DE19858154A1 - Verfahren und Einrichtung zur Kalibrierung von bewegbaren Vorrichtungen mit mindestens einem teilweise unbestimmten Geometrieparameter - Google Patents

Abstract

Zur Kalibrierung von bewegbaren Vorrichtungen mit mindestens einem teilweise unbestimmten Geometrieparameter wird ein Prüfkörper in der bereits voll montierten Vorrichtung angeordnet sowie ein Prüforgan an einem relativ zu dem Prüfkörper bewegbaren Teil angebracht. Die Vorrichtung wird solange bewegt, bis das Prüforgan eine definierte Lage bezüglich einer Meßstelle an dem Prüfkörper einnimmt. Anschließend werden die die Lage der Vorrichtung repräsentierenden Parameter an der Meßstelle erfaßt und gespeichert. Dieser Vorgang wird für mehrere Meßstellen wiederholt. Aus den bekannten Ist-Größen des Prüfkörpers und den erfaßten Lageparametern werden Korrekturgrößen für fertigungs- und montagebedingte Abweichungen von Geometrieparametern der Vorrichtung bestimmt, die das Bewegungsverhalten derselben beeinflussen. Anschließend werden die Geometrieparameter mit den Korrekturgrößen korrigiert. Hierdurch ergibt sich ein Kalibrierverfahren, mit dem komplexe Strukturen, wie z. B. Hexapodaufhängungen, effizient kalibriert werden können.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Kalibrierung von beweg­ baren Vorrichtungen mit mindestens einem teilweise unbestimmten Geometriepara­ meter.

Solche Vorrichtungen werden zur Handhabung oder zur Fertigung von Werkstücken eingesetzt, beispielsweise in Werkzeugmaschinen. Im Zuge der Automatisierung kön­ nen Werkstücke aufgrund eines vorgegebenen Ablaufprogramms, das die Auswahl der Werkzeuge sowie die Relativbewegungen zwischen Werkzeug und Werkstück steuert, hergestellt werden. Solche Steuerungen berücksichtigen für die Bestimmung von Steuergrößen der Werkstück/Werkzeug-Relativbewegung Geometrieparameter der zu steuernden Vorrichtung selbst.

Aufgrund von Fertigungs- und Montageungenauigkeiten sind diese Geometrieparame­ ter allerdings nicht exakt bekannt, sondern vielmehr mit Toleranzen (Maß-, Lage- und Winkeltoleranzen) behaftet. Aus diesen Toleranzen resultieren Abweichungen der Ki­ nematik der bewegbaren Vorrichtung, was sich wiederum in Ungenauigkeiten der Re­ lativbewegung bezüglich des zu fertigenden bzw. zu handhabenden Werkstückes nie­ derschlägt.

In der älteren DE 196 36 099 A1 ist beispielsweise eine Hexapod-Lagerungseinrich­ tung vorgeschlagen, bei der ein bewegbarer Träger über sechs Streben an einem Rahmen aufgehängt ist. Des weiteren ist aus der älteren DE 196 36 102 A1 ein Ver­ fahren zur Steuerung der Bewegung eines Trägers bekannt, bei dem die Vorgabe der Bewegung sowie die Regelung der Bewegung des Trägers in einem Orthogonal- Koordinatensystem erfolgt, wohingegen die Stellglieder zur Bewegung des Trägers ein weiteres, in dem konkreten Fall ein nicht-orthogonales, Koordinatensystem definie­ ren. Bei einer Parametertransformation zwischen-derrbeiden Koordinatensystemen müssen für die Bewegung der Vorrichtung relevante Geometrieparameter, d. h. vor allem Lage-, Längen- und Winkelmaße der Vorrichtung berücksichtigt werden. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß Toleranzen der Geometrieparameter zu Transformati­ onsfehlern und damit zu Fehlern in der Kinematik des Trägers führen.

Zur exakten Bestimmung der Geometrieparameter, z. B. zur Ermittlung der genauen Lage der Gelenkpunkte einer Hexapod-Lagerung, muß die bewegbare Vorrichtung ka­ libriert werden.

Der Gedanke, bewegbare Vorrichtungen oder Mechanismen hinsichtlich der exakten Bestimmung der Lage ausgewählter, die Kinematik bestimmender Parameter festzu­ legen (zu kalibrieren), ist im Bereich der Werkzeugmaschinen generell bekannt. Die bisher angewendeten Kalibrierverfahren eignen sich jedoch nicht für komplexe Vor­ richtungsstrukturen, da für diese eine hohe Anzahl von Parametern gleichzeitig be­ stimmt werden müssen. Insbesondere eignen sich die bekannten Kalibrierverfahren nicht für das Gebiet von Parallelstrukturen wie die genannten Hexapod-Lagerungen.

Gegenwärtig sind Verfahren bekannt, bei denen diejenigen Maschinenelemente einer Vorrichtung, die lediglich kleine Abmessungen aufweisen, im ausgebauten Zustand separat vermessen werden. Auf diese Weise wird ein Teil der für das Bewegungsver­ halten der Vorrichtung relevanten Geometrieparameter ermittelt, wobei jedoch Monta­ geungenauigkeiten nicht berücksichtigt werden. In einem zweiten Schritt wird dann die Vorrichtung im zusammengebauten Zustand vermessen, indem beispielsweise ein in seinen Abmessungen genau bekannter Prüfkörper mit einem Meßtaster abgetastet wird. Dieses Verfahren ist dahingehend nachteilig, daß ein separates mehrachsiges Vermessen von Geometrieparametern, beispielsweise Gelenkpunkten, mit unver­ meidlichen Fehlern behaftet ist. Durch die anschließende Montage der Vorrichtung werden weitere Ungenauigkeiten erzeugt, die mit den Messungen des zweiten Schrittes nicht mehr erkannt werden können.

Weiterhin ist bekannt, mit mehreren Abtastorganen unterschiedlicher Länge zu arbei­ ten. Bei diesem Verfahren tritt jedoch der Nachteil auf, daß durch den Wechsel der Abtastorgane bei einer starken Verkopplung der Kinematik der zu bewegenden Vor­ richtung bereits kleine Meßfehler, die beispielsweise durch den Wechsel der Taster verursacht werden, zu großen Abweichungen bei der Bestimmung der Fehlergrößen der Geometrieparameter führen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zur Kalibrierung von bewegbaren Vorrichtungen mit mindestens einem teilweise un­ bestimmten Geometrieparameter anzugeben, mit dem eine genaue kinematische Be­ schreibung des Bewegungsverhaltens der bewegbaren Vorrichtung ermöglicht wird.

Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Hinsichtlich der Einrichtung erfolgt die Aufgabenlösung erfindungsgemäß mit einer Einrichtung der Merkmale des Anspruches 17.

Mit der Erfindung wird erstmals ein industrietaugliches Verfahren zur Kalibrierung hochkomplexer bewegbarer Vorrichtungen, wie beispielsweise Vorrichtungen mit Parallelkinematik, bereitgestellt. Da das Verfahren bei einer bereits vollständig in Ein­ satzlage montierten Vorrichtung allein im zusammengebauten Zustand ausgeführt wird, können aus einem zuvor durchgeführten Vermessen resultierende Fehler nicht mehr auftreten. Überdies wird der für den Kalibriervorgang erforderliche Aufwand er­ heblich vereinfacht. Das Verfahren eignet sich daher auch besonders für den Zweck der Nachkalibrierung, um beispielsweise ein Setzen der Vorrichtung zu berücksichti­ gen. Durch die Verwendung eines einzigen Prüforgans können überdies Kopplungs­ fehler vermieden werden, so daß sich insgesamt mit dem erfindungsgemäßen Verfah­ ren eine wesentlich verbesserte Genauigkeit bei der Bestimmung der für das Bewe­ gungsverhalten der bewegbaren Vorrichtung relevanten Geometrieparameter ergibt.

Vorzugsweise wird ein in seinen Abmessungen bekannter Prüfkörper in der Vorrich­ tung angeordnet und als Prüforgan ein Abtastorgan verwendet, das eine ihm eigene Referenzstellung aufweist. Die Vorrichtung wird sodann bewegt, bis das Abtastorgan an eine als Abtaststelle des Prüfkörpers ausgebildeten Meßstelle seine ihm eigene Referenzstellung einnimmt. Aufgrund der Erfassung der Referenzstellung des Ab­ tastorgans zu in ihrer Lage bekannten Meßstellen lassen sich mit demselben Ab­ tastorgan Lage- bzw. Winkel-Istwerte bestimmen, die als bekannte Größen in ein li­ neares Gleichungssystem eingesetzt werden, das die gesuchten kinematischen Kor­ rekturgrößen als Unbekannte enthält.

Vorzugsweise wird ein Abtastorgan verwendet, das bei Auslenkung einen Impuls ab­ gibt. Das Abtasten einer Meßstelle erfolgt dadurch, daß zur Annäherung an eine Refe­ renzposition des Abtastorgans bezüglich einer ausgewählten Koordinatenrichtung, d. h. eine translatorische oder rotatorische Bewegung, das Abtastorgan nach Aussen­ dung eines Impulses zurückbewegt wird, bis keine Auslenkung mehr vorliegt, was an­ hand der Aussendung der Impulse feststellbar ist. Hierdurch läßt sich iterativ die Refe­ renzposition des Abtastorgans bezüglich einer ausgewählten Meßstelle einstellen, woraufhin dann die Erfassung der die Lage der Vorrichtung repräsentierenden Para­ meter erfolgt. Das Ansteuern der Referenzposition geschieht vorzugsweise automa­ tisch durch eine Steuervorrichtung der bewegbaren Vorrichtung in Abhängigkeit der von dem Abtastorgan erzeugten Impulse, wozu ein geeignetes Steuerprogramm in der Steuervorrichtung vorgesehen wird. Hierdurch läßt sich eine große Anzahl von Meß­ stellen automatisch abtasten, um die erforderliche Datenmenge zur Bestimmung der Korrekturgrößen bereitzustellen.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein Werkstück in definierter Lage in der Vorrichtung als Prüfkörper angeordnet. Weiterhin wird ein Bearbeitungs­ werkzeug, beispielsweise ein Fräswerkzeug, als Prüforgan an der Vorrichtung relativ bewegbar zu dem Prüfkörper angebracht. Mit Hilfe des Bearbeitungswerkzeuges wer­ den dann an den Meßstellen Kalibrierbearbeitungen an dem Werkstück vorgenom­ men, wobei an den jeweiligen Endpositionen des Bearbeitungswerkzeuges, die auch als Meßstellen dienen, die Erfassung der die Lage der Vorrichtung repräsentierenden Parameter, beispielsweise der Stellgrößen der kinematischen Struktur, erfolgt. Nach­ dem sämtliche Kalibrierbearbeitungen an dem Werkstück durchgeführt worden sind, um so beispielsweise eine Vielzahl verschiedener Meßstellen zu erzeugen, wird das Werkstück bzw. die Endpositionen der jeweiligen Kalibrierbearbeitungen vermessen, um so Lage- und Winkelformationen als Ist-Werte für die jeweiligen Meßstellen zu bestimmen. Diese Ist-Werte finden dann wiederum Eingang in das bereits oben er­ wähnte, lineare Gleichungssystem, mit dem die Korrekturgrößen berechnet werden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausführungsform wird zur Anbringung der Kalibrierbearbeitungen ein Schaftfräser verwendet. Mit den hergestellten Kali­ brierbohrungen lassen sich fünf Koordinaten für eine Meßstelle bestimmen. Die feh­ lende sechste Koordinate kann während der Bearbeitung mit einer zusätzlichen Meßeinrichtung, z. B. unter Verwendung eines Spiegels und Messung der Ablenkung eines Laserstrahls, bestimmt werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Unteransprü­ chen angegeben.

Im folgenden wird nun die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Diese zeigt in

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Abtastorgans,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Meßstelle mit dem Abtastorgan in einer Endposition,

Fig. 3 eine räumliche Darstellung eines Prüfkörpers mit mehreren Meßstellen,

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Beispiels einer Hexapod- Werkzeugmaschine, und

Fig. 5 die Koordinatentransformationen der Maschine von Fig. 4.

Das Verfahren wird im folgenden mit Bezug auf eine herkömmliche Hexapod- Werkzeugmaschine beschrieben, die ein Beispiel für eine Struktur mit Parallelkinema­ tik darstellt. Bei einer solchen Hexapod-Werkzeugmaschine, wie sie beispielsweise in der DE 196 36 099 oder der DE 196 36 102 vorgeschlagen ist, ist ein Träger, an dem beispielsweise ein Bearbeitungswerkzeug wie ein Fräser vorgesehen ist, über sechs in ihrer Länge verstellbare Streben an einer Gestellbasis gelenkig gelagert. Die Bewe­ gungsvorrichtungen zur Längenverstellung der einzelnen Streben können z. B. als Elektromotoren ausgebildet sein. An dem Träger ist eine Bearbeitungsvorrichtung vorgesehen, deren Hauptspindel durch einen weiteren Motor angetrieben wird. Zur Steuerung des Bewegungsablaufs des Trägers wird üblicherweise eine Bedieneinheit vorgesehen, die mit der Hexapod-Werkzeugmaschine gekoppelt ist. Über diese Be­ dieneinheit kann einerseits ein Ablaufprogramm eingegeben werden und andererseits während des Betriebs Einfluß auf den Bewegungsablauf genommen werden. Die Ein­ gabe des Ablaufprogramms sowie dessen Verarbeitung erfolgt dabei in den Koordina­ ten eines orthogonalen Koordinatensystems X, Y, Z, A, B, C (drei translatorische Koordi­ naten und drei rotatorische Koordinaten). Hingegen definieren die Streben ein nicht orthogonales Koordinatensystem L₁, L₂ bis L₆, so daß zur Einstellung der Sollgrößen der Bewegungsregelung eine Koordinatentransformation J bzw. T erforderlich ist (vgl. Fig. 4 und 5). Die Parameter der Transformationsmatrizen hängen von Geometriepa­ rametern der bewegbaren Vorrichtung, hier beispielsweise den Positionen der Ge­ lenkmittelpunkte und der Offset-Werte der Streben der Hexapod-Werkzeugmaschine ab.

Die Lage dieser Gelenkmittelpunkte wird konstruktiv vorgegeben. Sie ist somit grund­ sätzlich bekannt, jedoch aufgrund von Fertigungs- und Montagetoleranzen bei der Vorrichtung im zusammengebauten Zustand teilweise unbestimmt. Aus diesen Grün­ den muß die Vorrichtung im fertig montierten Zustand kalibriert werden. Gleichfalls kann, beispielsweise nach einem längeren Betrieb oder nach einem Transport oder Umbau der Vorrichtung eine Nachkalibrierung notwendig werden, um Abweichungen von den konstruktiv vorgegebenen Geometrieparametern zu korrigieren. Die korrigier­ ten Werte werden dann in den Transformationsmatrizen berücksichtigt, die bei Paral­ lelstrukturen wie Hexapodaufhängungen eine starke Koordinatenverkoppelung bein­ halten.

Zur Kalibrierung wird bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ein in seinen geo­ metrischen Abmessungen genauestens bekannter Prüfkörper 1, wie in Fig. 3 darge­ stellt, verwendet. Dieser Prüfkörper 1 (Meßplatte) wird in der zu kalibrierenden, bereits vollständig in der Arbeitsposition montierten Vorrichtung in definierter Lage befestigt. Der Prüfkörper 1 weist eine Mehrzahl von Meßstellen auf, deren Lage zueinander, d. h. deren Abstände und Winkel, exakt bekannt sind. In dem gezeigten Ausführungs­ beispiel sind als Meßstellen Ausnehmungen vorgesehen, deren Wände zur Bestim­ mung von rotatorischen Koordinaten zum Teil gegeneinander geneigt sind. Anstelle der Ausnehmungen können auch Aufbauten verwendet werden.

Die Orte der Meßstellen befinden sich sowohl am Rand als auch in der Nähe der Mitte der Meßstelle. Mehrere dieser Meßstellen besitzen geneigte Grundplatten. Die Nei­ gungen erfolgen vorzugsweise um beide Achsen einer als Montageebene für den Prüfkörper, d. h. die Meßplatte, fungierenden Tischebene des Maschinenteils, jeweils in beide Richtungen.

Zur Kalibrierung wird weiterhin an einem relativ zu dem Prüfkörper 1 bewegbaren Teil der Vorrichtung ein Prüforgan in Form eines Abtastorgans 2 (Meßtaster) angebracht, das mit dem Prüfkörper bzw. dessen Meßstellen zusammenwirkt. Bei einer Hexapod- Werkzeugmaschine kann der Meßtaster 2 in die Spindel des Bearbeitungswerkzeuges eingespannt werden. Der Meßtaster 2 zum Abtasten der Meßstellen des Prüfstücks ist in Fig. 1 schematisch dargestellt. Der Meßtaster 2 weist einen Mittelstab 3 auf, der mit einem Ende mit der bewegbaren Vorrichtung verbunden wird, und an seinem gegen­ überliegenden Ende drei sich gleich beabstandet radial erstreckende Arme bzw. Querstreben 4 aufweist. Die Querstreben sind sämtlich in einer gemeinsamen Ebene angebracht, vorzugsweise unter einem Winkelabstand von 120° und weisen jeweils an ihrem Ende als Taststück je eine Kugel 5 auf, wobei alle Kugeln 5 den gleichen Durchmesser und den gleichen Abstand zu dem Mittelstab 3 besitzen, so daß die Mittelpunkte der Kugeln 5 in einer Ebene senkrecht der Spindelachse liegen. Die Querstreben 4 und Kugeln 5 sind dabei so dimensioniert, daß diese in an dem Prüf­ körper (Meßplatte) vorgesehene Aussparungen an den Meßstellen eingreifen können, wie in Fig. 2 gezeigt. Diese Aussparungen besitzen eine sehr genau gefertigte Grund­ fläche 6, eine Seitenwand 7, an die zwei Kugeln 5 des Abtastorgans 2 angelegt wer­ den können, sowie eine weitere Seitenwand 8 senkrecht zu der ersten Seitenwand 7, die ebenfalls der Anlage der Kugeln 5 dient. Wie in Fig. 3 für die mittigen Meßstellen gezeigt, kann eine solche auch aus einer Fig. 2 entsprechenden Anordnung bestehen, die um eine in der Aufspannebene (Montageebene) des Prüfkörpers 1 verlaufende Achse gekippt ist.

Nach dem Anbringen des Prüfkörpers 1 und des Prüforgans 2 in der bewegbaren Vorrichtung erfolgt der eigentliche Kalibriervorgang unter Verwendung eines Steueral­ gorithmus, mit dem das Prüforgan 2 nacheinander an verschiedenen Meßstellen des Prüfkörpers so positioniert wird, daß das Prüforgan-an jeder der Meßstellen eine in allen sechs Koordinaten definierte Stellung einnimmt, womit für jede Meßstelle die La­ ge-Istwerte des Tasters aufgrund der bekannten Geometrie des Prüfkörpers 1 eben­ falls bekannt sind.

Das Prüforgan ist hier ein Abtastorgan 2 (Meßtaster) und derart ausgebildet, daß die­ ses bei Auslenkung aus seiner Referenzposition einen Impuls abgibt. Mit Hilfe der Im­ pulse des Abtastorgans 2 an den Steueralgorithmus wird die Vorrichtung solange ite­ rativ bewegt, bis das Abtastorgan 2 bezüglich einer Meßstelle seine ihm eigene Refe­ renzstellung einnimmt, d. h. gerade keinen Impuls mehr aussendet. Dazu wird das Abtastorgan 2 zunächst zügig in die Nähe einer abzutastenden Meßstelle des Prüf­ körpers 1 gefahren, in der bei Berücksichtigung von Toleranzen der nicht kalibrierten Anordnung noch keine Berührung des Abtastorgans 2 mit dem Prüfkörper 1 erfolgt bzw. erwartet wird.

Anschließend wird zunächst eine Koordinatenrichtung ausgewählt, z. B. die translatori­ sche Koordinatenrichtung senkrecht zu der Grundfläche der Meßstelle (vgl. Fig. 2). Danach wird das Abtastorgan geradlinig auf den Prüfkörper 1 zubewegt, bis dieses einen Impuls abgibt. Nach Auslösen des Impulses erfolgt sofort eine Bewegung in die Gegenrichtung, bis keine Berührung mehr vorliegt. Anschließend erfolgt nacheinander eine Bewegung um diejenigen Drehachsen, die parallel zu der Grundfläche der Meß­ stelle liegen. Durch die Auswertung der Stellen, an denen Berührungsimpulse erzeugt werden, werden die Winkel, die die Spindelachse bzw. der Mittelstab 3 des Abtastor­ gans mit der Grundfläche bildet, ermittelt. Die Stellung der Spindelachse wird dabei mit Hilfe des Steueralgorithmus solange iterativ korrigiert, bis die Achse des Mittelsta­ bes 3 senkrecht auf der Grundfläche steht, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist.

Anschließend erfolgt eine Annäherung des Abtastorgans 2 an die Seitenwand 7 in Fig. 2. Dabei wird die Winkelstellung zur Grundfläche 9 der Meßstelle wieder überprüft und gegebenenfalls korrigiert.

In einem dritten Schritt wird das Abtastorgan an die weitere Seitenwand 8 in Fig. 2 an­ genähert. Die bisher eingestellten Lagen werden dabei nochmals geprüft und gegebe­ nenfalls mit Hilfe des Steueralgorithmus iterativ korrigiert.

Am Ende dieser Prozedur befindet sich das Abtastorgan dann in seiner Referenzstel­ lung für die betreffende Meßstelle, so daß die Lage-Istwerte des Abtastorgans 2 für alle sechs Koordinaten genau bekannt sind.

In dieser Stellung werden dann die die Lage der Vorrichtung repräsentierenden Para­ meter, vorzugsweise die variablen Stellgrößen der kinematischen Struktur, z. B. die Meßwerte der Strebenlängen oder die Stellung der Linearmotoren der Hexapod- Lagerung erfaßt, für die betreffende Meßstelle gespeichert und den Ist-Werten des Abtastorgans für die betreffende Meßstelle zugeordnet.

Dieser Vorgang der Datenerfassung wird für mehrere Meßstellen mit demselben Ab­ tastorgan 2 an der bewegbaren Vorrichtung im voll montierten Zustand durchgeführt.

Da die konstruktive Auslegung der bewegbaren Vorrichtung grundsätzlich bekannt ist, läßt sich ein das Bewegungsverhalten abbildendes Gleichungssystem aufstellen, in dem die fertigungs- bzw. montagebedingten Fehlergrößen als unbekannte Korrektur­ größen enthalten sind. Dieses Gleichungssystem kann in einem Korrekturmodul in die Steuervorrichtung integriert werden. Durch Einsetzen der für die einzelnen Meßstellen erfaßten Lageparameter lassen sich unter Berücksichtigung der Ist-Werte für das Ab­ tastorgan bei Abtastung einer ausreichenden Anzahl von Meßstellen die Korrektur­ werte durch Lösung des Gleichungssystems bestimmen.

Die ermittelten Korrekturwerte werden dann in einem Speicher der Steuervorrichtung gespeichert. Von dort stehen sie für die mit der Steuerung zu verwirklichenden Koor­ dinaten-Transformationen J bzw. T zur Verfügung, so daß auf diese Weise fertigungs- und montagebedingte Lagetoleranzen von das Bewegungsverhalten der Vorrichtung beeinflussenden Geometrieparametern in der Steuerung kompensiert werden.

In einer alternativen Ausführungsform wird anstelle des in definierter Lage befestigten, geometrisch genau bekannten Prüfkörpers ein Werkstück, beispielsweise eine Me­ tallplatte, in genau definierter Lage in der bewegbaren Vorrichtung aufgespannt und an mehreren Meßstellen einer Kalibrierbearbeitung unterworfen. In diesem Fall wird als Prüforgan ein Bearbeitungswerkzeug, beispielsweise im Fall einer Hexapod- Werkzeugmaschine, ein Schaftfräser verwendet, der in die Hauptspindel eines relativ zu dem Werkstück bewegbaren Teils der bewegbaren Vorrichtung eingespannt ist.

Mit dem Schaftfräser werden dann eine Anzahl von kreisförmigen Kalibrierausneh­ mungen bzw. an dem als Meßplatte fungierenden Werkstück hergestellt, die jeweils eine Meßstelle im Sinne des ersten Ausführungsbeispiels darstellen. Für jede Meß­ stelle wird das Bearbeitungswerkzeug ausschließlich geradlinig entlang einer Vor­ schubachse in das Werkstück vorgetrieben, bis der Vorschub an einer Endposition eingestellt wird. In dieser Stellung werden, wie in dem ersten Ausführungsbeispiel die die Lage der bewegbaren Vorrichtung repräsentierenden Parameter, beispielsweise die Stellgrößen der einzelnen Vorschubantriebe erfaßt und der betreffenden Meßstelle zugeordnet gespeichert. Dieser Vorgang wird wieder für eine Vielzahl von Meßstellen wiederholt, wobei die Vorschubachsen für verschiedene Meßstellen auch zueinander geneigt werden können.

Im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel erfolgt die Bestimmung der Lage- Ist-Werte des Prüforgans in den Koordinatenrichtungen durch eine genaue Vermes­ sung der Kalibrierbearbeitungen zueinander. Zur Bestimmung der translatorischen Lageparameter werden die Mittelpunkte der gefrästen Aussparungen herangezogen. Aus der Neigung des Bodens der Aussparung lassen sich zwei weitere rotatorische Koordinaten bestimmen, so daß insgesamt jeder Aussparung fünf Koordinatenwerte zugeordnet werden können. Die fehlende sechste Koordinate kann während der Kali­ brierbearbeitung mit einer zusätzlichen Meßeinrichtung, z. B. unter Verwendung eines Spiegels, und Messung der Ablenkung eines Laserstrahls bestimmt wird. In diesem Fall wird die Entkopplung der resultierenden Gleichungen zur Berechnung der Korrek­ turwerte in gleicher Weise erreicht, wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel.

Wird auf die Bestimmung der sechsten Koordinate verzichtet, ist das resultierende Gleichungssystem ebenfalls lösbar, jedoch vergrößert sich der Restfehler etwas.

Claims (19)

1. Verfahren zur Kalibrierung einer bewegbaren Vorrichtung mit mindestens ei­ nem teilweise unbestimmten Geometrieparameter mit den folgenden Verfah­ rensschnritten:

• 1. Anordnen eines Prüfkörpers in der zu kalibrierenden, montierten Vorrichtung;
• 2. Anbringen eines Prüforgans an einem relativ zu dem Prüfkörper bewegbaren Teil der Vorrichtung, zum Zusammenwirken mit dem Prüfkörper an mehreren Meßstellen;
• 3. Bewegen der Vorrichtung, bis das Prüforgan eine definierte Lage bezüglich ei­ ner Meßstelle einnimmt;
• 4. Erfassen der die Lage der Vorrichtung repräsentierenden Parameter an dieser Meßstelle und Zuordnen dieser Lageparameter zu der Meßstelle;
• 5. Wiederholen der Verfahrensschritte (3) und (4) für weitere Meßstellen;
• 6. Ermittlung von Korrekturgrößen für das Bewegungsverhalten der Vorrichtung beeinflussende Geometrieparameter durch Einsetzen der für die Meßstellen erfaßten Lageparameter in ein Gleichungssystem, das das Bewegungsverhal­ ten der Vorrichtung repräsentiert;
• 7. Korrigieren der Geometrieparameter des Gleichungssystems mit den Korrek­ turwerten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein in seinen Ab­ messungen bekannter Prüfkörper an der Vorrichtung angeordnet wird; als Prüforgan ein Abtastorgan verwendet wird, das eine ihm eigene Referenzstellung aufweist; und die Vorrichtung bewegt wird, bis das Abtastorgan an einer als Abtaststel­ le des Prüfkörpers ausgebildeten Meßstelle seine ihm eigene Referenzstellung ein­ nimmt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abta­ storgan verwendet wird, das bei Auslenkung einen Impuls abgibt, und daß zur Annä­ herung an die Referenzposition des Abtastorgans bezüglich einer ausgewählten Ko­ ordinatenrichtung das Abtastorgan nach Aussendung eines Impulses zurückbewegt wird, bis keine Auslenkung mehr vorliegt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuervor­ richtung zur Bewegung der bewegbaren Vorrichtung mit dem Abtastorgan derart ge­ koppelt ist, daß erstere in Abhängigkeit der von dem Abtastorgan erzeugten Impulse bezüglich der jeweiligen Koordinatenrichtung bewegt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst eine translatorische Koordinate als Referenzposition des Abtastorgans ange­ fahren wird und anschließend diejenigen rotatorischen Koordinaten bestimmt werden, deren Achsen in einer Normalebene der zunächst angefahrenen translatorischen Ko­ ordinate liegen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abtastorgan zur Erfassung von allen sechs Raumkoordinaten verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Prüfkörper verwendet wird, der mehrere Meßstellen aufweist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Werkstück in definierter Lage in der Vorrichtung als Prüfkörper angeordnet wird;
ein Bearbeitungswerkzeug, beispielsweise ein Fräswerkzeug als Prüforgan an der Vorrichtung angebracht wird;
an den Meßstellen mit dem Bearbeitungswerkzeug Kalibrierbearbeitungen an dem Werkstück vorgenommen werden und an jeweiligen Endpositionen des Bearbeitungs­ werkzeuges an den Meßstellen die Erfassung der die Lage der Vorrichtung repräsen­ tierenden Parameter erfolgt; und daß nach den Kalibrierbearbeitungen diese an dem Werkstück vermessen werden zur Bestimmung der Lage der Meßstellen zur Ermitt­ lung der Korrekturgrößen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Kalibrierbear­ beitung eine kreisförmige Aussparung hergestellt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die räumliche La­ ge des Mittelpunktes des Bodens der Aussparung vermessen wird, sowie die Neigung des Bodens in zwei Richtungen.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Koordinate für die jeweilige Meßstelle durch eine separate Meßeinrich­ tung während der Kalibrierbearbeitung ermittelt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierbearbeitungen entlang einer einachsigen, geradlinigen Vorschubrichtung des Bearbeitungswerkzeuges in die Endposition erfolgt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Vermessung des Werkstückes außerhalb der Vorrichtung erfolgt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Kalibrierbearbeitung an einer Meßstelle unter einem Anstellwinkel der Vorschubbewegung gegenüber einer Aufspannebene des Werkstückes ausgeführt wird, der sich von dem Anstellwinkel einer weiteren Meßstelle unterscheidet.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungssteuerung der Vorrichtung durch ein Bewegungsablaufprogramm er­ folgt, wobei die mit dem Ablaufprogramm definierten Bewegungen in einem ersten Koordinatensystem, vorzugsweise einem orthogonalen Koordinatensystem, vorgege­ ben sind, hingegen die Stellglieder der Vorrichtung ein zweites Koordinatensystem, beispielsweise nicht-orthogonales Koordinatensystem bilden, und daß die Koordina­ tentransformation zwischen den beiden Koordinatensystemen die Korrekturwerte be­ rücksichtigt.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß als Stellgrößen der Stellglieder der Vorrichtung als die Lage der Vorrichtung repräsen­ tierenden Parameter verwendet werden.

17. Einrichtung zur Kalibrierung einer Vorrichtung nach zumindest einem der An­ sprüche 1 bis 16, gekennzeichnet durch ein Prüforgan in Einspannung in der Vor­ richtung und einen mit der Vorrichtung verbindbaren Prüfkörper mit Meßstellen, die mehrachsige Meßstellen bilden, und einer Positionserfassungseinrichtung für das Prüforgan unter Einsatz einer Maschinensteuerung der Vorrichtung.

18. Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Prüforgan ein Meßtaster (2) mit kugelförmigen, in einer Ebene angeordneten Taststücken (5) ist, wobei die Taststücke (5) äquidistant zu einer Hauptachse der Vorrichtung, vorzugs­ weise unter einem Winkelabstand von 120° in Umfangsrichtung, angeordnet sind.

19. Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Prüforgan ein Bearbeitungswerkzeug für ein Probewerkstück ist, zur Schaffung von Meßstellen an dem Probewerkstück unter einachsigem Vorschub des Bearbeitungswerkzeugs zur externen Vermessung der Meßstellen des Probewerkstückes.