DE19611617C2 - Prüfeinrichtung zur Ermittlung geometrischer Abweichungen von taktilen Koordinatenmessgeräten, bestehend aus einem Präzisions-Prüfkörper und einer eindeutig zugehörigen Tasterkonfiguration - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Prüfeinrichtung, die aus einem neuartigen Präzisions- Prüfkörper und einer eindeutig zugehörigen speziellen Tasterkonfiguration besteht. Der Präzisions-Prüfkörper ist nach Systematik /1/ unter drei­ dimensionale 3D-Prüfkörper in der Ausführung eines Quader-Lochkörpers einzuordnen. Aufgrund der Beschaffenheit des Präzisions-Prüfkörpers kann das Scanning-Verfahren (schnelle Meßpunktaufnahme bei kontinuierlichem Taster-Probe-Kontakt) für Abnahme- und Überwachungsmessungen an Koordinatenmeßgeräten mit messendem 3D-Tastkopf eingesetzt werden.

Die zum Präzisions-Prüfkörper gehörende spezielle Tasterkonfiguration ist hinsichtlich Bauweise und Materialeinsatz so ausgeführt, daß sie weitgehend längen- und biegestabil ist und vereinfacht kalibriert werden kann.

Die Messung der geometrischen Abweichungen von Koordinatenmeßgeräten, die Ermittlung der entsprechenden Korrekturwerte sowie deren Speicherung und Berücksichtigung in der Systemsteuerung wird automatisierbar.

0. Allgemeines

Wie alle Prüfmittel unterliegen auch Koordinatenmessgeräte der Abnahme durch die Hersteller und der Überwachungspflicht durch die Einrichtungen, die sie in Produktion oder im Dienstleistungsbereich einsetzen. Die Abnahme- und Überwachungsmessungen dienen dem Massanschluss an kalibrierte Normale und damit dem Nachweis der Einhaltung von spezifizierten Messunsicherhei­ ten. Im Zusammenhang mit einer entsprechenden Dokumentation wird damit auch die Rückverfolgung von Mess- und Prüfergebnissen gesichert.

1. Stand der Technik

Für Genauigkeitsüberprüfungen im Rahmen von Abnahme- und Überwa­ chungsmessungen an Koordinatenmessgeräten, aber auch an Messrobotern und messenden Werkzeugmaschinen, sind unterschiedliche Prüfkörper im Ein­ satz. Je nach vorrangiger Zweckbestimmung sind sie in Dimensionalität, Ma­ terial sowie Anzahl, Lage, Gestalt und räumlicher Anordnung von Antastform­ elementen unterschiedlich ausgebildet.

Eine Systematik der Bezeichnungen und Ausführungen von Prüfkörpern für Koordinatenmessgeräte mit mechanischer Antastung findet sich in Druckschrift /1/.

Insbesondere werden entsprechend der Richtlinie VDI/VDE 2617 oder ANSI/ASME B89.1.12M-1985 folgende Massverkörperungen und Prüfkörper verwendet:

• - Endmasse und Stufenendmasse in unterschiedlicher Länge und Ausführung;
• - Zweidimensionale Prüfkörper-Einrichtungen nach VDI/VDE 2617 BI. 5, z. B. sog. 'Kugelplatten' in unterschiedlichen Ausführungen hinsichtlich Material, Kugelbefestigung, Kugeldurchmesser und -abstand, Aufstellung, oder sog. 'Lochplatten' in unterschiedlichen Ausführungen hinsichtlich Material, Abstand und Durchmesser der Zylinderbohrungen, Aufstellung usw.
• - Messaufgabenorientierte Prüfkörper unterschiedlicher Grössen und mit besonderer Gestalt und Anordnung unterschiedlicher Antastformelemente.

In Druckschrift /2/ ist ein quaderförmiger Gusskörper mit virtuellen Eckpunkten als Schnittpunkt der benachbarten Ecken beschrieben und abgebildet, bei dem Steckenmessungen von Seitenlängen und Diagonalen für Beurteilungsmessungen von Koordinatenmessgeräten möglich sind. Der entscheidende Unterschied und Nachteil gegenüber dem im weiteren beschriebenen neuen Präzisions-Prüfkörper besteht darin, dass die untere Quaderfläche des Gusskörpers nach Druckschrift /2/ nicht ohne besondere Aufstellvorrichtung, und zudem nicht mit derselben Tastkugel wie die obere Fläche angetastet werden kann. Die Temperaturstabilität des gesamten Prüfkörpers und die Oberflächengüte der Quaderflächen sind bei Verwendung metallischer Werkstoffe nicht ausreichend.

Die Druckschrift DE 39 30 223 A1 /3/ enthält die Beschreibung eines komplex aufgebauten Prüfkörpers mit besonderer Gestalt und Anordnung der Verbindungen (Stabsegmente als Distanzelemente) zwischen den eigentlichen Antastformelementen (vorzugsweise Keramikkugeln). Dieser Aufbau des Prüfkörpers ist jedoch mit einem hohen Arbeitsaufwand für die Anfertigung der Distanzelemente und die stabile Befestigung der Referenzelemente verbunden. An den Verbindungstellen von Distanz- und Antastelementen sind Antastungen der Kugeloberflächen nicht möglich, was die Unsicherheit der Kugelpositionsbestimmungen und damit des gesamten Kalibrierverfahrens vergrössert. Der 'Prüfkorper für Koordina­ tenmessgeräte aus Stabsegmenten' nach DE 39 30 223 A1 weist also einige gravierende Nachteile auf. Diese Nachteile werden erst durch Einsatz eines Präzisions-Prüfkörpers mit prismatischen Bauteilen, die aus einem Werkstoff mit sehr kleinem Ausdehnungskoeffizienten α bestehen und in besonderer Weise angeordnet und verbunden sind, vermieden.

Für die Überwachung von taktilen Koordinatenmessgeräten zum Nachweis der Einhaltung der zulässigen Längenmessunsicherheit wurden in jüngster Zeit ver­ stärkt Kugelprüfkörper-Einrichtungen nach VDI/VDE 2617 BI. 5 eingesetzt.

Kugelprüfkörper-Einrichtungen werden von einer Reihe Firmen (z. B. Carl Zeiss Oberkochen, Kolb & Baumann Aschaffenburg, Fa. Retter Albstadt) in unterschiedlichen Ausführungen bzgl. Grösse, Kugelanzahl, Kugeldurch­ messer, Kugelhalterungen und verwendeter Werkstoffe sowie mit unter­ schiedlich konzipierten Aufstellvorrichtungen hergestellt und angeboten.

Namhafte Koordinatenmessgeräte-Hersteller haben CNC-Steuerprogamme für Messabläufe und Auswertungen entwickelt und bieten diese als Teil von Software-Optionen zu ihrer Geometrie-Software an bzw. nutzen sie selbst im firmeneigenen technischen Service für Kalibrierung und Überwachung von Koordinatenmessgeräten.

In zahlreichen Groß- und mittelständischen Betrieben ist die Überwachung von Koordinatenmessgeräten mit Kugelprüfkörper-Einrichtungen etabliert.

Diese Überwachungsmethode ist jedoch mit einigen gravierenden Nachteilen bzw. Unzulänglichkeiten verbunden, wie nachfolgend näher beschrieben wird:

• - Die Kugelprüfkörper-Einrichtung besteht i. A. aus zwei Komponenten, der eigentlichen Kugel-Prüfplatte und einer geeigneten Aufstellvorrich­ tung.
  Die Fertigung und die Montage der Prüfplatte ist aufwendig. Jede der 9, 16 oder 25 Kugeln muss einzeln und verlagerungssicher gefasst sein, die Antastbarkeit muss aus mind. 5 Richtungen gewährleistet sein. Die Aufstellvorrichtung muss eine verspannungsfreie Auflage und Befestigung der Prüfplatte in waagerechter und senkrechter oder auch in zwei Ebenen geneigter Stellung erlauben. Bei einer Aufstellung in der XY-Ebene ist durch die 3 Auflagepunkte (bzw. 4 Punkte, wenn der 3. Punkt als Wippe ausgebildet ist) eine Deformation durch das Eigen­ gewicht der Prüfplatte nicht vermeidbar.
• - Der Kalibrieraufwand für die Prüfplatte ist erheblich. Es sind die räumli­ chen Positionen aller Kugeln in mehreren Messläufen zu bestimmen. Die Unsicherheit der Raumpositionen ist im Vergleich mit den derzeit an Präzisions- Koordinatenmessgeräten erreichbaren Längenmessunsicherheiten relativ hoch.
  Erst- und Nachkalibrierungen sind i. A. mit dem Versand der gesamten Einrichtung an die wenigen für derartige Kalibrierungen ausgerüsteten und zertifizierten Kalibrierlabors des Deutschen Kalibrierdienstes (DKD) verbunden. Thermische und mechanische Einwirkungen beim Transport und bei der Handhabung haben einen nicht rückverfolgbaren Einfluss auf die Gültigkeit der Kalibrierergebnisse.
• - Aufgrund des thermischen Längenausdehnungskoeffizienten α von ca. 11,5.10^{-6 1}/_K des meist als Trägermaterial verwendeten Stahls, aber auch wegen der grossen Abmessungen der Prüfplatte sowie der Umfeld- Exposition im Messvolumen ist die Lage der Kugeln zu einem definierten Nullpunkt empfindlich gegenüber zeitlichen und räumlichen Temperatur­ gradienten.
  Hinzu kommen die Unsicherheit bei der Bestimmung des Längenaus­ dehnungskoeffizienten α selbst und die Deformationen durch Auflage- bzw. Aufspannkräfte.
• - Die einzelnen Messabläufe in unterschiedlichen Ebenen müssen für Um­ rüstarbeiten zur Aufstellung, Ausrichtung und Befestigung der Prüfplatte in der nächsten Messebene unterbrochen werden. Dabei unterliegt die Prüfplatte wiederum mechanischen und thermischen Einflüssen, vor allem der Einwirkung von Körperwärme durch den Anwender.
• - Bei einigen Bauarten von Koordinatenmessgeräten ergeben sich Beson­ derheiten und zu beachtende Randbedingungen hinsichtlich Aufstellung und Befestigung des Kugelprüfkörpers durch die andere räumliche Anord­ nung des Tastkopfes am Koordinatenmessgerät, anders numerierte Tast­ stiftrichtungen, eingeschränkte Erreichbarkeit der Kugelreihen im Messvo­ lumen oder eingeschränkte Spannmöglichkeiten der Aufstellvorrichtung bei Verwendung eines Drehtisches.
• - Die Verwendung gesonderter Prüfnormale für die Überprüfung der Antast­ unsicherheit (i. A. kalibrierte Kugel- und Ringnormale) in Verbindung mit der Kugel- oder Lochplatte sowie das Softwarekonzept für die Generierung und Ausführung der CNC-Messabläufe erfordert, insbesonde bei Abbruch und Wiederholungen des Messablaufs, den nochmaligen Ab- und Aufbau der einzelnen Normale und der Prüfplatte. Dies ist sehr zeitaufwendig, u. a. auch wegen der durch die o. g. thermischen Einflüsse erforderlichen Temperierzeiten.
  Die Ergebnisunsicherheit erhöht sich auch durch die mit den Rüstarbeiten verbundenen wechselnden Prüfbedingungen.
• - Jede Kugelposition wird nur mit wenigen Messpunkten (5 oder 6 Mess­ punkte am Kugeläquator sowie am Pol) erfasst. Aufgrund dessen geht die Antastunsicherheit bei der Erfassung der Einzelpunkte stark in das Er­ gebnis ein. Die Antasttechnologie des Scanning und High-Speed Scan­ ning für die schnelle Erfassung vieler Messpunkte und die dadurch siche­ rere Bestimmung von Formelementen wird nicht genutzt.

Insgesamt ergibt sich durch die genannten Nachteile bei der Überwachung von Koordinatenmessgeräten mit Kugelprüfkörper-Einrichtungen eine erhöhte Unsi­ cherheit für die Aussagen zum Zustand des Koordinatenmessgerätes hin­ sichtlich seiner Längenmessunsicherheit und der ggf. daraus resultierenden Erforderlichkeit servicetechnischer Massnahmen, wie z. B. Neubestimmung und rechnerische Korrektur der Rechtwinkligkeitsabweichungen der Gerätefüh­ rungen.

Auch bei gleichzeitigem oder sequentiellen Einsatz mehrerer unterschiedlicher Prüfkörper (Endmasse, Stufenendmasse, Einstellringe, spez. Prüfkörper) wird die Aussagesicherheit für das Abweichungsverhalten des Gesamtsystems Ko­ ordinatenmessgerät verringert, weil die Abweichungskomponenten nur einzeln bestimmt und korrigiert werden können. Die Wirkung auf andere spezifizierte Gerätekenngrössen, z. B. die Längenmessunsicherheit im Raum, ergibt sich als Resultierende von Einzelabweichungen. Abweichungen können also nicht anders als komponentenweise korrigiert werden. So erfordert beispielsweise die Korrektur der Rechtwinkligkeit von zwei Koordinatenachsen zueinander die nachfolgende Prüfung der Längenmessunsicherheit u₃ in allen 4 Raumdiago­ nalen des Messvolumens.

Die sequentielle Aufstellung von Massverkörperungen, Normalen und Prüfkör­ pern in einem länger dauernden Prüfzyklus für Abnahme- und Überwa­ chungsmessungen an Koordinatenmessgeräten stellt immer einen mechani­ schen und thermischen Eingriff in das Prüf- und zugleich in das zu überprü­ fende System dar. Dies ist beispielsweise auch bei der Bestimmung von Rechtwinkligkeitsabweichungen mit Endmassen der Fall, wenn die Endmasse in unterschiedlichen Richtungen je Koordinatensystemebene aufgestellt und gemessen werden müssen.

Eine Vielzahl unterschiedlicher Prüfkörper und Verfahren erschwert zudem die Vergleichbarbeit von Verfahren und Systemen unterschiedlicher Hersteller und erhöht die Anzahl unterschiedlicher Richtlinien, Vorschriften und Anweisungen für die Abnahme und Überwachung von Koordinatenmessgeräten. Eine Verein­ heitlichung auf ein aussagesicheres zertifiziertes Verfahren, das alle wesentli­ chen Abweichnungen mit einem oder wenigen Messläufen liefert und eine so­ fortige umfassende Korrektur erlaubt, ist deshalb sehr vorteilhaft.

Aufgabe

der Prüfeinrichtung ist es, bei der Ermittlung geometrischer Abweichungen von taktilen Koordinatenmessgeräten im Rahmen der Durchführung von Abnahmemessungen und Überprüfungen die Nachteile hinsichtlich Verfahren und Messunsicherheit, die beim Stand der Technik derzeit noch bestehen, zu vermeiden. Diese Aufgabe wird mit einer Prüfeinrichtung mit den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen dieser Prüfeinrichtung sind Gegenstand der Patentansprüche 2-5.

2. Konstruktive Lösung, Bauweise und technischer Einsatz von Präzisions-Prüfkörper und Tasterkonfiguration 2.1 Präzisions-Prüfkörper 2.1.1 Besonderheiten und Vorteile gegenüber Stand der Technik

Die besondere Konstruktion des Präzisions-Prüfkörpers, die Wahl des Werkstoffs und die Anordnung der Antastformelemente erlaubt insbesondere unter Nutzung der Antasttechnologie des Scanning die sichere Bestimmung der für die rechnerische Ermittlung von Korrekturwerten erforderlichen Raumpunkt- Koordinaten. Die bei dem vorgeschlagenen Präzisions-Prüfkörper für die Ermittlung von Korrekturwerten verwendeten Raumpunkte sind die Quader- Eckpunkte, gebildet als Schnittpunkte von jeweils drei aneinandergrenzenden ebenen Quader-Seitenflächen. Die Flächen selbst werden mit dem Scanningverfahren mit hoher Punktzahl in ihrer räumlichen Lage sicher erfasst.

Die feinstbearbeiten ebenen Quaderflächen können auch genutzt werden, um die Geradheit der Führungen in X-, Y- und Z-Richtung in ausgewählten Berei­ chen des Messvolumens zu prüfen. Diese Geradheiten sind von besonderer Bedeutung, wenn das Koordinatenmessgerät zusätzlich mit einer Einrichtung für die Rauheitsmessung ausgestattet ist und die Geradheiten der Führungen in den Achsen als Bezug für die Rauheitsmessungen dienen, d. h. Bezugsge­ raden/ebenen und Tastsystemanordnung ein sog. Bezugsflächentastsystem bilden.

Das Anbringen von zusätzlichen Antastformelementen (9.1-9.n), Fig. 1 u. Fig. 5, bietet darüber hinaus den Vorteil, dass der gleiche Präzisions-Prüfkörper nicht nur für die allgemeinen Abnahme- und Überwachungsmessungen, sondern auch für eine optionale Kalibrierung/Restfehlerkorrektur von Koordinatenmessgeräten eingesetzt werden kann. (Das erwähnte Verfahren der speziellen Restfehlerkorrektur ist in einer Patentanmeldung der Anmelderin Carl Zeiss, Heidenheim (Brenz) mit Aktenzeichen 195 39 148.9 unter dem Titel "Verfahren zur Koordinatenmessung von Werkstücken" gesondert beschrieben. Der Anmelder ist dort Miterfinder.)

Mit den ausgeführten Besonderheiten und neuen Einsatzmöglichkeiten kann eine deutliche Abgrenzung des vorgeschlagenen Präzisions-Prüfkörpers zu ei­ ner von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig entwickelten Bauform erfolgen, bei der die Eckpunkte des Quaderprüfkörpers durch Kugeln repräsentiert werden. Bei einem solchen konstruktiven Aufbau weist der Prüfkörper nur für bestimmte Prüfaufgaben eine hinreichende Tempe­ raturstabilität auf.

2.1.2 Aufbau und Gestalt des Präzisions-Prüfkörpers 2.1.2.1 Geometrische Grundgestalt

Der Präzisions-Prüfkörper besteht, wie in Fig. 1 u. Fig. 5 dargestellt, aus mindestens zwei prismatischen Bauteilen (1, 2), die aufgrund der Eigenschaften feinstbearbeiteter Flächen durch Adhäsionskräfte (sog. Ansprengen, wie von Endmassen oder Planglasplatten bekannt) temporär fest, aber wieder lösbar verbunden werden können. Dafür muss nur eine äussere Fläche des Bauteils 2 (2) für das Ansprengen feinstbearbeitet werden.

Unter Feinstbearbeitung im Sinne dieser Beschreibung wird das Erreichen einer Ebenheit jeder Quaderfläche von < 100 nm sowie einer sehr geringen Oberflächenrauheit (Richtwerte für Ra, Rq ~ 5-10 nm, Rz, R max ~ 20-50 nm) verstanden.

Dies sind Forderungen, wie sie u. a. für Planoptik (z. B. Prismen, Plangläser zur Prüfung von Ebenheiten oder für die Messflächen von Endmassen nach DIN 861) gelten.

Die untere Fläche des Bauteils 1 (1) und die obere Fläche des Bauteils 2 (2) bilden gemeinsam ein definiertes Antastformelement, die Grundfläche des Quaders. Die vorgeschlagene Anordnung der beiden Prüfkörper-Bauteile be­ wirkt, dass diese untere Quaderfläche (Fläche 1) durch den überstehenden Flächenanteil des Bauteils 2 (2) gebildet wird. Diese Anordnung der beiden Prüfkörperbauteile (1, 2) gestattet die Antastung von oberer Quaderfläche (Fläche 2) und unterer Quaderfläche (Fläche 1) in gleicher Antastrichtung und mit demselben Tastelement (bei Koordinatenmessgeräten in Portalbauweise mit senkrecht angebrachtem Tastkopf ist dies i. A. Tastkugel 1).

Bei herkömmlichen Bauformen von quaderförmigen Prüfkörpern muss die Aufstellung auf dem Koordinatenmessgerät so erfolgen, dass die untere Quaderfläche von unten (bei Koordinatenmessgeräten i. A. in +Z-Richtung) angetastet werden kann. Dies erfordert meist eine Aufstellvorrichtung bzw. geeignete Abstandshalter oder Aufstellfüsse für eine Positionierung über dem Koordinatenmessgeräte-Tisch.

Die Antastung der vier anderen, jeweils gegenüberliegenden Quader-Seitenflä­ chen (Flächen 3 u. 5 bzw. 4 u. 6) erfolgt dementsprechend auch mit jeweils gegenüberliegenden Tastelementen, und zwar den Tastkugeln 2 (5.2) und 4 (5.4), bzw. 3 (5.3) und 5 (5.5). Die Lage der Tastkugeln zueinander ist aus Fig. 3 ersichtlich.

Die hier und im weiteren verwendete Konvention hinsichtlich Bezeichnung der Quaderflächen verdeutlicht Fig. 8.

Zur Verringerung des Gewichts des Präzisions-Prüfkörpers bei erforderlichen grossen Abmessungen besteht aber auch, wie in Fig. 2 prinzipiell gezeigt, die Möglichkeit, durch einen besonderen Aufbau des quaderförmigen Bauteils (1) des Präzisions-Prüfkörpers aus mehreren, aber mindestens vier einzelnen prismatischen Bauteilen (1.1, 1.2, 1.3, 1.4 bzw. 1.n), die Quaderseitenflächen sowie die obere Quaderfläche dergestalt zu realisieren, dass die Antastung der Flächen mit Scanning-Technologie und die Bildung der Eckpunkte aus je 3 angrenzenden Flächen in gleicher Weise erfolgen kann wie mit einem Präzisions-Prüfkörper nach Fig. 1. Es sind jedoch noch andere Varianten für den Aufbau des Bauteils 1 aus prismatischen Bauelementen unterschiedlicher Abmessungen denkbar. Bauteil 2 (2) bleibt dabei unverändert, dient in gleicher Weise zum Ansprengen der Bauelemente und wird in gleicher Weise auf den Granittisch (3) des Koordinatenmessgerätes aufgestellt.

Bei der Bemessung der Längen a₁, b₁ und c₁ der Quaderseitenlinien von Bau­ teil 1 (1), Fig. 6, können sinnvolle ganzzahlige, aber auch rationale Teile der Messbereiche in X, Y und Z eines Koordinatenmessgerätes gewählt werden und somit können Anpassungen an die Messbereiche einzelner Koordinatenmessgeräte-Baureihen erfolgen.

Die Abmessungen a₂, b₂ und c₂ der Quaderseitenlinien des Bauteils 2 (2), Fig. 7, müssen so gewählt werden, dass eine Antastung der unteren Quaderflä­ che (Fläche 1) in Antastrichtung -Z mit Tastkugel 1 der verwendeten Taster­ konfiguration ohne Kollision zwischen Tastkopf und Präzisions-Prüfkörper erfolgen kann. Die erforderliche Breite der überstehenden Fläche ist also nur abhängig von den Abmessungen des Tastkopfes (7) und von der Lage der Tastkugeln (5.1-5.5) an der gewählten Tasterkonfiguration, Fig. 3.

2.1.2.2 Zusätzliche Antastformelemente

Wie in Fig. 1 u. Fig. 5 gezeigt, können am Bauteil 1 (1), bzw. an den quader­ förmigen Bauelemenenten (1.1-1.4), die das Bauteil 1 bilden, definierte An­ tastformelemente (9.1-9.n), i. A. Innen- Zylinder unterschiedlichen Durchmes­ sers, in jeder Prüfkörper-Ebene zusätzlich realisiert werden.

Die Verteilung dieser zusätzlichen Antastformelemente (9.1-9.n) in jeder Qua­ derebene ist beliebig. Die Anzahl der zusätzlichen Antastelement sowie die Staffelung der Durchmesser erfolgt unter besonderen Gesichtspunkten im Zu­ sammenhang mit den Scanning-Geschwindigkeiten und weiteren prüftechni­ schen Vorgaben (Anzahl, Grösse und Anordnung der zusätzlichen Antastformelemente in Bild 1 u. Bild 5 sind willkürlich gewählt.)

Lediglich bzgl. der Abstände zu den Kanten des Bauteils 1 (1) muss die Anord­ nung dergestalt erfolgen, dass sich kantennah noch lange, durchgehende Scanningbahnen zur Erfassung der Flächen ergeben und beim Kreis-Scanning an den zusätzlichen Antastformelementen (9.1-9.n) keine Kollision der Tast­ kugel 1 (5.1) mit der unteren Quaderfläche (Fläche 1) auftreten kann.

Die zusätzlichen Antastformelemente ermöglichen die Nutzung des Präzisions- Prüfkörpers zugleich für eine neuartige Kalibrierung von Koordinatenmessgeräten, nämlich die Korrektur von Restfehleranteilen aus der Antriebsdynamik und aus dem Verhalten der Messsysteme im Tastkopf des Koordinatenmessgerätes durch Bestimmung und Speicherung von Abweichungen zu Normalen bei Formmessungen. Diese Korrekturart wird optional per Software bei bestimmten Messbedingungen (z. B. definierte Messebene, Durchmesser, Scanning-Geschwindigkeit, Filter) angewählt. Sie ist sinnvoll zur Korrektur von Messergebnissen im Grenzbereich der Messunsicherheit bei ausgewählten Formmerkmalen.

Die Anbringung der zusätzlichen Antastformelemente führt zu einer erheblichen Gewichtsreduzierung des Präzisions-Prüfkörpers, die das Handling bei Transport und Aufstellung erleichtert. Wird der Prüfkörper nicht für eine Restfehlerkorrektur vorgesehen, können anstelle der zusätzlichen Antastformelemente zur Gewichtsreduzierung in jeder Ebene ein oder zwei durchgehende Bohrungen mit grossem Durchmesser ohne besondere Anforde­ rungen an Kreisform und Oberfläche angebracht werden. Fig. 6 zeigt die Ansicht einer Prüfkörperausführung mit nur zwei Bohrungen bzw. einer Bohrung je Ebene zur Gewichtsreduzierung.

Eine weitere Gewichtsreduzierung wird auch durch das Anbringen von Zylinder­ bohrungen in der Mitte des Bauteils 2 (2), also im Flächenbereich, wo Bauteil 1 (1) angesprengt ist, erreicht (Fig. 7).

Die Kanten der beiden Prüfkörper-Bauteile (1, 2) werden sowohl zur weiteren Gewichtsreduzierung, aber auch zur Vermeidung von Verletzungsgefahren mit 45°-Fasen oder Rundungen versehen. Auf die rechnerische Bestimmung der Quadereckpunkte hat dies keinen negativen Einfluss, da die Quadereckpunkte nichtverkörperte Raumpunkte sind und nicht körperlich angetastet werden.

2.1.3 Stoffliche Eigenschaften des Präzisions-Prüfkörpers

Der Werkstoff für den Präzisions-Prüfkörper sollte sich durch die Haupteigenschaften hohe Temperaturstabilität (thermischer Längenaus­ dehnungskoeffizient α nahe 0 ¹/_K) sowie hohe Steifigkeit auszeichnen. Leichte Bearbeitbarkeit mit mechanischen Verfahren, wie sie für die Bearbeitung optischer Gläser (Sägen, Fräsen, Schleifen, Läppen, Polieren) eingesetzt werden, wäre von Vorteil. Beispielsweise würde sich die derzeit bereits verfügbare Glaskeramik ZERODUR (ZERODUR eingetragenes Warenzeichen der SCHOTT Glaswerke Mainz) mit einem thermischen Län­ genausdehnungskoeffizienten α von ca. 0,05.10^{-6 1}/_K hervorragend eignen. Dieses Material wird bereits für die Herstellung temperaturinvarianter Massver­ körperungen, z. B. Massstäbe, Endmasse, Stufenendmasse, Geradheits- und Ebenheitsnormale, aber auch für die bereits erwähnten Lochplatten eingesetzt. Bei Verwendung dieses Werkstoffs würden die durch thermische Längenaus­ dehnung bewirkten Unsicherheiten bei Kalibrierungen und Messungen am Präzisions-Prüfkörper minimiert. Wartezeiten für Temperiervorgänge würden bei Verwendung dieses Materials weitgehend entfallen.

In der Druckschrift DE 39 30 223 A1 /3/ wird erwähnt, dass bei einem sog. 'Prüfkörper für Koordinatenmessgeräte aus Stabsegmenten' die Distanz­ elemente, mit denen Antastelemente (Präzisionskugeln) in definiertem Abstand gehalten werden, auch aus ZERODUR (ZERODUR eingetragenes Warenzeichen der SCHOTT Glaswerke Mainz) bestehen können, weil das von Vorteile für die Längenstabilität der Stabsegmente ist.

Die Korrosionsbeständigkeit und auch die Sprödigkeit des Materials sind von Vorteil für den Präzisions-Prüfkörper. Im Gegensatz zu korrodierten Stellen, Kratzern und Deformationen an einem Prüfkörper aus metallischen Werkstoffen beeinträchtigen etwaige kleine Absplitterungen und Ausbrüche an Kanten des Prüfkorpers die sichere Erfassbarkeit der Quaderflächen nicht.

Durch Anwendung von Bearbeitungsverfahren für optische Bauelemente lassen sich an Prüfkörpern aus ZERODUR (ZERODUR eingetragenes Warenzeichen der SCHOTT Glaswerke Mainz) die Quaderflächen sowie auch die zusätzlichen Antastformelemente mit sehr geringen Abweichungen bzgl. Ebenheit der Quaderaussenflächen, Kreis- bzw. Zylinderform der Bohrungen und Oberflächen-Rauheit aller Antastformelemente verwirklichen.

Beim Einsatz von ZERODUR (ZERODUR eingetragenes Warenzeichen der SCHOTT Glaswerke Mainz) für Bauteile in der Satellitentechnik sind mit be­ kannten Bearbeitungsverfahren bereits äussert geringe makro- und mikrogeo­ metrische Abweichungen von der Sollgestalt erzielt worden.

2.1.4 Kalibrierung des Präzisions-Prüfkörpers

Die Kalibrierung des Präzisions-Prüfkörpers beinhaltet zum einen die Bestimmung der räumlichen Lage der Quader-Eckpunkte, zum anderen die Bestimmung der Lage (Mittelpunkte) der zusätzlichen Antastformelemente in Bezug auf einen definierten Nullpunkt am Präzisions-Prüfkörper oder zu anderen Quadereckpunkten sowie die Berechnung der Durchmesser und Formabweichungen der zusätzlichen Antastformelemente. Kalibrierdaten sind die räumlichen Koordinaten der nichtverkörperten acht Quadereckpunkte, die Relativpositionen der zusätzlichen Antastformelemente sowie die Durchmesser und Formabweichungen der zusätzlichen Antastformelemente.

Die Kalibrierung wird mit einem Präzisions-Koordinatenmessgerät im zertifizier­ ten Kalibrierlabor vorgenommen. Die Messpunktaufnahme erfolgt im Scanning- Verfahren. Grundsätzlich wird bei der Kalibrierung das gleiche CNC-Programm wie bei späteren Überwachungsmessungen verwendet. Dies sichert die Über­ einstimmung der Messorte bei allen Messabläufen. Lediglich durch eine grössere Anzahl von Durchläufen und Mittelwertbildung aus den Ergebnissen wird die Sicherheit der Kalibrierdaten erhöht.

2.2 Tasterkonfiauration für den Einsatz mit dem Präzisions-Prüfkörper 2.2.1 Bauweise

Die geometrische Gestalt des Präzisions-Prüfkörpers, insbesondere die beschriebene Ausführung der unteren Quaderfläche (Fläche 1), erlaubt die Konzipierung und den Einsatz einer neuartigen temperatur- und biegestabilen Tasterkonfiguration.

Zur Realisierung einer solchen Tasterkonfiguration ist lediglich ein Bauteil kon­ struktiv zu ändern und aus entsprechendem Werkstoff zu fertigen. Anstelle des herkömmlichen Adapterwürfels oder ähnlicher Bauteile für das Anbringen (Anschrauben) der Taststiftschäfte wird ein flaches, scheibenförmiges Bauteil direkt am Tasterwechselteller angebracht. Bei dieser Ausführung sind die Tastkugeln (5.1-5.5) ohne Taststiftschäfte und Verlängerungen direkt an der Scheibe (4) befestigt.

Die Scheibe (4) ist fest mit dem Tasterteller (6) verbunden. Die Scheibe kann zur Gewichtsverringerung mit Bohrungen versehen sein. Der Querschnitt muss nicht kreisförmig sein, sondern kann auch ein geradzahliges Vieleck bilden. Die Anzahl der Flächen/Kanten ist dabei so zu wählen, dass die vier auf einer Ebene befindlichen Tastkugeln (5.1-5.4) gleichverteilt auf Kanten angebracht werden können, d. h. die Anzahl der Flächen/Kanten sollte durch 4 teilbar sein (8-, 12- oder 16-Eck). Die fünfte Tastkugel (5.5) wird mittig an der Unterseite der Scheibe befestigt.

Eine mögliche Ausführungsform auf der Basis eines ebenfalls aus dem Material ZERODUR (ZERODUR eingetragenes Warenzeichen der SCHOTT Glaswerke Mainz) gestalteten scheibenförmigen Bauteils (4) ist in Fig. 3 in drei Ansichten (von oben, seitlich, von unten) und in einer isometrischen Ansicht dargestellt.

2.2.2 Kalibrierung der Tasterkonfiguration

Für den Einsatz zusammen mit dem Präzisions-Prüfkörper kann diese spezielle Tasterkonfiguration in einem vereinfachten Verfahren kalibriert werden. Wird die vereinfachte Kalibrierung angewandt, muss je ein Exemplar einer solchen Tasterkonfiguration einem Präzisions-Prüfkörper als Zubehör eindeutig zu­ geordnet sein.

Bei Verwendung des beschriebenen Präzisions-Prüfkörpers und nach dessen hinreichend genauer Ausrichtung zu den Koordinatenachsen im Messvolumen des Koordinatenmessgerätes sowie unter Voraussetzung einer hohen Temperaturinvarianz der Scheibe (4), an welcher die Tastkugeln (5.1-5.5) befestigt sind, lässt sich die Kalibrierung der verwendeten Tasterkonfiguration weitgehend vereinfachen. Es ist lediglich die Angabe zweier theoretischer Abstände der Antastpunkte (nicht Kugelmittelpunkte) von jeweils zwei gegenüberliegenden Tastkugeln (5.2 u. 5.4, 5.3 u. 5.5) sowie eines theoretischen Abstandes dieser 4 Tastkugeln zum Antastpunkt der Tastkugel 1 (5.1) erforderlich. Die bisher für herkömmliche Tasterkonfigurationen, bei denen die Tastkugeln an zylinderförmigen Schäften angebracht sind, sehr sorgfältig auszuführende Kalibrierung der Relativpositionen der Tastkugeln und der Durchmesser der Tastkugeln ist nicht erforderlich. Ebenso entfällt die aufwendige Tensorkalibrierung für die durch die Messkräfte bedingte Biegung der Taststiftschäfte.

Bei Nutzung eines Präzisions-Prüfkörpers mit zusätzlich angebrachten Antastformelementen (9.1-9.n) für die erwähnte optionale Kalibrierung von Restfehlern oder zur Prüfung der zweidimensionalen Antastunsicherheit v₂ nach VDI/VDE 2617 BI. 6, - sowohl bei Einzelantastung der Messpunkte, als auch bei Einsatz von Scanning - ist für den betreffenden Programmteil die Verwendung einer konventionellen Tasterkonfiguration und Durchführung einer Biegetensor-Kalibrierung erforderlich. Die konventionelle Tasterkonfiguration wird dafür zweckmässig in der Ausführung eines sog. Sterntasters aufgebaut. Bei den fünf Tastern des Sterntasters sind die Durchmesser der Taststiftschäfte kleiner als die Durchmesser der Tastkugeln, um Antastungen auf wenigstens einem gesamten Kugelumfang zu gewährleisten. Der Aufbau einer solchen Tasterkonfiguration (10) sowie der Einsatz am Präzisions-Prüfkörper (1, 2) wird in Fig. 5 gezeigt.

Beide Arten von Kalibrierdaten (vereinfachte statische Kalibrierung und Biege­ tensor-Kalibrierung) werden gesondert ermittelt und gespeichert. Koordinaten­ messgeräte-Software bietet die Möglichkeit, die jeweils erforderlichen Kalibrier­ datensätze an entsprechender Stelle im Mess- und Auswerteablauf einzulesen und zu berücksichtigen. Dies geschieht i. A. durch Speicherung und Abruf der jeweiligen Kalibrierdaten unter einer anderen Tasterkombinations-Nummer.

2.3 Einsatz beim Messablauf und Korrekturverfahren 2.3.1 Aufstellung des Präzisions-Prüfkörpers auf dem Koordinatenmessgerät

Die sichere, d. h. kippelfreie Auflage des gesamten Präzisions-Prüfkörpers auf dem Koordinatenmessgeräte-Tisch (3) kann durch eine ausreichend eben bearbeitete Grundfläche des Prüfkörperbauteils 2 (2) gewährleistet werden. Durch einfache Anschläge kann der Prüfkörper gegen Verrutschen gesichert werden.

Auch anderweitige konstuktive Lösungen sind denkbar, so z. B. die Aufstellung auf drei justierbare und fixierbare Füsse (in Abbildungen nicht dargestellt) an der unteren Fläche des Bauteils 2 (2) des Präzisions-Prüfkörpers. In einer justierten Parallel-Lage von oberer und unterer Quaderfläche zum Koordinatenmessgeräte-Tisch werden die Höheneinstellungen der drei Füsse fixiert und ggf./erforderlichenfalls mit zwei weiteren stellbaren Stützfüssen ver­ kippungsfrei abgestützt.

Besonderheiten für die Aufstellung und Positionierung des Präzisions- Prüfkörpers ergeben sich nur bei Koordinatenmessgeräten mit sehr grossem Messvolumen, für die der Präzisions-Prüfkörper aus Gewichtsgründen nicht ausreichend gross dimensioniert werden kann und er deshalb nur einen kleinen Teil des Messvolumens ausfüllt.

Verfahren der Wahl beim Aufstellen des Präzisions-Prüfkörpers auf Koordinatenmessgeräte mit sehr grossem Messvolumen wären die Verschiebung des Präzisions-Prüfkörpers im Messvolumen bei Herstellung eines Lagebezuges über die Werkstücklage im Gerätekoordinatensystem oder - bei Anordnung des Präzisions-Prüfkörpers in der Mitte des Messvolumens - die Projektion der Quadereckpunkte-Verlagerungskomponenten auf die Aussenflächen des Messvolumens. Bei Kenntnis des systematischen Abweichungsverhaltens von Koordinatenmessgeräten bestimmter Bauformen kann jedoch vom Verhalten im Aufstellungsbereich des Präzisions-Prüfkörpers auf das Verhalten im gesamten Messbereich geschlossen werden. Einschrän­ kungen der Gültigkeit der mit letzterer Methode ermittelten geometrischen Abweichungen und Korrekturdaten wären erforderlichenfalls gesondert zu untersuchen.

2.3.2 Sicherung der Gerätezustände

Softwareseitig wird zunächst der alte Gerätezustand mit allen Parametern und Korrekturdaten vollständig als Backup gesichert. Im Falle fehlerhafter, abge­ brochener bzw. mit zu grosser Streuung ausgeführter Messungen oder bei Systemausfällen wird der aktuelle Gerätezustand nicht verändert und es kann später ein erneuter Prüfdurchlauf erfolgen. Nach einem vollständigen und kor­ rekten Prüfdurchlauf mit hinreichend geringer Streuung wird der aktuelle Gerä­ tezustand mit den neuermittelten Parametern und Korrekturdaten überschrie­ ben. In einem nachfolgenden Kontrolldurchlauf wird der verbesserte Gerätezu­ stand bzgl. der Kalibrierdaten des Präzisions-Prüfkörpers verifiziert. Die Korrektur war erfolgreich, wenn die Abweichungen zu den Kalibrierdaten des Präzisions-Prüfkörpers im Verifizierungsdurchlauf geringer sind als beim ersten Durchlauf mit den alten Gerätezustandsdaten. Auch bei den Verifizie­ rungsdurchläufen sind Wiederholungen und Mittelwertbildung möglich. Bei un­ sicherem Ergebnis bzw. bei Abbruch oder Systemausfall kann der ursprüngli­ che Gerätezustand jedoch zurückgerufen und wiederhergestellt werden.

Mit der Dokumentation der Parametersätze ist auch eine Historie des Gerätezu­ standes hinsichtlich Langzeitstabilität und Verschleissverhalten möglich.

Ein strukturiertes Ablaufschema für diese Vorgehensweise zeigt Fig. 9.

2.3.3 Mechanischer Messablauf

Ähnlich wie bei gegenwärtig verfügbaren Software-Optionen (Test- oder Ab­ nahme-Software) zur Koordinatenmessgeräte-Überwachung können zu Beginn der Prüfdurchläufe die entsprechenden Gerätekenndaten (Serien-Nr., Bauart, Tastsystem, Messbereich, Längenmessunsicherheiten u₁, u₂, u₃, u. a.), sowie die Prüfkörper- und Tasterkonfigurations-Identnummern u. a. in ein Kenndatenfile eingegeben werden. Die Software liest und berücksichtigt im Programm diese Kenndaten bei der Berechnung von Abweichungen und Korrekturfaktoren sowie zur Dokumentation im Prüfbericht.

Die zu verwendende Tasterkonfiguration ist bereits oder wird, wie von konven­ tionellen Tasterkonfigurationen bekannt, manuell oder automatisch in die Auf­ nahme des Tastkopfes (8) eingewechselt. Nach dem Einwechseln werden die zugehörigen Kalibrierdaten der Tasterkonfiguration eingelesen. Fig. 4 zeigt einen Tastkopf (7) mit Aufnahme (8) und eine einzuwechselnde temperatur- und biegestabile Tasterkonfiguration (4, 5, 6).

Nach Aufsetzen des Präzisions-Prüfkörpers, manueller Grobbestimmung und CNC-Feinbestimmung der Lage des Prüfkörpers im Messvolumen des Koordinatenmessgerätes ein speziell programmierter CNC-Messablauf gestartet wird. CNC-gesteuert werden die 6 Seitenflächen des Präzisions- Prüfkörpers durch Scanning mit hoher Messpunktezahl erfasst. Dabei ist auch der oben beschriebene Vorteil, dass Messpunkte ohne Taststiftbiege-Korrekturdaten ermittelt werden können, von Bedeutung für die Sicherheit der Ergebnisse.

Die Erfassung der Quaderflächen kann im entsprechenden Scanning-Modus für Kreise/Geraden in Werkstückebene erfolgen, wobei vielfältige unterschied­ liche Kombinationen von Kreis- und Geradenanteilen zur Erfassung der ein­ zelnen Quaderflächen gewählt werden können. Die untere Quaderfläche (Fläche 1) kann beispielsweise mit nur vier Geraden erfasst werden, die sich am Rand der Fläche 1 befinden. Damit kann eine Anpassung der Verfahrbahnen und Scanningbahnen an die Bauform des Bauteils 1 (1 bzw. 1.1-1.4) des eingesetzten Präzisions-Prüfkörpers erfolgen.

Im Fall der Nutzung des Präzisions-Prüfkörpers zusätzlich für die Bestimmung der Geradheiten von Führungsachsen beinhaltet das CNC-Programm ein entsprechendes aufrufbares Unterprogramm, mit dem ausgewählte Geraden auf drei Flächen des Präzisions-Prüfkörpers, die zugleich die Messebenen des Koordinatenmessgerätes repräsentieren, im Scanningverfahren erfasst werden. Im Vergleich mit den kalibrierten Geradheiten entlang dieser Messstrecken werden die Geradheitsabweichungen der Führungen bestimmt.

Im Fall der Nutzung des Präzisions-Prüfkörpers für die optionale Kalibrierung/­ Restfehlerkorrektur beinhaltet das CNC-Programm ein weiteres aufrufbares Unterprogramm, das sowohl unabhängig, aber auch mit Koordinaten- und Ergebnisbezug zum Programmteil für die Quadereckpunkte-Bestimmung ablaufen kann.

Die Position des Präzisions-Prüfkörpers im Messvolumen des Koordinatenmessgerätes braucht für die unterschiedlichen Programmteile nicht geändert werden. Bei der Bestimmung von Geradheitsabweichungen ist jedoch - wenn für ergänzende Aussagen erforderlich - eine Platzierung des Präzisions- Prüfkörpers an unterschiedlichen Stellen im Messvolumen möglich.

2.3.4 Operationen der Geometriesoftware

Aus den mit Scanning erfassten sechs Quaderflächen werden mittels system­ immanenter Standard-Geometriesoftware durch Schnittoperationen aus jeweils drei senkrecht aufeinander stehenden Flächen acht Raumpunkte (Eckpunkte des Quaders) berechnet. Dies erfolgt aufgrund der beim Scanning möglichen hohen Punktedichte und Punktezahl mit hoher Sicherheit und sehr guter Repro­ duzierbarkeit. Die Oberflächengüte der Prüfkörperflächen lässt bei sorgfältiger Reinigung der Flächen vor den Messabläufen kaum Ausreisser erwarten. Bei Bedarf könnten dennoch die Funktionen zur Algorithmuswahl, zur Ausreisser­ eliminierung und zur digitalen Filterung bei der Messpunkteverarbeitung einge­ setzt werden. Moderne Koordinatenmessgeräte-Software verfügt neuerdings - vor allem im Zusammenhang mit der Durchführung von Form und Lagemes­ sungen - über diese Funktionen.

Die Wahl des Auswertealgorithmus, z. B. angrenzendes (hier Hüll-) Element anstelle des Gauss-Ausgleichselements, würde nur dann von Bedeutung sein, wenn die Kalibrierung des Präzisions-Prüfkörpers nicht - wie hier vorgeschla­ gen - mit einem taktilen Koordinatenmesssystem gleicher Bauart und Antast­ strategie wie bei dem zu prüfenden/überwachenden erfolgen würde, sondern mit einem Laser-Längenmesssystem, das die zu erfassenden Flächen nach dem Maximum-Material-Prinzip als Anlagefläche für Laserspiegel ermittelt.

2.3.5 Rechnerische Auswertung

Mit den als Schnittpunkte von jeweils drei angrenzenden Flächen berechneten 8 Eckpunkten des Präzisions-Prüfkörpers (Raumpunkte) stehen insgesamt 28 Messstrecken, im einzelnen
12 Seitenlinien,
12 Flächendiagonalen und
4 Raumdiagonalen
zur Verfügung. Damit ist der Quader mit 10 Strecken überbestimmt, was eine gezielte Auswahl von Vorzugs-Strecken bzw. eine Ausgleichsrechnung für die Korrekturen zulässt.

Allein aus den gemessenen räumlichen Verlagerungen der Eckpunkte im Ver­ gleich mit den Koordinaten der Kalibrierung lassen sich
3 Rechtwinkligkeitsabweichungen
6 Geradheitsabweichungen
3 Positionsabweichungen
3 Rollwinkelabweichungen
6 Nick-/Gierwinkelabweichungen
ableiten.

Die mathematischen Herleitungen und Berechnungen, insbesondere die

• - Matrix der 18 Quaderkennwerte in Abhängigkeit von den 24 Verlagerungskomponenten der Quader-Eckpunkte
• - Ur-Matrix der 28 Quaderstreckungen in Abhängigkeit von den 18 Quaderkennwerten
• - formelmässigen Zusammenhänge

sind aus /2/ bekannt.

Einzig die kurzperiodischen Positionsabweichungen (Längen kleiner als die Quaderseitenlängen a₁, b₁ und c₁) sind aus der Verlagerung der Quadereck­ punkte nicht ableitbar. Derartige Abweichungen werden nach dem sog. CAA- Verfahren (Computer Aided Accuracy) gemessen und können nur rechnerisch korrigiert werden. Ohne besondere Notwendigkeit werden diese CAA- Korrekturdaten nicht erneut ermittelt.

Es ist Aufgabe eines vom Hersteller/Anbieter zu programmierenden Software- Moduls, z. B. als Bestandteil einer Test- und Überwachungssoftware, aus den räumlichen Verlagerungen der Quadereckpunkte im Vergleich zu den Kali­ brierwerten die Art der Abweichung zu analysieren, die aktuellen Werte der einzelnen Abweichungen mit den entsprechend mathematischen Algorithmen zu berechnen und die Ergebnisse in entsprechenden Datenfiles zu sichern. Ein weiteres Modul steuert die Ersetzung der aktuell verwendeten Korrekturfiles durch die neu ermittelten nach dem in Fig. 9 beschriebenen Ablaufschema.

Die Abnahme bzw. Überprüfung des Koordinatenmessgerätes, d. h. die einzelnen Abschnitte des mechanischen Messablaufs, die Operationen der Geometriesoftware und die Operationen zur Ermittlung und Speicherung von Korrekturen können nach Aufstellung des Präzisions-Prüfkörpers und manuellem Einmessen seiner Werkstücklage voll automatisiert, d. h. bedienerlos, z. B. auch während der Nachtzeit, durchgeführt werden.

2.4 Einsparpotentiale und Automatisierungsmöglichkeiten

Für die Ermittlung nahezu aller geometrischen Abweichungen wird nur ein Präzisions-Prüfkörper und eine Tasterkonfiguration benötigt. Gegenüber herkömmlichen Verfahrensweisen entfallen Rüst- und Temperierzeiten für eine Vielzahl unterschiedlicher Präzisions-Prüfkörper und Messeinrichtungen.

Aufgrund des Werkstoffs für Präzisions-Prüfkörper und Teile der Tasterkon­ figuration fallen keine Temperierzeiten für die Prüfeinrichtung an.

Mit der Scanningtechnologie bei der Antastung erfolgt die Messpunktaufnahme wesentlich schneller als mit konventioneller Einzelpunktantastung.

Die Messung der geometrischen Abweichungen an Koordinatenmessgeräten nach unterschiedlichen Verfahren, die Ermittlung der entsprechenden Korrek­ turwerte sowie deren Speicherung und Berücksichtigung in der Systemsteue­ rung wird automatisierbar. Sie können dann auch bedienerlos, z. B. während der Nachtzeit, durchgeführt werden.

Die Einsatzzeit der Bediener/Servicetechniker am Gerät wird reduziert.

Bei automatisierten Abläufen werden Fehler bei Dialogeingaben vermieden.

Kalibrierungen und Überwachungsmessungen können für unterschiedliche Korrekturverfahren variiert und kombiniert werden, wobei wesentliche Ablauf­ schritte bzw. Programmteile nach einem struktierierten Ablaufschema durchge­ führt werden.

Quellenangaben

/1/ DE-Z: Technisches Messen 51. Jahrgang 1984 Heft 3, S. 83-95 Schüßler, H.-H.; Prüfkörper für Koordinatenmessgeräte, Werkzeugmaschinen und Messroboter
/2/ DE-Z: Technisches Messen 52. Jahrgang 1985 Heft 10, S. 353-366 Schüßler, H.-H.; Messtechnische Beurteilung von Prüfkörpern und Koordinatenmessgeräten anhand von Streckenmessungen, Rechteck- und Quader-Kennwerten
/3/ DE 39 30 223 A1 Offenlegungsschrift Prüfkörper für Koordinatenmessgeräte aus Stabsegmenten

Claims (5)

1. Prüfeinrichtung zur Ermittlung geometrischer Abweichungen von taktilen Koordinatenmessgeräten mit messendem 3D-Tastsystem, bestehend aus einem Präzisions-Prüfkörper und einer zu diesem eindeutig zugehörigen Tasterkonfiguration, wobei
der Präzisions-Prüfkörper aus einem quaderförmigen Bauteil (1) und einem prismatischen Bauteil (2) besteht und das quaderförmige Bauteil (1) mit seiner unteren Fläche derart auf der oberen Fläche des prismatischen Bauteils (2) ruht, dass der über die Grösse des quaderförmigen Bauteils (1) hinausragende Teil der oberen Fläche des prismatischen Bauteils (2) vom Koordinatenmessgerät mit der zugehörigen Tasterkonfiguration in der z-Richtung des Koordinatenmessgerätes antastbar ist, und
die untere Fläche des quaderförmigen Bauteils (1) und die obere Fläche des prismatischen Bauteils (2) feinstbearbeitet und durch Adhäsionskräfte durch sogenanntes Ansprengen miteinander verbunden sind, und
t die beiden Bauteile (1, 2) einen thermischen Ausdehnungs­ koeffizienten α ≦ 0,05 × 10^-6 1/K aufweisen und wobei
die Tasterkonfiguration ein flaches, scheibenförmiges, unmittelbar an einem Tasterteller (6), der manuell oder automatisch in die Tasteraufnahme des Tastkopfes (7) am Koordinatenmessgerät einwechselbar ist, angebrachtes Bauteil (4) zur direkten Aufnahme von Tastkugeln (5) aufweist und
der thermische Ausdehnungskoeffizient α dieses Bauteils (4) ≦ 0,05 × 10^-6 1/K ist.

2. Prüfeinrichtung nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass
das quaderförmige Bauteil (1) des Präzisions-Prüfkörpers aus Anordnungen von wenigstens vier kleineren prismatischen Bauteilen (1.1.-1.4 bzw. 1.n) besteht, die sowohl mit der oberen Fläche des prismatischen Bauteils (2), als auch mit ihren Seitenflächen untereinander durch Adhäsionskräfte durch sogenanntes Ansprengen verbunden sind und
die kleineren prismatischen Bauteile (1.1.-1.4 bzw. 1.n) zueinander so angeordnet sind, dass ihre gemeinsamen äusseren Flächen bzw. Teile davon wiederum eine Quaderform ergeben.

3. Prüfeinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass das quaderförmige Bauteil (1) bzw. die kleineren prismatischen Bauteile (1.1-1.n), und das prismatische Bauteil (2) hinsichtlich Form und Rauheit feinstbearbeitet sind und die Quaderflächen (Flächen 1-6) eine definierte Lage (Rechtwinkligkeit bzw. Parallelität) zueinander einnehmen.

4. Prüfeinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass am quaderförmigen Bauteil (1) bzw. an wenigstens zwei kleineren prismatischen Bauteilen (z. B. 1.1, 1.2) zusätzlich Antastformelemente (Bohrungen) angebracht sind, die mit dem Ziel definierter Form und Rauheit feinstbearbeitet sind und deren Mittelpunkte in Bezug auf die Quaderseitenflächen und Quadereckpunkte eine definierte und kalibrierte Lage einnehmen.

5. Prüfeinrichtung nach Anspruch 1, wobei
der Durchmesser des scheibenförmigen Bauteils (4) der Tasterkonfiguration (Fig. 3) so bemessen ist, dass die Tastkugeln für die Antastung in x, y-Richtung (5.2-5.5), bezogen auf die Symmetrieachse (i. A. Z-Achse) des Tastkopfes (7) außerhalb des Gehäuses des Tastkopfes (7) (Fig. 4) liegen und somit die allseitige kollisionsfreie Antastung des quaderförmigen Bauteils (1) bzw. der prismatischen Bauteile (1.1-1.4 bzw. 1.n) des Präzisions-Prüfkörpers (Fig. 1) gewährleistet ist, und
die Tastkugeln (5.1-5.5) ohne Taststiftschäfte und Verlängerungen verlagerungssicher am scheibenförmigen Bauteil (4) befestigt sind.