DE19527268A1 - Mehrkoordinatenmeßgerät mit interferometrischer Meßwerterfassung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Koordinatenmeßgerät mit einem in mehreren Koordinatenrichtungen beweglich geführten Taster, dessen Position von interferometrischen Meßstrahlen relativ zu einem aus den Reflektorspiegeln für die Interferometer gebildeten Raumnormal gemessen wird.

Ein solches Koordinatenmeßgerät ist beispielsweise in der EP 0 084 144 B1 beschrieben.

Das bekannte Koordinatenmeßgerät besitzt einen Taster, dessen Taststift allerdings nur in einer einzigen Koordinatenrichtung ausgelenkt werden kann. Es dient zur Vermessung der Oberflächen von nur leicht gewölbten Spiegeln für astronomische Großgeräte, für diesen Zweck ist allerdings eine eindimensionale Auslenk­ barkeit des Tasters auch ausreichend.

Für die hochgenaue Spiegelvermessung besitzt dieses Gerät ein aus drei Reflektorspiegeln nach Art einer Würfelecke aufgebautes Raumnormal, das von interferometrischen Meßstrahlen angemessen wird, die vom Träger für den 1D-Taster ausgehen. Darüberhinaus sind die Meßstrahlengänge auch über den nachgiebig gelagerten Taststift des Gerätes geführt und dabei mehrfach gefaltet, um die Bewegung des Taststifts mitzuerfassen.

Das bekannte Gerät ist jedoch äußerst aufwendig und teuer und zwar nicht nur wegen des komplizierten, über eine Vielzahl von Umlenkelementen geführten interferometrischen Strahlenganges. Um die geforderte Genauigkeit einzuhalten muß das bekannte Meßgerät samt zu vermessendem Werkstück in einem klimatisierten Raum betrieben werden, in dem die Parameter-Temperatur und Feuchte des Mediums Luft, das die Meßstrahlengänge durchsetzen, genau eingehalten werden. Zudem ist das Gerät nicht zur Vermessung von Werkstücken beliebiger Geometrie geeignet.

Der vorliegenden Erfindung liegt der Aufgabe zugrunde ein Koordinatenmeßgerät für hochgenaue Messung an beliebigen Werkstücken aus der industriellen Fertigung zu schaffen, das möglichst einfach aufgebaut und damit preiswert ist und auch außerhalb von klimatisierten Meßräumen zuverlässig arbeitet.

Diese Aufgabe wird durch ein Koordinatenmeßgerät mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Das erfindungsgemäße Koordinatenmeßgerät ist bis auf den aus der Verkleidung herausragenden beweglichen Taster vollständig gekapselt und kann deshalb auch direkt im Fertigungsbereich eingesetzt werden. Dennoch ist höchste Genauigkeit gewährleistet. Hierfür sorgen zum einen die Interferometer, die die Lage des Tasters relativ zu einem Raumnormal messen. Es ist somit nicht erforderlich, den Führungen für den Taster eigene Meßsysteme zuzuordnen oder die Führungen besonders präzise auszubilden. Diese können vielmehr beliebig ausgestaltet sein und sorgen lediglich dafür, daß der Taster im Meßbereich manuell oder motorisch bewegt wird.

Außerdem brauchen die Parameter Temperatur, Luftdruck und Feuchte innerhalb des relativ kleinen Gehäuses, das die Führungen des Tasters umgibt, nicht hochgenau stabilisiert werden, können aber ausreichend konstant gehalten werden gegen kurzfristige Änderungen, während längerfristige Änderungen durch eine Referenzmessung mittels eines weiteren Interferometers, das beispielsweise ein Bezugsendmaß vermißt, erfaßt und kompensiert werden können.

Die Reflektorspiegel des Raumnormals bestehen zweckmäßig aus einer temperaturstabilen Glaskeramik. Sie müssen jedoch keineswegs besonders eben oder rechtwinklig montiert sein, sondern brauchen nur geringen Ansprüche an Ebenheit und Rechtwinkligkeit zu genügen. Denn die Abweichungen von einem idealen ebenen und rechtwinkligen Raumeck können als Korrekturwerte in der Steuerung oder dem Rechner des Koordinatenmeßgerätes gespeichert sein.

Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn vom Träger des Tasters mindestens sechs interferometrische Strahlengänge zweckmäßig paarweise in Richtung der drei orthogonalen Raumrichtungen x, y und z ausgehen und die Reflektorspiegel anmessen. Mit diesen sechs interferometrischen Strahlengängen lassen sich alle sechs Freiheitsgrade des Tasters zuverlässig und eindeutig erfassen. Dabei ist es außerdem von ganz besonderem Vorteil, wenn der Träger ein sogenannter messender Tastkopf ist, der ein in mehreren Raumrichtungen nachgiebiges Teil besitzt und die interferometrischen Meßstrahlengänge vom nachgiebigen Teil ausgehen. Auf diese Weise lassen sich direkt alle Verlagerungen des nachgiebigen Teils im Raum relativ zu den Reflektorspiegeln des Raumnormals ermitteln, so daß der Tastkopf selbst keine eigenen Meßsysteme zur Messung der Auslenkung des Taststifts benötigt.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Zeichnung. Das dort dargestellte Koordinatenmeßgerät besteht im wesentlichen aus einem quaderförmigen Gehäuse (1), das alle beweglichen Teile und Meßsysteme umschließt. Außerhalb des Gehäuses (1) befindet sich lediglich der Steuerschrank (20) mit der Mikroprozessor­ steuerung für das Gerät und der daran angeschlossene Rechner (21), z. B. ein handelsüblicher PC.

Innen im Gehäuse unter der Deckplatte (2), auf der Rückwand (3) und an der nur teilweise sichtbaren und aufgebrochen gezeichneten rechten Seitenwand (4) sind drei Reflektorspiegel (22z, 22y und 22x) befestigt. Diese Spiegel (22) bilden ein Raumnormal nach Art einer Würfelecke für die nachfolgend noch beschriebenen interferometrischen Meßstrahlengänge. Die Spiegel (22) können z. B. aus Floatglas oder einer Glaskeramik wie z. B. Zerodur bestehen. Ihre Abweichungen von einer idealen rechtwinkligen und ebenen Würfelecke sind nach der Montage des Gerätes einmal mit einer dafür geeigneten Kalibriereinrichtung ermittelt worden und als Korrekturwerte entweder im Speicher des Mikroprozessors in der Steuerung (20) oder im Speicher des Rechners (21) abgelegt worden.

Auf der Bodenplatte (6) des Gehäuses (1) sind außerdem die Führungen für den in allen drei Raumrichtungen x, y und z verfahrbaren Tastkopf (12) des Koordinatenmeßgeräts montiert. Diese Führungen sind im beschriebenen Ausführungsbeispiel ähnlich wie die eines Koordinatenmeßgeräts vom Ständertyp aufgebaut. Das sieht so aus, daß ein in Richtung des Pfeils x waagerecht auf einer Führung (7) verschiebbarer Schlitten (8) einen Ständer (9) trägt, an dem ein zweiter Schlitten (10) in Richtung des Pfeils z vertikal verschieblich gelagert ist. Der Schlitten (10) trägt seinerseits die Führungen für den waagerecht entlang des Pfeils y beweglich gelagerten dritten Schlitten (11), an dem der Tastkopf befestigt ist. Es soll hier jedoch betont werden, daß es auf die Art und Abfolge der Führungen nicht ankommt. Wesentlich ist allein, daß der Tastkopf (12) in den drei Raumrichtungen verschoben werden kann, entweder manuell oder auch motorisch und gegebenenfalls CNC-gesteuert.

Der Tastkopf (12) besitzt ein bewegliches Teil (16), das am Schlitten (11) über drei hintereinander angeordnete Führungssysteme nach Art von Federparallelogrammen nachgiebig gelagert ist, so daß der daran über ein Verlängerungsrohr (17) befestigte Sterntaster (18) bei Kontakt mit dem zu vermessenden Werkstück ausweichen bzw. nachgeben kann. Solche nach Art von Federparallelogrammen aufgebauten Tastköpfe sind an sich bekannt und brauchen deshalb nicht im Detail an dieser Stelle beschrieben werden. Es soll nur erwähnt werden, daß die drei Federparallelogramme aus monolytischen Gelenken aufgebaut sind, wobei die beiden zwischen entsprechenden Dünnstellen im Material des Tastergehäuses angeordneten Parallelogrammarme (13a und 13b) die Nachgiebigkeit in z-Richtung sicherstellen, die entsprechend ausgebildeten Parallelogrammarme (14a und 14b) die Nachgiebigkeit in x-Richtung und die Parallelogrammarme (15a und 15b) die Nachgiebigkeit des beweglichen Teils (16) in y-Richtung sicherstellen.

An dem allseitig nachgiebigen Teil (16) des Tastkopfs (12) sind sechs Interferometer (19x1, 19x2, 19y1, 19y2, 19z1 und 19z2) befestigt, von denen paarweise jeweils einer der drei Reflektorspiegel (22x, 22y und 22z) des Raumnormals angemessen wird. Bei diesen Interferometern handelt es sich um Laserinterferometer, die beispielsweise über Lichtleitfasern von der Steuerung (20) des Koordinatenmeßgeräts versorgt werden. Es ist auch möglich, die sechs Interferometer z. B. von einer einzigen Laserdiode aus zu versorgen, die mit der zugehörigen Stabilisierungseinrichtung am beweglichen Teil (16) des Tastkopfs (12) befestigt ist. Für den genannten Zweck geeignete Laserinterferometer können beispielsweise unter der Produktbezeichnung "Laserinterferometer LIF" von der Firma Euchner + Co in D-70771 Leinfelden-Echterdingen bezogen werden.

Die Laserinterferometer (19x1-19z2) messen direkt alle Bewegungen des Teils (16) des Tastkopfes (12) relativ zu dem aus den Reflektorspiegeln (22) gebildeten Raumnormal und erfassen damit direkt und eindeutig die Position des Sterntasters (18), der am Teil (16) über ein hochstabiles aber leichtgewichtiges Rohr (17) aus glasfaserverstärktem Kunststoff befestigt ist. Da sich mit den sechs interferometrischen Meßstrahlengängen alle sechs Freiheitsgrade erfassen lassen, nämlich die drei Translationen T_x, T_y und T_z und die drei rotatorischen Freiheitsgrade R_x, R_y und R_z, entfallen auch alle bisher bei hochgenauen Koordinatenmeßgeräten sonst erforderlichen Maßnahmen zur Führungsfehlerkorrektur, d. h. auf die Genauigkeit der Führungen (7-11) kommt es nicht an. Die Führungen haben lediglich sicherzustellen, daß sich der Tastkopf (12) nicht so weit verwindet, daß die reflektierten Meßstrahlen nicht mehr detektiert werden können.

Wie eingangs erwähnt ist das gesamte Koordinatenmeßgerät mit seinen beweglichen Teilen und den Meßsystemen vollständig gekapselt. Das als Taststiftträger dienende Rohr (17) ist an der Vorderseite (5) des Gerätes durch eine Blende (25) hindurchgeführt, die mit dem Schlitten (10) verbunden ist. Oben und unten an die Blende (25) angesetzt sind die Faltenbälge (24a) und (24b, nicht sichtbar), die von der Blende (25) in Richtung gedehnt bzw. zusammengeschoben werden. Seitlich an den Ständer (9) angesetzt sind Paare von Faltenbälgen (23a) und (23b), die von dem Ständer (9) in X-Richtung verschoben werden. Die Blendenöffnung, durch die das Rohr (17) durchgeführt ist, ist um so viel größer, als es die Nachgiebigkeit des beweg­ lichen Teils (16) des Tastkopfs (12) über die Federparallelo­ gramme (13, 14 und 15) erfordert. Auf diese Weise ist auch sichergestellt, daß die Faltenbälge (23) und (24) keine Kräfte auf den Teil des Tastkopfs ausüben, der die interferometrischen Meßsysteme trägt.

Es ist allerdings darauf zu achten, daß die Ankopplung der elektrischen bzw. faseroptischen Versorgungs- und/oder Signalleitungen für die Interferometer (19) am beweglichen Teil (16) des Tastkopfs (12) keine störenden Kräfte bzw. Momente einleitet, d. h. es sollten möglichst hysteresearme Verbindungs­ kabel verwendet werden, die üblicherweise natürlich nicht wie dargestellt direkt vom Teil (16) zur Steuerung (20) verlaufen sondern gegebenenfalls entlang der Führungen (7-11) verlegt sind.

Durch die vollständige Kapselung des Gerätes ändern sich die Parameter der Luft im Innern des Gehäuses (1), d. h. Temperatur und Feuchte nur langsam, können während einer Messung als konstant angenommen und über eine Referenzmessung mit Hilfe eines zusätzlichen Interferometers (26) erfaßt und kompensiert werden. Das Interferometer (26), das ebenfalls an die Steuerung (20) des Koordinatenmeßgeräts angeschlossen ist, kann beispielsweise ein Bezugsendmaß vermessen. Daneben ist es auch möglich, die Brechzahl der Luft im Gehäuse (1) über ein Referenzinterferometer zu ermitteln wie es in der DE OS 36 16 245 oder der dazu korrespondierenden US- Patentschrift 4 813 783 beschrieben ist.

Claims (8)

1. Koordinatenmeßgerät mit einem in mehreren Koordinaten­ richtungen beweglich geführten Taster, dessen Position von interferometrischen Meßstrahlen (19) relativ zu einem aus den Reflektorspiegeln (22) für die Interferometer gebil­ deten Raumnormal gemessen wird, wobei

• - der Träger (Tastkopf) (12) des Tasters (18) mit seinem Führungssystem (7-11) und die Reflektor­ spiegel (22) des Raumnormals in einem gegen Umwelteinflüsse abgeschlossenen Gehäuse (1) unter­ gebracht sind aus dem der Taster (17, 18) austritt,
• - vom Träger (12) aus mindestens drei interferometri­ sche Meßstrahlengänge (19) ausgehen, die auf die Reflektorspiegel (22) des Raumnormals gerichtet sind,
• - im Gehäuse (1) ein weiteres Interferometer (26) für Referenzmessungen bzw. zu Kontrolle der Parameter des Mediums angeordnet ist, das die Meßstrahlengänge (19) durchsetzen.

2. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 1, wobei die Reflektor­ spiegel (22) des Raumnormals aus einer temperaturstabilen Glaskeramik bestehen.

3. Koordinatenmeßgerät nach einem der Ansprüche 1-2, wobei die Flächen der Reflektorspiegel (22) nur geringen Ansprüchen an Ebenheit und/oder Rechtwinkligkeit genügen und die Abweichungen von einem idealen ebenen und recht­ winkligen Raumeck als Korrekturwerte in der Steuerung (20) oder dem Rechner (21) des Koordinatenmeßgerätes gespeichert sind.

4. Koordinatenmeßgerät nach einem der Ansprüche 1-3, wobei vom Träger (12) des Tasters (18) aus mindestens sechs interferometrische Meßstrahlengänge (19x1, 19x2, 19y1, 19y2, 19z1 und 19z2) ausgehen.

5. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 4, wobei die Meß­ strahlengänge (19) Paarweise in Richtung der drei orthogonalen Raumachsen x, y, z verlaufen.

6. Koordinatenmeßgerät nach einem der Ansprüche 1-5, wobei der Träger ein messender Tastkopf (12) ist, der ein in mehreren Raumrichtungen nachgiebig gelagertes Teil (16) besitzt und die interferometrischen Meßstrahlengänge (19) vom nachgiebigen Teil (16) ausgehen und direkt jede Verlagerung des Tasters (18) relativ zu den Reflektor­ spiegeln (22) des Raumnormals erfassen.

7. Koordinatenmeßgerät nach einem der Ansprüche 1-6, wobei das Gehäuse (1) tasterseitig durch bewegliche Bälge (23, 24) abgeschlossen ist sowie durch eine Blende (25), durch deren Öffnung ein den Taster (18) verlängerndes Teil (17) hindurchtritt.

8. Koordinatenmeßgerät nach einem der Ansprüche 1-7, wobei das Teil (17) ein leichtgewichtes Bauteil mit hoher Steifigkeit, vorzugsweise ein Rohr aus faserverstärktem Kunststoff ist.