DE19720883A1 - Demontierbarer Prüfkörper in Form eines Tetraeders - Google Patents

Description

Beschrieben wird ein Prüfkörper zur Überwachung von räumlich positionierenden bzw. messenden Systemen allgemein, speziell von mobilen Koordinatenmeßgeräten. Mit solchen Geräten werden meist große und ortsfeste Objekte gemessen. Damit die ent­ sprechenden Prüfkörper zur Überwachung dieser mobilen Geräte mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand vor Ort transportiert werden können, müssen sie einfach de­ montierbar und sehr leicht sein. Die Prüfkörper dürfen durch Demontage und Montage nicht ihre kalibrierten Eigenschaften ändern.

Erfindungsgemäß werden diese Anforderungen besonders einfach durch eine spezielle Tetraederkonstruktion aus Stäben (Detail 1 in Fig. 1) und Kugeln (Detail 2 in Fig. 1) erfüllt. Die erfindungsgemäße Konstruktion besitzt eine sehr hohe Reproduzierbarkeit der relativen Kugelpositionen bei wiederholter Montage und Demontage. Um diese Re­ produzierbarkeit zu erreichen, ist bei der Wieder-Montage nur ein grobes Positionieren der Stäbe zueinander erforderlich. Diese erfindungsspezifische Eigenschaft beruht auf der Tatsache, daß die Stäbe mit ihren (vorzugsweise planparallelen) Enden vier "Nester" für die Kugeln bilden, in denen die Kugeln statisch bestimmt ruhen, ohne selbst Kräfte in der Struktur übertragen zu müssen, was bei anderen dreidimensionalen demontierbaren Strukturen unvermeidbar ist, um alle Teile in ihre Sollage zu bringen. Die Kugelmittelpunkte liegen näherungsweise auf den Verlängerungen der Stabach­ sen, um bei Biegung der Stäbe eine minimale Längenänderung zu erfahren. Eine Late­ ralverschiebung der Stäbe hat keinen Einfluß (Fig. 2), eine Axialverschiebung nur einen Einfluß zweiter Ordnung (Fig. 3) und eine Drehung der Stäbe (Fig. 2) ebenso nur einen kleinen Einfluß ("Cosinus-Fehler") auf die Geometrie des Tetraeders.

Die sechs Längenabweichungen in den sechs Stabrichtungen erlauben es, sechs Frei­ heitsgrade des Meßgeräts mit nur einer einzigen Prüfkörperaufstellung und Messung zu prüfen, z. B. die drei Maßstabsfaktoren und die drei Orthogonalitätsabweichungen eines kartesischen Koordinatenmeßgeräts. Wegen der Tetraederform sind alle Kugeln mit nur einem einzigen Taststift zugänglich! Dies sind gerade die Abweichungen, die den größten Änderungen mit der Zeit unterliegen und deshalb am häufigsten über­ wacht werden müssen.

Es ergibt sich so zwar ein deutlich geringerer Informationsgehalt pro Aufstellung (Position) als bei Verwendung von Kugelquadern oder Kugelplatten, mit denen in einer einzigen Aufstellung erheblich mehr Freiheitsgrade abgeprüft werden können. Der Gesamtaufwand, abhängig von Preis, Transport, Kalibrierung, Lagerung und Aufbau des Prüfkörpers vor Ort, ist aber bei sehr großen Geräten trotzdem erheblich geringer, bzw. bei mobilen Geräten überhaupt erst im Bereich der wirtschaftlichen Möglichkeiten. So ergibt sich für große zu prüfende Geräte im allgemeinen ein guter wirtschaftlicher Kompromiß, wenn man den Tetraeder zu Überwachungen zwischen den eigentlichen Kalibrierungen bzw. vollständigen Abnahmen vorsieht und die Kalibrierungen bzw. vollständigen Abnahmen etwas häufiger plant, als es bei Verwendung der erwähnten informativeren Überwachungsmethoden nötig gewesen wäre. Auch kann der Tetraeder bei aufeinanderfolgenden Überwachungen in variierenden Lagen im Raum gemessen werden um den Mangel an Information auszugleichen. Kugelquader und Kugelplatten sind also bei kleineren und mittleren zu überwachenden Geräten bis über 2 m Achs­ länge (also bei Prüfkörpern von bis zu etwa einem Meter Abmessungen) eindeutig ge­ genüber dem Tetraeder vorzuziehen, da hier Preis, Transport, Kalibrierung, Lagerung und Aufbau dieser im allgemeinen nicht demontierbaren Prüfkörper vor Ort weniger ins Gewicht fallen.

Grundsätzlich kann gesagt werden, daß der Tetraeder auch durch einen einzigen kali­ brierten Stab ersetzt werden kann, der in sechs Stellungen im Raum gemessen wird. Der Aufwand für die wechselnde Aufstellung des Stabes ist aber deutlich größer als für die Messung des Tetraeders. Die Messung des Stabes erfordert 12 Kugelmessungen, die des Tetraeders nur 4 Kugelmessungen, um die gleiche Information zu erhalten. Der Aufwand für die Anfertigung des Tetraeders plus der der erforderlichen Vorrichtung zur Aufstellung des Tetraeders entspricht etwa dem Aufwand der auch für einen Stab in­ klusive Aufstellvorrichtung für die raumschräge Anordnung erforderlich ist ("der Tetrae­ der ist seine eigene Aufstellvorrichtung"). Bei Bedarf, also wenn ähnlicher Informati­ onsgehalt wie der aus Messungen an einem Quader oder einer Kugelplatte erforderlich ist, läßt sich der Tetraeder etwa ebenso leicht wie ein Stab in weitere Stellungen brin­ gen, wobei jede Stellung, wie erwähnt, aber sechs Kugelstabstellungen entspricht.

Der Tetraeder in der erfindungsgemäßen Ausführung stellt das einzige räumliche Ge­ bilde dar, bei dem die Verbindungselemente (Stäbe: Detail 1 in Fig. 1) in weiten Gren­ zen (bis zu mehrere Millimeter) ihre Lage und Position im Raum ändern dürfen, ohne daß die Geometrie des Gebildes sich wesentlich ändert. Eine relative Verlagerung ei­ nes Stabendes von 4 mm (z. B. durch eine Stabdrehung) bewirkt einen sog. Cosinus­ fehler von 2 µm für den Abstand zwischen den Kugeln auf eine Stablänge von 4 m (Fig. 2). Eine axiale Stabverlagerung wirkt sich ähnlich unkritisch aus (ebenfalls Cosinusfeh­ ler), wie in Fig. 3 gezeigt ist. Lediglich während einer Messung müssen die Stäbe in Richtung ihrer Längsachse im Raum fest stehen.

Die erfindungsgemäße Ausführung des Tetraeders ist also für die Lage der Verbin­ dungselemente (Stäbe) derart tolerant, daß lediglich auf etwa 4 mm genau zueinander positionierte Stäbe bereits die Positionen der Antastelemente relativ zueinander aus­ reichend genau festlegen: damit müssen weder Antastelemente noch Stäbe Rei­ bung überwinden, um das gesamte Gebilde in einen statisch definierten Zustand zu bringen. Genau an diesem Reibungsproblem scheiterten in der Vergangenheit Ver­ suche, demontierbare Stab-Kugel-Quader und Stab-Kugel-Platten mit ausreichend guter Reproduzierbarkeit (bei wiederholter Demontage und Montage) herzustellen. Bisher waren nur eindimensionale Stab-Kugel-Systeme mit guter Reproduzierbarkeit bekannt (Patente DE 39 30 223.7 und US 5269067 führten nur zu kommerziellen Produk­ ten eindimensionaler Art). Der erfindungsgemäße Tetraeder hat als dreidimensionales Gebilde erstmals diese Eigenschaften. Besonders vorteilhaft ist, daß er auf eindimen­ sionalen und damit sehr leicht zu kalibrierenden Stabelementen basiert.

Werden die sechs Stäbe aus CFK mit longitudinaler Faserausrichtung hergestellt, er­ geben sich als weitere Vorteile ein geringes Gewicht bei großer Steifigkeit, eine hervor­ ragende Langzeitstabilität und ein gegen Null gehender thermischer Ausdehnungs­ koeffizient. Letzterer erübrigt Wartezeiten von über 1/2 Stunde pro Prüfkörperstellung/Mes­ sung zur Temperaturangleichung und er verringert die Meßunsicherheit erheb­ lich, da die Temperatur bei derart großen Objekten (mehrere Meter) im allgemeinen stark inhomogen ist. So lassen sich klar die gesuchten Abweichungseinflüsse, die vom Meßgerät kommen, ermitteln, ohne Beeinflussung durch diejenigen des Meßobjektes.

Die Enden der Stäbe sind idealerweise mit feinbearbeiteten Planplatten aus hartem Material (z. B. Hartmetall-Wendeschneidplatten) versehen (Detail 3 in Fig. 1). Die Aus­ richtung der Plättchen bei Verklebung erfolgt z. B. unter Zuhilfenahme eines Autokolli­ mators (Detail 8 in Fig. 4) mit auf beiden Plattenendflächen fixierten planparallelen Glasplättchen (Detail 10) an denen Teile des Strahls (Detail 9) reflektiert werden, wo­ durch die relative Ausrichtung ermittelt wird. Leichte Abweichungen von der Planität und der Parallelität (z. B. im Bereich 1 µm pro mm) sind vernachlässigbar.

Werden die Kugeln nicht nur zur Messung manuell in den "Nestern" zur Anlage ge­ bracht, sondern sind alle vier Kugeln Teile des Tetraeder-Prüfkörpers, empfiehlt es sich, diese durch Federn oder dergleichen in die "Nester" zu ziehen oder zu drücken.

Der Einsatz des erfindungsgemäßen Tetraeders als Prüfkörper für Laser-Tracker ist besonders sinnvoll. Die Reflektoreinheit (Katzenauge oder Tripelreflektor) kann näm­ lich derart ausgeführt sein (meist ist dies der Fall), daß der mathematische/effektive Zielpunkt der Mittelpunkt der manuell geführten Tastkugel ist, die Tastkugel kann somit direkt in die durch die jeweils drei Stabenden gebildeten "Nester" gelegt oder gedrückt werden. Der Tastkugelmittelpunkt verkörpert dabei die mathematischen Eckpunkte des Tetraeders. Um eine ununterbrochene Strahlführung zu ermöglichen, müssen hierzu die Stäbe im Verhältnis zum Tastkugeldurchmesser ausreichend dünn sein und die Vorrichtung zum Fixieren der Stäbe muß eine Strahlführung durch das Tetraederinnere zulassen (Detail 7 in Fig. 1 ermöglicht dies). Eventuell müssen die Stäbe an den Enden verjüngt sein.

Ein solcher erfindungsgemäß konstruierter Tetraeder ist einfach zu kalibrieren, da le­ diglich sechs Stablängen und die Kugeldurchmesser bekannt sein müssen. Dies ist z. B. einfach mit einem Laser-Tracker möglich, der bereits bezüglich des Interferometers (reine Längenmeßabweichung) und des Reflektor-Kugeldurchmessers kalibriert wur­ de. Dabei werden die zu kalibrierenden Stäbe nacheinander in radialer Richtung relativ zum Tracker aufgestellt und durch zweiseitige Antastung mit der Trackerkugel in der Stabmitte gemessen. Der Tracker besitzt in radialer Richtung nahezu Laser- Genauigkeit.

Der Aufbau bzw. die Aufstellung des Tetraeders ist in der Ausführung entsprechend Fig. 1 besonders einfach: zuerst wird das Basisdreieck mit Verbindungseinheiten (Detail 4) und Justierfüßen (Detail 5) horizontal ausgerichtet (Wasserwaage) und so fi­ xiert, daß die Kugelmittelpunkte auf etwa 1 mm genau auf den Stabachsen liegen ("Augenmaß" reicht aus). Danach werden auch die raumdiagonalen Stäbe in den unte­ ren Verbindungseinheiten fixiert (mittels Detail 6 oder 7 in Fig. 1), wobei sie an der oberen Spitze des Tetraeders zunächst lose zusammengehalten werden (z. B. in einem Block aus Schaumstoff, der vorübergehend die obere Verbindungseinheit ersetzt: ver­ gleiche Fig. 5). Schließlich wird die obere (vierte) Verbindungseinheit angebracht, die im allgemeinen identisch wie die unteren Verbindungseinheiten beschaffen ist. Unge­ nauigkeiten in den Verbindungseinheiten werden durch Nachjustiermöglichkeiten in den Verbindungseinheiten, durch leichte Elastizität in den Verbindungseinheiten oder über die Durchbiegung der Stäbe selbst ausgeglichen, die selbst keine Abweichungen erster Ordnung bewirkt. Je nach geforderter Genauigkeit sollten aber Durchbiegungen von mehr als etwa 2 mm auf etwa 4 m Stablänge durch Versteifungen an den Stäben vermieden werden, z. B. durch mehrere parallel zueinander verklebte Stäbe. 2 mm Durchbiegung auf 4 m Stablänge ergibt etwa eine Längenabweichung von 2 µm.

Es ist möglich, den Tetraeder mit nur einer Person aufzubauen. Anschließend kann der Tetraeder in eine beliebige Orientierung im Raum gebracht werden (wegen des geringen Gewichts auch von ein oder zwei Personen) und auf einer einfachen Vorrich­ tung fixiert werden, z. B. "überkopf", wenn die in Fig. 1 gezeigte Grundstellung nicht ausreicht.

Eine besonders einfache Fixierung der Tetraederecken ist möglich, wenn die An­ tastkräfte klein sind, bzw. wenn die Antastungen so symmetrisch auf den Kugeloberflä­ chen verteilt werden können, daß elastische Effekte durch Antastung sich für die Ku­ gelmittenpositionen aufheben. In diesem Fall können die Fixierungen z. B. einfach aus elastischem Kunststoff (Detail 11 in Fig. 5) mit Löchern darin bestehen, durch die die Stäbe zur Fixierung gesteckt sind.

Claims (12)

1. Reproduzierbar demontierbarer und ohne Verlust der Genauigkeit einer zuvorigen Kalibrierung wieder montierbarer dreidimensionaler Prüfkörper für räumlich mes­ sende oder positionierende Geräte (wie Koordinatenmeßgeräte, Theodolite, Robo­ ter, Lasertracker und Werkzeugmaschinen) in Form eines Tetraeders, gekenn­ zeichnet dadurch, daß vier Kugeln an den Ecken des Tetraeders als Antastforme­ lemente dienen, daß sechs Stäbe als Verbindungselemente zwischen den Kugeln dienen, daß jede Kugel genau drei Verbindungselemente an deren Endflächen be­ rührt und daß die Kugelmittelpunkte in Näherung auf den Verlängerungen der Stab­ achsen liegen.

2. Prüfkörper nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Stäbe über die Ku­ geln, bzw. durch an den Kugeln angebrachte Halter in ihrer Position relativ zuein­ ander fixiert werden.

3. Prüfkörper nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Stäbe nicht durch die Kugeln selbst, bzw. durch an den Kugeln angebrachte Halter, sondern durch separate Vorrichtungen in ihrer Position relativ zueinander fixiert werden und daß die Kugeln lediglich in die entstehenden Nester aus je drei Planflächen gedrückt werden, ohne daß sie dabei die zuvor bestehende relative Lage der Stäbe stark verändern.

4. Prüfkörper nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß Kugeln und Stäbe durch Federelemente zusammengedrückt werden.

5. Prüfkörper nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß Kugeln und Stäbe durch Magnetkräfte zusammengehalten werden.

6. Prüfkörper nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Kugeln unter Zuhil­ fenahme einer Handhabungseinrichtung oder manuell nur zur Messung mit den je­ weils drei Stäben in Kontakt gebracht werden.

7. Prüfkörper nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Kugeln selbst Teil des zu prüfenden Meßgeräts sind, also Tastkugeln oder Retroreflektoren, und sie nur zur Messung der Eckkoordinaten des Tetraeders durch Selbstzentrierung in die Nester zwischen den Stäben eingebracht werden.

8. Prüfkörper nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Stäbe aus Kohlen­ stoffaser-Verbundwerkstoff mit unidirektionalen Fasern in Stab-Längsrichtung sind.

9. Prüfkörper nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Stäbe an den Kon­ taktstellen planparallele Flächen besitzen um den Einfluß von Stabverschiebungen auf die Tetraedergeometrie gering zu halten.

10. Prüfkörper nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Stäbe an den Kon­ taktstellen Dreipunktlager besitzen um die Kugeln zu zentrieren.

11. Prüfkörper nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Stäbe an den Kon­ taktstellen konkave Flächen besitzen.

12. Prüfkörper nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Stäbe an den Kon­ taktstellen konvexe Flächen besitzen.