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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Kalibrieren
eines Abtastsystems. Unter einem Abtastsystem wird in dieser Beschreibung
eine Kombination aus einer Maschine und einem Tastkopf verstanden,
die zusammen beim Abtasten eines Gegenstandes verwendet werden können, um
Informationen über
seine Größe, seine
Form oder seine Oberflächenkonturen
zu erhalten. Die Maschine kann eine Koordinaten-Messmaschine (CMM) oder ein Roboter
sein, wobei der Tastkopf ein analoger Tastkopf ist, der einen Taster
besitzen kann, der mit einem Werkstück in Kontakt treten kann,
oder der Tastkopf kann ein berührungsloser
Tastkopf sein. Die Maschine besitzt Messvorrichtungen, um die Bewegung
der Maschinenteile in drei nominell orthogonalen Richtungen (die
als die X-, Y- und Z-Achsen bezeichnet werden) zu messen, wobei
der Tastkopf Messwertgeber enthält,
um Ausgaben zu erzeugen, die die Ablenkung des Tastkopfes in drei
nominell orthogonalen Richtungen (die als die a-, bund c-Achsen
bezeichnet werden) angeben.
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Allgemein
bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum dynamischen
Kalibrieren eines Abtastsystems, wodurch Fehler in dem System, die
erzeugt werden, wenn ein Gegenstand mit verschiedenen Abtastgeschwindigkeiten
(und folglich mit verschiedenen Beschleunigungen) abgetastet wird,
ohne die Notwendigkeit, den Tastkopf selbst zu kalibrieren, kartiert
werden können.
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Es
sind Verfahren zum Korrigieren von Maschinen für durch Beschleunigung induzierte
Fehler bekannt.
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Ein
Beispiel eines derartigen Verfahrens ist im europäischen Patent
Nr. 318557 beschrieben. Bei diesem Verfahren wird ein erster Gegenstand
von einem Posten nominell völlig
gleicher Gegenstände
mit einer relativ niedrigen Geschwindigkeit abgetastet, wobei die
Messungen der Positionen einer Anzahl von Bezugspunkten auf dem
Gegenstand aufgezeichnet werden. Die Abtastoperation wird mit einer relativ
schnellen Geschwindigkeit wiederholt, wobei die Messungen der Positionen
derselben Punkte aufgezeichnet werden. Jede Differenz in den Messungen
wird in einer Korrekturtabelle als Fehler aufgezeichnet.
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Danach
werden alle Gegenstände
mit der relativ schnellen Geschwindigkeit abgetastet, wobei Messungen
der Positionen der entsprechenden Punkte an jedem Gegenstand vorgenommen
werden, wobei diese Messungen für
die Maschinenbeschleunigungen unter Verwendung der vorher aufgezeichneten
Fehler korrigiert werden.
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Dieses
Verfahren erfordert, dass der Tastkopf genau kalibriert worden ist,
bevor die Messungen vorgenommen werden, wobei es über Maschinenfehler
außer über dynamische
Ablenkungen keine Rechenschaft ablegt.
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Ein
weiteres Beispiel eines derartigen Verfahrens ist im US-Patent Nr.
5,594,668 beschrieben. Dieses Patent offenbart das Abtasten einer
Ringlehre mit verschiedenen Geschwindigkeiten und folglich verschiedenen
Beschleunigungen der Maschinen-Gleitstücke und das Bestimmen der Differenzen in
den gemessenen X-, Y-Werten mehrerer Bezugspunkte als eine Funktion
der Beschleunigungskomponenten der Maschine in den X- und Y-Richtungen. Diese
Messungen werden wiederholt, wobei die Ringlehre an mehreren verschiedenen
Stellen in der Maschinenhülle
der Maschine positioniert ist, wobei ein Satz von Korrekturdaten
für die
nachfolgende Korrektur der Messungen der Werkstücke gespeichert wird.
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Dieses
Verfahren erzeugt eine Karte der Korrekturen anhand einer genau
bekannten Lehre mit einer symmetrischen Form, es erzeugt aber nicht
notwendigerweise ein Ergebnis, das auf ein unsymmetrisches Werkstück anwendbar
ist, wobei es die Oberflächenbeschaffenheit
oder verschiedene Werkstoffe nicht berücksichtigt.
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Es
ist festgestellt worden, dass, wenn ein Tastkopf verwendet wird,
der einen mit dem Werkstück
in Kontakt tretenden Taster besitzt, der Schlupf des Tasters auf
der Oberfläche,
die für
die Kalibrieren verwendet wird, eine Quelle signifikanter Fehler
in den Messungen der Positionen der Punkte auf der Oberfläche sein
kann, die als die Bezugspunkte verwendet werden, was zu Fehlern
in den Kalibrierungs-/Korrekturdaten führt.
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Die
Fehler treten auf, weil die einfache Korrelation, die zwischen der
Maschinenverschiebung und der Tasterablenkung des Tastkopfes angenommen
wird, durch den Schlupf des Tasters zerstört wird.
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Der
Schlupf des Tasters tritt auf, wenn aus welchem Grund auch immer
die Tastkraftkomponente in einer Richtung in der Ebene der berührten Oberfläche ansonsten
das Produkt der Kraftkomponente in der Richtung normal zu Oberfläche und
dem effektiven Reibungskoeffizienten überschreiten würde. Eine
derartige Situation kann sich aus einem oder mehreren Gründen ergeben,
die befohlene Maschinenrichtung kann z. B. nicht genau normal zur
berührten
Oberfläche
sein und/oder die Maschinenungenauigkeiten können dazu führen, dass sich die Maschine
nicht genau in der befohlenen Richtung bewegt, und/oder die Tastkopfungenauigkeiten
(oder die Tastkopf-Konstruktion) können verursachen, dass sich
die Tastkraftkomponente von der Richtung der Tastkopfablenkung unterscheidet.
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Die
vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Kalibrieren eines
Abtastsystems, in dem die Wirkungen des durch die Tastkopf- und/oder
Maschinenungenauigkeiten verursachten Schlupfs des Tasters minimiert
sind.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Kalibrieren
eines Abtastsystems geschaffen, wobei das Verfahren die Schritte
umfasst, dass:
- a) der Tastkopf zu einer Oberfläche eines
Gegenstandes in einer Richtung, die nominell normal zu der Oberfläche liegt,
zu einer Anzahl (N) spezifischer Bezugspunkte an der Oberfläche bewegt wird,
- b) nur die Komponenten der Maschinenbewegungen und Tastkopfausgaben,
die normal zu der Oberfläche
an diesen Punkten sind, verwendet werden, wobei eine Bestimmung
der Positionen von jedem der Bezugspunkte unter Nullfehlerbedingungen
des Tastkopfes und Nullträgheitskräften an
der Maschine durchgeführt
wird,
- c) die Oberfläche
des Gegenstandes bei einer Vielzahl verschiedener Geschwindigkeiten
jedes Mal, wenn die Bezugspunkte nominell durchlaufen werden, mehrere
Male abgetastet wird,
- d) die Komponenten der Maschinenbewegungen und Tastkopfausgaben,
die normal zu der Oberfläche
sind, verwendet werden, wobei weitere Bestimmungen der scheinbaren
Positionen von jedem der (N) Bezugspunkte durchgeführt werden und
jede Differenz in der normalen Richtung von den bei Schritt b) bestimmten
Positionen für
jede Geschwindigkeit aufgezeichnet wird,
- e) aus den bei Schritt d) aufgezeichneten Differenzen die höchste Abtastgeschwindigkeit
identifiziert wird, bei der die Änderungen
in den Messungen der Positionen der Bezugspunkte, die während jeder
Abtastung aufgezeichnet wurden, innerhalb einer vorbestimmten Toleranz
bleiben,
- f) die identifizierte Geschwindigkeit und die Differenzen in
der Messung bei dieser Geschwindigkeit gespeichert werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
besitzt der Tastkopf einen ablenkbaren Taster mit einer Tasterspitze,
um mit der Oberfläche
in Kontakt zu treten.
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Das
Verfahren gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung basiert auf zwei Theorien. Die Erste ist, dass es
keinen Schlupf des Tasters in den Richtungen normal zur Oberfläche des
Gegenstandes geben kann. Jeder Schlupf des Tasters muss parallel
zu Oberfläche
sein. Die Zweite ist, dass die obenerwähnten Tastkopfungenauigkeiten
vernachlässigbar
werden, wenn die Tastkopfablenkung null ist.
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Folglich
sind durch die Verwendung nur der Komponenten der Maschinenbewegung
und der Tasterablenkung, die zur Oberfläche normal sind, und das Bestimmen
dieser Werte, wenn sich der Taster gerade mit der Oberfläche in Kontakt
befindet, aber nicht abgelenkt wird, die resultierenden Messungen der
Bezugspunkte ohne Tastkopffehler und ohne Fehler, die auf den Schlupf
des Tasters zurückzuführen sind.
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Die
Bestimmung der Position jedes Bezugspunkts zum Zeitpunkt, zu dem
sich die Tasterspitze gerade mit der Oberfläche des Gegenstandes in Kontakt
befindet, kann ausgeführt
werden, indem der Tastkopf in die Oberfläche gesteuert wird und die Komponenten
der Maschinenbewegungen und der Tastkopfablenkungen, die zur Oberfläche normal sind,
synchron aufgezeichnet werden, bis die Tastkopfablenkung eine vorgegebene
Grenze erreicht. Die aufgezeichneten Werte werden dann zurück-extrapoliert,
um die Position der Maschine in der Richtung normal zur Oberfläche zu bestimmen,
wenn sich der Taster gerade mit der Oberfläche in Kontakt befand.
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Alternativ
und bevorzugt wird der Tastkopf in die Oberfläche gesteuert, bis die Tasterablenkung eine
vorgegebene Grenze erreicht, wobei sie dann mit einer bekannten
und gesteuerten niedrigen Geschwindigkeit umgekehrt wird. Während der
Umkehrung werden die Komponenten der Maschinenbewegungen und der
Tastkopfablenkungen normal zu Oberfläche synchron aufgezeichnet,
bis der Taster die Oberfläche
verlässt.
Die aufgezeichneten Werte werden dann extrapoliert, um die Position
der Maschine in der Richtung normal zur Oberfläche zu bestimmen, wenn der
Taster gerade die Oberfläche
verlassen hat. Dies ist effektiv dieselbe wie die Position, wenn
der Taster gerade die Oberfläche
berührt
hat.
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Während des
Abtastschritts werden die Ausgaben der Messwertgeber des Tastkopfes
in den a-, b- und c-Achsen unter Verwendung einer Tastkopf-Transformationsmatrix
in inkrementale Werte von X, Y und Z transformiert.
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Sobald
durch dieses Verfahren die maximale Abtastgeschwindigkeit festgestellt
worden ist, kann eine Karte der Fehler in der Richtung normal zu Oberfläche an den
(n) Punkten zusammen mit den Daten bezüglich der Abtastgeschwindigkeit,
des speziellen Gegenstandes oder Merkmals, der speziellen CMM und
des Ortes und der Orientierung der Teile in der CMM, der speziellen
Tastkopf- und Tasterkonfiguration und der verwendeten Tastkopfmatrix
und der verwendeten nominellen Tastkopfablenkung gespeichert werden.
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Anstatt
des Speicherns dieser Daten im Maschinen-Computer, möglicherweise
zusammen mit vielen anderen Fehlerkarten für andere Werkstücke, können gemäß einem
neuartigen Merkmal der Erfindung diese Daten außerhalb der Maschine als Teil des
einem Werkstück
zugeordneten Teilprogramms oder in Verbindung mit dem einem Werkstück zugeordneten
Teilprogramm gespeichert werden. Ein Teilprogramm ist das Software-Programm, das in
den Computer der Messmaschine geladen wird, wenn ein Werkstück zu messen
ist, und das der Messmaschine sowohl die Einzelheiten des zu messenden
Werkstücks
als auch die durch die Maschine auszuführenden Bewegungen, um die
erforderlichen Messungen auszuführen,
identifiziert.
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Um
Maschinenfehler zu vermeiden, die die Genauigkeit der Ergebnisse
beeinflussen, ist es bevorzugt, die Fehlerkartierung der Maschine
vorzunehmen und die Tasterspitze bezüglich ihres Durchmessers und
ihrer Position bezüglich
der Achse der Maschinenspindel zu qualifizieren Folglich umfasst gemäß einem
weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum dynamischen
Kalibrieren eines Abtastsystems die Schritte, dass:
das System
statisch fehlerkartiert wird,
der Durchmesser der Tasterspitze
und ihre Position bezüglich
des Tastkopfes unter Verwendung einer Bezugskugel bestimmt wird,
die
Positionen einer Vielzahl von Bezugspunkten an einer Oberfläche eines
Gegenstandes bestimmt werden, wenn der Tastkopftaster in Kontakt
mit der Oberfläche
ist und wenn zumindest die Komponente der Tasterablenkung normal
zu der Oberfläche
Null ist, die Oberfläche
des Gegenstandes bei einem Durchgang durch die Bezugspunkte bei
einer Nenntasterablenkung und bei der maximalen Geschwindigkeit
abgetastet wird, bei der die Ergebnisse innerhalb einer gegebenen
Toleranz wiederholbar sind,
die Positionen der Bezugspunkte,
die mit einer Nullnormalablenkung des Tasters bestimmt wurden, von den
Positionen der Bezugspunkte subtrahiert werden, die während des
Abtastschrittes erzeugt wurden, um die Messfehler, die auf den Abtastprozess
in der Richtung normal zu der Oberfläche bei der Nennablenkung zurückführbar sind,
zu bestimmen, und
die Fehlerwerte zur nachfolgenden Korrektur
der Messungen gespeichert werden, die an einem ähnlichen Gegenstand bei der
gleichen Geschwindigkeit und Ablenkung gemacht werden.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung werden nun spezieller unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung
beschrieben, worin:
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1 ein
Abtastsystem veranschaulicht, das einen Tastkopf enthält, der
an der Hohlwelle einer CMM angebracht ist, an der ein Abtast-Tastkopf
in der Position zum Messen einer Bohrung in einem Werkstück befestigt
ist,
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2 das
Prinzip der Beziehung zwischen der radialen Position der CMM und
der Radialablenkung des Tasters des Tastkopfes während eines Messschritts des
Verfahrens der Erfindung veranschaulicht,
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3 die
Ausgaben bezüglich
der a- und b-Achsen eines unvollkommenen Tastkopfes veranschaulicht,
wenn die Maschine während
des Messschritts rückwärts gefahren
wird, und
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4a und 4b jeweils
die tatsächlich ausgegebenen
Komponenten des Tastkopf-Verschiebungsvektors in den geschätzten Radial-
und Tangentialrichtungen, wenn die Richtung der Bewegung der CMM
nicht genau radial ist, im Vergleich zu den Ausgaben, wenn die Radialkomponente
genau radial ist, veranschaulichen.
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In 1 ist
ein Tastkopf 1 gezeigt, der an einer Maschinen-Hohlwelle 10 befestigt
ist. Der Tastkopf trägt
einen Messtastkopf 2, der einen Taster 3 mit einer
Tasterkugel 4 an seinem freien Ende besitzt. Der Taster
ist mit einer Bohrung in einem Werkstück 5 in Kontakt gezeigt.
Die Bohrung besitzt einen Nennradius R, wobei sich ihr Mittelpunkt
O in einer nominellen Position Xc, Yc und Zc in den Koordinaten
der Maschinenachsen befindet. Die Tasterkugel besitzt einen Radius
r, der vorgegeben ist.
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Ist
es bevorzugt, dass einige vorbereitende Schritte unternommen werden,
um die besten Ergebnisse vom vorliegenden Verfahren zu erhalten.
Die Maschine mit dem angebrachten Tastkopf wird z. B. vorzugsweise
durch herkömmliche
Mittel, z. B. Laser-Interferometrie, fehlerkartiert, sodass die
Maschinenfehler aus den Ergebnissen heraus kalibriert werden können. Der
Tastkopf sollte außerdem
im Voraus bezüglich
der Größe (des
Durchmessers) der Tasterspitze unter Verwendung einer bekannten
Eignungsprozedur an einer Bezugskugel qualifiziert werden.
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Als
der erste Schritt im Kalibrierungsverfahren kann für den Tastkopf
in seinem freien Zustand eine "Nullstellung
vorgenommen" werden.
Dies umfasst einfach das Ermitteln der Ablesungen der Messwertgeber
des Tastkopfes, wenn der Taster keinen Kontakt hat oder keine Trägheitskraft
auf den Taster wirkt, und das Setzen dieser in allen drei Achsen
auf null, oder alternativ das Speichern dieser Ablesungen, sodass
sie von allen nachfolgenden Ablesungen subtrahiert werden können. Es
wird angegeben, dass es notwendig sein kann, dass mehrere Abmessungen
ermittelt und gemittelt werden, um das Rauschen, die Schwingungen
usw. der Maschine zu berücksichtigen.
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In
einem weiteren Schritt kann eine Schätzung der Position des Mittelpunkts
der Bohrung in den X-, Y- und Z-Koordinaten vorgenommen werden, indem
die Messungen der Punkte an wenigstens drei Positionen um die Oberfläche vorgenommen
werden, aus denen die Position des Mittelpunkts in bekannter Weise
berechnet werden kann, und indem eine relevante vorgegebene Tastkopf-Transformationsmatrix
als ein Anfangspunkt verwendet wird, um die a-, b-, c-Ausgaben des
Tastkopfes in die X-, Y-, Z-Koordinaten
der Maschine umzusetzen. Dieser Schritt kann nützlich sein, weil der nächste Schritt des
Kalibrierungsverfahrens erfordert, dass der Kontakt mit der Bohrung
hergestellt wird, während
die Maschine in einer Richtung gesteuert wird, die sich so nahe
wie möglich
an der Radialrichtung befindet. Es ist jedoch nicht wichtig, dass
zu diesem Zeitpunkt die Position des Mittelpunkts des Kreises genau
bekannt ist. Dieser Schritt kann deshalb nicht notwendig sein, insbesondere
falls die Nennposition, -größe und -Orientierung
der Bohrung ausreichend genau sind.
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Wie
oben erklärt
worden ist, tritt jeder Schlupf in der lokalen Ebene der Oberfläche auf. Folglich
besitzt er eine Nullkomponente in der wahren Radialrichtung und
nur eine sehr kleine Komponente in der annähernden Radialrichtung. Außerdem sind,
sobald die Nullstellung der Ausgaben der Messvorrichtungen im Tastkopf
vorgenommen worden ist oder die Ausgaben der Messvorrichtungen mit
dem Tastkopf in seinem nicht abgelenkten Zustand kalibriert worden
sind, alle mit dem Taster in seinem nicht abgelenkten Zustand vorgenommenen
Tastkopfmessungen im Wesentlichen ohne Tastkopffehler.
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Weil
es normalerweise nicht möglich
ist, alle Messungen direkt vorzunehmen, wenn der Taster gerade mit
einer Oberfläche
in Kontakt getreten ist und bevor der Taster abgelenkt worden ist,' und irgendeine Tasterablenkung
unvermeidlich ist, macht die Erfindung von dem in der europäischen Patentbeschreibung
Nr. 599513 beschriebenen Verfahren des Extrapolierens der XY- und
Z-Ablesungen der Maschine zurück
zu dem Punkt, an dem die Ablesungen der Tastkopfablenkungen null
sind, Gebrauch, jedoch mit einigen hinzugefügten neuartigen Verfeinerungen.
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Weil
die Richtung der Tastkopfablenkung nominell bekannt ist (d. h.,
sie sollte das Gegenteil der Richtung der Bewegung der Maschine
sein) und vorausgesetzt, dass eine angemessen genaue Tastkopf-Transformationsmatrix
zum Umsetzen der Ausgaben der a-, b-, c-Tastkopfablenkung in inkrementale X-,
Y-, Z-Koordinaten bereitgestellt werden kann, kann die angenäherte Radialkomponente
der Tastkopfablenkung für
jede Berührung
berechnet werden. Deshalb wird, wenn ein Kreis in einer Bohrung in
einem Teil zum ersten Mal gemessen wird, für jede Berührung um den Kreis eine erste
Schätzung
der Radialrichtung vom Mittelpunkt des Kreises zum anvisierten Berührungspunkt
vorgenommen. Diese Bestimmung kann aus der angenäherten Mittelpunktposition
vorgenommen werden, die im oben umrissenen vorbereitenden Schritt
festgestellt worden ist.
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Gemäß dem Verfahren
der Erfindung wird der Taster des Tastkopfes mit der Oberfläche der Bohrung
in einer Richtung, die nominell normal zu Oberfläche der Bohrung ist, in Kontakt
getrieben, bis eine vorgegebene Tasterablenkung erreicht ist. Die Größe dieser
Ablenkung ist einfach durch die Notwendigkeit bestimmt, ausreichend
Daten zu erhalten, um einen guten Nullpunkt zu erhalten.
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Wie
oben beschrieben worden ist, wird, sobald die erforderliche Ablenkung
des Tasters erreicht worden ist, die Maschine rückwärts gefahren, während gleichzeitig
die Ausgaben der Messvorrichtungen der Maschine und der Messwertgeber
im Tastkopf aufgezeichnet werden..
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Dieser
Prozess wird für
eine Anzahl anderer Punkte um die Oberfläche der Bohrung wiederholt, es
werden z. B. wenigstens neun, aber bevorzugt fünfzig oder mehr genommen, um
eine angemessene Verteilung um die Oberfläche zu erreichen.
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Dann
wird für
jede Berührung
unter Verwendung der Tastkopf-Transformationsmatrix
die nominelle Radialkomponente der Tastkopfablenkung gegen die nominelle
Radialkomponente der Maschinenbewegung berechnet. Dies ergibt zwei
Folgen von Punkten in etwa geraden Linien, die durch einen Übergangsabschnitt
verbunden sind, wenn die Tasterspitze die Oberfläche verlässt (der als eine überkritisch
gedämpfte
Tastkopfantwort in 2 veranschaulicht ist), wobei
für jede
Folge eine Gerade der besten Anpassung berechnet wird. Um die Genauigkeit
der Berechnung der Gerade der besten Anpassung zu verbessern, werden
die Punkte im Übergangsbereich
in der Nähe
des Schnittpunkts vorzugsweise weggelassen.
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Die
in dem Verfahren verwendete genaue Kontaktposition ist als der Schnittpunkt
zwischen diesen zwei Geraden definiert. Die erste Linie besitzt
nominell den Anstieg eins, der die Normalkomponente der Tastkopfablenkung
gegen die Normalkomponente der Maschinenbewegung ist. In einer idealen
Situation sollten diese zwei Komponenten eine 1-zu-1-Beziehung besitzen.
Die zweite Gerade besitzt den Anstieg null, wobei sie die Tastkopfablenkung,
nachdem der Taster die Oberfläche
verlassen hat (d. h. null für
einen Tastkopf mit völliger
Nullstellung), gegen die Normalkomponente der Maschinenbewegung
ist. Die genauen Kontaktpositionen für jeden der Punkte um die Bohrung
werden in den Maschinenkoordinaten als die (X0,
Y0, Z0)-Positionen
bezeichnet.
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In
dem Fall, dass die befohlenen Radialrichtungen fehlerhaft sind,
kann es nützlich
sein, wie folgt zu iterieren: Aus dem neu erfassten Satz der (X0, Y0, Z0)-Positionen
kann ein neuer "wirklicher" Mittelpunkt des
Kreises berechnet werden, wobei eine neue Radialrichtung für jede Berührung bestimmt
werden kann (d. h. vom wirklichen Mittelpunkt zu jeder der (X0, Y0, Z0)-Positionen).
Die neuen Radialkomponenten der Tastkopfablenkung werden berechnet,
es werden neue (X0, Y0,
Z0)-Punkte festgestellt und es wird ein
neuer Mittelpunkt festgestellt, wobei dieser Prozess fortgesetzt
wird, bis die Änderungen
annehmbar klein werden.
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Während jedoch
die Normalkomponente bezüglich
der Oberfläche
des Gegenstandes (radial im obigen Beispiel, wenn eine Bohrung gemessen
wird) in den XY- und Z-Koordinaten der Maschine leicht festgestellt
werden kann, wie oben beschrieben worden ist, gilt dasselbe nicht
notwendigerweise für
die Tastkopfausgaben, es sei denn, sowohl die Tastkopf-Ausführung als
auch die Tastkopf-Konstruktion als auch die Tastkopf-Transformationsmatrix
sind sehr genau. Fehler können
die in den 3 und 4 veranschaulichte
Situation verursachen, in denen zu sehen ist, dass eine typische
Folge der nominellen Radialkomponenten der Tastkopfablenkung nicht
notwendigerweise eine Gerade bildet, was teilweise auf ein Anhaften/einen
Schlupf des Tasters auf der Oberfläche zurückzuführen ist. Selbst die Verwendung
einer Schätzung
einer Gerade der besten Anpassung durch die Punkte kann signifikante
Fehler im wahren Schnittpunkt verursachen. Folglich besteht als
eine Alternative zur oben beschriebenen Analysetechnik, um einen
neuen Mittelpunkt festzustellen, eine alternative Technik, die entsprechend
einem neuartigen Merkmal der Erfindung verwendet werden kann, darin,
die graphische Darstellung der Radialablenkung des Tastkopfes nach
den Fehlern der Geradlinigkeit, die in 4 veranschaulicht
sind, zu analysieren und die Richtung (in 3D) zu drehen, bis die
graphische Darstellung einen minimalen Fehler der Geradlinigkeit
besitzt.
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Dies
kann ausgeführt
werden, indem von fast jeder Orientierung der Tastkopf-Transformationsmatrix
oder jeder nicht radialen Sondierungs-Richtung unter Verwendung eines Algorithmus
begonnen wird, der die angesammelten Daten nach der 3D-Richtung des
maximalen Anstiegs in der Tastkopfablenkung gegen die graphische
Darstellung der Radialposition der Maschine überprüft, ungeachtet der scheinbaren Richtung
der Tastkopfablenkung. Die Geradlinigkeit dieser graphischen Darstellung
wird bewertet. Falls der Fehler kleiner als eine vorgegebene Toleranz
ist, während
sich der Anstieg ausreichend genau bei eins befindet, ergibt die
Extrapolation dieser Linie zur Linie mit dem Anstieg null den Schnittpunkt
mit der erforderlichen Genauigkeit. Wenn der Fehler der Geradlinigkeit übermäßig ist,
dann sucht der Algorithmus nach einer weiteren Richtung, die gerader
erscheint und dennoch den erforderlichen Anstieg besitzt. Je gerader
die Linie erhalten wird, desto genauer normal muss die Richtung
sein, und desto genauer ist die Extrapolation.
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Der
oben beschriebene Messprozess erzeugt genaue Messungen der Positionen
der Bezugspunkte, die minimale Tastkopffehler enthalten, ungeachtet
des Schlupfs des Tastkopfes, der auf die CMM- und/oder Tastkopffehler
zurückzuführen ist. Aus
diesen Messungen können
der Mittelpunkt und der Radius der Bohrung genau bestimmt werden.
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Sobald
die Positionen der Bezugspunkte genau bestimmt worden sind, kann
die letzte Stufe der Kalibrierung unternommen werden.
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Die
Bohrung wird mehrmals mit einer vorgegebenen endlichen Tasterablenkung
des Tastkopfes und mit einer relativ niedrigen Geschwindigkeit abgetastet,
was sichert, dass der Taster des Tastkopfes dieselben 50 oder mehr
Bezugspunkte durchläuft.
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Während des
Abtastschritts werden die Ausgaben der Messwertgeber des Tastkopfes
in den a-, b- und c-Achsen unter Verwendung der Tastkopf-Transformationsmatrix,
auf die oben Bezug genommen worden ist, in inkrementale Werte von
X, Y und Z transformiert.
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Die
Differenzen zwischen den Messungen der Positionen der Bezugspunkte,
die während
der Abtastungen erhalten worden sind, und den Bezugsmessungen werden
von Abtastung zu Abtastung aufgezeichnet.
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Die
Abtastbewegungen nominell durch die Bezugspunkte werden mit der
gleichen Nenntasterablenkung und mit immer größeren Geschwindigkeiten wiederholt,
bis die Variation der aufgezeichneten Differenzen in den Messungen
zwischen zwei Abtastungen mit der gleichen Geschwindigkeit bezüglich einer
definierten Toleranz übermäßig wird.
Die letzte Geschwindigkeit, mit der die Variation in den Differenzen
in die definierte Toleranz fällt,
wird als die maximale Abtastgeschwindigkeit aufgezeichnet.
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Es
ist selbstverständlich,
dass der Abtastprozess mit einer hohen Geschwindigkeit begonnen werden
und abhängig
von den Ergebnissen mit einer höheren
oder niedrigeren Geschwindigkeit wiederholt werden kann.
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Sobald
in dieser letzte Stufe die maximale Abtastgeschwindigkeit festgestellt
worden ist, wird eine Karte der Positionsfehler an den Bezugspunkten zusammen
mit den Daten bezüglich
der Abtastgeschwindigkeit, des speziellen Gegenstandes oder Merkmals,
der speziellen CMM, der speziellen Tastkopf- und Tasterkonfiguration
und der verwendeten Tastkopfablenkung und der verwendeten Tastkopfmatrix
gespeichert.
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Diese
Karte und die zugeordneten Daten können im Computer der Maschine
oder außerhalb der
Maschine als Teil des Teilprogramms bezüglich des spezifischen Werkstücks gespeichert
werden.
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Aus
dieser Karte ist es dann möglich,
zu interpolierten, um die radialen Fehler bei den Winkeln zwischen
den Radialrichtungen zu erhalten, in denen die wirklichen Daten
erhalten worden sind.
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Die
Variationen im Reibungskoeffizienten zwischen der Tasterspitze und
dem Werkstück
können
die Messgenauigkeit beeinflussen. Falls es wahrscheinlich ist, dass
die Fehler signifikant sind, ist es möglich, den tatsächlichen
Reibungskoeffizienten zu messen, z. B. durch das Vergleichen der
Richtung des Ablenkungsvektors des Tastkopfes mit der aus dem geometrischen
Ort der gemessenen Punkte bestimmten Richtung der Oberflächennormalen.
Das Vorzeichen und die Skalierung der erforderlichen Messkompensation,
die durch die Änderungen
im Reibungskoeffizienten erforderlich ist, können im Voraus bestimmt werden,
z. B. durch das Abtasten in zwei verschiedenen Richtungen.
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Es
ist zu sehen, dass das Verfahren der Erfindung die Notwendigkeit
vermeidet, den Tastkopf separat zu kalibrieren, wobei folglich Zeit
und Kosten bei der Entwicklung von Algorithmen für eine schnellere und genauere
Systemleistung gespart werden.
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Für den Maschinenbenutzer
gibt es außerdem
signifikante Zeitersparnisse durch das Integrieren der Tastkopf-Kalibrierung,
der statischen und dynamischen Kartierung des Tastkopfes und der
dynamischen Kartierung der CMM in eine (automatische) Operation,
wobei schließlich
mit schnelleren Geschwindigkeiten abgetastet werden kann.
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Obwohl
die Erfindung unter Bezugnahme auf das Abtasten eines Kreises innerhalb
einer Bohrung, was ein zweidimensionales Problem ist, beschrieben worden
ist, ist das Verfahren allgemeiner anwendbar, wobei es verwendet
werden kann, um andere Gegenstände
oder Merkmale abzutasten, einschließlich Ebenen oder dreidimensionaler
Gegenstände.
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Obwohl
die Bedienungspersonen der CMMs normalerweise wünschen, die Gegenstände mit
der höchsten
Abtastgeschwindigkeit abzutasten, gibt es außerdem keinen Grund, weshalb
die mit den verschiedenen Abtastgeschwindigkeiten aufgezeichneten
Datenkarten nicht gespeichert werden sollten, um zu ermöglichen,
dass Korrekturen an den mit anderen Geschwindigkeiten aufgenommenen
Abtastdaten vorgenommen werden.
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Die
ersten Schritte im Verfahren, d. h. das Feststellen der Bezugspunkte,
sind unter Bezugnahme auf einen Tastkopf mit einem Taster, der mit
einem Werkstück
in Kontakt tritt, beschrieben worden.
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Falls
ein berührungsloser
Tastkopf verwendet wird, müssen
die genauen Bezugspunkte unter Verwendung der Nullfehlerbedingungen
des Tastkopfes und der Nullträgheitskräfte an der
Maschine, z. B. bei konstanter Geschwindigkeit, festgestellt werden.