasters stattgefunden hat.
  • Eine für die Kalibrierung eines Tasters mit einer Tastkugel als Tastelement wichtige Größe ist der Tastkugel-Radius. Insbesondere mit zumindest zwei Sensoren der Positionsbestimmungseinrichtung mit Bestimmungsrichtungen entsprechend einem kartesischen Koordinatensystem (vorzugsweise mit drei solchen Sensoren) kann der Tastkugelradius in einfacher Weise und mit geringem Zeitaufwand ermittelt werden, wie am Beispiel von 5 näher erläutert wird. Das Ausführungsbeispiel der 5 zeigt den Fall von lediglich zwei Sensoren 15, 16 derselben Positionsbestimmungseinrichtung. Alternativ könnte ein dritter Sensor Teil der Positionsbestimmungseinrichtung sein, wobei seine Bestimmungsrichtung senkrecht zu den Bestimmungsrichtungen der beiden anderen Sensoren 15, 16 verläuft und diese im Wesentlichen genau an deren Kreuzungspunkt schneidet.
  • Die Bestimmungsrichtung 25 des ersten Sensors 15 und die Bestimmungsrichtung 26 des zweiten Sensors 16 sind in 5 durch gestrichelte Linien dargestellt. Sie kreuzen sich in dem dargestellten Zustand im Mittelpunkt der Tastkugel 13. Ferner ist entlang der beiden Bestimmungsrichtungen 25, 26 jeweils der Tastkugelradius R dargestellt. Um die dargestellte Relativposition der Tastkugel 13 zu den Sensoren 15, 16 zu erreichen, kann die Tastkugel 13 von dem nicht in 5 dargestellten KMG bewegt werden, bis die Position erreicht ist. Insbesondere kann eine Bewegung entlang einer Spiralbahn ausgeführt werden oder kann die Tastkugel quer zu lediglich einer der Bestimmungsrichtungen 25, 26 bewegt werden, bis die Bestimmungsrichtung den Tastkugel-Mittelpunkt durchquert, und kann danach in gleicher Weise für die weitere Bestimmungsrichtung oder die weiteren Bestimmungsrichtungen verfahren werden.
  • Wenn die dargestellte Relativposition erreicht ist, ist der Abstand, den der jeweilige Sensor 15, 16 zur Oberfläche der Tastkugel 13 bestimmt, ein Maß für den Tastkugelradius R. Da der Kreuzungspunkt der Bestimmungsrichtungen 25, 26 bekannt ist und sich die Tastkugel 13 mit ihrem Mittelpunkt an dem Kreuzungspunkt befindet, muss von dem bekannten Abstand des Tastkugelmittelpunktes jeweils der Messwert des Abstandes zur Kugeloberfläche abgezogen werden, um den Tastkugelradius R zu erhalten. Da der Tastkugelradius bei realen Tastkugeln nicht konstant ist (d.h. die Kugel ist keine ideale Kugel), können sich aus den Messwerten der einzelnen Sensoren 15, 16 unterschiedliche Tastkugelradien ergeben.
  • Wenn der Tastkugelradius bekannt ist, kann er z.B. bei einer nachfolgenden Kalibrierung des Tasters verwendet werden. Alternativ kann der Tastkugelradius aber insbesondere durch Antastung eines Kalibrierkörpers ermittelt werden.
  • Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel für eine Kalibrierung des Tasters unter Verwendung der Positionsbestimmungseinrichtung beschrieben, bei der auch das Verhalten des Tasters bei einer Auslenkung aus seiner Ruhelage aufgrund von Antastkräften kalibriert wird. Wie erwähnt wird dabei ausgegangen, dass der Radius der Tastkugel bereits bekannt ist. Insbesondere dient die Kalibrierung bezüglich des Verhaltens beim Auslenken aus einer Ruhelage dazu, ein lineares Verhalten zu erzeugen. Die bei Auslenkung erzeugten Signale sollen linear zum Grad der Auslenkung (Auslenkungswinkel oder Auslenkungsweg) sein.
  • Da das Verhalten bezüglich der Auslenkung bestimmt werden soll, ist eine Auslenkung des Tasters erforderlich. Dies kann z.B. dadurch erreicht werden, dass der Taster und insbesondere die Tastkugel durch eine zusätzliche Vorrichtung, die während des sonstigen Betriebes der Positionsbestimmungseinrichtung nicht genutzt wird und die auch für den normalen Betrieb des KMG nicht genutzt wird, festgehalten wird. Alternativ kann der Taster durch einen Aktor ausgelenkt werden, wie es z.B. bei aktiven Messköpfen mit entsprechender Aktorik der Fall ist.
  • Wenn der Taster durch eine zusätzliche Vorrichtung festgehalten wird, z.B. durch einen Anschlag, der in Auslenkungsrichtung orientiert ist, misst zumindest der Teil der Sensoren der Positionsbestimmungseinrichtung, deren Bestimmungsrichtung nicht in Auslenkungsrichtung verläuft, etwaige Abweichungen von einer früheren Position des Tasters (z.B. der Position in der nicht ausgelenkten Ruhelage des Tasters). Die Auslenkung wird dann insbesondere durch eine Bewegung des beweglichen Teils des KMG bewirkt. Die zusätzliche Haltevorrichtung kann z.B. eine Fläche mit einer Vertiefung, eine Bohrung in einem Materialbereich, eine Anschlagkante oder andere Mittel aufweisen.
  • Im Fall einer Aktorik, die die Auslenkung bewirkt, können alle Sensoren der Positionsbestimmungseinrichtung die jeweilige Relativposition des Tasters zu ihnen bestimmen. Vorzugsweise wird die durch die Auslenkung bewirkte Verschiebung der Position des Tasters und insbesondere der Tastkugel durch eine Gegenbewegung des beweglichen Teils des KMG, an dem der Taster angebracht ist, zumindest teilweise kompensiert, um den Taster im Ortsbereich der Positionsbestimmungseinrichtung zu belassen. Der Aktor kann z.B. ein Aktor eines Messkopfes des KMG sein, oder die Positionsbestimmungseinrichtung kann selbst einen Aktor haben. Insbesondere kann die Haltevorrichtung mit einem Aktor kombiniert sein, sodass die Haltevorrichtung von dem Aktor bewegt wird und somit den Taster aus seiner Ruhelage auslenkt.
  • Unter Verwendung der Ergebnisse der Bestimmung der Relativposition durch die Sensoren der Positionsbestimmungseinrichtung kann insbesondere eine Kalibrierung des Tasters durchgeführt werden, wobei die zu bestimmenden Größen auch aus anderen Kalibrierverfahren bekannte Größen sind. Z.B. handelt es sich bei zumindest einigen der durch Kalibrierung ermittelten Größen um Matrixelemente einer Übertragungsmatrix, durch deren Anwendung die Messwerte eines KMG-Messkopfes in Messwerte der Position des Tastelements oder Messwerte der Koordinaten des angetasteten Oberflächenpunkts übertragen werden. Insbesondere in diesem Fall, aber auch bei anderen Arten der Kalibrierung kann durch die Kalibrierung das erwähnte lineare Verhalten des Tasters bei Auslenkung erzielt werden.

Claims (6)

  1. Verfahren zum Kalibrieren eines an einem beweglichen Teil (8) eines Koordinatenmessgeräts (11) angebrachten taktilen Tasters (12), wobei - der taktile Taster (12), der ein Tastelement (13) zum taktilen Antasten eines Werkstücks aufweist, durch einen Betrieb eines Antriebssystems des Koordinatenmessgeräts (11) in einen Ortsbereich einer Positionsbestimmungseinrichtung (14) bewegt wird, die mit einer Basis (1) des Koordinatenmessgeräts (11) verbunden ist, - mittels zumindest eines Sensors (15, 16) der Positionsbestimmungseinrichtung (14) eine Position des taktilen Tasters (12) relativ zu der Positionsbestimmungseinrichtung (14) bestimmt wird und - der taktile Taster (12) unter Berücksichtigung der bestimmten Position kalibriert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der taktile Taster (12) an eine vorgegebene Position in einem Koordinatensystem der Positionsbestimmungseinrichtung (14) bewegt wird und von einem Messsystem (6) des Koordinatenmessgeräts (11), das zusätzlich zu der Positionsbestimmungseinrichtung (14) vorhanden ist und von dem während eines Messbetriebes des Koordinatenmessgeräts (11) zum Bestimmen von Koordinaten von Werkstücken Bewegungspositionen des beweglichen Teils (8) gemessen werden, gemessen wird, an welcher Bewegungsposition sich der bewegliche Teil (8) mit dem daran angebrachten taktilen Taster (12) befindet, während der taktile Taster (12) an der vorgegebenen Position ist, und wobei der taktile Taster (12) unter Berücksichtigung der gemessenen Bewegungsposition kalibriert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der zumindest eine Sensor (15, 16) der Positionsbestimmungseinrichtung (14) ein berührungslos messender Abstandssensor ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Positionsbestimmungseinrichtung (14) zumindest zwei Sensoren (15, 16) aufweist, mittels denen die Position des taktilen Tasters (12) relativ zu der Positionsbestimmungseinrichtung (14) bestimmt wird, wobei jeder der zumindest zwei Sensoren (15, 16) eine Bestimmungsrichtung (25, 26) hat, in der er die Position des taktilen Tasters (12) relativ zu der Positionsbestimmungseinrichtung (14) bestimmt, und wobei die Bestimmungsrichtungen (25, 26) der zumindest zwei Sensoren (15, 16) paarweise senkrecht zueinander verlaufen.
  4. Anordnung zum Kalibrieren eines an einem beweglichen Teil (8) eines Koordinatenmessgeräts (11) angebrachten taktilen Tasters (12), wobei die Anordnung aufweist: - das Koordinatenmessgerät (11), wobei das Koordinatenmessgerät (11) eine Basis (1) aufweist, relativ zu der der bewegliche Teil durch einen Betrieb eines Antriebssystems des Koordinatenmessgeräts (11) bewegbar ist, - den taktilen Taster (12), der an dem beweglichen Teil (8) des Koordinatenmessgeräts (11) angebracht ist und der ein Tastelement (13) zum taktilen Antasten eines Werkstücks aufweist, - ein Messsystem des Koordinatenmessgeräts (11), von dem während eines Messbetriebes des Koordinatenmessgeräts (11) zum Bestimmen von Koordinaten von Werkstücken Bewegungspositionen des beweglichen Teils (8) gemessen werden, - eine Positionsbestimmungseinrichtung (14), die zusätzlich zu dem Messsystem des Koordinatenmessgeräts (11) vorhanden ist, die mit der Basis des Koordinatenmessgeräts (11) verbunden ist und die zumindest einen Sensor (15, 16) zur Bestimmung einer Position des taktilen Tasters (12) relativ zu der Positionsbestimmungseinrichtung (14) hat, - eine Steuerung (50) des Koordinatenmessgeräts (11), die ausgestaltet ist, den taktilen Taster (12) durch einen Betrieb des Antriebssystems des Koordinatenmessgeräts (11) in einen Ortsbereich der Positionsbestimmungseinrichtung (14) zu bewegen, sodass mittels des zumindest einen Sensors (15, 16) die Position des taktilen Tasters (12) relativ zu der Positionsbestimmungseinrichtung (14) bestimmt wird, - eine Kalibrierungseinrichtung (50), die ausgestaltet ist, den taktilen Taster (12) unter Berücksichtigung der bestimmten Position zu kalibrieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (50) ausgestaltet ist, den taktilen Taster (12) an eine vorgegebene Position in einem Koordinatensystem der Positionsbestimmungseinrichtung (14) zu bewegen, wobei das Messsystem des Koordinatenmessgeräts (11) ausgestaltet ist zu messen, an welcher Bewegungsposition sich der bewegliche Teil (8) mit dem daran angebrachten taktilen Taster (12) befindet, während der taktile Taster (12) an der vorgegebenen Position ist, und wobei die Kalibrierungseinrichtung ausgestaltet ist, den taktilen Taster (12) unter Berücksichtigung der gemessenen Bewegungsposition zu kalibrieren.
  5. Anordnung nach Anspruch 4, wobei der zumindest eine Sensor (15, 16) der Positionsbestimmungseinrichtung (14) ein berührungslos messender Abstandssensor ist.
  6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Positionsbestimmungseinrichtung (14) zumindest zwei Sensoren (15, 16) aufweist, mittels denen die Position des taktilen Tasters (12) relativ zu der Positionsbestimmungseinrichtung (14) bestimmt wird, wobei jeder der zumindest zwei Sensoren (15, 16) eine Bestimmungsrichtung (25, 26) hat, in der er die Position des taktilen Tasters (12) relativ zu der Positionsbestimmungseinrichtung (14) bestimmt, und wobei die Bestimmungsrichtungen (25, 26) der zumindest zwei Sensoren (15, 16) paarweise senkrecht zueinander verlaufen.
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