DE19733711B4

DE19733711B4 - Verfahren zur Aufnahme und/oder Überprüfung der geometrischen Abweichungen der Z-Achse eines Koordinatenmeßgerätes

Info

Publication number: DE19733711B4
Application number: DE1997133711
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Lenz Karl Jürgen; Dr. Schleifenbaum Bernd
Original assignee: Hexagon Metrology GmbH
Current assignee: Hexagon Metrology GmbH
Priority date: 1997-08-04
Filing date: 1997-08-04
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2017-08-05
Also published as: DE19733711A1

Abstract

Verfahren zur Aufnahme und/oder Überprüfung der geometrischen Abweichungen der Z-Achse eines optischen Koordinatenmeßgerätes,
dadurch gekennzeichnet,
– daß auf einem kalibrierten Prüfkörper (1) Antastmarken (6, 7, 8, 9), die in wenigstens zwei Ebenen (2, 3, 4, 5) angeordnet sind, wobei die wenigstens zwei Ebenen parallel und voneinander beabstandet sind, in wenigstens zwei Ebenen (2, 3, 4, 5) angetastet werden,
– daß bei der Antastung die Koordinaten der Antastmarken (6, 7, 8, 9) bestimmt werden,
– daß aus den Koordinaten der Antastmarken (6, 7, 8, 9) für jede Ebene (2, 3, 4, 5) ein ausgezeichneter Punkt (10, 11, 12, 13) berechnet wird, wobei die ausgezeichneten Punkte (10, 11, 12, 13) auf einer Geraden (A) liegen, die senkrecht zu den wenigstens zwei Ebenen (2, 3, 4, 5) verläuft, wobei der Prüfkörper derart angeordnet ist, daß die Gerade (A) parallel zur Z-Achse liegt, und
– daß aus den Abweichungen...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufnahme und/oder Überprüfung der geometrischen Abweichungen der Z-Achse eines optischen Koordinatenmeßgerätes.
Gemäß dem Stand der Technik erreichen Koordinatenmeßgeräte ihre spezifizierte Genauigkeit in der Regel mit Hilfe einer rechnerischen Korrektur der geometrischen Fehler, das heißt, Maßstabs-, Winkel- und Führungsabweichungen werden bei der Inbetriebnahme der Maschine aufgenommen und bei folgenden Messungen kompensiert. Um während der Lebensdauer eines Koordinatenmeßgerätes die Genauigkeit zu überwachen, sind darüber hinaus regelmäßige Überprüfungsmessungen üblich. Beides gilt in zunehmendem Maße auch für Meßmikroskope.
Gebräuchliche Hilfsmittel zur Aufnahme und Überwachung der geometrischen Abweichungen sind beispielsweise Laseranordnungen, Präzisions-Neigungsmesser oder Prüfkörper, an deren Genauigkeit hohe Anforderungen gestellt sind. Bei einem Meßmikroskop sind Prüfkörper bekannt, mit denen die geometrischen Abweichungen in den zwei Koordinaten der Bewegung des Meßtischs bestimmt werden können, wie etwa kalibrierte Reseau-Platten oder Gittermaßstäbe. Auch eine Kugelplatte, die zur Prüfung von 3D-Koordinatenmeßgeräten bestimmt ist, kann zur Abnahme eines Meßmikroskops benutzt werden, indem auf die Kugelmittelpunkte fokussiert wird.
Zur Aufnahme der Abweichungen der dritten, der Z-Achse eines Meßmikroskops sind solche ein- oder zweidimensionalen Prüfkörper nicht geeignet. Auch eine raumschräge Anordnung solcher Prüfkörper erlaubt keine sichere Aufnahme der Abweichungen der Z-Achse eines Meßmikroskops, da nur eine geringe Schrägstellung möglich ist, bei der Abweichungen der Z-Achse sich im Meßergebnis kaum auswirken. Ein anderes bekanntes Verfahren, das Antasten der Oberflächen von auf einer ebenen Grundfläche angesprengten, unterschiedlich hohen Endmaßen erlaubt nicht die Bestimmung aller Abweichungen, insbesondere nicht der Geradheitsabweichungen der Z-Achse.
Grundsätzlich sind auch die obengenannten Laseranordnungen zur Aufnahme der Abweichungen der Z-Achse geeignet, doch sind diese Meßmittel sehr teuer, und Aufbau und Justage sind stets mit hohem Aufwand verbunden.
Gemäß dem Stand der Technik (P. Cauchick-Miguel, T. King, J. Davis: CMM verification: a survey, in: Measurement, Vol. 17, No. 1, pp. 1–16, 1996) ist ein Prüfkörper bekannt, der optisch antastbare Antastmarken aufweist, wobei die Antastmarken wenigstens annährend in wenigstens zwei Ebenen angeordnet sind. Dieser zum Stand der Technik gehörende Prüfkörper hat den Nachteil, dass mit diesem Prüfkörper eine Aufnahme geometrischer Abweichungen der Z-Achse eines optischen Koordinatenmeßgerätes nicht möglich ist.
Auch mit dem weiteren zum Stand der Technik ( DE 197 11 361 A1 ) gehörenden Prüfkörper ist eine Aufnahme geometrischer Abweichungen der Z-Achse eines optischen Koordinatenmeßgerätes nicht möglich.
Der Stand der Technik (E. Trapet, F. Wäldele: A reference object based method to determine the parametric error components of coordinate measuring machines and machine tools, in: Measurement, Vol. 9, No. 1, pp. 17–22, 1991) offenbart kein Verfahren, mit dem auf einfache Art und Weise die geometrischen Abweichungen der Z-Achse eines optischen Koordinatenmeßgerätes aufgenommen und/oder überprüft werden können.
Das der Erfindung zugrunde liegende technische Problem besteht darin, ein Verfahren zur Aufnahme und/oder Überprüfung der geometrischen Fehler der Z-Achse eines Meßmikroskops anzugeben, das kostengünstig und jederzeit ohne Umbau des Meßmikroskops anwendbar ist.
Dieses technische Problem wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2 gelöst.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabenstellung durch ein Verfahren gelöst, bei dem auf einem kalibrierten Prüfkörper Antastmarken in wenigstens zwei Ebenen angeordnet sind, wobei die wenigstens zwei Ebenen parallel und voneinander beabstandet sind und auf dem Koordinatenmeßgerät so angeordnet werden, daß ihre Ebenennormalen parallel zur Z-Achse des Koordinatenmeßgerätes ausgerichtet sind, in wenigstens zwei Ebenen angetastet werden, bei dem bei der Antastung die Koordinaten der Antastmarken bestimmt werden, bei dem aus den Koordinaten der Antastmarken für jede Ebene ein ausgezeichneter Punkt berechnet wird, wobei die ausgezeichneten Punkte auf einer Geraden liegen, die senkrecht zu den wenigstens zwei Ebenen verlauft, wobei der Prüfkörper derart angeordnet ist, daß die Gerade parallel zur Z-Achse liegt, und bei dem aus den Abweichungen der gemessenen Z-Koordinaten der ausgezeichneten Punkte von wenigstens zwei Ebenen von den kalibrierten Daten die Maßstabsabweichungen der Z-Achse bestimmt werden.
Gemäß der Erfindung wird auch ein Verfahren zur Bestimmung der Geradheitsabweichungen angegeben, welches sich dadurch auszeichnet,

a) daß auf einem kalibrierten Prüfkörper Antastmarken, die in wenigstens zwei Ebenen angeordnet sind, wobei die wenigstens zwei Ebenen parallel und voneinander beabstandet sind, in wenigstens zwei Ebenen angetastet werden,
b) daß bei der Antastung die Koordinaten der Antastmarken bestimmt werden,
c) daß aus den Koordinaten der Antastmarken für jede Ebene ein ausgezeichneter Punkt berechnet wird, wobei die ausgezeichneten Punkte auf einer ersten Achse liegen, die senkrecht zu den wenigstens zwei Ebenen verläuft, wobei der Prüfkörper derart angeordnet ist, dass die Achse parallel zur Z-Achse liegt,
d) daß die Schritte a) bis b) wiederholt werden, nachdem der Prüfkörper um 180° um die Z-Achse gedreht wurde,
e) daß analog zu Schritt c) eine zweite Achse bestimmt wird, und
f) daß aus Mitten zwischen den aus den Schritten c) und e) zugeordneten ausgezeichneten Punkten eine Achse bestimmt wird und aus den Abweichungen der Mitten der zugeordneten, ausgezeichneten Punkte von der Achse die Geradheitsabweichung der Z-Achse bestimmt wird.

In einer Ausführungsform ist der Prüfkörper etwa kegelförmig mit einzelnen Stufen aufgebaut, wobei sich auf jeder Stufe mehrere Antastmarken befinden, beispielsweise Kreise, deren Mittelpunkt mit allen drei Koordinaten durch eine optische Antastung bestimmbar ist. Die Antastmarken einer Stufe definieren einen ausgezeichneten Punkt, etwa den Mittelpunkt eines Kreises, auf dem die Antastmarken liegen. Die ausgezeichneten Punkte jeder Ebene liegen näherungsweise auf einer Geraden, wobei der Prüfkörper so angeordnet wird, daß die Gerade ungefähr parallel zur Z-Achse des Meßmikroskops liegt.
Zur Aufnahme der Abweichungen oder zur Durchführung einer Überprüfungsmessung wird ein kalibrierter Prüfkörper der beschriebenen Art zunächst in einer gegebenen Stellung gemessen. Die Abweichungen der gemessenen Z-Koordinaten der ausgezeichneten Punkte von den kalibrierten Werten geben dann im wesentlichen die Maßstabsabweichungen der Z-Achse wieder.
Vorteilhaft wird der Prüfkörper danach um näherungsweise 180° um die Z-Achse gedreht und erneut gemessen (Umschlagsmessung). Berechnet man nun die Mitte zwischen den ausgezeichneten Punkten jeder Ebene bei den beiden Messungen, so werden Ausrichtungsfehler im wesentlichen eliminiert, und die übrigen Abweichungen der Z-Achse, insbesondere die Geradheitsabweichungen T_zx und T_zy können bestimmt werden. Rotatorische Abweichungen der Z-Achse sind bei Meßmikroskopen in der Regel bedeutungslos.
Wenn der Prüfkörper weitere Antastmarken enthält, die eine gegebenenfalls rechnerische Feinausrichtung erlauben, ist mit nur einer Messung, ohne Umschlagsmessung, die Aufnahme beziehungsweise Prüfung der Abweichungen der Z-Achse möglich.
Zusammen mit anderen Prüfkörpern, beispielsweise Gittermaßstäben, einer Reseau-Platte oder einer Kugelplatte, ist damit eine vollständige Aufnahme beziehungsweise Prüfung aller relevanten geometrischen Abweichungen eines Meßmikroskops möglich. Das Verfahren ist auch anwendbar und vorteilhaft bei einem 3D-Koordinatenmeßgerät mit optischem Sensor.
Die Ausführung der Berechnung zur Aufnahme der geometrischen Abweichungen beziehungsweise zur Überprüfung der nach Korrektur verbleibenden Abweichungen verläuft wie bei den bekannten Meßverfahren bei 3D-Koordinatenmeßgeräten.
Der Prüfkörper ist kegel- oder pyramidenförmig, wobei Kegel oder Pyramide als Innen- oder Außenstruktur ausgebildet sein können.
Vorteilhaft enthält der Prüfkörper Stufen, auf denen die Antastmarken angeordnet sind. Es ist aber auch möglich, daß der Prüfkörper keine Stufen enthält, daß aber die Antastmarken optisch antastbar sind, etwa durch eine diffus reflektierende oder retro-reflektierende Oberfläche.
Die Antastmarken sind erfindungsgemäß Kreise, Kreisringe, Rechtecke, Punktmuster, Kugeln und/oder Kugelsegmente.
Der Prüfkörper kann mit einer Genauigkeit kalibriert sein, die besser ist als die Genauigkeit des abzunehmenden Meßgerätes. Der Prüfkörper kann aber auch nur mit einer geringen Genauigkeit kalibriert sein und erlaubt in diesem Fall nur die Aufnahme beziehungsweise Prüfung der Winkel und der Geradheitsabweichungen der Z-Achse.
Wenn die Höhe des Prüfkörpers oder der freie Arbeitsabstand der Meßoptik nicht ausreicht, um den gesamten Bereich der Z-Achse zu vermessen, wird erfindungsgemäß eine Anschlußmessung durchgeführt.
Weitere Einzelheiten der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, und zwar zeigen:
1 einen Prüfkörper in Draufsicht;
2 einen Prüfkörper im Schnitt;
3 eine Umschlagsmessung.
1 zeigt einen Prüfkörper (1) mit Ebenen (2, 3, 4, 5). Auf den Ebenen (2, 3, 4, 5) sind Antastmarken (6, 7, 8, 9) vorgesehen.
Die Antastmarken (6) befinden sich in der Ebene (2), die Antastmarken (7) in der Ebene (3), die Antastmarken (8) in der Ebene (4) und die Antastmarken (9) in der Ebene (5).
Die Antastmarken (6) liegen auf einem Kreis oder einem Teilkreis und definieren einen ausgezeichneten Punkt, nämlich den Mittelpunkt (10) des Kreises.
Ebenso liegen die Antastpunkte (7) auf einem Kreis und definieren gemäß 2 den Mittelpunkt (11). Die Antastpunkte (8) definieren den Mittelpunkt (12), und die Antastpunkte (9) definieren den Mittelpunkt (13).
Die Mittelpunkte (10, 11, 12, 13) liegen zumindest näherungsweise auf einer Geraden (A), wobei der Prüfkörper (1) so angeordnet ist, daß die Gerade (A) ungefähr parallel zur Z-Achse des Meßmikroskops (nicht dargestellt) liegt.
Zur Aufnahme der Abweichungen oder zur Durchführung einer Überprüfungsmessung wird der Prüfkörper (1) zunächst in der gemäß 1 dargestellten Stellung gemessen. Die Abweichungen der gemessenen Z-Koordinaten der Mittelpunkte (10, 11, 12, 13) von den kalibrierten Werten geben dann im wesentlichen die Maßstabsabweichungen der Z-Achse wieder.
Danach wird der Prüfkörper um näherungsweise 180° um die Z-Achse gedreht und erneut gemessen (Umschlagsmessung).
Gemäß 3 erhält man aus der ersten Messung eine Achse T_M1 der Mittelpunkte (10', 11', 12', 13') und aus der zweiten Messung die Achse T_M2 aus den Mittelpunkten (10'', 11'', 12'', 13''). Die Mitte zwischen den Mittelpunkten (10', 10''; 11', 11''; 12', 12''; 13', 13'') stellt die Achse T_M dar. Durch diese Umschlagsmessung werden Abweichungen der Mittelpunkte (10, 11, 12, 13) von der Geraden (A) im wesentlichen eliminiert, und die übrigen Abweichungen der Z-Achse, nämlich die Geradheitsabweichungen T_zx und T_zy können bestimmt werden.
Wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Orientierung der Drehachse für die Drehung um näherungsweise 180° zur XY-Ebene, die durch die X- und die Y-Führungen des Meßtisches bestimmt wird, vorgenommen, so können mit diesem Verfahren auch die Winkelabweichungen W_xz und W_yz bestimmt werden, wie auch in 3 dargestellt. Eine solche Orientierung der Drehachse kann beispielsweise durch Antastung der Antastmarken einer Stufe und Bestimmung der Neigung der dadurch bestimmten Ebene geschehen.
Bezugszeichenliste

1: Prüfkörper
2, 3, 4, 5: Ebenen
6, 7, 8, 9: Antastmarken
10, 11, 12, 13: Mittelpunkte
10', 11', 12', 13': Mittelpunkte
10'', 11'', 12'', 13'': Mittelpunkte
T_M1, T_M2: Gerade durch die Mittelpunkte
T_M: Mitte zwischen den Mittelpunkten
W_xz: Abweichung des Winkels zwischen X-und Z-Achse von 90°
A: Gerade

Claims

Verfahren zur Aufnahme und/oder Überprüfung der geometrischen Abweichungen der Z-Achse eines optischen Koordinatenmeßgerätes, dadurch gekennzeichnet, – daß auf einem kalibrierten Prüfkörper (1) Antastmarken (6, 7, 8, 9), die in wenigstens zwei Ebenen (2, 3, 4, 5) angeordnet sind, wobei die wenigstens zwei Ebenen parallel und voneinander beabstandet sind, in wenigstens zwei Ebenen (2, 3, 4, 5) angetastet werden, – daß bei der Antastung die Koordinaten der Antastmarken (6, 7, 8, 9) bestimmt werden, – daß aus den Koordinaten der Antastmarken (6, 7, 8, 9) für jede Ebene (2, 3, 4, 5) ein ausgezeichneter Punkt (10, 11, 12, 13) berechnet wird, wobei die ausgezeichneten Punkte (10, 11, 12, 13) auf einer Geraden (A) liegen, die senkrecht zu den wenigstens zwei Ebenen (2, 3, 4, 5) verläuft, wobei der Prüfkörper derart angeordnet ist, daß die Gerade (A) parallel zur Z-Achse liegt, und – daß aus den Abweichungen der gemessenen Z-Koordinaten der ausgezeichneten Punkte (10, 11, 12, 13) von wenigstens zwei Ebenen (2, 3, 4, 5) von den kalibrierten Werten des Prüfkörpers die Maßstabsabweichungen der Z-Achse bestimmt werden.
Verfahren zur Aufnahme und/oder Überprüfung der geometrischen Abweichungen der Z-Achse eines optischen Koordinatenmeßgerätes, dadurch gekennzeichnet, a) daß auf einem kalibrierten Prüfkörper (1) Antastmarken (6, 7, 8, 9), die in wenigstens zwei Ebenen (2, 3, 4, 5) angeordnet sind, wobei die wenigstens zwei Ebenen parallel und voneinander beabstandet sind, in wenigstens zwei Ebenen (2, 3, 4, 5) angetastet werden, b) daß bei der Antastung die Koordinaten der Antastmarken (6, 7, 8, 9) bestimmt werden, c) daß aus den Koordinaten der Antastmarken (6, 7, 8, 9) für jede Ebene (2, 3, 4, 5) ein ausgezeichneter Punkt (10, 11, 12, 13) berechnet wird, wobei die ausgezeichneten Punkte (10, 11, 12, 13) auf einer ersten Achse (T_M1) liegen, die senkrecht zu den wenigstens zwei Ebenen (2, 3, 4, 5) verläuft, wobei der Prüfkörper derart angeordnet ist, daß die erste Achse (T_M1) parallel zur Z-Achse liegt, d) daß die Schritte a) bis b) wiederholt werden, nachdem der Prüfkörper um 180° um die Z-Achse gedreht wurde, e) daß analog zu Schritt c) eine zweite Achse (T_M2) bestimmt wird, und f) daß aus Mitten von Mittelpunkten (10', 10''; 11', 11''; 12', 12''; 13', 13'') zwischen den aus den Schritten c), d) und e) zugeordneten ausgezeichneten Punkten (10, 11, 12, 13) eine dritte Achse (T_M) bestimmt wird und aus den Abweichungen der Mitten der zugeordneten ausgezeichneten Punkte von der dritten Achse (T_M) die Geradheitsabweichung (T_ZX, T_ZY) der Z-Achse bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Abweichung der dritten Achse (T_M) zur Z-Achse die Winkelabweichungen (W_XZ, W_YZ) der Z-Achse bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anschlußmessung durchgeführt wird, wenn bei der ersten Messung nur Teilbereiche der Z-Achse vermessen werden können.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Koordinatenmeßgerät als Meßmikroskop ausgebildet ist.