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Prüfnormal zur summarischen Genauigkeitsprüfung
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von Mehrkoordinaten-Meßgeräten Die Erfindung betrifft ein Prüfnormal
zur summarischen Genauigkeitsprüfung von Mehrkoordinaten-Meßgeräten nach dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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Nach Wissen der Anmelderin sind bisher lediglich im wesentlichen zweidimensionale
Prüfnormale bekannt; das heißt, sie enthalten lediglich eine einzige Meßpunktebene.
Mit einem solchen Prüfnormal können lediglich Genauigkeitsaussagen beim Messen unter
Ausnutzung lediglich zweier Koordinaten eines Meßgerätes gewonnen werden. Die praxis
zeigt aber, daß damit die Meßgenauigkeit eines Mehrkoordinaten-Meßgerätes nur unzureichend
beurteilt werden kann, selbst wenn man mit einem solchen ebenen Prüfnormal eine
Überprüfung in verschiedenen Raumebenen wiederholt. Es bleibt dabei stets eine der
drei Meßkoordinaten ungenutzt und ein möglicher Fehler innerhalb dieser einen Koordinate
bleibt bei der Genauigkeitsüberprüfung außer Betracht.
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Zwar ist es durch eine raumschräge Anordnung eines ebenen Prüfnormales
auf dem Meßtisch möglich, alle drei Bewegungsmöglichkeiten des Meßgerätes gleichzeitig
in die Überprüfung einzubeziehen. Nachteilig an dieser Vorgehensweise ist jedoch,
daß bei einer raumschrägen Anordnung die exakte absolute Lage der einzelnen Meßpunkte
unbekannt ist; lediglich deren Relativlage zueinander ist bekannt. Selbst wenn also
die Vermessung eines solchen raumschräg angeordneten Prüfnormales die gegenseitige
Relativlage der Meßpunkte mit genügender Genauigkeit bestätigen würde, so könnte
gleichwohl noch ein Absolutfehler in der Messung enthalten sein, der unerkannt bliebe.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Prüfnormal zu schaffen, welches
verläßliche und praxisnahe Aussagen über die Meßgenauigkeit beim gleichzeitigen
Zusammenspiel bzw. Verwendung von wenigstens drei Bewegungsmöglichkeiten eines Mehrkoordinaten-Meßgerätes
liefert.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale
von Anspruch 1 gelöst. Dank der gegenseitig winkligen und unverrückbaren Anordnung
von wenigstens zwei verschiedenen Meßpunktebenen innerhalb eines Prüfnormales wird
zum einen ein dreidimensional sich erstreckendes Prüfnormal erreicht; dank der Anordnung
der einzelnen Meßpunkte in Meßpunktebenen ist jedoch nach wie vor eine unerläßliche
extrem genaue Urvermessung des Prüfnormales möglich. Die tatsächliche Lage der einzelnen
Meßpunkte muß ja um wenigstens eine Größenordnung genauer bekannt sein als die Meßgenauigkeit
der genauesten mit dem Prüfnormal zu überprüfenden
Meßmaschine.
So genaue Urvermessungen lassen sich jedoch nach Wissen der Anmelderin bei den heutigen
Möglichkeiten und bei vertretbarem Aufwand nur innerhalb einer Ebene vornehmen;
die dritte quer zu dieser Ebene stehende Raumkoordinate kann nur im Bereich weniger
Millimeter zusätzlich so genau erfaßt werden. Lediglich zur Ermittlung der genaue
gegenseitigen Relativlage der verschiedenen Meßpunktebenen muß ein erhöhter meßtechnischer
Aufwand zur Urvermessung ge trieben werden. Damit liegen jedoch dann sämtliche Meßpunkte
und Meßflächen des räumlichen Prüfnormak3 in ihrer Lage innerhalb eines dem Prüfnormal
zugeordneten Bezugssystem exakt fest. Durch Anordnung von verschiedenen Meßpunktebenen
an einem würfel- oder quaderförmigen Prüfnormal wird auch ein besserer Bezug zu
den praktischen Meßaufgaben hergestellt; dort geht es ja ebenfalls meist um die
Ermittlung von Bohrbildern, die in räumlich unterschiedlich liegenden Ebenen eines
sich räumlich erstreckenden Gegenstandes angeordnet sind.
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Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen des Prüfnormales sowie weitere
Vorteile können den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung zweier
in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele entnommen werden; dabei zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines räumlichen Prüfnormales aus Gußwerkstoff,
Fig. 2 ein weiteres raumschräg auf einem Meßtisch angeordnetes Ausführungsbeispiel
eines räumlichen Prüfnormales aus Hartgestein und
Fig. 3 - 6 vier
verschiedene Ausführungsbeispiele für auf die Wandung des Prüfnormales aufsetzbare
bzw. in sie einlaßbare genau gefertigte geometrische Körper, die die einzelnen Meßpunkte
repräsentieren.
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In Fig. 1 ist ausschnittsweise ein Mehrkoordinaten-Meßgerät 5 angedeutet
mit einem Meßtisch 2, der das Prüfnormal 1 aufnimmt, sowie einer senkrecht zum Meßtisch
auf und ab sowie parallel zur Meßtischebene verfahrbaren Meßpinole 3, die einen
Meßtaster 4 trägt. Das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel eines Prüfnormales
ist parallel zu den Koordinaten des Meßgerätes auf dem Tisch aufgesetzt. Es hat
lediglich zwei rechtwinklig zueinander liegende Meßpunktebenen 6 und 7, von denen
die eine (6) parallel zur Tischebene liegt. Jede Meßpunktebene weist mehrere Meßpunktstellen
9 auf, die durch einen in Fig. 3 näher gezeigten genau bearbeiteten Bohrungs/Konus-Einsatz
12 gebildet sind. Diese Einsatzkörper sind in die Wandung 23 des Prüfnormales in
stark unterkühltem Zustand eingeschrumpft und anschließend besonders genau auf Fertigmaß
geschliffen. Er weist eine Bohrungsfläche 19 sowie eine gleichachsig dazu liegende
nach außen weisende Konusfläche 18 auf, die nach außen hin durch eine genau rechtwinklig
zur Achse 24 der Bohrung bzw. des Konus liegende Stirnfläche 17 begrenzt ist. Der
Schnittpunkt der Bohrungs-bzw. Konusachse 24 mit der Ebene der Stirnfläche 17 gibt
einen Meßpunkt 11 vor. Da die Bohrungs/Konus-Einsätze 12 besonders vielseitig antastbar
sind, ist an dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 nur eine einzige Art von Meßpunktstellen
9, nämlich ausschließlich Bohrungs/Konus-Einsätze vorgesehen.
Die
Stärke des aus der Wandung 23 herausstehenden Bundes des Bohrungs/Konus-Einsatzes
kann bewußt unterschiedlich stark gewählt werden, wie dies in Fig. 3 durch unterschiedliche
Stricharten angedeutet ist. Dadurch kommt eine gewisse Variation der Lage der Meßpunkte
11 an den verschiedenen Meßpunktstellen in Relation zu einem beispielsweise durch
eines der Meßpunktstellen vorgegebenen Bezugniveaus 31 der betreffenden Meßpunktebene
zustande.
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Die Konusfläche 18 ist in Achsrichtung (24) relativ lang gestaltet,
so daß bei einem durchaus möglichen Taumelfehler der Konus achse gegenüber der Zylinderachse
bzw. gegenüber der exakten Lotrichtung auf der Bezugsebene 31 durch die Konusfläche
18 eine gewisse Meßfläche vorgegeben ist, deren genaue Form und Lage durch eine
Mehrfachantastung ermittelt werden kann. Hierdurch ist dem zu überprüfenden Mehrkoordinaten-Meßgerät
eine besonders harte Aufgabe gestellt, da sie die relativ kleinen Form-bzw. Lageabweichungen
erkennen muß.
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Außer den Meßpunktstellen 9 sind innerhalb einer jeden Meßpunktebene
noch Lineale 1o vorgesehen, die mit einer genau bearbeiteten antastbaren Oberfläche
parallel zur Meßpunktebene, beispielsweise innerhalb des Bezugsniveaus 31 verlaufen.
Diese Lineale, die beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 T-förmig innerhalb einer
Meßpunktebene zueinander angeordnet sind, dienen zum einen dazu, das Prüfnormal
auf dem Meßtisch in bestimmter Weise auszurichten bzw.
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seine gerade vorliegende Lage auf dem Meßtisch genau zu ermitteln.
Hierzu sind an den Linealen bestimmten Antaststellen besonders hervorgehoben. Darüber
hinaus dienen die
Lineale aber auch dem Zweck, eine große im wesentlichen
eben sich erstreckende Meßfläche vorzugeben, deren wenn auch sehr kleine, jedoch
unvermeidliche Formabweichungen von der exakten ebenen Form - diese Formabweichungen
sind ebenfalls für jedes einzelne Prüfnormal und für jedes einzelne Lineal bekannt
- einem zu überprüfenden Meßgerät ebenfalls als besonders schwierige Erkennungsaufgabe
gestellt werden kann.
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Das Prüfnormal nach Fig. 1 ist - wie gesagt - aus Gußwerkstoff hergestellt
und als Hohlkörper ausgebildet. Durch künstliche Alterung ist dafür gesorgt, daß
das Material besonders spannungsfrei ist, so daß durch Lagerung oder Temperaturschwankungen
keine oder nur vernachlässigbare Formänderungen am Prüfnormal auftreten. Durch eine
gute Verrippung und Äussteifung ist außerdem für e.ne Formstabilität auf konstruktivem
Wege gesorgt. Die den Meßpunktebenen gegenüberliegenden Flächen des im wesentlichen
quaderförmig aufgebauten Prüfnormales sind mit großflächigen Aussparungen 29 versehen,
so daß auch im Innern des Prüfnormales Meßpunkte und Meßflächen angeordnet werden
können. Diese Meßpunkte bzw. -flächen sind nur mit weit ausladenden Seitentastern
erreichbar; eine solche Aufgabe stellt sich in der Praxis ebenfalls häufig genug,
so daß also durch eine derartige Ausgestaltung ebenfalls eine praxisnahe Genauigkeitsüberprüfung
mit dem Prüfnormal möglich ist.
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Das in Fig. 2 dargestellte weitere Ausführungsbeispiel eines Prüfnormales
1' weist drei Meßpunktebenen 6', 7' und 8 auf, die alle drei zueinander rechtwinklig
stehen und den verschiedenen Raumrichtungen bzw. Koordinatenebenen
entsprechen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Meßpunktst-ellen 9' innerhalb einer Meßpunktebene
unterschiedlich gestaltet. Die Lineale 10' sind an den Kanten des Prüfnormales angeordnet
und sind zueinander L- bzw. U-förmig innerhalb einer Meßpunktebene angeordnet. Auf
der Unterseite des Prüfnormales sind drei Kugelfüße 28 angeordnet. Durch die Anzahl
von drei Kugelfüßen ist sichergestellt, daß in jedem Fall eine eindeutige und verwacklungsfreie
Aufstellung des Prüfnormales auf eine Unterlage gegeben ist. Die Ausgestaltung der
Füße als Kugelfüße ermöglicht es, durch Verwendung unterschiedlich großer Untersätze
30 unter jedem Fuß eine raumschräge Anordnung des Prüfnormales auf dem Meßtisch
vorzugeben. Bei Verwendung von sehr genau gearbeiteten Untersatzstücken 30 kann
die Schräglage des Prüfnormales durch diese Maße genau vorgegeben werden, so daß
die Istlage der einzelnen Meßpunkte im Raum dadurch genau bekannt ist.
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Außer Bohrungs/Konus-Einsätzen 12 sind an den Meßpunktstellen die
Meßpunkte auch durch andere Aufsatzkörper bei dem Prüfnormal 1' vorgegeben. Die
Fig. 4 zeigt vergrößert einen Kugelaufsatz 13, bei dem der Meßpunkt 11 durch den
Mittelpunkt der antastbaren Kugelfläche 22 vorgegeben ist. Dieser hat erkennbar
einen deutlichen Abstand gegenüber dem Bezugsniveau 31 der entsprechenden Meßpunktebene.
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Weiterhin sind an den einzelnen Meßpunktebenen des Prüfnormales 1
Würfelaufsätze 16 unverrückbar fest angebracht, deren Kanten parallel zu den Linealen
10 liegen.
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Der Meßpunkt, der diesen Meßstellen zugeordnet ist, kann entweder
definiert sein durch den Mittelpunkt einer Flachseite des Würfels oder durch den
Mittelpunkt des ganzen Würfels selber. Auch der Würfel selber kann als Meßfläche
dienen, womit der zu-überprüfenden Meßmaschine die Aufgabe gestellt ist, etwaige
Formabweichungen des Würfelaufsatzes von der exakten Würfelform zu erkennen.
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Fig. 5 zeigt schließlich einen Zylinderaufsatz 15, bei dem der Meßpunkt
11 durch die Achse 25 der Zylinderfläche 20 und die Stirnfläche 17 definiert ist.
Auch dieser Zylinderaufsatz kann außer einem einzelnen Meßpunkt auch eine zu vermessende
Oberfläche, nämlich die Zylinderfläche 20 vorgeben.
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Als weiteres können auch Kegelaufsätze 15 angebracht sein, wie sie
Fig. 6 zeigt. Im Vordergrund des Interesses bei dieser Art der Aufsatzkörper steht
weniger ein Meßpunkt 11, der durch die gedachte Kegelspitze definiert sein kann;
er ergibt sich als Schnittpunkt der Kegelachse 26 mit einer Mantellinie der Kegelfläche
21. Bei der Verwendung von Kegelaufsätzen interessiert in erster Linie die Kegelfläche
21 selber, die einschließlich etwaiger Lage- und Formfehler genau bekannt ist und
die von einem zu üferprüfenden blehrkoordinaten-Meßgerät nachvermessen werden soll.
Derartige Meßflächen dienen auch zur Überprüfung von aktiven Tastsystemen.
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Bei der Entwicklung von Hubkolbenmaschinen kommt es häufig vor, daß
Zylinderbohrungen in den Kurbelgehäusen derartiger Maschinen nach Form und Lage
genau vermessen werden müssen. Um auch eine solche Meßaufgabe mit dem Prüfnormal
praxisnah simulieren zu können, ist bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 in die
beiden Meßpunktebenen 6' und 7£ jeweils eine zylindrische Meßfläche 27 in den Körper
des Prüfnormales eingearbeitet, die sich senkrecht zur jeweiligen Meßpunktebene
erstreckt. Trotz einer möglichst genauen Fertigung dieser zylindrischen Meßfläche
wird auch sie gegenüber einer exakten Zylinderform und gegenüber der genauen Normallage
gewisse Form- und Lagefehler aufweisen.
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Ein zu überprüfendes Mehrkoordinaten-Meßgerät muß dann nicht nur dle
Lage dieser zylindrischen Meßfläche als Ganzes bestimmen, sondern auch die Lage-
und Formfehler möglichst genau reproduzieren. Die zylidrische Meßfläche 27 kann
bei einer monolithischen massiven Ausführung des Körpers des Prüfnormales aus Hartgestein
unmittelbar in dieses eingearbeitet sein. Stattdessen kann jedoch auch eine Büchse
aus gehärtetem Stahl od. dgl. in den Körper des Prüfnormales eingezogen sein. Eine
solche Ausgestaltung wird sich vor allen Dingen bei einer Gußausführung des Prüfnormales
nach dem Vorbild von Fig. 1 empfehlen.
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