DE3620118C2

DE3620118C2 - Verfahren zur Bestimmung bzw. Korrektur des Temperaturfehlers bei Längenmessungen

Info

Publication number: DE3620118C2
Application number: DE19863620118
Authority: DE
Inventors: Karl-Hermann Dr Breyer; Helmut Mueller
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH; Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH; Carl Zeiss AG
Priority date: 1986-06-14
Filing date: 1986-06-14
Publication date: 1998-11-05
Anticipated expiration: 2006-06-15
Also published as: DE3620118A1

Description

In jüngster Zeit werden Koordinaten-Meßgeräte in steigender Anzahl direkt im Fertigungsbereich eingesetzt und mit den Bearbeitungsmaschinen z. B. eines flexiblen Fertigungssystems verkettet.

In solchen verketteten Systemen ist es nicht möglich, die Längenmessungen am Werkstück bei der Bezugs temperatur von 20°C durchzuführen. Das Werkstück hat infolge des gerade durchlaufenen Fertigungsprozesses einschließlich der Wasch- und Trocknungsvorgänge eine andere Temperatur angenommen, die bestimmt und bei der Ermittlung des Meßergebnis berücksichtigt werden muß.

Die Ermittlung der Werkstücktemperatur erfolgte bisher manuell, indem vom Bedienpersonal ein Tempera tursensor auf das Werkstück aufgesetzt und der abgelesene Temperaturwert in den Rechner des Koordinaten meßgerätes eingegeben wurde.

Aus der DE-C2-30 13 378 ist außerdem ein Verfahren bekannt, bei dem die bearbeiteten Werkstücke automa tisch einer mit einem Temperaturfühler versehenen Meßeinrichtung zugeführt und hinsichtlich ihrer Abmessun gen und ihrer Temperatur ausgemessen werden. Zur Gewinnung von Steuerdaten für den Bearbeitungsprozeß werden die Meßwerte mit entsprechenden Werten eines in regelmäßigen Abständen immer wieder neu vermes senen Meisterwerkstücks verglichen.

Das bekannte Verfahren ist jedoch dann schlecht geeignet, wenn Werkstücke mit unterschiedlicher Geome trie automatisch gemessen werden sollen. Denn dann ist ein aufwendiges Handhabungssystem erforderlich, um den Temperatursensor mit dem Werkstück in Kontakt zu bringen. Zudem erfordern alle Verfahren, bei denen die Werkstücktemperatur über einen separaten Sensor gemessen wird, einen zusätzlichen Datenkanal zur Verarbeitung des Temperaturmeßwertes.

Für genaue Längenmessungen ist neben der Bestimmung bzw. Korrektur des Fehlers, der infolge einer thermischen Längenausdehnung des Werkstücks selbst auftritt, auch der temperaturabhängige Fehler des Meßgerätes zu berücksichtigen. Aus der DE-C3-20 08 813 ist es zu diesem Zwecke bekannt, im Koordinaten-Meß gerät einen Kompensationsstab aus Quarzglas vorzusehen, der in Verbindung mit einem daran anliegenden Taststift die Änderung der thermischen Längenausdehnung des Meßvorganges ermittelt. Hierbei bleibt aber die Längenausdehnung der Maßstäbe des Koordinatenmeßgerätes unberücksichtigt.

In der DE-A1-33 16 082 ist eine Meßeinrichtung mit einem Maßstab beschrieben, dessen temperaturbedingte Änderung der Meßlänge durch eine gegensinnige Stauchung des Maßstabs mit Hilfe eines Dehnstabes aus Material mit hohem thermischen Ausdehnungskoeffizienten kompensiert werden soll. Hierbei treten jedoch unerwünschte Zwangskräfte auf, die zu einer dauernden Deformierung oder gar Zerstörung des Maßstabs führen können.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung bzw. Korrektur des Tempera turfehlers bei Längenmessungen anzugeben, das mit möglichst geringem zusätzlichen Aufwand für Koordina tenmeßgeräte eingesetzt werden kann, die in flexiblen Fertigungssysteme integriert sind.

Aus dem Abstract der JP 57-12 58 12 ist ein Verfahren zur Bestimmung bzw. Korrektur des Temperaturfehlers bei Längenmessungen an Werkstücken bekannt, bei dem die Temperaturabweichung (Δ T_w) des Werkstücks von einer Bezugstemperatur über eine Längenmessung an einem Referenzkörper (7) ermittelt wird.

Diese Aufgabe wird mit dem Merkmalen im Anspruch 1 gelöst.

Die Erfindung geht davon aus, daß der mit dem Werkstück auf dem Bauteilträger befestigte Referenzkörper wie z. B. ein Endmaß, das den Fertigungsprozeß mit dem Werkstück zusammen durchläuft, auch die gleiche Temperatur wie das Werkstück annimmt. Der Referenzkörper erfüllt demzufolge die Funktion eines Thermo meters, welches vom Koordinatenmeßgerät selbst abgelesen wird. Zur Ablesung wird der ohnehin für die Längenmessung benutzte Tastkopf der Meßmaschine eingesetzt, so daß keine zusätzlichen mechanischen Hand habungssysteme für das Ansetzen eines separaten Temperatursensors erforderlich sind und auch in zusätzli cher Datenkanal für die Obermittlung des Temperaturwertes an den Rechner des Koordinaten-Meßgerätes einzurichten sind. Lediglich für die Maschinensteuerung ist ein Programm zu erstellen, dem folgend die Maschine vor der eigentlichen Messung am Werkstück z. B. durch Antasten gegenüberliegender Endmaßflächen die Ist-Länge des Endmaßes bestimmt und aus der Abweichung vom Nennwert bei der Bezugstemperatur 20°C die Ist-Temperatur des Endmaßes und damit auch des Werkstücks berechnet.

Es ist vorteilhaft, wenn das Werkstück und der Referenzkörper aus dem gleichen Material bestehen, da dann das Verhältnis zwischen Istmaß und Nennmaß des Referenzkörpers in einem vereinfachten Korrekturpro gramm direkt als Korrekturfaktor für die Werkstückabmessung eingesetzt werden kann. Voraussetzung für eine solche vereinfachte Korrektur ist allerdings, daß keine signifikanten Temperaturgradienten im Gerät auftreten, wodurch die Längenausdehnung der Maßstäbe in den verschiedenen Meßachsen unterschiedlich wird.

Ist diese Voraussetzung nicht gegeben, dann wird zeckmäßig die Temperaturabweichung der Maßstäbe des Koordinaten-Meßgerätes von der Bezugstemperatur 20°C gemessen und der durch die Längenausdehnung der Maßstäbe hervorgerufene Meßfehler bei der Längenmessung von Referenzkörper und Werkstück berücksich tigt. Es ist daher zweckmäßig, wenn an den Maßstäben des zur Durchführung des Verfahrens benutzten Koordinatenmeßgerätes Temperaturfühler befestigt sind. In dem Korrekturfaktor für den Temperaturfehler gehen dann neben der gemessenen Längenänderung des Referenzkörpers die thermischen Ausdehnungskoeffi zienten von Werkstück, Referenzkörper und Maßstabsmaterial ein.

Nachstehend wird das erfindungsgemäße Verfahren unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist eine Prinzipskizze eines in ein flexibles Fertigungssystem integrierten Koordinaten-Meßgerätes in perspektivischer Ansicht;

Fig. 2 zeigt einen Maßstab, das Werkstück und den Referenzkörper aus Fig. 1 in vergrößerter Abbildung.

In Fig. 1 ist ein Koordinaten-Meßgerät in Portalbauweise dargestellt, dessen Tastkopf (3) entlang der drei Meßachsen (x, y und z) verfahren werden kann. Zur Messung der Fahrwege dienen die drei Maßstäbe M_x, M_y und M_z am Portalbogen (8), am Maschinenbett (1) und an der Pinole (9) der Meßmaschine. Die Maßstäbe, die in der Regel durch eine Abdeckung gegen Umwelteinflüsse geschützt sind, bestehen aus Glas und besitzen eine Gitterteilung, die von photoelektrischen Gebersystemen abgetastet wird.

Das Koordinaten-Meßgerät ist mit einem hier nicht dargestellten flexiblen Fertigungssystem über eine Fördereinrichtung (4) verbunden, von der die zu vermessenden Werkstücke (6) auf Bauteilträgern in Form von Paletten (5) aufgespannt angeliefert werden. Auf jeder Palette (5) ist zusätzlich ein Endmaß (7) befestigt. Das Endmaß (7) hat den Fertigungsprozeß einschließlich der Wasch- und Trockungsvorgänge zusammen mit dem Werkstück (6) durchlaufen, so daß Werkstück (6) und Endmaß (7) die gleiche Temperatur angenommen haben.

Sobald die Palette (5) das Werkstück (6) in die Meßposition transportiert hat, führt das Koordinaten-Meßgerät von dem Rechner (2) gesteuert das für das Werkstück (6) vorgesehene Meßprogramm auf. Im Zuge dieses Meßprogrammes wird auch die Ist-Länge R_ist des Endmaßes bestimmt, indem der Tastkopf (3) die Stirnflächen S₁ und S₂ des mit seiner Meßlänge etwa parallel zum Maßstab M_y ausgerichteten Endmaßes (7) mit einer genügen den Anzahl von Meßpunkten antastet.

Bestehen Werkstück (6) und Endmaß (7) aus dem gleichen Material, dann läßt sich der Temperaturfehler der Längenmessung am Werkstück (6) einfach dadurch korrigieren, daß man die Werkstückmaße W_y mit dem Korrekturfaktor K_y = R₂₀ : R_y multipliziert, d. h. mit dem Verhältnis von Nennmaß und Istmaß der durch den Referenzkörper (7) gegebenen Referenzlänge. Diese Korrektur, die von dem Rechner (2) des Koordinaten-Meß geräts in einem vorgegebenen Programm durchgeführt wird, läßt sich auch für die beiden anderen Achsen (x und z) übernehmen, wenn die thermische Längenausdehnung der Maßstäbe M_x, und M_z mit der des Maßstabs M_y hinreichend gut übereinstimmt. Diese Voraussetzung trifft aber in der Regel nur für Meßgeräte mit relativ kleinem Meßvolumen zu. Bei Koordinaten-Meßgeräten mit großem Meßvolumen, die außerdem ohne thermi sche Abschirmung offen im Fertigungsbereich eingesetzt sind, können die Temperaturen der Maßstäbe an den relativ weit voneinander entfernten und thermisch unterschiedlich trägen Maschinenteilen durchaus signifikant (z. B. 1°C) differieren. Unter Berücksichtigung eines Ausdehnungskoeffizienten von 7,8.10^-6°C^-1 für das als Maßstabsmaterial verwendete Glas ergeben sich daraus nicht tolerierbare Meßfehler in der Größenordnung von ca. 10 µm pro m, wenn der für eine Meßachse ermittelte Korrekturwert einfach für die anderen Achsen übernommen würde. Es müßte also für jede Achse ein separater Korrekturwert ermittelt werden, beispielsweise indem drei entsprechend den drei Meßachsen ausgerichtete Endmaße oder ein räumlicher Referenzkörper auf der Palette (5) aufgespannt und vermessen werden.

Eine weitere, sehr vorteilhafte Möglichkeit zur Gewinnung der Korrekturfaktoren für die anderen Meßach sen, bei der nicht vorausgesetzt wird, daß Werkstück und Referenzkörper aus Material mit dem gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten bestehen, ist nachstehend dargestellt:

Dieses Korrekturverfahren beruht darauf, daß die Temperaturen der Maßstäbe M_x, M_y und M_z über separate an den Maßstäben befestigte Temperatursensoren T_x, T_y und T_z gemessen werden, wie das in Bild 1 dargestellt ist. Die Ausgangssignale der Sensoren T_x, T_y und T_z sind dem Rechner (2) der Meßmaschine zugeführt, dem außerdem die thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_M des Maßstabsmaterials, α_R des Referenzkörpers (End maß 7) und α_w des Werkstücks sowie die Länge R₂₀ des Endmaßes (7) bei der Bezugstemperatur 20°C als Parameter eingegeben sind.

Die Korrekturfaktoren K_Tx, K_Ty und K_Tz mit dem die angezeigten Meßwerte W_ANZ(x,y,z) in den drei Meßachsen (x, y und z) zu multiplizieren sind, um die auf Bezugstemperatur 20°C korrigierten Werkstückmaße W_20x, W_20y und W_20z zu erhalten, errechnen sich zu

ΔT_w und ΔT_M(x,y,z) sind die Temperaturabweichungen des Werkstücks bzw. der Maßstäbe von der Bezugstem peratur 20°C.

Hierbei wurde von der in Fig. 2 verdeutlichten Beziehung:

W_ist = W₂₀(1 + αwΔTw) = M_ist W_ANZ(1 + α_MΔT_M(y))

Gebrauch gemacht.

Aus der Längenmessung R_y am Endmaß (7) mit Hilfe des Koordinaten-Meßgerätes läßt sich wie eingangs bereits erwähnt die Temperaturabweichung Δ T_R des Endmaßes aus der ebenfalls in Fig. 2 dargestellten Bezie hung R_ist = R₂₀(1 + α_R Δ T_R) = M'_ist = R_ANZ(1 + α_MΔT_M(y)) bestimmen zu

Hierbei ist vorausgesetzt, daß sich der Referenzkörper in Richtung des Maßstabs M_y, erstreckt.

Macht man von der Temperaturgleichheit von Werkstück und Endmaß, d. h. von der Beziehung

Δ T_R = Δ T_W

Gebrauch, so läßt sich Δ T_W in Gleichung 1 durch Δ T_R aus Gleichung 2 substituieren und man erhält

W_20(x,y,z) = W_ANZ(x,y,z) . K_(x,y,z)

Programmiert man die Korrekturformel gemäß Gleichung 3 in geeigneter Weise auf dem Rechner (2) der Meßmaschine, dann werden alle Meßwerte W_ANZ(x,y,z) für die drei Achsen mit unterschiedlichen Korrekturen versehen, d. h. mit Korrekturfaktoren K_Ty und K_Tz multipliziert und als Ergebnis werden die auf 20°C bezogenen Abmessungen des Werkstücks (6) ausgegeben.

Zur Verdeutlichung des hier komprimiert abgeleiteten Sachverhalts wird auf die Fig. 2 verwiesen, sowie auf die nachstehende Tabelle, in der alle verwendeten Formelzeichen noch einmal zusammen aufgelistet sind.

Tabelle Formelzeichen

α_M

= lin. therm. Ausdehnungskoeffizient Maßstabmaterial
α_W

= lin. therm. Ausdehnungskoeffizient Werkstück
α_R

= lin. therm. Ausdehnungskoeffizient Referenzkörper (Endmaß)
K_T(x,y,z)

= Temperaturabhängiger Korrekturfaktor für die Meßachsen x, y, z
W_ANZ(x,y,z)

= angezeigte Meßwerte für Werkstück (mit Maßstabsfehler)
R_ANZ

= angezeigte Meßwerte für Referenzkörper (mit Maßstabsfehler)
R₂₀

Nennmaß Referenzkörper
W_20(x,y,z)

= Nennmaße für Werkstück (bezogen auf T = 20°C)
M_ist

= Istlänge des Maßstabes bei angezeigtem Meßwert
R_ist

= Istlänge des Referenzkörpers (Maßstabsfehler eliminiert)
W_ist

= Istmaße des Werkstücks (Maßstabfehler eliminiert)
ΔT_M(x,y,z)

= Temperaturdifferenz der Maßstäbe zu 20°C
ΔT_R

= Temperaturdifferenz des Referenzkörpers zu 20°C
ΔT_W

= Temperaturdifferenz des Werkstücks zu 20°C

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung bzw. Korrektur des Temperaturfehlers bei Längenmessungen an Werkstücken in flexiblen Fertigungssystemen, wobei das zu vermessende Werkstück (6) und ein Referenzkörper (7) definierter Länge auf einem gemeinsamen Bauteileträger (5) aufgespannt vor der Messung den Fertigungsprozeß gemeinsam durchlaufen und gemeinsam dem Koordinatenmeßgerät zugeführt werden, die Temperaturabweichung (ΔT_W) des Werkstücks von einer Bezugstemperatur über eine Längenmessung an dem Referenzkörper (7) ermittelt wird, zusätzlich die Temperaturabweichung (ΔT_W) der Maßstäbe des Koordinatenmeßgerätes von der Bezugstemperatur gemessen, und durch die Längenausdehnung der Maßstäbe (M_x, M_y, M_z) hervorgerufene Meßfehler bei der Längenmessung von Referenzkörper (7) und Werkstück (6) berücksichtigt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Werkstück (6) und der Referenzkörper (7) aus dem gleichen Material bestehen.

3, Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Referenzkörper (7) dem Koordinatenmeßgerät in einer Lage zugeführt wird, bei der die Referenzlänge (R_ist) etwa parallel zu einer der Achsen (x, y, z) des Koordinatenmeß gerätes ausgerichtet ist.