DE3784047T2

DE3784047T2 - Kalibrierungsverfahren für ein Koordinatenmessgerät und ähnliche Geräte.

Info

Publication number: DE3784047T2
Application number: DE3784047T
Authority: DE
Inventors: Frederick K Bell; Gary E Brazier; Stephen N Brown
Original assignee: Warner and Swasey Co
Current assignee: Warner and Swasey Co
Priority date: 1987-01-20
Filing date: 1987-12-01
Publication date: 1996-08-22
Anticipated expiration: 2007-12-02
Also published as: DE3784047D1; US4819195A; EP0275428A2; EP0275428B2; JPS63182509A; DE275428T1; CA1286382C; EP0275428A3; EP0275428B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren einer Koordinatenmeßmaschine (CMM) und dergleichen und insbesondere ein Verfahren zum Kalibrieren einer CMM, wobei als Ergebnis der Kalibrierung das gesamte Meßvolumen der CMM während ihres Betriebs kompensiert wird.
Mit der Einführung von numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen hat sich die Notwendigkeit einer Einrichtung zur Unterstützung dieser Anlagen mit einer schnelleren Erststückprüfung und in vielen Fällen auch mit einer 100%igen Maßhaltigkeitsprüfung zunehmend ergeben. Mit Hinblick darauf wurde in den frühen 60iger Jahren die Koordinatenmeßmaschine (CMM) entwickelt. Eine CMM kann auch als Layout-Maschine vor der Bearbeitung eingesetzt werden und nach der Bearbeitung zur Kontrolle der Stellen, an denen sich die Bearbeitungsmerkmale befinden. In vielen Fällen spielt die CMM eine entscheidende Rolle bei der Mechanisierung des Prüfungsvorgangs.
Seit ihrer Entwicklung wurde die CMM immer häufiger eingesetzt, und zwar von der Automobilindustrie bis hin zur Luftfahrtindustrie. Obwohl sie einst als exotisches Werkzeug für die Sicherstellung der Qualitätskontrolle galt, ist sie nun sowohl in großen Fabriken als auch in Kleinbetrieben ein Nuß unter den Gerätschaften, und dies in erster Linie deshalb, weil man ein genaues Meßinstrument und eine detaillierte Dokumentation der hergestellten Bauteile benötigt.
In der Herstellung wird die CMM derzeit auf eine von drei Arten verwendet. Die einfachste Möglichkeit ist die Anordnung der CMM am Ende der Fertigungsstraße oder in einem Prüfbereich. Hier wird die CMM zur Prüfung des ersten Werkstücks einer Fertigungsreihe verwendet, um die Einstellung der Maschine nachzuprüfen. Sobald dies geschehen ist, werden die Werkstücke wahlfrei gemessen. Für viele Anwendungen bietet dies die beste Möglichkeit, um an die Prüfung heranzugehen.
Eine andere Möglichkeit ist die Eingliederung der CMM zwischen zwei Arbeitsstationen und dann die Messung von 100% der hergestellten Werkstücke an der ersten Station, bevor irgendwelche zweite Bearbeitungsvorgänge an der zweiten Arbeitsstation ausgeführt werden. Diese Möglichkeit besteht deshalb, weil CMMs dreidimensionale Geometrie messen und viele verschiedene Messungen in kurzer Zeit ausführen können. Wenn man diese Möglichkeit wählt, wird der Herstellungsprozeß durch die CMM indirekt gesteuert. Bei diesem Einsatz aber muß die CMM sozusagen "abgehärtet" werden, um in der Umgebung von Fertigungshallen die Funktion der Werkstückprüfung ausüben zu können.
Nach einer dritten Möglichkeit wird die CMM in das Fertigungsband integriert. Dies erlaubt eine direkte Steuerung des Fertigungsprozesses durch die CMM. Im Betrieb würde ein integriertes System das Werkstück messen, die Messungen mit den Sollmaßen vergleichen und, falls notwendig, die Maschinensteuerungen automatisch so einstellen, daß das Werkstück innerhalb der erforderlichen Spezifikationen hergestellt wird.
Eine Basis-CMM besteht aus vier Elementen: (1) der Maschinenkonstruktion, die im Prinzip eine X-Y-Z-Positioniervorrichtung ist; (2) dem Fühlersystem, das zur Erfassung von Teiloberflächen verwendet wird und für eine Eingabe in ein Steuersystem sorgt; (3) dem Steu ersystem, das eine Maschinensteuerung und Computer- Hardware beinhaltet; (4) der Software für dreidimensionale Geometrieanalyse. Die Meßhülle oder das Volumen wird definiert durch die X-, Y- und Z-Bewegung der Maschine.
Obwohl es eine Vielfalt von Maschinenkonstruktionen und -konfiguration gibt, arbeiten sie alle nach dem gleichen grundlegenden Konzept dreier Koordinatenachsen. Jede Achse ist idealerweise quadratisch in ihrem eigenen Verhältnis zu der durch die beiden anderen Achsen gebildeteten Bezugsebene. Jede Achse ist mit einem linearen Meßwandler für Positionsrückmeldung ausgestattet. Dadurch sind Positionsanzeigen innerhalb der Meßhülle unabhängig von irgendwelchen festen Bezugspunkten möglich.
Die gebräuchlichsten Bezugssysteme sind Stahllineale und Glasstäbe. Beide Systeme arbeiten mit kontaktfreien elektro-optischen Leseköpfen zur Bestimmung der exakten Position der Maschine. Stahl-Bezugssysteme werden weitgehend in Fertigungshallen eingesetzt, weil die Differenz zwischen dem Dehnungskoeffizienten des Stahllineals und jenem des Werkstücks minimal ist. Mit Glasstäben arbeitende Bezugssysteme werden wegen der Differenz zwischen dem Dehnungskoeffizienten von Glas und jenem des Metallwerkstücks im allgemeinen in kontrollierter Umgebung verwendet.
Der Maschinentisch enthält im allgemeinen Gewindebohrungen, die das Festspannen und Ausrichten von Teilen erleichtern. Wegen seiner Stabilität in verschiedenen Arbeitsumgebungen kann er aus Granit oder Stahl hergestellt sein.
Elektronische Meßfühler oder Festkörper-Meßfühler werden in den Meßfühlerarm oder -schaft eingesetzt, der gehalten ist durch eine Konsole, einen Brückenbock, Säulenelemente oder andere CMM-Arten. Die Führung der Bewegung des Meßfühlerarms erfolgt mittels reibungsfreier Luftlager oder mechanischer Lager.
Bei der Koordinatenmessung handelt es sich in charakteristischer Weise um einen dreidimensionalen Vorgang, der die Position von Löchern, Oberflächen, Mittellinien und Schrägen bestimmt. Bis zu sechs Seiten eines würfelförmigen Teils können ohne Umpositionierung des Teils geprüft werden.
Gemäß einer charakteristischen Vorgehensweise wird das Teil auf dem Tisch der CMM an einer beliebigen Stelle angeordnet. Im allgemeinen ist diese Lage etwa mittig zur Maschinenachse, so daß alle der mit dem Meßfühler zu prüfenden Teiloberflächen zugänglich sind. Je nach Größe des Teils und Art des verwendeten Meßfühlers kann ein Aufspannen des Teils auf den Maschinentisch erforderlich sein. Sollen ähnliche Teile mehrfach geprüft werden, so kann ein Bezugslagepunkt mit einem Bezugs- Präzisionswurfel oder einer Bezugs-Präzisionskugel erstellt werden. Der Neßfühler wird dann manuell oder unter Maschinensteuerung so lange bewegt, bis der Kontakt mit den gewünschten Merkmalen des Teils hergestellt ist. Leseköpfe, die an jeder Achse an eingebauten Achsen-Meßskalen entlangfahren, übertragen die momentane Maschinenposition über eine Digitalanzeige und zu einer Computer-Schnittstelle. Die dimensionsgerechten und geometrischen Elemente können dann berechnet, verglichen und ausgewertet oder aber, je nach Notwendigkeit, gespeichert oder ausgedruckt werden.
Einige der Vorteile der Verwendung von CMMs gegenüber herkömmlichen Kalibriertechniken sind Flexibilität, geringere Einrichtungszeit, verbesserte Genauigkeit, geringere Einflußnahme durch das Bedienungspersonal und verbesserte Produktivität.
CMMs müssen nicht irgendeiner einzelnen oder speziellen Meßaufgabe zugeteilt werden. Sie können praktisch jedes beliebige Dimensionsmerkmal beinahe jeder Konfiguration eines Teils messen, nämlich einschließlich Nocken, Zahnräder und konturierte Oberflächen.
Die Ausrichtung der Teile und die Erstellung geeigneter Bezugspunkte ist mit Hilfe von herkömmlichen Prüftechniken, bei welchen mit Anreißplatten gearbeitet wird, sehr zeitaufwendig. Diese Prozeduren werden weitgehend vereinfacht oder durch für computerunterstützte oder computergesteuerte CMMs verfügbare Software praktisch ausgeschaltet.
Durch diese Software kann das Bedienungspersonal die Ausrichtung des Teils an der CMM definieren, und alle Koordinatendaten werden nachfolgend automatisch auf jegliche Fehlausrichtung zwischen dem Bezugssystem des Teils und den Koordinaten der Maschine hin korrigiert. Eine CMM mit ausgeklügelter Software kann Teile in einer einzigen Einstellung prüfen, nämlich ohne die Notwendigkeit, das Teil so auszurichten, daß der Zugang zu allen Merkmalen möglich ist. Dies gilt auch, wenn eine vierte Achse (Drehtisch) verwendet wird.
Alle Messungen an einer CMM werden von einem gemeinsamen geometrisch festgelegten Meßsystem gemacht, wodurch verhindert wird, daß sich Fehler einschleichen und anhäufen, die sich bei Prüfmethoden mit festen Meßinstrumenten und übertragungstechniken ergeben können. Darüber hinaus verhindert die Messung aller signifikanten Merkmale eines Teils in einer Einstellung, daß sich Fehler einschleichen, die durch Änderungen der Einstellung bedingt sind.
Durch die Verwendung digitaler Ausgaben wird die subjektive Interpretation von Ablesungen, die bei Rundskalen- oder Nonius-Meßgeräten üblich ist, ausgeschaltet. Mit modernen elektronischen Meßfühlersystemen wird das sogenannte "Gefühl" des Bediednungspersonals praktisch ausgeschaltet. Alle CMMs verfügen über konservierte Software-Routinen für typische Merkmale eines Teils, wie zum Beispiel Bohrungen oder Spitzenabstände. In dem teilweise programmunterstützten Modus positioniert das Bedienungspersonal die Maschine. Ist die Ausgangslage einmal eingestellt, so befindet sich die Maschine unter Steuerung durch ein Programm, das die Wahl durch das Bedienungspersonal ausschaltet. Im rechnerunterstützen numerisch gesteuerten (CNC) Modus werden motorbetriebene Maschinen ohne jegliche Aufsicht durch das Bedienungspersonal betrieben. Hinzu kommt, daß die bei den meisten Maschinen verfügbare automatische Datenaufzeichnung Fehler beim Übertragen der Ablesungen in den Prüfbericht verhindert. All dies summiert sich in der Tatsache, daß weniger qualifiziertes Bedienungspersonal sofort angewiesen werden kann, relativ komplexe Prüfvorgänge durchzuführen.
All die vorgenannten Faktoren tragen dazu bei, CMMs produktiver als herkömmliche Prüftechniken zu gestalten. Des weiteren wird eine drastische Produktivitätssteigerung durch die rechnerischen und analytischen Fähigkeiten zugehöriger Datenbearbeitungssysteme realisiert, die Rechner und sämtliche Computerebenen einschließen.
CMM-Hersteller bieten eine Vielfalt an Maschinenkonfigurationen an. Dabei hat jede Konfiguration Vorteile, welche die Maschine für die speziellen Anwendungen geeignet machen. Insgesamt gibt es elf verschiedene Maschinenkonfigurationen. Davon sind aber einige Abwandlungen der fünf primären Konfigurationen: Freiträger, Brücke, Säule, Portal und Horizontalarm.
Die Zweckmäßigkeit einer CMM hängt weitgehend von der Beschaffenheit der Meßfühlervorrichtung ab. Drei Arten von Meßfühlern werden üblicherweise verwendet: (1) mechanische, (2) elektronische und (3) kontaktfreie. Die Wahl eines Meßfühlers erfolgt nach den dimensionalen und geometrischen Anforderungen des Prüfvorgangs.
Durch verschiedenes in Verbindung mit den Meßfühlern verwendetes Zubehör läßt sich die Eignung von CMMs fördern. Zum Beispiel erlauben indizierbare Meßfühlerköpfe eine Orientierung des Meßfühlers in horizontalen und vertikalen Ebenen, um den Meßfühler senkrecht zur gewünschten Ebene zu halten. Dieses Merkmal verleiht der CMM die Fähigkeit, geometrische Elemente zu erreichen und zu prüfen, die nicht mit der Maschinenachse fluchten. Hinzu kommt, daß die Verwendung indizierbarer Köpfe im allgemeinen dann erforderlich ist, wenn komplexe Oberflächen zu prüfen und abzutasten sind. Indizierbare Meßfühlerköpfe neigen aber dazu, das CMM-Meßvolumen schrumpfen zu lassen.
Ein Mikroprozessor-Steuersystem wird üblicherweise mit indizierbaren Köpfen versehen, damit es als Kraftantrieb und intelligente Schnittstelle zwischen der Maschinensteuerung und den Indizierköpfen arbeiten kann.
Drehtische sind besonders zweckmäßig, wenn komplexe, mehrflächige Teile oder Werkstücke mit einer Rotationsachse zu prüfen sind, wie Nocken, Zahnräder und Rotoren. Für verschiedene Werkstückgrößen steht eine Vielfalt von Tischgrößen zur Verfügung. Drehtische erweitern das Meßvolumen der CMM.
Drehtische können manuell oder automatisch gesteuert werden. Bei Verwendung von automatisch gesteuerten Tischen interagieren spezielle Software-Programme mit den Maschinensteuerungen, nämlich zur Steuerung der Bewegung des Tisches und zum Ausgleich von Fehlausrichtungen.
Neben ihrer physikalischen Konfiguration können CMMs auch nach ihrer Betriebsart klassifiziert werden: manuell, manuell computerunterstützt, motorisiert computerunterstützt und direkt computergesteuert. Manuelle Maschinen haben einen freischwebenden Festkörper- oder elektronischen oder kontaktfreien Meßfühler, den das Bedienungspersonal zur Erstellung jeder Messung an den Koordinatenachsen der Maschine entlangbewegt. Mit jeder Achse verbundene digitale Ablesungen liefern die Meßwerte, die das Bedienungspersonal zur Kenntnis nimmt und manuell aufzeichnet. In manchen Fällen kann eine einfache digitale Ausdruckvorrichtung zur Aufzeichnung der Ablesungen verwendet werden.
Manuell computerunterstützte CMMs arbeiten mit einem Datenverarbeitungssystem zur Verarbeitung der Messungen, die immer noch erfolgen, indem der Meßfühler von Hand über eine Reihe von Meßpunkten geführt wird. Festkörper- oder elektronische oder kontaktfreie Meßfühler können für diesen Maschinentyp verwendet werden. Die Datenverarbeitung kann durch eine spezielle digitale Ablesung auf Mikrocomputerbasis, durch einen programmierbaren Rechner oder einen vollwertigen Computer bewerkstelligt werden.
Abhängig davon, wie sehr das Datenverarbeitungssystem und die zugehörige Software ausgeklügelt sind, üben computerunterstützte CMMs Funktionen aus, die von einer einfachen Umwandlung von Inches in Millimeter bis zu einem automatischen dreidimensionalen Ausgleich von Fehlausrichtungen und zum Angebot geometrischer und analytischer Meßaufgaben reichen. Die Speicherung vorgegebener Programmsequenzen und die Führung des Bedienungspersonals stehen zur Schaffung eines Teilprogramms ebenfalls zur Verfügung. Das Teilprogramm wird in dem Computer erstellt und gespeichert, der die Prüfsequenz bestimmt und die Meßergebnisse mit Nominalwerten und Toleranzen im Hinblick auf eine automatische Entscheidungsfindung über GEHE oder GEHE NICHT vergleicht.
In der Tat kann das Computersystem sämtliche Berechnungen und Analysen durchführen, die notwenig sind, um zu Dimensions- und Toleranzauswertungen zu gelangen, und kann das Bedienungspersonal durch eine vorgeschriebene Reihe von Positionier- und Meßzügen führen. Die Datenaufzeichnung ist normalerweise bei computerunterstützten CMMs eingeschlossen.
Eine motorisierte computerunterstützte CMM besitzt all die Merkmale einer computerunterstützten CMM, arbeitet aber mit motorisierten Bewegungen unter Steuerung durch das Bedienungspersonal, das einen Steuerknüppel verwendet. Die meisten motorisierten CMMs bieten auch eine Einrichtung zum Abschalten des Motorbetriebs, damit die Bewegungen der Maschine manuell ausgeführt werden können. Einige Maschinen arbeiten mit Gleichstrom-Hilfsmotoren und pneumatisch betriebenen Reibkupplungen zur Verringerung des Effekts von Kollisionen, und die meisten erlauben auch ein Abschalten des Antriebs mit Hinblick auf manuelle Bewegung.
Direkt computergesteuerte (DCC) CMMs sind gleichbdeutend mit computerisierten numerisch gesteuerten (CNC) Werkzeugmaschinen. Ein Computer steuert all die Bewegungen einer motorisierten CMM. Zusätzlich führt der Computer auch alle Datenverarbeitungsfunktionen einer hochentwickelten computerunterstützten CMM aus. Sowohl Steuerungs- als auch Meßzyklen stehen unter Programmsteuerung. Die meisten direkt computergesteuerten Maschinen bieten verschiedene Programmierungsoptionen, einschließlich Programmspeicherung und in manchen Fällen Off-Line-Programmierung.
Über die auf einem Mikroprozessor basierenden digitalen Ablesungen hinaus, die ursprünglich mit Hinblick auf die Bereitstellung von Verarbeitungsmöglichkeiten für Basis-Meßdaten für manuelle Koordinatenmeßmaschinen entwickelt wurden, müssen auch äußerst anspruchsvolle Meßaufgaben gelöst werden, die dreidimensionale Geometrie einschließen, und es muß für flexiblere, allgemeinen Zwecken dienende Programmiermöglichkeiten gesorgt werden, um spezielle Meßaufgaben zu lösen. Viele CMM- Hersteller bieten eine Reihe von Datenverarbeitungsgeräten für solche Zwecke an, volle DCC-Tauglichkeit eingeschlossen
Der Schlüssel zur Produktivität aller Formen von computerunterstützten CMMs liegt in der hochentwickelten und einfach anzuwendenden zugehörigen Software. Software ist das wichtigste Element in jeder Art Koordinatenmeßsystem, weil deren Leistung bestimmt, wieviele Merkmale gemessen werden können, und weil deren einfache Anwendbarkeit den Grad festlegt, bis zu welchem die Maschine eingesetzt wird.
Die funktionale Tauglichkeit von CMM-Software ist abhängig von der Anzahl und Art der verfügbaren Anwendungsprogramme. Praktisch alle CMMs bieten irgendeine Einrichtung zum Ausgleich von Fehlausrichtungen zwischen dem Bezugssystem des Teils und der Maschinenkoordinaten, indem ausgewählte Punkte sondiert werden. Einige Maschinen sind auf die Ausrichtung in einer Ebene begrenzt, während der Großteil der Maschinen aber für vollständig dreidimensionale Ausrichtung ausgelegt ist. Sind die benannten Punkte einmal erfaßt, so berechnet das Programm die Fehlausrichtung und wendet die geeignete Korrektur auf alle nachfolgenden Meßwertablesungen an.
Eine Umwandlung zwischen kartesischen, polaren und in manchen Fällen auch sphärischen Koordinatensystemen wird üblicherweise auch durchgeführt. Die meisten systeme berechnen auch die Abweichung von Abmessungen von Sollmaßen des im Speicher gespeicherten Teils und setzen einen Merker für außerhalb der Toleranz liegende Bedingungen.
Geometrische Funktionen, die von der CMM ausgeführt werden, definieren geometrische Elemente - wie zum Beispiel Punkte, Linien, Ebenen, Zylinder, Kugeln und Kegel - aus einer Reihe von Punktmessungen und lösen Meßaufgaben, indem sie sich mit der Interaktion solch geometrischer Elemente befassen. Eine solche Software kann zum Beispiel die Überschneidung von zwei auf der Grundlage einer ausgewählten Anzahl von Messungen erstellten Kreisen bestimmen oder den Überschneidungswinkel von zwei Flächen erstellen.
Viele Softwarepakete beinhalten auch ein System zur Auswertung geometrischer Toleranzbedingungen durch die Bestimmung verschiedener Arten von Form- und Lageverhältnissen (beispielsweise Flachheit, Geradlinigkeit, Kreisförmigkeit, Parallelismus oder Quadratform) für Einzelmerkmale und damit verbundene Merkmalsgruppen.
Maßgeschneiderte Programme können die Lage eines auf Endgröße bearbeiteten Teils innerhalb eines Rohlings, aus welchem es herzustellen ist, identifizieren, um die Verteilung der Bearbeitungstoleranz zu omptimieren: Programme für maximale Materialbedingungen (MMC- Programme) werten Merkmale aus, die gemäß den MMC- Grundlagen dimensioniert sind.
Andere Anwendungsprogramme beinhalten die automatische Abtastung von Teilen auf digitalisierte Profile hin und eine Vielzahl von Spezialprogrammen zur Bewerkstelligung der Prüfung von besonderen Formen wie Zahnräder und Nocken. Verfügbare statistische Analyse-Software sorgt für eine graphische Datenanzeige, einschließlich Histogramme.
In der einfachsten Form einer CMM kann ein einziger, parallel zu jeder Achse montierter Meßwandler die Position der Meßfühlerspitze relativ zu dem Bezugspunkt bestimmen, welcher am bequemsten der Punkt sein kann, an dein sich die Achsen überschneiden, oder aber irgendeine andere geeignete Stelle.
Die Anwendung einer solchen Technik birgt verschiedene mögliche Fehlerquellen. Die wichtigsten dieser Fehlerquellen sind mangelnde Geradlinigkeit in der Bewegung und mangelnde Orthogonalität der Achsen. Eine weitere Ursache für Fehler ist die winkelförmige Drehung der Schlitten um die zu deren Bewegungsrichtungen senkrechte Achse. Solche Fehler, oftmals Abbesche Fehler genannt, sind nicht nur von der Rotation abhängig, sondern auch von der seitlichen Verschiebung zwischen der Meßfühlerspitze und dein in dieser Dimension messenden Meßwandler, und sie können offensichtlich mit dieser Verschiebung variieren. Es existieren aber auch andere Fehlerquellen, wie beispielsweise Fehler in den linearen Meßwandlern selbst.
Man hat viele Versuche unternommen, um Fehler auszugleichen. Zum Beispiel ist es bekannt, einen absichtlichen und bekannten Fehler durch verschiedene Mittel in die Meßwandler einzubauen. Solche Korrekturen haben aber Gültigkeit nur für gegebene Stellen in dem Meßvolumen. Eine alternative Technik ist die "Kalibrierung" der Maschine, wobei die an verschiedenen Punkten existierenden Fehler gemessen werden, wenn die Maschine tatsächlich im Einsatz ist. Wie man sich vorstellen kann, kann sich so ein Kalibriervorgang extrem in die Länge ziehen, speziell bei einer großen Maschine, und es ist eine enorme Speichermenge nötig.
Ein bekanntes Verfahren zur Bestimmung der Verschiebung der Achsen ist wie folgt:
(a) Es wird ein Granitwürfel auf dem Tisch der CMM positioniert, wobei eine erste Seite mit der X-Achse der CMM fluchtet, und dann wird die Abweichung in der von der CMM erzeugten Y-Koordinate gemessen, während der CMM-Meßfühler über die erste Seite bewegt wird. Danach erfolgt die Einstellung der Würfelposition, bis keine Y-Abweichung mehr entsteht.
(b) Der CMM-Meßfühler wird über eine zweite Seite (senkrecht zur X-Achse) bewegt, und es wird die Abweichung in der von der CMM erzeugten X-Koordinate gemessen. Das Verhältnis der X-Koordinatenabweichung zur Y- Koordinatenabweichung ist ein Maß der Verschiebung zwischen der X- und Y-Achse der CMM.
(c) Es wird die Verschiebung der Y- und Z-Achse durch Wiederholen der Schritte (a) und (b) gemessen, wobei die geeigneten Seiten des Granitblocks verwendet werden und in den Schritten (a) und (b) Y durch X und Z durch Y ersetzt wird.
(d) Messen der X- und Z-Verschiebung durch Wiederholen der Schritte (a) und (b), wobei ein anderes Seitenpaar verwendet und Y durch X und Z durch Y ersetzt wird.
Abgesehen von dem erheblichen Zeitaufwand, unterliegt dieses Granitwürfel-Verfahren Fehlern, die durch ungenaue Positionierung des Würfels auf dem Tisch der CMM entstehen.
Ein anderes zeitaufwendiges Verfahren wird angewandt, um Achsen-Maßstabsfehler zu messen. Dieses Verfahren arbeitet mit einem Laser und umfaßt folgende Schritte:
(a) Ein Reflektor für ein Laser-Interferometer wird anstelle des CMM-Meßfühlers an der CMM befestigt.
(b) Die Y- und Z-Achse der CMM werden blockiert, so daß lediglich eine Bewegung entlang der X-Achse möglich ist.
(c) Ein Laser-Interferometer wird so ausgerichtet, daß sein Strahl parallel zur X-Achse wandert und auf den Reflektor trifft.
(d) Der Reflektor wird dann entlang der X-Achse der CMM bewegt, und man erhält von der CMM erzeugte X- Achsen-Ablesungen und Interferometer-Ablesungen. Aus diesen Ablesungen kann der Maßstabsfehler in der X- Achse der OCM bestimmt werden.
(e) Die Schritte a-d werden dann für die Y- und Z- Achse wiederholt.
Ebenso bekannt sind CMM-Prüfverfahren, die mit Musterwerkstücken wie der Hantel-Meßlehre oder der Bryan- Meßlehre arbeiten. Die von der CMM während dieser Verfahren erzeugten Meßdaten werden auf einer Gut- Schlecht-Basis verwendet. Mit anderen Worten, wenn durch die Verwendung der oben genannten Musterwerkstücke angezeigt wird, daß eine Einstellung erforderlich ist, so werden die vorstehend beschriebenen Granitblock- oder Laser-Interferometer-Verfahren bei der Durchführung der notwendigen Einstellungen verwendet.
Ein anderes für die Kalibrierung einer CMM angewandtes Verfahren umfaßt die Schritte der Installation eines CMM-Musterstücks auf einem CMM-Tisch, der Kopplung des CMM-Meßfühlers mit dem Musterstück und der Speicherung einer Vielzahl von durch die CMM erzeugten kartesischen Koordinaten-Datenpunkte für eine Vielzahl von durch das Musterwerkstück definierte Positionen. Ein Datenprozessor wird so programmiert, daß er eine Gruppe von Abstandsgleichungen betreffend die von der CMM erzeugten kartesischen Koordinaten, einen bekannten Durchmesser des Musterwerkstücks und eine Vielzahl von unbekannten Ausrichtungsfehlern der CMM-Achsen und Maßstabsfehlerfaktoren erstellt. Diese Gruppe von Gleichungen wird dann für die unbekannten Fehlerfaktoren gelöst, woraus dann die notwendigen Einstellungen der CMM bestimmt werden können. Die CMM kann dann durch Ausführen der angegebenen Einstellungen korrekt ausgerichtet werden. In einer Version dieses Verfahrens kann das Musterwerkstück eine Kugelstange sein und in einer anderen eine Bryan-Meßlehre. Ein Beispiel für dieses Verfahren findet man in der US-PS 4 437 151 vom 13. März 1984, mit der Bezeichnung "Coordinate Measuring Machine Inspection and Adjustment Method".
Die GB-A-2 162 942 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von Positionsfehlern, bei welchem gleichzeitig mit einer Messung entlang einer Achse auch Fehler quer zu dieser Achse gemessen werden können. In dieser Schrift werden nur lineare Verschiebungsfehler sowie Querneigungs-, Längsneigungs- und Gierungsfehler gemessen. Diese Fehler werden dann als Fehlerdaten gespeichert und in Korrekturdaten umgewandelt und während des Betriebs der Maschine mit den Positionsdaten verglichen. Zu diesem Zweck bleibt die Meßvorrichtung ein Teil der Maschine, wie das zum Beispiel in Figur 8 gezeigt ist. Winkelhaltigkeitsfehler werden unabhänig von früher bestimmten Positionsfehlern in einem speziellen, nicht näher erläuterten Verfahren bestimmt und als Fehlerdaten in einem Speicher abgelegt. Diese Fehlerdaten werden dann berücksichtigt, und zwar ebenfalls während des Betriebs der Maschine, wodurch der Aufwand für Speicherung und Berechnung noch weiter erhöht wird.
Die US-A-3 555 254 beschreibt ein Kalibrierverfahren, bei welchem ein angetriebenes Teil in einer numerisch gesteuerten Positioniervorrichtung über dessen zweidimensionales Bewegungsfeld verteilt in verschiedene Positionen verfahren wird und bei welchem nach Erreichen einer jeden dieser Positionen seine tatsächliche Position genau gemessen wird, um den Fehler zwischen der befohlenen Position und der tatsächlichen Position zu bestimmen. Die Werte der auf diese Weise bestimmten Fehler werden in einen Speicher eingegeben, nämlich zur Erstellung einer Tabelle mit Fehlerwerten gegenüber der Position des Teils. Die Fehlerwerte aus der Tabelle werden zur Korrektur der zu den Motortreibern übertragenen Befehle verwendet, damit diese den mit der Position des angetriebenen Teils verbundenen wiederholbaren Fehler berücksichtigen. Mit diesem Kalibrierverfahren sind die Gesamtfehler für jeden Punkt in dem Bewegungsfeld zu messen und zu speichern, was im Falle eines dreidimensionalen Bewegungsvolumens und mit einem hohen Genauigkeitsgrad extrem viel Meßarbeit und Speicherkapazität erfordert.
Daneben ist in den vorgenannten Dokumenten kein wirksamer Weg für die Bestimmung und Berücksichtigung von Rechtwinkligkeitsfehlern beschrieben.
Es ist die Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, womit der Rechenaufwand während des Betriebs der Maschine minimiert werden kann und ein Echtzeitbetrieb ermöglicht wird und womit zusätzlich zu den üblichen Fehlern je nach dem Weg entlang der Achsen die Rechtwinkligkeitsfehler ebenso Berücksichtigung finden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
Gemäß diesem Anspruch ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß nicht Fehlerdaten, sondern anhand derselben errechnete Korrekturdaten gespeichert werden, so daß die für die Ermittlung dieser Korrekturdaten notwendigen Berechnungen bereits stattfinden, bevor die Maschine zum Beispiel in der Fabrik des Herstellers zum ersten Mal in Betrieb genommen wird. Bei diesem Verfahren werden Rechtwinkligkeitsfehler auch berücksichtigt, wobei die bereits berechneten Achsenfehlerdaten dann Berücksichtigung finden, wenn die Rechtwinkligkeitsfehler mit Hilfe eines Musterwerkstücks bestimmt werden.

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Ein Vorteil vorliegender Erfindung ist die Bereitstellung eines verbesserten Verfahrens zur Kalibrierung einer CMM und dergleichen auf eine zuverlässige, exakte und kostensparende Weise in der Umgebung eines Herstellungsbetriebs.
Das Kalibrierverfahren nach vorliegender Erfindung umfaßt die Schritte der Korrelation von Rückmeldungsdaten und Kalibrierdaten zur Gewinnung von Achsen-Korrekturdaten für jede vorgegebene Position entlang der gesamten Bewegungsachse. Die Achsen-Korrekturdaten werden dann in einer Form gespeichert, in der sie während des Betriebs der CMM von einer Steuereinrichtung zur Kompensation des gesamten Meßvolumens der CMM verwendet werden können.
Ein CMM-Kalibriersystem zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist eine Einrichtung zur Korrelation von Rückmeldungsdaten und Kalibirierdaten für die Ermittlung von Achsen-Korrekturdaten für jede der vorgegebenen Positionen entlang der Bewegungsachsen der CMM auf. Eine Speichereinrichtung speichert die Zugriffs-Korrekturdaten in einer Form, in der sie während des Betriebs der CMM von einer Steuereinrichtung zur Kompensation des gesamten Meßvolumens der CMM verwendet werden können.
Vorzugsweise weist die CMM einen Meßfühlerschaft mit drei Freiheitsgraden auf, welche die Bewegungsachsen der CMM darstellen. Auch werden vorzugsweise alle Geometriefehler (das heißt 21) der CMM vor deren eigentlicher Benutzung elektronisch korrigiert, so daß die Korrekturen in Echtzeit durchgeführt werden können. Das Ergebnis ist, daß man keine Maschine mehr herzustellen und zu montieren braucht, die absolut genau ist.
Weitere Vorteile des Verfahrens und der Vorrichtung liegen in der Verkürzung der Zeit für die Endinontage der CMM und darin, daß für viele Bauteile der CMM größere Herstellungstoleranzen möglich sind.
Die oben genannten Vorteile und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusamenhang mit den Zeichnungen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Figur 1

zeigt eine perspektivische Darstellung einer charakteristischen CMM, auf welche vorliegende Erfindung angewandt wird;

Figur 2

zeigt eine Darstellung des dreidimensionalen Koordinatensystems der CMM von Figur 1;

Figur 3

zeigt ein Blockschaubild des Systems zur automatischen Kalibrierung der CMM;

Figuren 4A bis 4C

zeigen ein Flußdiagramm zur Darstellung der verschiedenen Schritte, die das System von Figur 4 zur Kalibrierung der CMM ausführt;

Figuren 5A bis 5C

zeigen zwei unterschiedliche Positionen eines Musterwerkstücks, beispielsweise einer Kugelstange, in jeder der Koordinatenebenen der CMM;

Figur 6

zeigt ein Flußdiagramm zur Darstellung der verschiedenen Operationsschritte, die zur Bestimmung der Rechtwinkligkeit der CMM ausgeführt werden;

Figuren 7A und 7B

zeigen das dreidimensionale Koordinatensystem und Meßvolumen der CMM von Figur 1, zusammen mit einem Nebenkoordinatensystem für den Meßfühler;

Figur 8

zeigt ein Blockschaubild zur Darstellung des Verfahrens und des Systems zur Bestimmung der Position innerhalb des Meßvolumens der CMM;

Figur 9

zeigt eine Gruppe von Gleichungen, die zur Bestimmung der korrigierten Position innerhalb des Meßvolumens für eine in Figur 1 gezeigte Maschine zu lösen sind, deren Koordinatenachsen in den Figuren 7A und 7B definert sind, wobei ähnliche Gleichungen für andere Arten von CMM-Konfigurationen entwickelt werden könnten.
In Figur 1 ist eine Koordinatenmeßmaschine (CMM) dargestellt, die insgesamt mit Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Die CMM hat im allgemeinen eine mit Bezugsziffer 12 bezeichnete X-Y-Z-Positioniervorrichtung, einen Meßfühler 14 und ein allgemein bei Position 16 angegebenes Steuersystem. Das Steuersystem 16 weist eine allgemein bei Position 18 angegebene Maschinensteuerung, allgemein bei Position 20 angegebene Computer-Hardware und Software zur Programmierung der Computer-Hardware 20 auf.
Der Meßfühler 14 ist in einen Z-Achsen-Meßfühlerarm oder -schaft 22 der Vorrichtung 12 eingesetzt. Die Vorrichtung 12 zeigt ein Bett oder einen Arbeitstisch 26 mit Gewindebohrungen, die das Festspannen und Anordnen der Teile erleichtern.
Die Vorrichtung 12 hat auch eine rückseitige Schiene 28, durch welche ein X-Achsen-Schlitten 30 über vorgespannte Luftlager, die auch den Schlitten 30 führen, verschiebbar gehalten ist.
Ein obenliegender Y-Achsen-Schlitten 32 bewegt sich relativ zu dem X-Achsen-Schlitten 30 und ist ebenfalls durch vorgespannte Luftlager an der X-Achse gehalten und geführt. Der Meßfühlerschaft 22 wiederum bewegt sich relativ zu dem Y-Achsen-Schlitten 32 und ist dort durch vorgespannte Luftlager gehalten und geführt.
Während eine herkömmliche Freiarm-CMM beschrieben wurde, versteht sich, daß bei vorliegender Erfindung andere Arten von CMMs verwendet werden können, und zwar auf der Grundlage einer Gruppe von Gleichungen, die für die zu korrigierende spezielle CMM definiert sind.
Das in Figur 2 dargestellte Y-X-Z-Koordinatensystem zeigt typische durch die winkelförmige Drehung der Schlitten 30 und 32 und des Schafts 22 um die Achsen des Dreiachsensystems verursachte Fehler. Diese Fehler existieren für jede der Achsen. Infolgedessen sind neun solcher Fehler in dem Koordinatensystem von Figur 2 vorhanden, obwohl die mechanischen Bauteile der Vorrichtung 12 mit größter Genauigkeit hergestellt und montiert wurden. Wegen dieser Rotationsfehler und anderer Fehler ist bei Bewegung der Vorrichtung 12 zu verschiedenen Stellen innerhalb des Meßvolumens 102 immer noch ein Positionsfehler vorhanden, wie das in Figur 7 dargestellt ist. Winkeldrehungsfehler um jede der Achsen werden wie folgt definiert: A(x) = X-Querneigung; A(y) = Y-Längsneigung; A(z) = Z-Längsneigung; B(x) X-Längsneigung; B(y) = Y-Querneigung; B(z) = Z- Gieren; C(x) = X-Gieren; C(y) = Y-Gieren und C(z) = Z- Querneigung.
Mangelnde Geradlinigkeit in der Bewegung entlang der Achsen von Figur 2 ist ebenfalls eine Fehlerquelle. Für jede Achse gibt es einen charakteristischen Mangel an Geradlinigkeit in bezug auf die beiden anderen Achsen, wodurch sich sechs Fehler in bezug auf die Geradlinigkeit der Vorrichtung 12 ergeben. Geradlinigkeitsfehler werden wie folgt definiert: X(y) = Y- Geradlinigkeit in X-Richtung; X(z) = Z-Geradlinigkeit in X-Richtung; Y(x) = X-Geradlinigkeit in Y-Richtung; Y(z) = Z-Geradlinigkeit in Y-Richtung; Z(x) = X-Geradlinigkeit in Z-Richtung und Z(y) = Y-Geradlinigkeit in Z-Richtung.
Obwohl Achsen-Maßstabsfehler oftmals eine weniger ernstzunehmende Fehlerquelle sind, können sie doch wichtig werden. Solche Fehler werden folgendermaßen definiert: X(x) = Maßstabsfehler in X; Y(y) Maßstabsfehler in Y und Z(z) = Maßstabsfehler in Z.
Eine weitere mögliche Fehlerquelle ist mangelnde Orthogonalität der X-, Y- und Z-Achsen. Ein solcher Fehler wird in charakteristischer Weise als die Winkelabweichung von 90 Grad angegeben, und zwar wie folgt: Pyx = y-x-Rechtwinkligkeit; Pzx = z-x- Rechtwinkligkeit und Pzy = z-y-Rechtwinkligkeit.
Es ist also ersichtlich, daß es 21 verschiedene Geometriefehler der Vorrichtung 12 gibt, deren alle, mit Ausnahme der Rechtwinkligkeitsfehler, in Abhängigkeit von der Position der Vorrichtung 12 innerhalb des Meßvolumens 102 variieren.
Eine weitere mögliche Fehlerquelle sind schließlich noch Meßfühler-Verschiebungsfehler, die aus den Winkelfehlern und Meßfühler-Verschiebungen bestimmt werden, nämlich Sx, Sy und Sz von Figur 7B. Der Meßfühler 14 wird zum Messen der Zentrumslage einer Kugel 100 verwendet. Verschiebungen des Meßfühlers werden dann durch Vektorsubtraktion der Vektoren A und B von Figur 7A bestimmt.
In Figur 3 ist in Form eines Blockschaubilds ein System zur Kalibrierung der CMM 10 gezeigt. Das System 10 enthält eine Kalibriereinrichtung 32, wie beispielsweise ein Laser-Interferometer mit linearer, Winkel- und Geradlinigkeitsoptik. Vorzugsweise ist der Laser ein HP 5528A-Laser. Die Kalibriereinrichtung 32 enthält auch elektronische Richtinstrumente mit einem Niveaumesser und einer A/D-HPIB-Schnittstelle. Die Kalibriereinrichtung 32 enthält ferner eine Kugelstange sowie ein vertikales Tuschierlineal und einen Meßfühler. Vorzugsweise sind die elektronischen Richtinstrumente Wyler-Richtinstrumente, und die Meßfühler sind solche des Typs Renishaw TP-2, PH-6, die einen 200-Millimeter-Auszug aufweisen. Schließlich enthält die Kalibriereinrichtung 32 Meßfühleradapter für die Laseroptik, das Richtinstrument und den PH-6-Meßfühler.
Im allgemeinen wird die Kalibriereinrichtung 32 von den Fabrikarbeitern zum Messen der CMM-Geometrie und von Maßstabsfehlern und zur automatischen Übertragung dieser Informationen über die HPIB-Schnittstelle zu einem Computer 34 verwendet. Vorzugsweise ist der Computer ein HP-207 mit einem Drucker und einer Näherungs-Nachrichtenverbindung, die dem Computer 34 erlaubt, mit anderen Komponenten des Systems zu kommunizieren. Im allgemeinen speichert der Computer 34 die Kalibrierdaten und berechnet/speichert Achsen- Korrekturdaten. Ferner überträgt der Computer 34 Daten zu einem Meßwertprozessor (MP) 36 des Steuersystems 16 und zu einer Speicherplatte 38. Achsen-Positionsdaten und Datenaufzeichnungsbefehle aus dem Meßprozessor 36 werden während des Kalibriervorgangs zum Computer 34 übertragen.
Das System von Figur 3 enthält einen Datenauf zeichnungsschalter 37, der vorzugsweise einen von Hand gehaltenen Druckschalter umfaßt, der eine Schnittstelle zu dem MP 36 bildet und diesem signalisiert, daß die Informationen aufzuzeichnen sind, die der MP 36 von dem Rest der CMM 10 erhält. Die sich ergebenden Achsen- Korrekturdaten auf der Speicherplatte 38 werden über den Computer 34 zu dem Speicher in dem MP 36 übertragen, damit sie während des Betriebs der CMM 10 verwendet werden können. Die Informationen auf der Speicherplatte 38 können auch als Abschlußbericht ausgedruckt werden, der in einer Qualitätskontrollakte 40 aufbewahrt wird.
In den Figuren 4A bis 4C sind in Form eines Flußdiagramms die verschiedenen durch das System von Figur 3 ausgeführten Schritte zur Kalibrierung der CMM 10 gezeigt. Vorzugsweise werden aber vor Durchführen des tatsächlichen Kalibriervorgangs die Funktion der Maschine, die Bereiche, die Achsenreibung und die Wiederholgenauigkeit verifiziert.
In Block 42 gibt die individuelle Kalibrierung der CMM 10 den CMM-Typ an, der kalibriert wird. Zum Beispiel entspricht die in Figur 1 gezeigte CMM dem Freiträgertyp. In typischer Weise werden die Daten durch das Bedienungspersonal in das Steuersystem 16 eingegeben, beispielsweise über eine Tastatur 44 des Computers 20.
In Block 46 werden alle während des Kalibriervorgangs verwendeten Variablen initialisiert, wie zum Beispiel Meßintervalle und dergleichen.
Während des Initialisierungsprozesses der Blöcke 42 und 46 unterstützt das Computersystem 20 das Bedienungspersonal bei der Eingabe der speziellen Modellnummer, der Seriennummer und des Datums in das System 20. Der Computer 20 erteilt an das Bedienungspersonal auch die Anweisung, das Ende des Meßfühlerschafts auf die Maschinenposition 0,0,0 einzustellen. Der Grad der Bewegung der Maschinenachse wird in bezug auf die spezielle Modellnummer gespeichert.
Im allgemeinen werden für jeden der folgenden Fehlerkalibrierschritte, die durch die restlichen Blöcke in den Figuren 4A bis 4C dargestellt sind, die Anforderungen an die Verfahrensweise durch den die Kalibrierung vornehmenden Bedienungsmann auf dem Bildschirm angezeigt, bevor die Daten aufgenommen werden. Dabei werden die benötigten Kalibriergeräte aufgelistet, der spezielle Setup (der Querverweise auf ein Handbuch enthalten kann) und die Schritte, die der Bedienungsmann ausführen muß, um die Daten zu erhalten.
In Block 48 wird die Größe der durch das mathematische Symbol A(x) angegebenen X-Querneigung durch Verwendung der elektronischen Richtinstrumente in üblicher Weise bestimmt, und zwar immer in Abständen von 50 Millimetern der X-Achsenbewegung, wobei die Y-Achse und Z-Achse der Vorrichtung 12 blockiert sind, so daß nur eine Bewegung entlang der X-Achse möglich ist. In dem Beispiel von Figur 1 wird die Vorrichtung vorzugsweise automatisch unter Steuerung durch die Maschinensteuerung 18 in Intervallen von 50 Millimetern an der X-Achse entlangbewegt. Dementsprechend liefert der MP 36 nach jedem 50-Millimeter-Intervall an den Computer 34 die exakte Stelle in dem Maschinen-Koordinatensystem, an der die Messung erfolgt ist. Auf diese Weise wird eine Tabelle der X-Querneigungsdaten als eine Funktion der X-Position erstellt.
In Block 50 wird der Fehler, nämlich die durch das mathematische Symbol A(y) angegebene Y-Längsneigung, dadurch bestimmt, daß zunächst ein Winkelreflektor für das Laser-Interferometer anstelle des CMM-Meßfühlers 14 an der Vorrichtung 12 angebracht wird. Die X-Achse und Z-Achse der Vorrichtung 12 werden dann blockiert, so daß nur eine Bewegung entlang der Y-Achse zulässig ist. Das Laser-Interferometer wird derart ausgerichtet, daß der Strahl parallel zur Y-Achse wandert und auf den Reflektor trifft. Der Reflektor bewegt sich entlang der Y-Achse der Vorrichtung 12. Von der CMM erzeugte Y- Achsen-Ablesungen und die Interferometer-Ablesungen erfolgen jeweils in Intervallen von 50 Millimetern unter Steuerung durch die Maschinensteuerung 18. Auf diese Weise wird eine ähnliche Datentabelle für die Y- Längsneigung über den gesamten Bewegungsbereich der Y- Achse erstellt.
In Block 52 werden die Z-Längsneigungs-Fehlerdaten, A(z), weitgehend in der gleichen Weise bestimmt, wie die X-Querneigungs-Fehlerdaten in Block 48 ermittelt wurden. Die elektronischen Richtinstrumente werden zur Ermittlung der Fehlerdaten verwendet, und zwar alle 50 Millimeter entlang der Z-Achsenbewegung für den gesamten Bewegungsbereicn der Z-Achse.
In Block 54 werden die X-Längsneigungs-Fehlerdaten, B(x), in Abständen von jeweils 50 Millimetern entlang der X-Achse durch Verwendung eines Laser-Winkelinterferometers bestimmt, um dadurch die Fehlerdatentabelle zu erstellen.
In Block 56 werden die Y-Querneigungs-Fehlerdaten, B(y), mit Hilfe der elektronischen Richtinstrumente alle 50 Millimeter der Y-Achsenbewegung bestimmt.
In Block 58 werden die Z-Gierungs-Fehlerdaten, B(z), mit Hilfe der elektronischen Richtinstrumente alle 50 Millimeter der Z-Achsenbewegung bestimmt.
In Block 60 werden die Y-Gierungs-Fehlerdaten, C(x), mit Hilfe des Laser-Winkelinterferometers alle 50 Millimeter der X-Achsenbewegung gemessen.
In Figur 4B werden in Block 62 mittels des Laser- Winkelinterferometers die Y-Gierungs-Fehlerdaten, C(y), bestimmt.
In Block 64 werden mittels des vertikalen Tuschierlineals, des Berührungsfühlers und der Meßfühlerauszüge die Z-Querneigungs-Fehlerdaten, C(z), alle 50 Millimeter der Z-Achsenbewegung bestimmt.
Die in den Blöcken 48 bis 64 ermittelten Daten werden in charakteristischer Weise in Bogensekunden gemessen und vor Speicherung in Tabellenforin vorzugsweise in Radiane umgewandelt, so daß die Daten bei den Berechnungen verwendet werden können, wie das aus nachstehender Beschreibung ersichtlich wird.
In Block 66 werden die X-Maßstabs-Fehlerdaten, X(x), alle 25 Millimeter der Bewegung entlang der X-Achse durch Verwendung des linearen Laser-Interferometers an einer geeigneten Y-, Z-Position (vorzugsweise auf Tischhöhe) bestimmt. Die XLaser-Xmp-Daten werden dann in die Positionen Z = 0, Y = 0 korrigiert, wie das anhand der Gleichung direkt neben Block 66 gezeigt ist. Auf diese Weise wird eine Tabelle der X-Maßstabs- Fehlerdaten erstellt und gespeichert.
In Block 68 wird eine Tabelle der Y-Maßstabs-Fehlerdaten in ähnlicher Weise wie die X-Maßstabs-Fehlerdaten in Schritt 66 erstellt, und zwar durch Verwendung der Ablesungen an dem linearen Laser-Interferometer, die in 25-Millimeter-Intervallen entlang der gesamten Y-Achse durchgeführt werden
In Block 70 werden die Z-Maßstabsfehler durch Verwendung der Ablesungen an dem linearen Laser- Interferometer und der von der CMM erzeugten Z-Achsen- Ablesungen berechnet, um so die tabellenförmigen Z- Maßstabs-Fehlerdaten in Abständen von jeweils 25 Millimetern der Z-Achsenbewegung zu erstellen.
In Block 72 wird die x-Geradlinigkeit in den Y- Fehlerdaten, nämlich Y(x), durch Verwendung des Geradlinigkeits-Laserinterferometers bestimmt, das Meßwertablesungen immer nach 50 Millimetern der X- Achsenbewegung an einer geeigneten Z-Position (vorzugsweise auf Tischhöhe) liefert. Die Y(x)Laser Ymp-Daten werden dann in die Position Z = 0 korrigiert, wie das anhand der Gleichung direkt neben Block 72 gezeigt ist. Nach Erzeugung der tabellenförmigen Daten für die X-Geradlinigkeit in Y durch Lösen der Gleichung neben Block 72 wird den Datenpunkten eine Optimallinie kleinster Quadrate zugeordnet, und es wird die Entfernung der Datenpunkte von der Linie bestimmt und dabei Y(x) in bezug auf die Optimallinie normalisiert.
In den Blöcken 74, 76 und 78 wird jeweils die X-Geradlinigkeit in den Z-Fehlerdaten, die Y-Geradlinigkeit in den X-Fehlerdaten und die Y-Geradlinigkeit in den Z- Fehlerdaten in ähnlicher Weise erzeugt oder berechnet, wie dies im Zusammenhang mit der x-Geradlinigkeit in den Y-Fehlerdaten in Block 72 geschehen ist. Ähnlich wie in Block 72 werden dann die Fehlerdaten in den Blöcken 74, 76 und 78 in bezug auf die Optimallinie normalisiert.
Bezugnehmend auf Figur 4C wird in Block 80 die Z- Geradlinigkeit in X-Fehlerdaten, nämlich X(z), in Meßintervallen von 50 Millimetern entlang der Z-Achse mit Hilfe eines Tuschierlineals und eines Meßfühlers bestimmt. Die Verwendung des Geradlinigkeits-Laser- Interferometers führt zu einer begrenzten Z-Bewegung. Folglich ist die Z-Geradlinigkeit in den X-Fehlerdaten eine Funktion der X-Achsenablesung aus dem Meßwertprozessor 36, der xmp-Messung einer geradlinigen Kante mit dem Berührungsfühler und des Produkts der Z- Achsen-Meßfühlerverschiebung und der Z-Gierungs- Fehlerdaten für die entsprechende Z-Achsenablesung, Sz B(z) und Sy C(z). Nachdem die Gleichung neben Block 80 gelöst wurde, wird den sich daraus ergebenden Datenpunkten eine Optimallinie kleinster Quadrate zugeordnet, und es wird die Entfernung der Datenpunkte von der Optimallinie berechnet und danach in Tabellenform gespeichert.
Desgleichen werden in Block 82 die Z-Geradlinigkeit und die Y-Fehlerdaten, Y(z), berechnet, und zwar ähnlich wie die in Schritt 80 berechneten Daten.
In Block 84 werden die x-Y-Rechtwinkligkeits-Fehlerdaten Pyx aus der Lösung der in Figur 4C angegebenen Gleichung zweiten Grades bestimmt. Die Werte für A, B und C der Gleichung zweiten Grades werden durch die erste Gruppe von Gleichungen für A, B und C gegeben und wie folgt hergeleitet. Bezugnehmend auf die Figuren 5A und 6 wird in Schritt 86 die Kugelstange in zwei Orientierungen in der X-Y-Ebene bei etwa 90º zueinander angeordnet. Während eines Meßschrittes 86 wird die Mitte der Kugeln an den Enden der Kugelstange zur Bestimmung der Länge jeder Kugelstange in jeder der Orientierungen berechnet.
In Block 88 werden die vier Kugelmitten durch Verwendung der bereits vorher berechneten Kompensationsdaten ausgeglichen.
In Block 90 werden die Längen der Kugelstange in jeder der Orientierungen einander gleichgesetzt. Wenn dies geschehen ist, wird der X-Y-Rechtwinkligkeitsfaktor, wie vorstehend angegeben, zu einer Gleichung zweiten Grades. Die Lösung dieser Gleichung zweiten Grades bestimmt den X-Y-Rechtwinkligkeitsfaktor Pyx in Radianen, wie das in Block 90 angegeben ist.
In Block 92 wird, wie das in Figur 6 angegeben ist, nach Bestimmung des X-Y-Rechtwinkligkeitsfaktors der X- Z-Rechtwinkligkeitsfaktor Pzx von Schritt 94 berechnet. Die mittlere Gruppe der Gleichungen A, B und C wird zur Lösung der Gleichung zweiten Grades verwendet, nämlich zur Bestimmung der X-Z-Rechtwinkligkeit. Mit weiterer Bezugnahme auf Figur 5B wird die Kugelstange in zwei verschiedenen Ausrichtungen in der X-Z-Ebene angeordnet, und die Schritte der Blöcke 86, 88, 90 und 92 werden wiederholt.
In Block 96 wird der Y-Z-Rechtwinkligkeitsfaktor, Pzy, in gleicher Weise berechnet, nämlich durch Anordnen der Kugelstange in zwei verschiedenen Orientierungen in der Z-Y-Ebene, wie das in Figur 5C angegeben ist. Die unterste Gruppe der Gleichungen A, B und C wird verwendet zur Lösung der Gleichung zweiten Grades, nämlich zur Bestimmung des Y-Z-Rechtwinkligkeitsfaktors.
In Block 98 werden die Koordinaten der Kalibrierkugel bestimmt, indem zunächst der Berührungsmeßfühler 14 an einem bekannten distalen Ende des Meßfühlerschafts 22 montiert wird. Eine Kalibrierkugel 100 wird in den Arbeitstisch 26 geschraubt, und zwar an einer vorher gewählten Stelle innerhalb des Meßvolumens 102 der Vorrichtung 12. Die Positioniervorrichtung 12 wird dann derart bewegt, daß der Meßfühler 14 die Kugel 100 an einer Anzahl von verschiedenen Punkten berührt. Die Kugelkoordinaten werden durch Vektoraddition der Vektoren B und C bestimmt, wobei Vektor A gleich dem Vektor B plus Vektor C ist, wie das in Figur 7A angegeben ist.
Erneut bezugnehmend auf Figur 4C, werden in Block 104 alle der vorher berechneten Kompensationsdaten in ein für die Verwendung durch den Meßwertprozessor 36 geeignetes Format umgewandelt.
In Block 106 werden die Daten dann auf einer Datensicherungsdiskette 38 gespeichert.
In Block 108 werden die Daten auch in den Speicher 110 in dem Meßwertprozessor 36 geladen und während des Betriebs der CMM 10 von dem Meßwertprozessor 36 zur Kompensation des gesamten Meßvolumens 102 der CMM 10 verwendet.
Ein Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet der Programmiertechnik könnte ohne übermäßiges Experimentieren anhand der vorstehenden Beschreibung und der Zeichnungen ein Computerprogramm zur Durchführung der oben beschriebenen Kalibrierfunktionen erstellen.
In Figur 8 sind ein Verfahren und ein System zur Verwendung der bereits vorher gespeicherten, in der Fabrik kalibrierten Maschinenmerkmale oder Fehlerdaten gezeigt, nämlich zur Bestimmung der absoluten Lage eines Punkts in dem Meßvolumen 102 der Vorrichtung 12. Im allgemeinen kennzeichnen die in der Fabrik kalibrierten Maschinenmerkinale, die in dem Meßwertprozessor 36 gespeichert sind, die Bewegung der X-, Y- und Z-Achsen in Form einer Abweichung derselben von einem theoretisch zutreffenden Achsensystem. Wie vorstehend bereits erwähnt, gibt es 21 mögliche Geometriefehler, die bereits vorher kalibriert wurden. Der relative Effekt eines beliebigen dieser Fehler auf die Leistung des Systems variiert mit den verschiedenen Maschinenkonfigurationen und sogar innerhalb verschiedener Maschinen gleicher Konfiguration.
Durch geeignete Software wird der Meßwertprozessor 36 mit der CMM 10 kommunizierend verbunden. Block 110 stellt den Speicher des Meßwertprozessors 36 dar, in welchem die in der Fabrik kalibrierten Maschinenmerkmale oder Achsenkorrekturdaten in Tabellenform gespeichert werden. In Block 112 bestimmt der Meßwertprozessor 36 die Maschinenmerkmale für die laufenden Fühlerablesungen durch Erfassen der Information über die tatsächliche Position an jedem Maschinenachsen- Meßfühler und verwendet diese Information, um die Informationen in der Tabelle ausfindig zu machen, welche die Maschinenmerkmale in dieser speziellen Position beschreiben.
In Block 114 kombiniert der Meßwertprozessor 36 rechnerisch das Maschinenrücksteuerungs- oder Positionsfühlersignal und die charakteristischen Achsenkorrekturdaten, nämlich zur Erstellung eines korrigierten Satzes von Koordinatenwerten, der die Position des Meßfühlers 14 in einem echten kartesischen Koordinatensystem beschreibt.
In Figur 9 sind die verschiedenen mathematischen Gleichungen dargestellt, die zur Ermittlung der korrigierten X-, Y- und Z-Position zu lösen sind. Zum Beispiel ist das korrigierte X-Ablesesignal eine Funktion des nicht korrigierten Wertes der X-Ablesung, Xmp; der X-Maßstabsfehlerdaten für den speziellen Wert von X, X(x); der Z-Geradlinigkeit in den X- Fehlerdaten, X(z); der Y-Geradlinigkeit in den X- Fehlerdaten, X(y); des Produkts des entsprechenden Werts von Z und der Summe der X-Längsneigungs-Fehlerdaten, der Y-Querneigungs-Fehlerdaten und des Z-Y- Rechtwinkligkeitsfaktors, Z[B(x) + B(y) + Pzx]; des Produkts des nicht korrigierten Y-Werts und der Summe der Y-Gierungs-Fehlerdaten und des X-Y-Rechtwinkligkeitsfaktors, Y[C(x) + Pyx]; des Produkts der Z- Komponente der Meßfühlerverschiebung und der Summe der X-Längsneigungs-Fehlerdaten, der Y-Querneigungs-Fehlerdaten und der Z-Gierungs-Fehlerdaten, Sz[B(x) + B(y) + B(z)]; und des Produkts der Y-Komponente der Meßfühlerverschiebung und der Summe der X-Gierungs- Fehlerdaten, der Y-Gierungs-Fehlerdaten und der Z- Querneigungs-Fehlerdaten, Sy[C(x) + C(y) + C(z)]. In der gleichen Weise werden die korriegierten Y- und Z- Werte berechnet, wie das durch die restlichen zwei Gleichungen in Figur 9 angegeben ist.
Die Vorteile, die sich bei Anwendung vorliegender Erfindung ergeben, sind zahlreich. Zum Beispiel erhält man eine genauere Koordinatenmeßmaschine zu einem niedrigeren Preis. Durch das System entfallen auch die vielen Arbeitsstunden für die Endinontage der Maschine und für deren mechanische Feineinstellung im Hinblick auf ihre Genauigkeit. Ebenso sind größere Herstellungstoleranzen für viele Einzelbauteile der CMM möglich.

Claims

1. Verfahren zum Kalibrieren einer CMM (10) mit einem Meßvolumen (102), wobei die CMM einen Meßfühlerschaft (22) mit drei Bewegungsachsen (X, Y und Z) umfaßtl einen am distalen Ende des Meßfühlerschaftes befestigten Meßfühler (14), Einrichtung zur Erzeugung eines Positionssignals durch Erfassen der Position des Meßfühlers für jede Bewegungsachse innerhalb des Koordinatenrahinens der CMM, und Steuermittel (36), welche die Positionssignale aufnehmen und ein Koordinazenmeßsignal erzeugen, welches die Position des Meßfühlers identifiziert, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte einschließt:

die CMM wird von einer ersten, vorgegebenen Position entlang jeder der Bewegungsachsen zu mehreren anderen vorbestimmten Positionen verfahren, so daß Positionssignale innerhalb des Koordinatenrahmens der CMM erzeugt werden; die Position der CMM wird in einem Standard-Koordinatenrahmen mit einem Standard-Achsensystem bei jeder der vorgegebenen Positionen gemessen, so daß man gemessene Kalibrierdaten erhält; die Positionssignale und die Kalibrierdaten werden verarbeitet und die Positionssignale und die Kalibrierdaten werden miteinander korreliert, so daß man für jede der vorbestimmten Positionen Achsen-Korrekturdaten erhält, die sich auf Geradlinigkeits-, Dreh- und Achsenmaßstabsfehler beziehen, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß die Achsen-Korrekturdaten gespeichert werden; daß ferner Rechtwinkligkeitsdaten (84, 94 und 96); welche die Orthogonalität der Achsen angeben, durch Bestimmen der Rechtwinkligkeitsfehler vorgesehen werden, indem

a) ein erstes frei bewegliches Nusterwerkstück auf die CMM in einer ersten Position innerhalb einer Ebene aufgesetzt wird, die durch ein erstes Paar von Bewegungsachsen definiert ist, wobei das Musterwerkstück zwei in einem Abstand zueinander angeordnete freie Enden hat;

b) das Musterwerkstück in eine zweite Position nur innerhalb dieser Ebene bewegt wird;

c) der Meßfühler so bewegt (86) wird, daß die CMM vier verschiedene Koordinatendatensätze erzeugt, die die zwei Positionen darstellen, welche durch die Enden des Musterwerkstückes in der jeweils ersten und zweiten Position definiert werden, und daß gleichzeitig die Positionen des Musterwerkstückes unter Verwendung der zuvor berechneten Korrekturdaten kompensiert werden;

daß die Verfahrensschritte a) bis c) für ein zweites und drittes Paar von Bewegungsachsen wiederholt werden, wobei die Koordinaten in dem Datenverarbeitungsschritt dazu verwendet werden, die Rechtwinkligkeitsdaten zum Kalibrieren der CMM zu erzeugen, um jeweils zusätzliche Achsenkorrekturdaten zu erhalten, wodurch die Achsenkorrekturdaten alle Geometriefehler der CMM einchließich der Rechtwinkligkeitsfehler korrigieren; und daß alle Achsenkorrekturdaten vor dem eigentlichen Arbeltseinsatz der CMM in einer Form gespeichert (108) werden, die von den Steuermitteln während der Funktion der CMM gelesen werden kann, um die CMM für das gesamte Meßvolumen zu kompensieren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen-Korrekturdaten umfassen: neun Sätze kompensierter Drehdaten (48 bis 64), welche den Betrag der Winkeldrehung um jede Achse jeweils für jede dieser Achsen darstellen; Rechtwinkligkeitsdaten (84 94, 96), welche die Orthogonalität von drei unterschiedlichen Paaren der Achsen darstellen; sechs Sätze normalisierter Geradlinigkeitsdaten (72 bis 82) für die Achsen; und drei Sätze von Maßstabsfehlerdaten (66, 68, 70), welche Fehler der Einrichtungen darstellen.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt der Datenverarbeitung den Schritt einschließt, bei welchem die Rechtwinkligkeit für jede Ebene aus den Koordinatendaten berrechnet wird (90).

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren ferner die Schritte umfaßt, Fühlerfehlausrichtungsdaten zu bestimmen durch Aufsetzen eines zweiten Musterwerkstückes (100) auf die CMM an einem vorbestimmten Ort innerhalb des Meßvolumens; und (86) den Meßfühler so zu bewegenl daß die CMM Koordinatendaten erzeugt, die die Position des zweiten Musterwerkstückes (100) darstellen.

5. Verrahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt der Datenverarbeitung den Schritt einschließt, bei welchem die Kalibrierkoordinaten aus den Koordinatendaten berrechnet werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das erste Musterwerkstück eine Kugelstange mit einem ersten und einem in einem festen Abstand dazu angeordneten zweiten Ende ist und wobei der Verfahrensschritt c) dadurch vervollständigt wirdf daß der Meßfühler mit beiden Enden der Kugelstange in Verbindung gebracht wird, so daß die Koordinatendaten Positionen darstellen, die durch die Enden der Kugelstange definiert werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei das zweite Musterwerkstück eine Kalibrierkugel (100) umfaßt und wobei der Schritt der Verfahrbewegung dadurch vervollständigt wird, daß der Meßfühler mit mehreren Stellen auf der Kugel in Verbindung gebracht wird.