WO2004017018A1 - Verfahren und vorrichtung zum kalibrieren eines tastgeräts - Google Patents

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WO2004017018A1
WO2004017018A1 PCT/DE2003/002219 DE0302219W WO2004017018A1 WO 2004017018 A1 WO2004017018 A1 WO 2004017018A1 DE 0302219 W DE0302219 W DE 0302219W WO 2004017018 A1 WO2004017018 A1 WO 2004017018A1
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WO
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normal
probe
scanning
calibration
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PCT/DE2003/002219
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English (en)
French (fr)
Inventor
Joseph Lemoine
Andreas Beutler
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Carl Mahr Holding GmbH
Original Assignee
Carl Mahr Holding GmbH
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B21/00—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant
    • G01B21/02—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring length, width, or thickness
    • G01B21/04—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring length, width, or thickness by measuring coordinates of points
    • G01B21/042—Calibration or calibration artifacts

Definitions

  • the invention relates to methods for calibrating a probe and a corresponding calibration device.
  • touch probes are often used, which scan the workpiece surface along a line.
  • a touch device is known from EP 0404597 B1.
  • the scanning device has a guide device with which a carrier can be selectively moved in a scanning direction.
  • a probe arm is pivotally mounted on the carrier and carries a probe tip at its end. When the carrier is moved, the probe tip scans the workpiece surface, the probe arm pivoting accordingly.
  • the swivel movement is recorded with a sensor and an evaluation direction fed.
  • the evaluation device can calculate the coordinates of the probe tip from the detected angular positions of the probe arm with a known displacement position of the carrier.
  • the probe is usually to be calibrated before taking a measurement. From EP 0404597 B1 mentioned, it is known to scan a sphere with a known radius. This should serve, in particular, to record and compensate for non-linearities resulting from the inductive transducer used as a sensor. In addition, should w thus detected inaccuracies • Ground, as caused by the size of the probe tip.
  • the calibration of a probe is at least necessary when the probe arm has been replaced, because it must be assumed that each probe arm has individual dimensional deviations.
  • the calibration of a probe arm on a sphere requires a sphere serving as a normal, which is geometrically precise.
  • the surface of a standard is scanned twice, namely a first time when the standard is relative in a first position to the touch device and a second time when the normal is in a second position relative to the touch device that differs from the first position.
  • At least one of the positions is preferably set such that the scanning arm performs a pivoting movement when scanning. This is achieved by holding the normal inclined in the relevant position against the feed direction.
  • the other position is preferably determined in such a way that the scanning arm does not perform a swiveling movement when scanning (alignment of the normal in the XY direction).
  • a carrier on which the scanning arm is pivotally mounted is moved in the feed or scanning direction, with a displacement sensor detecting the positions along its guide (X positions).
  • the angle value supplied by the angle sensor of the probe arm is assigned to each of these individual X measurement positions.
  • the value pairs of the scanning process form a data record.
  • Each scanning process generates a data record, so that a first data record is created when the normal is scanned in its first position.
  • a second data record is created when the normal is scanned in its second position.
  • Both the length of the probe arm and the length or height of the probe tip can be calculated from both data sets. This applies in particular if the surface of the standard is provided with a structure that allows pairs of values of the respective data set to be individually assigned to surface points of the standard.
  • a simple calibration results if the two positions of the standard are fixed at a swivel distance from each other.
  • the pivot axis is preferably oriented transversely to the feed direction.
  • the way on from which the normal is scanned is preferably straight if essentially flat normals are used.
  • depressions are made in the surface of the standard, transverse to the scanning direction, the edges of which are clearly identifiable during scanning. These depressions and thus also the edges thereof are preferably arranged parallel to the pivot axis of the standard. Tipping errors of the standard (rotation around the X-axis or the Z-axis) have no effect.
  • the mutually parallel depressions are preferably arranged at random intervals. They can also have a random width and depth. This enables the surface points of the standard to be clearly recognized after repeated scanning.
  • the first position of the standard is defined in such a way that the scanning arm has an essentially constant deflection during the scanning process.
  • the normal therefore extends parallel to the feed direction or X-axis.
  • the second position the normal is then inclined so that the scanning arm changes its deflection when the surface is scanned.
  • the swivel angle at which the standard is in its second position may be unknown. Nevertheless, the length of the probe arm, the length of the probe tip and the can be obtained from the two data sets obtained Calculate swivel angle.
  • the structuring makes it possible to find surface points that were recorded before swiveling after swiveling.
  • the method according to the invention is simple to use and incorrect operation on the part of the user can be reduced or eliminated. This benefits the accuracy of subsequent measurements.
  • the process can be largely automated. Actions by the operator can be requested by appropriate signals from the calibration device, thereby eliminating errors and incorrect operation.
  • a corresponding device can be manufactured inexpensively.
  • the calibrating device has a holding device in which the normal is pivotally mounted, it being lockable in at least two pivoting positions.
  • the operator can be asked, for example by a suitable display or output of the measuring device, to transfer the standard from its first pivot position to its second pivot position. The operator does not have to make any further settings.
  • the normal is a single crystal or monocrystalline material.
  • a silicon strip is preferably used, which is cut or broken, for example, from a silicon wafer. Structures can be introduced into the surface of the silicon crystal as etches arranged transversely to the feed direction.
  • the silicon standard has a flatness of a few micrometers, which is completely sufficient. Etched recesses can be made very regularly with parallel edges become. In the calibration device according to the invention, such a standard allows the measuring device to be calibrated precisely and, at the same time, inexpensively and efficiently.
  • FIG. 1 shows a calibration device according to the invention in a schematic, perspective illustration (not to scale),
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the touch probe on a standard when it is scanned in its first position
  • Figure 5 shows the control device of the probe in a simplified, partial representation.
  • a touch probe 1 is schematically illustrated during a calibration process.
  • the touch device 1 is held stationary, for example, via a tripod 2. It contains a guide device 3 on which a slide 4 or another frame or carrier is slidably mounted in a feed direction 5.
  • the feed direction 5 corresponds to the X direction of a measurement coordinate system X, Y, Z.
  • a probe arm 6 is held detachably.
  • the probe arm 6 is pivotally mounted about an axis of rotation 7.
  • the axis of rotation 7 is preferably oriented parallel to the Y direction.
  • the probe arm 6 carries a probe tip 8, which is used to scan a workpiece.
  • the pivotal movements of the probe arm ⁇ caused thereby, or the angular positions assumed by the probe arm 6, are detected by a sensor 9 which is connected to the probe arm and is schematically illustrated in FIG. 2, for example.
  • the sensor 9 can be an inductive sensor, an optical sensor or of another type.
  • a second sensor 11 is used to detect the X position of the carriage 4 and thus the probe tip 8.
  • the sensor 11 is attached to the carriage 4 and detects its X position with respect to a scale 12, which is fixed in the probe device 1 or a frame 14 is arranged, which carries the guide device 3 and a drive device for the carriage 4, not further illustrated.
  • the scale 12 and the sensor 11 can have any structure that provides sufficient accuracy.
  • an interference optical sensor can also be used. This can comprise a reflector arranged on the carriage 4, which reflects a light beam from an interferometer arranged in a fixed manner in the frame 14 reflected.
  • the sensors 9, 11 are connected to a processing device 15, which converts the measured values obtained for the X position of the slide 4 and the swivel position of the probe arm 6 into XY position values of the tip 8a resting on the workpiece and to one Output 16 outputs.
  • the processing device 15 requires data about the geometry of the probe arm 6 and the probe tip 8, which are kept ready in a memory 17.
  • the processing device 15 determines this data in a calibration process on a calibration device 18 shown in FIG. 1.
  • This includes a holder 19 on which a standard 21 is adjustable, preferably pivotably mounted about a pivot axis 22.
  • the pivot axis 22 is preferably oriented in the Y direction and thus set up parallel to the axis of rotation 7.
  • the holder 19 is also pivotally mounted on a carriage 23 about an axis 24 oriented in the X direction.
  • the pivot positions can be set, for example, by means of an adjusting screw, which is not further illustrated.
  • the carriage 23 is mounted on a guide 25, 26 which is preferably oriented in the Y direction and is adjustable in the Y direction via a manual actuator 27.
  • the guide 25, 26 is carried by a slide 28, which in turn can be adjusted in another way via a guide and adjusting device 29, for example in the X direction or in the Z direction or with respect to a rotation about the Z axis.
  • the standard 21 can be adjusted in at least two different pivot positions. It does so with its Nem end lying away from the pivot axis 22 in a recess 31, each of which offers a defined stop with respect to the Z direction above and below, for example by means of a ball.
  • a suitable locking means for example a magnet 32 attached to the end of the standard 21, secures the standard in its stop positions.
  • the standard 21 is preferably a strip of monocrystalline silicon, which can, for example, be glued to a metal carrier. Its upward-facing surface 33 facing the probe tip 8 is essentially, i.e. except for a few micrometers. Individual depressions 34 are made in this flat surface, which, for example and preferably have a flat bottom. The depressions 34 are, for example, grooves each about one to two millimeters long in the X direction and a depth measured in the Z direction of two to ten, preferably five micrometers. Overall, the standard 21 has a length of, for example, 70 millimeters.
  • the required data namely the length of the probe arm 6 and the length or height of the probe tip 8 can be determined in a calibration process.
  • the calibration device 18, as illustrated in FIG. 1 is positioned in the area of the probe tip 8 of the probe device 1. The calibration process is then as follows:
  • the standard is first transferred to its position illustrated in FIG. 2, in which it is preferably oriented exactly in the X direction.
  • a test scan can be used to determine whether this is the case.
  • Adjustment means for example for adjusting a lower stop 35 of the holder 19, can be provided in order to bring the standard 21 into alignment with the X direction.
  • the standard 21 can be oriented in a similar manner with respect to the Y axis.
  • the probe tip 8 is placed on the surface 33 at any point.
  • An adjustment of the holder 19 in the Y direction by actuating the actuator 27 indicates whether the standard 21 is adjusted in the Y direction.
  • the normal 21 oriented in the X and Y directions, as illustrated in FIG. 2, is scanned in the feed direction 5, ie in the X direction.
  • the sensors 9, 11 supply pairs of values about the pivoting of the probe arm 6 at the respective X value to the processing device 15.
  • the pivot angles ⁇ t for each step have a first (constant) value when the tip 8a is outside the recesses 34 and they have a second (constant) value when the tip 8a is inside a recess 34.
  • the edges 36, 37 of the depressions 34 are each recorded with a few measured values.
  • the depressions 34 can be arranged exactly the same width and equidistant. However, an arrangement is preferred in which the depressions 34 and their spacings differ over the length of the standard 21.
  • the normal 21 is now scanned again.
  • the carriage 4, as illustrated in FIG. 3, is moved into the initial position, after which the probe arm 6 is placed on the standard 21 again.
  • Each step in turn is x.
  • an angle ⁇ 1 detected by the sensor 9 is assigned.
  • the data record received is saved.
  • Z k and X k mean the Cartesian coordinates of the tip 8a in a coordinate system.
  • the angle ⁇ of the probe arm is zero when the tip 8a has a Z coordinate of zero.
  • Z d and X d are the Cartesian coordinates of the axis of rotation 7.
  • the data from the scanning of the standard 21 in position II are now used with the aid of the two above I created a system of equations, the solution of which gives Ls and Hs.
  • the coordinates Z k and X k are calculated from the known pivot angle of the standard 21 and from the X positions of the edges 36, 37 of all the recesses 34 known from the first scan.
  • the system of equations acquires another unknown by expressing Z k and X k as a function of ⁇ . Due to the large over-determination of the system of equations (only three variables Hs, Ls and ß are sought and there is a pair of equations for each measuring point), such a system of equations can also be solved with a slightly higher mathematical effort.
  • the touch device 1 After removal of the calibration device 18, the touch device 1 is calibrated and ready for use.
  • the processing device 15 has corresponding correction tables in order to compensate for any non-linearities.
  • the above calibration procedure is only used to perform due recalibrations after changing the probe arm. If necessary, however, it can also be used to calibrate the sensors 9, 11 if necessary.
  • the depressions 34 in the standard 21 can be made at precisely known locations. It is also helpful if the depth of the recesses 34 is precisely known.
  • the pivoting movement of the standard 21 can also be replaced by a pivoting movement of the scanning device 1 - the decisive factor is the measurement in two different relative positions, which differ by a pivoting movement.
  • a calibration device 18 which, as normal 21, has a silicon strip with depressions 34.
  • the standard 21 is scanned in two different swivel positions.
  • the length Ls of the probe arm 6 and the height Hs of the probe tip 8 can be determined from the measured values which have been obtained in the two different pivot positions.

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Abstract

Zur Kalibrierung eines Tastgeräts (1) ist eine Kalibriereinrichtung (18) vorgesehen, die als Normal (21) einen Siliziumstreifen mit Vertiefungen (34) aufweist. Das Normal (21) wird in zwei verschiedenen Schwenkpositionen abgetastet. Aus den Messwerten, die in beiden unterschiedlichen Schwenkstellungen gewonnen worden sind, lässt sich die Länge (Ls) des Tastarms (6) und die Höhe (Hs) der Tastspitze (8) bestimmen.

Description

Verfahren und Einrichtung zum Kalibrieren eines Tastσeräts
Die Erfindung betrifft Verfahren zum Kalibrieren eines Tastgeräts sowie eine entsprechende Kalibriereinrichtung.
Zum Vermessen der Form und/oder anderer Kenngrößen von Werkstückoberflächen dienen häufig Tastgeräte, die die Werkstückoberfläche entlang einer Linie abtasten. Ein solches Tastgerät ist aus der EP 0404597 Bl bekannt. Das Tastgerät weist eine Führungseinrichtung auf, mit der ein Träger in einer Abtastrichtung gezielt bewegbar ist. An dem Träger ist ein Tastarm schwenkbar gelagert, der an seinem Ende eine Tastspitze trägt. Beim Verschieben des Trägers tastet die Tastspitze die Werkstückoberfläche ab, wobei sich der Tastarm entsprechend verschwenkt. Die Schwenkbewegung wird mit einem Sensor erfasst und einer Auswerteein- richtung zugeführt. Bei bekannter Tastarmgeometrie, d.h. Tastarmlänge und Tastspitzenhöhe, kann die Auswerteeinrichtung aus den erfassten Winkelpositionen des Tastarms bei bekannter Verschiebeposition des Trägers die Koordinaten der Tastspitze berechnen. Vor Durchführung einer Messung ist das Tastgerät in der Regel zu kalibrieren. Aus der genannten EP 0404597 Bl ist es dazu bekannt, eine Kugel mit bekanntem Radius abzutasten. Dies soll insbesondere dazu dienen, Nichtlinearitäten, die von dem als Sensor verwendeten induktiven Messwandler herrühren, zu erfassen und auszugleichen. Außerdem sollen damit Ungenauigkeiten erfasst w•erden, die von der Größe der Tastspitze herrühren.
Die Kalibrierung eines Tastgeräts ist zumindest dann erforderlich, wenn der Tastarm ausgewechselt worden ist, denn es muss davon ausgegangen werden, dass jeder Tastarm individuelle Maßabweichungen aufweist.
Die Kalibrierung eines Tastarms an einer Kugel erfordert eine als normal dienende Kugel, die geometrisch präzise gefertigt ist.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Kalibrieren eines Tastgeräts zu schaffen, das einfach und kostengünstig durchführbar ist. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, eine einfache, präzise und kostengünstige Kalibriervorrichtung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren nach Anspruch 1 bzw. mit der Kalibriereinrichtung nach Anspruch 11 gelöst:
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Oberfläche eines Normals zweimal abgetastet, nämlich ein erstes Mal, wenn sich das Normal in einer ersten Position relativ zu dem Tastgerät befindet und ein zweites Mal, wenn sich das Normal in einer zweiten Position relativ zu dem Tastgerät befindet, die sich von der ersten Position unterscheidet. Vorzugsweise wird wenigstens eine der Positionen so festgelegt, dass der Tastarm beim Abtasten eine Schwenkbewegung vollführt. Dies wird erreicht, indem das Normal in der betreffenden Position gegen die Vorschubrichtung geneigt gehalten wird. Vorzugsweise wird die andere Position so festgelegt, dass der Tastarm beim Abtasten keine Schwenkbewegung vollführt (Ausrichtung des Normals in X-Y- Richtung) .
Beim Abtasten wird ein Träger, an dem der Tastarm schwenkbar gelagert ist, in Vorschub- oder Tastrichtung bewegt, wobei ein Wegsensor die Positionen entlang seiner Führung (X-Positionen) erfasst. Diesen einzelnen X-Mess- positionen wird jeweils der von dem Winkelsensor des Tastarms gelieferte Winkelwert zugeordnet. Die Wertepaare des Abtastvorgangs bilden einen Datensatz. Jeder Abtastvorgang erzeugt jeweils einen Datensatz, so dass ein erster Datensatz anfällt, wenn das Normal in seiner ersten Position abgetastet wird. Ein zweiter Datensatz fällt an, wenn das Normal in seiner zweiten Position abgetastet wird. Aus beiden Datensätzen lässt sich sowohl die Länge des Tastarms als auch die Länge bzw. Höhe der Tastspitze errechnen. Dies gilt insbesondere, wenn die Oberfläche des Normals mit einer Strukturierung versehen ist, die es gestattet, Wertepaare des jeweiligen Datensatzes Oberflächenpunkten des Normals individuell zuzuordnen.
Eine einfache Kalibrierung ergibt sich, wenn die beiden Positionen des Normals in einem Schwenkabstand zueinander festgelegt sind. Die Schwenkachse ist dabei vorzugsweise quer zu der Vorschubrichtung orientiert. Der Weg auf dem das Normal abgetastet wird, ist vorzugsweise gerade, wenn im Wesentlichen ebene Normale verwendet werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind in die Oberfläche des Normals quer zur Abtastrichtung verlaufende Vertiefungen eingebracht, deren Kanten beim Abtasten eindeutig identifizierbar sind. Vorzugsweise sind diese Vertiefungen und somit auch die Kanten derselben parallel zu der Schwenkachse des Normals angeordnet. Kippungsfehler des Normals (Drehung um die X-Achse oder die Z-Achse) bleiben so ohne Auswirkung. Vorzugsweise sind die zueinander parallelen Vertiefungen in zufälligen Abständen angeordnet. Sie können auch eine zufällige Breite und Tiefe aufweisen. Dies ermöglicht die eindeutige Wiedererkennung von Oberflächenpunkten des Normals bei mehrmaliger Abtastung.
Die Unterscheidung der beiden Positionen um einen Schwenkabstand mit Schwenkachse quer zur Abtastrichtung stellt sicher, dass bei der zweimaligen Abtastung des Normals unterschiedliche Schwenkstellungen des Tastarms erhalten werden, in denen sich die Tastarmlänge unterschiedlich auf das Messergebnis auswirkt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist die erste Position des Normals so festgelegt, dass der Tastarm während des Abtastvorgangs eine im Wesentlichen konstante Auslenkung aufweist. Das Normal erstreckt sich somit parallel zu der Vorschubrichtung bzw. X-Achse. In der zweiten Position ist das Normal dann geneigt angeordnet, so dass der Tastarm beim Abtasten der Oberfläche seine Auslenkung ändert. Ist die Oberfläche des Normals strukturiert kann der Schwenkwinkel, in dem sich das Normal in seiner zweiten Position befindet, unbekannt sein. Dennoch lassen sich aus den beiden gewonnenen Datensätzen sowohl die Länge des Tastarms, die Länge der Tastspitze als auch der Schwenkwinkel berechnen. Durch die Strukturierung lassen sich Oberflächenpunkte, die vor dem Schwenken erfasst worden sind, nach dem Schwenken wiederfinden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist einfach in der Handhabung und Fehlbedienungen seitens des Anwenders lassen sich reduzieren bzw. ausschließen. Dies kommt der Genauigkeit nachfolgender Messungen zugute. Das Verfahren lässt sich weitgehend automatisieren. Handlungen des Bedieners können durch entsprechende Signale der Kalibriereinrichtung abgefordert werden, wodurch Irrtümer und Fehlbedienungen ausgeschlossen werden. Außerdem lässt sich eine entsprechende Vorrichtung preiswert herstellen.
Die erfindungsge äße Kalibriereinrichtung weist eine Haltevorrichtung auf, in der das Normal schwenkbar gelagert ist, wobei es in wenigstens zwei Schwenkstellungen arretierbar ist. Bei der Durchführung des Kalibriervorgangs kann der Bediener beispielsweise durch eine geeignete Anzeige oder Ausgabe des Messgeräts dazu aufgefordert werden, das Normal von seiner ersten Schwenkposition in seine zweite Schwenkposition zu überführen. Weitere Einstellungen muss der Bediener nicht durchführen.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist das Normal ein Einkristall oder monokristallines Material. Vorzugsweise wird ein Siliziumstreifen angewendet, der beispielsweise aus einem Siliziumwafer herausgeschnitten oder gebrochen ist. Als quer zur Vorschubrichtung angeordnete Vertiefungen können in die Oberfläche des Siliziumkristalls Strukturen im Ätzverfahren eingebracht werden. Das Siliziumnormal weist eine Ebenheit im Rahmen von einigen Mikrometern auf, was vollkommen genügt. Eingeätzte Vertiefungen können sehr regelmäßig mit parallelen Kanten hergestellt werden. Ein solches Normal gestattet in der erfindungsgemäßen Kalibriereinrichtung eine genaue Kalibrierung des Messgeräts und dabei preiswert und rationell herzustellen.
Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung, der Beschreibung oder Unteransprüchen.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:
Figur 1 eine erfindungsgemäße Kalibriereinrichtung in schematischer, perspektivischer Darstellung (nicht maßstabsgerecht) ,
Figur 2 das Tastgerät an einem Normal beim Abtasten desselben in seiner ersten Position in schematischer Darstellung,
Fig. 3 und 4 das Tastgerät beim Abtasten des Normals in seiner zweiten Position in zwei verschiedenen Tastpositionen,
Figur 5 die Steuereinrichtung des Tastgeräts in einer vereinfachten, ausschnittsweisen Darstellung.
In Figur 1 ist ein Tastgerät 1 während eines Kalibrierungsvorgangs schematisch veranschaulicht. Das Tastgerät 1 ist beispielsweise über ein Stativ 2 ortsfest gehalten. Es enthält eine Führungseinrichtung 3, an der ein Schlitten 4 oder ein anderweitiger Rahmen oder Träger in einer Vorschubrichtung 5 verschiebbar gelagert ist. Die Vorschubrichtung 5 entspricht der X-Richtung eines Mess-Koordina- tensystems X, Y, Z.
An dem Schlitten 4 ist ein Tastarm 6 abnehmbar gehalten. Der Tastarm 6 ist um eine Drehachse 7 schwenkbar gelagert. Die Drehachse 7 ist vorzugsweise parallel zu der Y- Richtung orientiert. Endseitig trägt der Tastarm 6 eine Tastspitze 8, die zur Abtastung eines Werkstücks dient. Die dadurch hervorgerufenen Schwenkbewegungen des Tastarms β, bzw. die von dem Tastarm 6 eingenommenen Winkelpositionen, werden von einem Sensor 9 erfasst, der mit dem Tastarm verbunden und beispielsweise in Figur 2 schematisch veranschaulicht ist. Der Sensor 9 kann ein induktiver Sensor, ein optischer Sensor oder von einer anderen Bauart sein. Ein zweiter Sensor 11 dient der Erfassung der X-Position des Schlittens 4 und somit der Tastspitze 8. Der Sensor 11 ist an dem Schlitten 4 angebracht und erfasst dessen X-Position in Bezug auf einen Maßstab 12, der ortsfest in dem Tastgerät 1 bzw. eines Rahmens 14 angeordnet ist, der die Führungseinrichtung 3 und eine nicht weiter veranschaulichte Antriebseinrichtung für den Schlitten 4 trägt. Der Maßstab 12 und der Sensor 11 können jeden beliebigen, eine ausreichende Genauigkeit erbringenden Aufbau aufweisen. Beispielsweise kann auch ein interferenzoptischer Sensor eingesetzt werden. Dieser kann einen an dem Schlitten 4 angeordneten Reflektor umfassen, der einen Lichtstrahl eines in dem Rahmen 14 ortsfest angeordneten Interferometers reflektiert.
Die Sensoren 9, 11 sind, wie Figur 5 veranschaulicht, an einer Verarbeitungseinrichtung 15 angeschlossen, die die erhaltenen Messwerte der X-Position des Schlittens 4 und der Schwenkposition des Tastarms 6 in X-Y-Positionswerte der auf dem Werkstück aufliegenden Spitze 8a umrechnet und an einem Ausgang 16 ausgibt. Dazu benötigt die Verarbeitungseinrichtung 15 Daten über die Geometrie des Tastarms 6 und der Tastspitze 8, die in einem Speicher 17 bereit gehalten werden. Diese Daten bestimmt die Verarbeitungseinrichtung 15 in einem Kalibriervorgang an einer aus Figur 1 ersichtlichen Kalibriereinrichtung 18. Zu dieser gehört ein Halter 19, an dem ein Normal 21 verstellbar, vorzugsweise um eine Schwenkachse 22 schwenkbar gelagert ist. Die Schwenkachse 22 ist vorzugsweise in Y-Richtung orientiert und somit parallel zu der Drehachse 7 eingerichtet. Der Halter 19 ist außerdem an einem Schlitten 23 um eine in X- Richtung orientierte Achse 24 schwenkbar gelagert. Die Schwenkstellungen sind beispielsweise durch eine Einstellschraube, die nicht weiter veranschaulicht ist, einstellbar.
Der Schlitten 23 ist auf einer vorzugsweise in Y-Richtung orientierten Führung 25, 26 gelagert und über einen manuellen Stellantrieb 27 in Y-Richtung verstellbar. Die Führung 25, 26 ist von einem Schlitten 28 getragen, der seinerseits über eine Führungs- und Stelleinrichtung 29 anderweitig, beispielsweise in X-Richtung oder in Z-Rich- tung oder bezüglich einer Drehung um die Z-Achse verstellbar sein kann.
Das Normal 21 kann in zumindest zwei unterschiedliche Schwenkpositionen verstellt werden. Es greift dazu mit sei- nem von der Schwenkachse 22 abliegenden Ende in eine Aus- nehmung 31, die bzgl. der Z-Richtung oben und unten jeweils einen definierten Anschlag, beispielsweise mittels einer Kugel bietet. Ein geeignetes Arretiermittel, beispielsweise ein endseitig an dem Normal 21 angebrachter Magnet 32, sichert das Normal jeweils in seinen Anschlagpositionen.
Das Normal 21 ist vorzugsweise ein Streifen monokristallinen Siliziums, der beispielsweise auf einem Metallträger aufgeklebt sein kann. Seine nach oben weisende, der Tastspitze 8 zugewandte, Oberfläche 33 ist im Wesentlichen, d.h. bis auf wenige Mikrometer eben. In diese ebene Fläche sind einzelne Vertiefungen 34 eingebracht, die beispiels- und vorzugsweise einen ebenen Boden aufweisen. Die Vertiefungen 34 sind beispielsweise Nuten von jeweils etwa ein bis zwei Millimetern Länge in X-Richtung und einer in Z- Richtung gemessenen Tiefe von zwei bis zehn, vorzugsweise fünf Mikrometern. Insgesamt weist das Normal 21 eine Länge von beispielsweise 70 Millimetern auf.
Wird an dem Tastgerät ein Tastarm 6 angebracht, dessen genauen Abmessungen und Toleranzen nicht bekannt sind, können die erforderlichen Daten, nämlich die Länge des Tastarms 6 und die Länge bzw. Höhe der Tastspitze 8 in einem Kalibrierablauf bestimmt werden. Dazu wird die Kalibriereinrichtung 18, wie in Figur 1 veranschaulicht, im Bereich der Tastspitze 8 des Tastgeräts 1 positioniert. Der Kalibrierablauf ist dann wie folgt:
Zur Durchführung der Kalibrierung wird das Normal zunächst in seine in Figur 2 veranschaulichte Position überführt, in der es vorzugsweise genau in X-Richtung orientiert ist. Ob dies der Fall ist, kann mit einer Probeabtastung festgestellt werden. Lässt sich bei der Vorschubbewe- gung des Schlittens 4 eine Verschwenkung des Tastarms 6 erfassen, stimmt die Vorschubrichtung nicht mit der Orientierung des Normals 21 überein. Es können Stellmittel, beispielsweise zur Verstellung eines unteren Anschlags 35 des Halters 19 vorgesehen sein, um das Normal 21 in Übereinstimmung mit der X-Richtung zu bringen.
Auf ähnliche Weise kann das Normal 21 bzgl. der Y-Achse orientiert werden. Dazu wird die Tastspitze 8 an einer beliebigen Stelle auf die Oberfläche 33 aufgesetzt. Eine Verstellung des Halters 19 in Y-Richtung durch Betätigung des Stellantriebs 27 zeigt an, ob das Normal 21 in Y-Richtung justiert ist.
Die eigentliche Kalibrierung wird nun wie folgt durchgeführt :
Zunächst wird das in X- und Y-Richtung orientierte Normal 21, wie in Figur 2 veranschaulicht, in Vorschubrichtung 5, d.h. in X-Richtung abgetastet. Die Sensoren 9, 11 liefern dabei Wertepaare über die Verschwenkung des Tastarms 6 bei dem jeweiligen X-Wert an die Verarbeitungseinrichtung 15. Die Schwenkwinkel αt für jeden Schritt weisen einen ersten (konstanten) Wert auf, wenn sich die Spitze 8a außerhalb der Vertiefungen 34 befindet und sie weisen einen zweiten (konstanten) Wert auf, wenn sich die Spitze 8a innerhalb einer Vertiefung 34 befindet. Die Kanten 36, 37 der Vertiefungen 34 werden jeweils mit einigen Messwerten erfasst. Die Vertiefungen 34 können exakt gleich breit und äquidistant angeordnet sein. Bevorzugt wird jedoch eine Anordnung, bei der die Vertiefungen 34 und deren Abstände über die Länge des Normals 21 unterschiedlich sind. Dies gestattet die Aufnahme eines wiedererkennbaren Oberflächenprofils . Ist die gesamte oder wenigstens die erforderliche Länge des Normals 21 abgetastet, wird dieser aus seiner in Figur 2 veranschaulichten Position I in die in den Figuren 3 und 4 veranschaulichte zweite Position II überführt. Dies erfolgt, indem das Normal 21 nach oben verschwenkt wird, bis es in dem Halter 19 oben anschlägt. Dies kann beispielsweise auf eine von der Verarbeitungseinrichtung 15 gegebene Aufforderung hin durch eine Bedienungsperson geschehen.
Das Normal 21 wird nun erneut abgetastet. Dazu wird der Schlitten 4, wie Figur 3 veranschaulicht, in Anfangsposition verfahren, wonach der Tastarm 6 wieder auf das Normal 21 aufgesetzt wird. Es erfolgt nun ein gleichmäßiger Vorschub des Schlittens 4 in Vorschubrichtung 5 zur Abtastung des Normals 21. Dabei wird wiederum jedem Schritt x. ein von dem Sensor 9 erfasster Winkel α1 zugeordnet. Der erhaltene Datensatz wird abgespeichert.
Aus den abgespeicherten Datensätzen, die sich aus der Abtastung des Normals 21 in Position I und in Position II ergeben, lassen sich nun Ls und Hs mit Hilfe folgender Formeln errechnen:
Zk = Zd - Ls * sin (α) - Hs * cos (α) Xk = Xd - Ls * cos (α) - Hs * sin (α)
In diesen Formeln bedeuten Zk und Xk die kartesischen Koordinaten der Spitze 8a in einem Koordinatensystem. In diesem Koordinatensystem ist der Winkel α des Tastarms Null, wenn die Spitze 8a eine Z-Koordinate von Null aufweist. Zd und Xd sind die kartesischen Koordinaten der Drehachse 7. Es wird nun aus den Daten der Abtastung des Normals 21 in Position II mit Hilfe der beiden obigen For- mein ein Gleichungssystem erstellt, dessen Lösung Ls und Hs ergibt. Die Koordinaten Zk und Xk werden dabei aus dem bekannten Schwenkwinkel des Normals 21 sowie aus den aus der ersten Abtastung bekannten X-Positionen der Kanten 36, 37 aller Ausnehmungen 34 berechnet. Ist der Schwenkwinkel ß des Normals 21 hingegen nicht bekannt, erhält das Gleichungssystem eine weitere Unbekannte, indem Zk und Xk als Funktion von ß ausgedrückt sind. Aufgrund der großen Überbestimmung des Gleichungssystems (lediglich drei Variablen Hs, Ls und ß sind gesucht und für jeden Messpunkt existiert ein Gleichungspaar) ist auch ein solches Gleichungssystem mit geringfügig höherem mathematischen Aufwand lösbar.
Die von der Verarbeitungseinrichtung 5 bestimmten Werte für Ls und Hs werden nun an den Speicher 17 übergeben und bei nachfolgenden Messungen zugrunde gelegt, wenn aus dem erhaltenen X-Wert des Sensors 11 und dem Winkel des Sensors 9 Oberflächenkoordinaten Xk, Zk eines Werkstücks bestimmt werden sollen.
Nach Entfernen der Kalibriereinrichtung 18 ist das Tastgerät 1 kalibriert und einsatzfähig.
Bei dem vorstehend beschriebenen Kalibrierungsverfahren wird davon ausgegangen, dass die Sensoren 9, 11 bereits kalibriert sind, d.h. dass die Verarbeitungseinrichtung 15 über entsprechende Korrekturtabellen verfügt, um etwaige Nichtlinearitäten auszugleichen. Das vorstehende Kalibrierverfahren dient lediglich dazu, nach einem Tastarmwechsel fällige Neukalibrierungen durchzuführen. Bedarfsweise kann es jedoch auch dazu angewendet werden, die Sensoren 9, 11 zu kalibrieren, wenn dies erforderlich ist. Dazu können die Vertiefungen 34 in dem Normal 21 an präzise bekannten Stellen angebracht werden. Außerdem ist es dann hilfreich, wenn die Tiefe der Vertiefungen 34 präzise vorbekannt ist. An die Stelle der Schwenkbewegung des Normals 21 kann prinzipiell auch eine Schwenkbewegung des Tastgeräts 1 treten - entscheidend ist die Messung in zwei unterschiedlichen Relativpositionen, die sich durch eine Schwenkbewegung unterscheiden.
Zur Kalibrierung eines Tastgeräts 1 ist eine Kalibriereinrichtung 18 vorgesehen, die als Normal 21 einen Siliziumstreifen mit Vertiefungen 34 aufweist. Das Normal 21 wird in zwei verschiedenen Schwenkpostionen abgetastet. Aus den Messwerten, die in beiden unterschiedlichen Schwenk- stellungen gewonnen worden sind, lässt sich die Länge Ls des Tastarms 6 und die Höhe Hs der Tastspitze 8 bestimmen.

Claims

Patentansprüche :
1. Verfahren zum Kalibrieren eines Tastgeräts (1) an einem Normal (21), das eine Oberfläche (33) mit einer Strukturierung (34) aufweist, wobei verfahrensgemäß
in einem ersten Schritt die Oberfläche (33) des in einer ersten Position (I) befindlichen Normals (21) abgetastet wird und die erhaltenen Messwerte registriert werden
in einem zweiten Schritt die Oberfläche (33) des in einer zweiten Position (II) befindlichen Normals (21) nochmals abgetastet und die erhaltenen Messwerte registriert werden und
in einem dritten Schritt aus den Messwerten Geometriedaten (Ls, Hs) des Tastgeräts bestimmt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Normal (21) in der die zweiten Position (II) gegen die erste Position (I) verschwenkt ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionen (I, II) eine Schwenkachse (22) festlegen, die quer zu der Vorschubrichtung (5) orientiert ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Normal (21) auf einem linienförmigen Weg abgetastet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Weg gerade ist.
6. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Tastarm (6) um eine quer zu Vorschubrichtung (5) orientierte Achse schwenkbar gelagert ist.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Geometriedaten des Tastgeräts (1) die Länge Ls seines schwenkbar gelagerten Tastarms (6) bestimmt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Geometriedaten des Tastgeräts (1) seine Tastspitzenlänge (Hs) bestimmt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Normal (21) in zumindest einer der Positionen (I, II) gegen die Vorschubrichtung (5) in einem Winkel (ß) geneigt ist.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Normal (21) vor dem Kalibriervorgang quer zu der Vorschubrichtung (5) verschoben und dabei abgetastet wird, um festzustellen, ob die Schwenkachse (7) des Tastarms (6) parallel zu dem Normal (21) orientiert ist und dass das Normal (21) gegebenenfalls nachpositioniert wird.
11. Kalibriereinrichtung zum Kalibrieren eines Tastgeräts (1) mit einem schwenkbar gelagerten Tastarm (6), der mittels einer Vorschubeinrichtung in einer vorgegebenen Vorschubrichtung (5) über eine Werkstückoberfläche geschleppt wird, um diese mit einer Tastspitze (8) abzutasten und um das Oberflächenprofil und oder die Oberflächenrauheit zu bestimmen, mit einer Haltevorrichtung (19), in der ein Normal (21) schwenkbar gelagert ist, wobei das Normal (21) in wenigstens zwei Schwenkpositionen (I, II) arretierbar ist .
12. Kalibriereinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Normal (21) eine wenigstens abschnittsweise ebene Oberfläche (33) aufweist.
13. Kalibriereinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Normal (21) quer zu der Vorschubrichtung (5) angeordnete Vertiefungen (34) aufweist.
14. Kalibriereinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Normal (21) ein monokristallines Material, vorzugsweise ein Siliziumkristall ist.
15. Kalibriereinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (34) Ätzvertiefungen sind.
16. Kalibriereinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung (19) eine Ver- stellvorrichtung (27) zur Positionierung des Normals (21) in zumindest einer Richtung aufweist.
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