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DE19947374A1 - Verfahren zur Ermittlung geometrischer Abweichungen von Koordinatenmeßgeräten und Werkzeugmaschinen - Google Patents

Verfahren zur Ermittlung geometrischer Abweichungen von Koordinatenmeßgeräten und Werkzeugmaschinen

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DE19947374A1
DE19947374A1 DE1999147374 DE19947374A DE19947374A1 DE 19947374 A1 DE19947374 A1 DE 19947374A1 DE 1999147374 DE1999147374 DE 1999147374 DE 19947374 A DE19947374 A DE 19947374A DE 19947374 A1 DE19947374 A1 DE 19947374A1
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von geometrischen Abweichungen in den Führungen von Koordinatenmessgeräten oder Werkzeugmaschinen durch Einsatz von einem oder mehreren schwenkbaren Längenmesssystemen. Gegen ein Referenzelement, das an dem Koordinatenmessgerät oder der Werkzeugmaschine befestigt ist und in ausgewählten Ebenen in eine Anzahl von vorgegebenen Soll-Positionen gefahren wird, werden von unterschiedlichen Punkten die Abstände optisch gemessen. Aus den gemessenen Längen wird durch Trilateration ein vorwiegend zweidimensionales geometrisches Netz von gemessenen Ist-Positionen des Referenzelementes berechnet. Aus dem Vergleich der Ist-Positionen mit den Soll-Positionen lassen sich dann Geometrieabweichungen von Koordinatenmessgeräten oder Werkzeugmaschinen bestimmen. Durch den Verzicht auf verkörperte Normale ist das Verfahren besonders dazu geeignet, sehr große Koordinatenmessgeräte und Werkzeugmaschinen zu prüfen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von geometrischen Abweichungen in den Führungen von Koordina­ tenmessgeräten oder Werkzeugmaschinen. Die Mess- bzw. Fertigungsgenauigkeit dieser Geräte hängt entscheidend von der geometrischen Genauigkeit ab, mit der die Führungen in diesen Geräten Koordinatensysteme verkörpern. Es ist notwendig, die geometrischen Abweichungen in den Führungen der Systeme gegenüber einem idealen Koordinatensystem zu ermitteln, um zum einen die Mess- und Fertigungsgenauigkeit beurteilen zu können. Zudem kann bei bekannten systemati­ schen Abweichungen durch mathematische Korrektur die geome­ trische Genauigkeit der Geräte gesteigert werden.
Stand der Technik
Stand der Technik ist die Bestimmung von geometrischen Abweichungen von Koordinatenmessgeräten und Werkzeug­ maschinen durch
  • a) spezielle Messanordnungen, die die geometrischen Abwei­ chungen einzeln und für jede Verfahrachse getrennt erfassen,
  • b) zweidimensionale, kalibrierte Prüfkörper, die in mehre­ ren Lagen im Messvolumen positioniert und gemessen wer­ den.
Kennzeichnend für die Verfahren nach a) ist, dass die Abweichungen in jedem Freiheitsgrad und jeder Achse durch gesonderte Messeinrichtungen aufgenommen werden. Dazu müssen verschiedene Messmittel verwendet werden [1]. Für die Ermittlung der Positionsabweichungen werden Michelson- Laserinterferometer oder Maßstäbe eingesetzt, für die Ermittlung der Geradheitsabweichungen Lineale oder Inter­ ferometer in Wolleston-Anordnung und für die Ermittlung der rotatorischen Abweichungen Neigungsmesser oder Winkellaser. Die Rechtwinkligkeit der Verfahrachsen kann durch Messungen an Winkelnormalen bestimmt werden. Die große Anzahl ver­ schiedener Messmittel und die zeitaufwendigen Umbau- und Justierarbeiten machen Verfahren nach a) sehr unwirtschaft­ lich. Außerdem eignet sich das Verfahren nicht zur Prüfung von Maschinen, deren bekannte systematische Abweichungen bereits bei der Positionierung oder Messung kompensiert werden, da nur tatsächliche (physikalische) Führungsabwei­ chungen und nicht solche, die nach einer nummerischen Korrektur verblieben sind, erfasst werden.
Aus den genannten Gründen werden verstärkt Verfahren nach b) angewendet, die durch die Messung von zweidimensionalen kalibrierten Normalen eine vollständige Ermittlung der überlagerten Geometrieabweichungen gestatten. Das Normal ist dabei im Allgemeinen mit kugel- oder zylinderförmigen Antastformelementen versehen. Die Messabweichungen, d. h. die Differenzen zwischen den angezeigten Messwerten und den kalibrierten Werten des Normals, resultieren dabei vornehm­ lich aus einer Überlagerung der geometrischen Abweichungen. Stand der Technik ist die Analyse der ermittelten Mess­ abweichungen in der Art, dass die einzelnen geometrischen Abweichungen der Führungsbahnen daraus durch rechnerge­ stützte mathematische Verfahren bestimmt werden [2]. Diese Verfahren sind im wissenschaftlichen Rahmen erprobt und bei Koordinatenmessgeräten kleiner und mittlerer Baugröße viel­ fach im industriellen Einsatz. Bei großen Koordinatenmess­ geräten (mit Längen der Bewegungsachsen weit über 1 Meter) sind diese Verfahren jedoch schwer einsetzbar, weil geeig­ nete Normale ausreichender Genauigkeit technisch kaum mehr realisierbar sind. Normale dieser Größenordnung sind unhandlich, und es lässt sich mit ihnen keine ausreichende Stabilität der verkörperten Maße erreichen.
Aufgabe
Entwicklung eines Verfahrens zur Ermittlung von geometri­ schen Abweichungen in den Führungen von Koordinatenmess­ geräten und Werkzeugmaschinen gegenüber einem idealen Koor­ dinatensystem, das physikalische und nach einer Korrektur verbleibende Abweichungen erfasst und zudem ausreichende Genauigkeit und Stabilität auch für große Koordinatenmess­ geräte bietet. Zu den Abweichungen, die ermittelt werden können, zählen translatorische Abweichungen in Richtung der Verfahrachse, Geradheitsabweichungen in zwei Richtungen senkrecht zur Verfahrachse und rotatorische Abweichungen in allen drei Raumrichtungen sowie die Rechtwinkligkeitsabwei­ chungen zwischen den drei Verfahrachsen.
Lösung
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
  • a) dass eine große Anzahl von Längen optisch gegen ein Referenzelement gemessen wird, welches an einem Koordi­ natenmessgerät bzw. einer Werkzeugmaschine befestigt ist,
  • b) dass aus diesen gemessenen Längen ein vorwiegend zwei­ dimensionales geometrisches Netz durch Trilateration aufgespannt wird,
  • c) dass dieses Netz zur Ermittlung der überlagerten Geome­ trieabweichungen der Verfahrachsen des betrachteten Gerätes verwendet wird.
Offenbarung
Am Koordinatenmessgerät oder an der Werkzeugmaschine wird anstelle des Tasters bzw. des Werkzeuges ein 3-Flächen- Spiegel, eine spiegelnde Kugel oder ein Kugelschalenreflek­ tor (cat's eye) als Referenzelement befestigt. Dann wird die Maschine in eine Anzahl von vorgegebenen Soll-Positio­ nen (3), welche ungefähr in einer Ebene liegen, gefahren. Bei Erreichen der jeweiligen Soll-Positionen (und evtl. nach einer Beruhigungszeit) wird von den beteiligten Län­ genmesssystemen (1) eine Messung vorgenommen. Die Mess­ wertaufnahme des Längenmesssystems wird dabei im Allgemei­ nen durch das Steuerungsprogramm des Koordinatenmessgerätes oder der Werkzeugmaschine ausgelöst.
Die gemessenen Längen (2) werden erfindungsgemäß durch mathematische Verfahren derart verknüpft, dass zwischen den Messpositionen (3) ein Koordinatennetz vorwiegend in einer Ebene aufgespannt wird. Dazu werden um die Standpunkte der Längenmesseinrichtungen konzentrische Kreise bzw. Kugeln mit den gemessenen Längen als Radien gelegt. Die Schnitt­ punkte der Kreise bzw. Kugeln sind die gesuchten Messposi­ tionen im Koordinatennetz.
Nacheinander sind derart mehrere Koordinatennetze in drei orthogonalen Ebenen (6, 7, 8) aufzunehmen. Die so erzeugten Koordinatennetze werden erfindungsgemäß anstelle eines in mehreren Positionen gemessenen, kalibrierten Prüfkörpers eingesetzt, um die überlagerten geometrischen Abweichungen von Koordinatenmessgeräten und Werkzeugmaschinen zu bestim­ men.
Bei Längenmesssystemen mit Winkelmesseinrichtung können die Werte der Winkelmesseinrichtung genutzt werden, um bei Ablagen des Längenmesssystems von der Messebene den Kosi­ nusfehler hinreichend genau rechnerisch zu kompensieren. Mit Hilfe der gemessenen Winkel kann die gemessene Länge dann in die Messebene projiziert werden.
Die Längen können auch interferometrisch gemessen werden. Das interferometrische Längenmesssystem kann so ausgeführt werden, dass es dem bewegten Referenzelement automatisch folgt.
Wenn der Reflektionswinkel des 3-Flächen-Spiegels oder des Kugelschalenreflektors nicht ausreicht, um im ganzen Ver­ fahrbereich der Maschine eine Reflektion des optischen Signals in das Längenmesssystem zu gewährleisten, kann das Reflektionselement (4) erfindungsgemäß in einer Achse schwenkbar ausgeführt werden in der Art, dass der wirksame Reflektionspunkt mit hoher Präzision ortsfest zum Tastkopf bzw. Werkzeughalter (9) bleibt. Dies kann durch eine Anbringung des Reflektors erfolgen, wie in Bild 3 gezeigt. Die Ausrichtung des Reflektors um die Drehachse (10) geschieht dabei durch eine elektrische Positioniereinrich­ tung (11). Das Referenzelement kann in verschiedenen Posi­ tionen an dem Koordinatenmessgerät oder der Werkzeugmaschi­ ne angebracht werden (Bild 4).
Wird aus wirtschaftlichen Gründen nur ein Längenmesssystem eingesetzt, sind für eine Messebene nacheinander mindestens zwei Durchläufe der Soll-Positionen mit unterschiedlichen Positionen des Längenmesssystems notwendig. Bei nur zwei Durchläufen müssen die Positionen der Messsysteme zueinan­ der eingemessen sein und die Positionen der Längenmess­ systeme müssen relativ genau in der jeweiligen Ebene (6, 7, 8) der Verfahrbewegung liegen. Die Abstände der Längenmess­ systeme von der jeweiligen Messebene gehen dann proportio­ nal zum Kosinus des zwischen Messebene und Längenmessachse eingeschlossenen Winkels als Messfehler ein. Dieser Mess­ fehler ist verhältnismäßig klein und bei entsprechend genauer Positionierung der Längenmesssysteme in der Mess ebene zu vernachlässigen.
Werden für eine Messebene drei oder mehr Durchläufe mit unterschiedlicher Positionierung des Längenmesssystems durchgeführt und ausgewertet, können durch räumliche Trila­ teration auch die Versätze der Positionen der Längenmess­ systeme in Bezug zur Messebene berechnet und korrigiert werden.
Neben der zeitlich hintereinander folgenden Messung mit einem Längenmesssystem ist auch der gleichzeitige Einsatz von mehr als einem Längenmesssystem möglich, wobei dann je Messebene nur ein Durchlauf erforderlich ist. Für den Ein­ satz von zwei oder mehr Längenmesssystemen können am Auf­ nahmepunkt an der Maschine gleichzeitig zwei oder mehr Referenzelemente befestigt werden (Bild 4). Ein geringer Versatz dieser Referenzpunkte zueinander in der Messebene beeinträchtigt die Genauigkeit des Verfahrens nicht, da die Referenzpunkte keine Relativbewegung zueinander ausführen.
Bevorzugte Ausführungsform
Am Koordinatenmessgerät oder der Werkzeugmaschine wird anstelle des Tasters oder des Werkzeuges vorzugsweise ein optischer Reflektor als Referenzelement befestigt und in eine Anzahl von vorgegebenen Soll-Positionen gefahren, wel­ che ungefähr in einer Ebene liegen. Als interferometrisches Längenmesssystem wird ein handelsüblicher Lasertracker [3] eingesetzt und derart aufgestellt, dass er sich hinreichend genau in der Ebene der vom Koordinatenmessgerät oder der Werkzeugmaschine anzufahrenden Positionen befindet. Ausge­ hend von einer Startposition erfolgt dann eine automatische Verfolgung des Reflektors und eine automatische Messung der Entfernung. Als Messstrahl wird dabei ein kollimiertes Laserstrahlenbündel verwendet, das über einen in zwei Achsen drehbaren Spiegel auf den Reflektor gerichtet wird.
Als Reflektoren eignen sich insbesondere Kugelschalen­ reflektoren oder 3-Flächen-Spiegel (4). Wenn der Reflek­ tionswinkel nicht ausreicht, um in allen angefahrenen Mess­ positionen eine Längenmessung vornehmen zu können, kann der Reflektor in der Art dem Messstrahl nachgeführt werden, dass sein wirksamer Reflektionspunkt ortsfest zum Referenz­ punkt des Koordinatenmessgerätes oder der Werkzeugmaschine bleibt. Eine mögliche Realisierung des Reflektors besteht außerdem in einer Kugellinse mit dem Brechungsindex n = 2, die eine Reflektion des Lasersignals aus allen Raumrichtun­ gen ermöglicht.
In der Startposition wird der reflektierte Laserstrahl über den Spiegel in den Lasertracker zurückgeführt und dort sowohl von einem positionsempfindlichen Detektor gemessen als auch einem Interferometer zugeführt. Bei Entfernung des Kugelflächenreflektors aus der Startposition steuert der positionsempfindliche Detektor den Spiegel derart, dass der Laserstrahl dem bewegten Reflektor folgt, bis dieser die gewünschte Position innerhalb des Messvolumens des Koordi­ natenmessgerätes oder der Werkzeugmaschine erreicht hat. Mit dem Interferometer wird die Abstandsänderung gemessen. Nacheinander werden auf diese Weise die Abstände zu allen angefahrenen Positionen gemessen.
Nach diesem ersten Durchlauf wird der Lasertracker neu positioniert. Vom Koordinatenmessgerät oder von der Werk­ zeugmaschine werden nochmals alle Soll-Positionen angefah­ ren und der Lasertracker misst wiederum die Abstandsände­ rungen zu allen angefahrenen Positionen. Abschließend erfolgt ein dritter Durchlauf, wozu der Lasertracker erneut in der Ebene der anzufahrenden Soll-Positionen verschoben wird.
Aus den drei Durchläufen liegen jeweils gemessene Abstand­ sänderungen zwischen den angefahrenen Positionen vor. Aus den Abstandsänderungen lassen sich dann in der Verfahrebene die zweidimensionalen Koordinaten der angefahrenen Soll- Positionen und die Positionen der Lasertracker iterativ durch wiederholten Bogenschnitt durch die Gleichungen
(Xi - x1)2 + (Yi - y1)2 = (l1i + m1)2
(Xi - x2)2 + (Yi - y2)2 = (l2i + m2)2
(Xi - x3)2 + (Yi - y3)2 = (l3i + m3)2
berechnen, wobei die xj und yj die Koordinaten der drei Lasertrackerstandpunkte bezeichnen, die lji die vom jewei­ ligen Standpunkt j zwischen den Soll-Positionen i inter­ ferometrisch gemessenen Abstandsänderungen, die mj die unbekannten Abstände zwischen Lasertrackerstandpunkt und Startposition, die Xi sowie Yi die Koordinaten der angefah­ renen Soll-Positionen.
Sind mehr Abstandsänderungen gemessen worden als zur eindeutigen Bestimmung der Soll-Positionen notwendig sind, können die wahrscheinlichsten Koordinaten der angefahrenen Positionen mit Hilfe der Methode der kleinsten Quadrate gefunden werden. Nachdem auf diese Weise die Koordinaten der angefahrenen Positionen in einer Verfahrebene gefunden wurden, wird das Verfahren für die anderen Verfahrebenen wiederholt.
Vorteile
Gegenüber der im Stand der Technik unter a) beschriebenen Methode, die einzelnen Geometrieabweichungen durch unter­ schiedliche, spezialisierte Messgeräte zu ermitteln, bietet das erfindungsgemäße Verfahren folgende Vorteile: Es erfor­ dert weniger Zeit, da Umbau und Justierarbeiten deutlich reduziert werden. Außerdem wird der Apparateaufwand verrin­ gert, da nur noch ein schwenkbares Längenmesssystem benö­ tigt wird. Zusätzlich bietet das Verfahren die Möglichkeit, neben physikalischen Abweichungen der Führungen auch die nach einer nummerischen Korrektur verbleibenden Messabwei­ chungen einer Maschine zu ermitteln.
Gegenüber der im Stand der Technik unter b) beschriebenen Methode liegt der wesentliche Vorteil im Verzicht auf kali­ brierte Prüfkörper. Insbesondere für große Koordinatenmess­ geräte sind solche Prüfkörper kaum noch mit ausreichender Genauigkeit realisierbar. Zudem würden sie hohe Transport­ kosten erfordern und die Handhabung wäre sehr arbeitsinten­ siv.
Gegenüber dem direkten Einsatz von Lasertrackern [3], die durch eine Verbindung von Längenmessung und Raumwinkelmes­ sung ein Kugelkoordinatensystem verkörpern, ergibt sich durch das Trilaterationsprinzip eine deutlich gesteigerte Genauigkeit.
Bei dem direkten Einsatz von Lasertrackern ist die Mess­ genauigkeit senkrecht zur Längenmessachse relativ gering, da diese von der Genauigkeit der Raumwinkelmessung abhängt. Positionen quer zum Laserstrahl werden durch die Winkel­ geber zwar mit einer gleichbleibenden Winkelauflösung α bestimmt, diese führt aber über die gemessene Länge l und die Beziehung sin(α) × l zu einer stark längenabhängigen Positionsmessgenauigkeit quer zum Messstrahl. Aufgrund der begrenzten Winkelauflösung α sind Lasertracker deshalb nicht ausreichend, um durch direkte Messung die geometri­ schen Abweichungen von hochgenauen Koordinatenmessgeräten und Werkzeugmaschinen zu bestimmen.
Wenn jedoch durch das Trilaterationsprinzip (Bestimmung von Koordinaten durch eine Anzahl von Längenmessungen) nur die Längenmessachse des Lasermesssystems ausgewertet wird, las­ sen sich durch das beschriebene Verfahren Messgenauigkeiten in zwei oder drei Dimensionen erreichen, die auch für die Kalibrierung großer hochgenauer Koordinatenmessgeräte aus­ reichend sind.
Legende zu den nachfolgenden Bildern
Bild 1: Verwendung eines in mindestens zwei Positionen aufgestellten schwenkbaren Längenmesssystems zur Ermittlung von Geometrieabweichungen eines Koordi­ natenmessgerätes oder einer Werkzeugmaschine
Bild 2: Erzeugung eines Koordinatennetzes aus Längenmessun­ gen in einer Ebene
Bild 3: Reflektor drehbar um eine Achse durch den schein­ baren Reflektionspunkt
Bild 4: Anbringung eines in einer Achse schwenkbaren Reflektors anstelle eines Tasters oder eines Werkzeuges
Literatur
[1] Busch, K., Kunzmann, H., Wäldele, F., "Numerical error­ correction of a coordinate measuring machine, proceedings of the international symposium on metrology for quality control in production", Tokyo 1984, S. 278­ -282
[2] Trapet, E., Wäldele, F., "A reference object based method to determine the parametric error components of coordinate measuring machines and machine tools", Measurement Vol 9 No 1, Jan-Mar 1991, S. 17-21
[3] Loser, R., "Laser-Tracking-System für 3D-Messungen bewegter Objekte", Technisches Messen Jahrgang 60, Nr. 5, 1993, S. 198-202

Claims (8)

1. Verfahren zur Ermittlung von geometrischen Abweichungen von Koordinatenmessgeräten und Werkzeugmaschinen durch den Einsatz von einem oder mehreren schwenkbaren Län­ genmesssystemen, dadurch gekennzeichnet,
  • a) dass eine große Anzahl von Längen optisch gegen ein Referenzelement gemessen wird, welches an einem Koordinatenmessgerät bzw. einer Werkzeugmaschine befestigt ist,
  • b) dass aus diesen gemessenen Längen ein vorwiegend zweidimensionales geometrisches Netz durch Trilate­ ration aufgespannt wird,
  • c) dass dieses Netz zur Ermittlung der überlagerten Geometrieabweichungen der Verfahrachsen des betrachteten Gerätes verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet,
  • a) dass das schwenkbare Längenmesssystem über eine Winkelmesseinrichtung verfügt,
  • b) dass die gemessenen Winkel zur Projektion der gemessenen Längen in die Messebene verwendet wer­ den.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeich­ net, dass die Längen interferometrisch gemessen werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeich­ net, dass das schwenkbare Längenmesssystem automatisch dem bewegten Referenzelement folgt.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeich­ net, dass das als Reflektor ausgeführte Referenzelement sich automatisiert in einer Achse hinreichend in Rich­ tung des optischen Längenmesssystems ausrichtet, so dass dieses in jeder angefahrenen Position eine Längen­ messung vornehmen kann.
6. Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass der scheinbare Reflektionspunkt des schwenkbaren Refe­ renzelementes sich in der Drehachse bzw. dem Drehpunkt der Schwenkbewegung befindet und dadurch ortsfest zur Einspannung des Tasters bzw. des Werkzeuges bleibt.
7. Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Orientierung des Referenzelementes durch eine elek­ trische Positioniereinrichtung erfolgt, die durch ein Triggersignal des Steuerrechners der Werkzeugmaschine oder des Koordinatenmessgerätes gesteuert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass dieses Triggersignal durch ein akustisches Signal des Steuerrechners ausgelöst wird.
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