DE3719838A1 - Formverkoerperung zur genauigkeitsueberpruefung von koordinatenmessgeraeten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Formverkörperung zur Genauig­ keitsüberprüfung von Koordinatenmeßgeräten (KMG) nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches, wie sie aus Bild 8, S. 142 des Berichtes ME-38 der Physikalisch-Technischen Bundes­ anstalt (PTB) vom Januar 1983 als bekannt hervorgeht.

Der PTB-Bericht ME-38 enthält die Vorträge eines Seminars über die Kalibrierung von Koordinatenmeßgeräten (KMG). Bild 8 auf der S. 142 dieses PTB-Berichtes ist Teil des von den Herren Kunzmann und Wäldele gehaltenen Vor­ trages "Erste Erfahrungen mit kinematischen Normalen zur Überwachung und Abnahme von 3-Koordinaten-Meßge­ räten". Das in Bild 8 gezeigte kinematische Normal be­ steht aus einem auf dem Tisch eines Koordinatenmeßge­ rätes aufliegenden Präzisionsluftdrehlager mit äußerst geringen Rundlaufabweichungen und einem auf dem dreh­ baren Innenring des Lagers angebrachten Hebel. Dieser Hebel ist an seinem einen Ende mit einer parallel zur Drehachse verlaufenden V-förmigen, prismatischen Kerbe versehen, welche von der Tastkugel des Koordinatenmeß­ gerätes selbstzentrierend angetastet werden kann. Bei Drehung der in der Kerbe zentrierten Tastkugel um die Lagerachse wird ein Kreis beschrieben, wobei die von dem Koordinatenmeßgerät gemessenen Abweichungen von der Kreisform Aufschluß über die Genauigkeit des Koordinaten­ meßgerätes geben. Bei in Richtung der Drehachse erfolgen­ dem, unterschiedlich tiefem Eintauchen der Tastkugel in die Kerbe lassen sich auch Zylinderschalen beschreiben, so daß diese kinematische Normal auch als Formverkörpe­ rung eines - wenn auch höchstens der Hebeldicke ent­ sprechenden - Zylinders angesehen werden kann.

Unter Formverkörperungen sollen Prüfnormale wie beispiels­ weise Evolventennormale oder Steigungsnormale verstanden werden, die bei der Vermessung von Zahnrädern in der Meß­ technik eingesetzt werden und die der Verkörperung von kontinuierlichen Flächen im allgemeinen und der von Zahnflanken im besonderen dienen.

Die Zeitschrift "Technisches Messen" (51. Jahrgang, 1984, Heft 3) zeigt auf S. 90 in Bild 10 eine große Prüf­ kugel, mit welcher die Genauigkeitsüberprüfung eines Koordinatenmeßgerätes in vielfältiger Weise möglich ist. Die Prüfkugel ist von ihrer Oberflächenabweichung gegenüber einer mathematisch exakten Kugel her genau bekannt und zur Wiederauffindung dieser bekannten lokalen Abweichungen an den Polen und den Äquator- Hauptpunkten markiert. Sie ist mit ihrer durch ihren Nord- und Südpol verlaufenden Achse senkrecht auf einer Grundplatte angeordnet, wobei die Grundplatte mittels einer auf dem Tisch des Koordinatenmeßgerätes auf­ liegenden Schwenkeinrichtung um eine senkrecht zur Kugel­ polachse verlaufende Achse schwenkbar ist. Hierdurch kann eine raumschräge Orientierung der Prüfkugel im Meßvolumen des Koordinatenmeßgerätes realisiert und dabei das räum­ liche Antastverhalten der Tastkugel des Koordinatenmeß­ gerätes auch unter ungünstigen Antastbedingungen unter­ sucht werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Formverkörperung zur Genauigkeitsüberprüfung von Koordinatenmeßgeräten zu schaffen, die möglichst universell einsetzbar und zur Simulation auch komplizierter radialsymmetrischer Raum­ flächen wie z.B. Kegelradflanken oder Turbinenschaufeln geeignet ist, deren direkte Formverkörperung und Verwen­ dung als Prüfnormale nicht möglich ist, da sie aus ferti­ gungstechnischen Gründen mit der erforderlichen Präzision nicht hergestellt werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnen­ den Merkmale des Hauptanspruches gelöst. Die als Prüf­ körper dienenden einfachen Formelemente, wie beispiels­ weise Zylinder oder Kugeln, lassen sich auf hochpräzisen Spezial-Werkzeugmaschinen mit größter Genauigkeit und gleichzeitig relativ preiswert herstellen. Der Prüfkörper wird mit seiner Prüfkörperachse raumschräg auf der mit Antastpunkten versehenen Grundplatte angeordnet, wobei Grundplatte und Prüfkörper sich einzeln vor dem Zu­ sammenbau mit Hilfe von Spezialmeßgeräten sehr gut auf Maß, Ebenheit, Geradheit der Mantellinie, Kreisform, Zylinderform, Kugelformabweichung usw. bestimmen lassen. So kann sichergestellt werden, daß eventuelle geometrische Eigenfehler bei Grundplatte und Prüfkörper auch bei deren Einsatz auf Präzisions-Koordinatenmeßgeräten vernachlässigbar bleiben. Die Lage der Grundplatte im Meßvolumen des Koordinatenmeßgerätes läßt sich über die auf der Grundplatte angeordneten Antastpunkte vom Koordinatenmeßgeräten exakt bestimmen. Ebenso kann die Lage des Prüfkörpers bezogen auf die Grundplatte über den Elevations- und den Azimutwinkel der Prüfkörperachse, sowie über den axialen bzw. radialen Abstand des Prüf­ körpers von der Grundplatte bzw. von deren Drehachse genau eingestellt oder nach erfolgter Montage genau ein­ gemessen werden. Eine solche Lage-Einmessung kann bei­ spielsweise auf einem einzigen Koordinatenmeßgerät in unterschiedlichen Umfangslagen der Grundplatte bzw. zusätzlich oder alternativ auf mehreren verschiedenen Koordinatenmeßgeräten durchgeführt werden. Somit sind die Koordinaten und die Richtung der Flächen-Normalen jedes Punktes auf der Prüfkörperoberfläche bezogen auf die Antast­ punkte der Grundplatte mathematisch genau berechenbar. Da ebenso die Ausgangslage der Grundplatte im Meßvolumen des Koordinatenmeßgerätes und der Verdrehwinkel der Grundplatte gegenüber der Grundplatten-Ausgangslage bekannt sind, ist jeder Punkt auf der Prüfkörperoberfläche auch bezogen auf das Koordinatensystem des Koordinatenmeßgerätes mathema­ tisch genau bestimmbar. Somit kann jeder beliebige Punkt der Prüfkörperoberfläche als Zielpunkt verwendet werden, dessen genaue Position, z. B. in Richtung der Flächen-Normalen und in der Tangentialebene, die Tastkugel des zu prüfenden Ko­ ordinatenmeßgerätes zu reproduzieren hat. Abweichungen der vom Koordinatenmeßgerät reproduzierten zu den rein mathe­ matisch ermittelten Positionswerten geben dann Aufschluß über die Genauigkeit des Koordinatenmeßgerätes. Durch Drehung des auf der Grundplatte angeordneten Prüf­ körpers um die Grundplatten-Drehachse lassen sich Ausschnitte von radial­ symmetrischen Raumflächen, also z. B. die Zahnflanken eines Kegelrades oder die Schaufelflächen eines Turbinenrades, simulieren, wobei durch die raumschräge Lage die Nachbildung auch komplizierter Raumformen im Hinblick auf das Meß- und Antastproblem möglich ist.

Die zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch 2 sieht vor, die Grundplatte nicht als Präzisions-Dreh­ lager, sondern unverdrehbar starr auszubilden und wenigstens zwei etwa gleiche Prüfkörper etwa gleichverteilt um die Grundplatten- Zentrumsachse herum und - bezogen auf diese Zentrums­ achse - in etwa gleicher Lage auf der Grundplatte anzuordnen. Entsprechend der Anzahl an gleichen Prüfkörpern lassen sich unterschiedliche Prüfkörper-Umfangslagen realisieren, wobei auch hier die Position und Flächen-Normale jedes be­ liebigen Prüfkörper-Oberflächenpunktes bezogen auf die Grund­ platte und auf das Koordinatensystem des Koordinatenmeß­ gerätes mathematisch exakt bestimmbar sind.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 3 bis 6. Im übrigen wird nach­ folgend die Erfindung anhand zweier in den Zeichnungs­ figuren dargestellter Ausführungsbeispiele noch näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 einen auf einer drehbaren Grundplatte ange­ ordneten Zylinder-Prüfkörper, und

Fig. 2 mehrere auf einer unverdrehbar starren Grund­ platte angeordnete Kugel- und Zylinder-Prüf­ körper.

In Fig. 1 sind der Meßtisch 1 eines Koordinatenmeßgerätes, die darauf aufliegende und als Präzisions-Drehteller aus­ gebildete Grundplatte 2 und der auf der Grundplatte 2 an­ geordnete zylindrische Prüfkörper 3 dargestellt, wobei von der zweiteiligen Grundplatte 2 der Unterteller 4 auf dem Meßtisch 1 aufliegt und der im Vergleich zum Unterteller 4 einen kleineren Durchmesser aufweisende drehbare Ober­ teller 5 den Prüfkörper 3 haltert. Der Unterteller 4 ist auf seiner dem Meßtisch 1 abgewandten Stirnseite mit drei jeweils um 120° zueinander versetzten Antast­ konen für das Tastsystem des Koordinatenmeßgerätes versehen, von denen die Antastkonen A und B aus Fig. 1 ersichtlich sind. Eine Verdrehung des Obertellers 5 gegenüber dem Unterteller 4 der Grundplatte 2 ist exakt einstellbar bzw. ermittelbar, was in Fig. 1 beispielhaft durch die Anbringung einer Winkelskala auf dem Unter­ teller 4 und einer Noniusskala auf dem Oberteller 5 an­ gedeutet ist. Der zylindrische Prüfkörper 3 ist auf einer Stange 6 angeordnet, deren Fuß als Kugelgelenk 7 ausgebildet ist. Durch Lösen bzw. Anziehen der Schrau­ ben 9 einer Abdeckplatte 8 kann die Lage des Prüfkörpers 3 verändert bzw. fixiert werden. Die Lage der durch die Punkte E, F und G verlaufenden Prüfkörperachse 10 ist durch den Elevationswinkel ε und den Azimutwinkel α festgelegt. Hierbei sind die Punkte E und F die Mittel­ punkte der Prufkorper-Stirnflächen, der Punkt G ist der Durchstoßpunkt der Prüfkörperachse 10 mit der Oberfläche des Obertellers 5 (x, y-Ebene), der Elevationswinkel ε gibt den Neigungswinkel zwischen der Prüfkörperachse 10 und der Projektionsgeraden 11 dieser Prüfkörper­ achse 10 in der x, y-Ebene an und der Azimutwinkel α ist der Winkel zwischen der Projektionsgeraden 11 und dem Radius durch den Punkt G. Mit D ist der Drehpunkt des Obertellers 5 in der x, y-Ebene des Prüfnormals bezeichnet.

Zur Genauigkeitsüberprüfung eines Koordinatenmeßgerätes kann irgendein beliebiger Punkt auf der Oberfläche des Prüfkörpers 3 als Zielpunkt für das Tastsystem des Koordinatenmeßgerätes ausgewählt werden. Die Lage dieses Zielpunktes ist mathematisch genau berechenbar, da zum einen die Lage der Grundplatte 2 auf dem Meßtisch 1 und zum anderen die Lage des Zylinderprüfkörpers 3 auf der Grundplatte 2 genau bekannt sind. Hierbei läßt sich die genaue Kenntnis der Grundplattenlage über die konus­ förmigen Antastpunkte des Untertellers 4 ermitteln, wobei durch diese Antastpunkte sowohl die Lage des Dreh­ punktes D festgelegt ist, als auch Taumellage, Exzenter­ lage (= Versatz zwischen der Drehachse der Grundplatte 2 und der hierzu parallel verlaufenden Koordinatenachse des Koordinatenmeßgerätes) und Höhenlage der Grundplatte 2 bestimmbar sind. Eine Verdrehung des Obertellers 5 gegen­ über dem Unterteller 4 kann an der Winkelskala hinreichend genau abgelesen werden. Die Lage des Zylinderprüfkörpers 3 auf dem Grundplatten-Oberteller 5 ergibt sich aus dem Abstand zwischen den Punkten F und G, der Lage des Punktes G in der x, y-Ebene und den Größen der Winkel ε und α. Ein Vergleich dieser somit mathematisch exakt bestimmbaren Positionswerte eines Zielpunktes auf der Prüfkörperoberfläche mit den vom Koordinaten­ meßgerät beim Antasten dieses Zielpunktes ermittelten Positionswerten gibt dann Aufschluß über die Meßgenauig­ keit des Koordinatenmeßgerätes unter schwierigen raum­ schrägen Antastbedingungen.

Durch Veränderung der Lage des Prüfkörpers auf der Grund­ platte 2 ergibt sich eine besonders große Variationsmög­ lichkeit zur Simulation radialsymmetrischer Raumflächen. Die Ausgestaltung des Prüfkörpers als Zylinder bietet gegenüber der als Kugel den Vorteil, daß mit den Zylin­ derstirnflächen auch ebene Flächen als Antastpunkte für das Tastsystem des Koordinatenmeßgerätes zur Verfügung steht. Zylinder sind genauer herstellbar und auch genauer ausmeßbar als Kugeln und eignen sich besonders für die Simulation von Raumflächen, die in nur einer Richtung gekrümmt sind.

In Fig. 2 sind der Meßtisch 1 und der mit seitlich ab­ stehenden Taststiften 12 versehene Tastkopf 13 eines Ko­ ordinatenmeßgerätes, sowie die unverdrehbare starre Grundplatte 2 und die darauf angeordneten Prüfkörper 15 und 16 dargestellt. Mit 17 ist die Zentrumsachse der tellerförmigen Grundplatte 2 und mit A und B sind zwei von drei Abtastkonen zur Lageermittlung der Grundplatte im Meßvolumen des Koordinatenmeßgerätes bezeichnet. Bei den insgesamt sechs Prüfkörpern auf der Grundplatte 2 handelt es sich um jeweils drei gleiche, um 120° ver­ setzt zueinander und - bezogen auf die Zentrumsachse 17 der Grundplatte 2 - in gleicher Lage angeordnete Prüf­ kugeln 15 und Prüfzylinder 16. Diese Prüfkörper sind in zeichnerisch nicht näher dargestellter Weise austausch­ bar auf der Grundplatte 2 angeordnet, so daß auch Prüf­ körper unterschiedlicher Form und Dimension und in unterschiedlicher Anzahl vorgesehen werden können.

Mit dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem ebenfalls die Lage jedes beliebigen Punktes auf der Prüfkörperoberfläche und die Richtung sei­ ner Flächen-Normale mathematisch exakt berechenbar ist, können entsprechend der Anzahl an gleichen Prüfkörpern und deren Lage Ausschnitte von radialsymmetrischen Form­ flächen simuliert werden.

Claims (6)

1. Formverkörperung zur Genauigkeitsüberprüfung von Koordinatenmeßgeräten, mit einer auf dem Tisch des Koordinatenmeßgerätes aufliegenden und als Präzisions- Drehlager ausgebildeten Grundplatte, deren Drehachse senkrecht zur Grundplatte und in definierter und bekannter Lage zu einer Koordinatenachse des Koordinatenmeßgerätes verläuft, auf welcher Grundplatte ein Prüfkörper angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundplatte (2) mit Antastpunkten zur Lageermitt­ lung der Grundplatte (2) und ihrer Drehachse bezüglich des Koordinatensystems des Koordinatenmeßgerätes versehen ist, daß der Verdrehwinkel der Grundplatte (2) gegenüber einer Ausgangslage exakt meßbar und einstell­ bar ist, daß der Prüfkörper in raumschräger, bis in den ppm-Bereich hinein bekannter Lage auf der Grundplatte (2) angeordnet ist, und daß als Prüfkörper einfache geometrische und höchstpräzise herstellbare Formelemente mit gleichmäßig gekrümmten Formflächen dienen.

2. Formverkörperung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anstatt einer drehbaren Ausbildung der Grundplatte (2) diese zwar unverdrehbar starr ausgebildet ist, aber um eine vertikalstehende Zentrumsachse (17) herum wenigstens zwei gleiche Prüfkörper umfangsmäßig wenigstens annähernd gleichverteilt und - bezogen auf diese Zentrumsachse (17) - in wenigstens annähernd gleicher Lage angeordnet enthält.

3. Formverkörperung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. die Prüfkörper als Zylinder (3 bzw. 16) ausge­ bildet ist bzw. sind.

4. Formverkörperung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. die Prüfkörper auf der Grundplatte (2) in seiner bzw. ihrer Lage veränderbar und fixierbar ist bzw. sind.

5. Formverkörperung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. die Prüfkörper auf der Grundplatte (2) aus­ tauschbar angeordnet ist bzw. sind.

6. Formverkörperung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig mehrere verschiedenartige Prüfkörper (Kugel, Zylinder, Kegel) auf der Grundplatte (2) ange­ ordnet sind.