Untersuchungen zu optischen Mehrkomponentenmesssystemen

The achievable parameters of manufacturing processes using high precision machine tools and coordinate measuring machines directly depend on the achieved positioning accuracy and respectively the uncertainty of measurement. To ensure stable parameters frequent inspections of the devices are necessary. Furthermore in precision applications the systemat-ic deviations have to be considered in the machine control, which makes an exact knowledge of all systematic machine deviations inevitable. The spatial positioning in machine tools and coordinate measuring machines is typically real-ized by three stacked linear stages, which are aligned with the axes of the coordinate sys-tem. The total deviation of the device results from the deviations of the stages and their po-sition to each other. To characterize each linear stage three translational (linear position, horizontal and vertical straightness) and three rotational (pitch, yaw and roll angle) devia-tions have to be measured. State of the art is the sequential measurement of the single de-viations preferably by optical methods.The present thesis deals with investigations on optical measurement systems for the simul-taneous acquisition of all deviations of a linear stage in an aligned measurement setup. The main goals are to reduce the measurement time for an inspection of a precision machine tool or coordinate measuring machine and to increase the measurement accuracy. The measurement range of the system has to accord to the increasing working range of precision devices.The approaches to solving this can be structured in two main groups: interferometric meth-ods and methods based on optoelectronic position sensors. The possibilities to acquire all rotational and translational deviations of a linear stage with interferometers are explored; the achievable metrological parameters and sources of measurement uncertainty are dis-cussed. In the same way methods to measure horizontal and vertical straightness and roll with optoelectronic position sensors are treated.Based on the findings of the investigations on various methods of measurement a system for the simultaneous acquisition of all six translational and rotational deviations in an aligned measurement setup was developed. Herein the measurement of linear position, pitch and yaw is done by an interferometer while the two straightness components and the roll angle are measured with optoelectronic position sensors. The system can be used with an active or a passive, wireless target. In addition to that it is possible to measure all components inter-ferometrically in four sequential runs. A scheme for data processing in simultaneous meas-urements is given, that allows the correction of certain systematic measurement deviations.Die erreichbaren Parameter von Fertigungsprozessen beim Einsatz von Präzisionswerkzeug-maschinen und Koordinatenmessgeräten in der mechanischen Fertigung sind an die mit die-sen Geräten erreichten Positionier- und Messunsicherheiten gebunden. Um diese zu ge-währleisten, sind regelmäßige Überprüfungen notwendig. Weiterhin beruht die für Präzisi-onsanwendungen erforderliche Berücksichtigung systematischer Abweichungen in der Ma-schinensteuerung auf der Erfassung der vorliegenden Abweichungen. Da die räumliche Positionierung bei Präzisionswerkzeugmaschinen und Koordinatenmessge-räten typischerweise durch drei in Richtung der Raumachsen angeordnete, aufeinander auf-bauende Linearführungen realisiert wird, folgt die Gesamtabweichung aus den Abweichun-gen der Führungen und ihrer Relativlage. Zur Charakterisierung der Führungen müssen je-weils drei translatorische (lineare Position sowie horizontale und vertikale Geradheit) und drei rotatorische (Nick-, Gier und Rollwinkel) Abweichungen erfasst werden. Dies geschieht nach gegenwärtigem Stand der Technik durch die sequentielle Erfassung der Einzelabwei-chungen, wozu bevorzugt optische Verfahren zum Einsatz kommen. Gegenstand der vorliegenden Arbeit sind Untersuchungen optischer Messsysteme zur simul-tanen Erfassung sämtlicher Abweichungen einer linear geführten Bewegung in fluchtender Messanordnung. Ziel ist hierbei die zur Abnahme bzw. Überprüfung von Präzisionswerk-zeugmaschinen und Koordinatenmessgeräten erforderliche Messzeit und die Messabwei-chungen zu verringern. Dabei soll auch den steigenden Anforderungen an den Messbereich für Präzisionsanwendungen Rechnung getragen werden.Die untersuchten Lösungsansätze lassen sich in die zwei Gruppen interferometrische und optoelektronische Verfahren gliedern. Die Möglichkeiten zur interferometrischen Erfassung aller rotatorischen und translatorischen Abweichungen einer Linearführung werden vorge-stellt und die erreichbaren Systemparameter sowie die auftretenden Messunsicherheiten werden anhand von Messungen diskutiert. In gleicher Weise werden die Möglichkeiten zur Messung der horizontalen und vertikalen Geradheit und des Rollwinkels auf Basis von opto-elektronischen Positionssensoren behandelt.Aufbauend auf den Ergebnissen der Einzeluntersuchungen wurde ein Messsystem zur simul-tanen Erfassung aller sechs translatorischen und rotatorischen Abweichungen einer Linear-führung in fluchtender Messanordnung entwickelt. Die Messung von linearer Position, Nick- und Gierwinkel erfolgt dabei interferometrisch, während die Geradheitsabweichungen und der Rollwinkel mit optoelektronischen Positionssensoren erfasst werden. Das System bietet dabei die Möglichkeit mit aktivem oder passivem, kabellosem Reflektor zu messen. Darüber hinaus können alle Abweichungen auch in vier sequentiell durchgeführten Messungen inter-ferometrisch bestimmt werden. Zur Umsetzung sich bei der Mehrkomponentenmessung bietender Möglichkeiten zur Korrektur systematischer Messabweichungen wird ein Schema der Messdatenverarbeitung angegeben

Dynamic alignment and calibration of linear axes

Linear positioning axes are used as basic assemblies in a wide range of applications in manufacturing, and measurement technology, such as in machine tools and coordinate measuring machines. If linear axes are installed in machines and devices, the accuracy of the complete system is limited by the rotational and translatory deviations of the individual axes from the ideal linear path of motion. The highly accurate, dynamic detection of the guiding properties during mounting and alignment of these system components is consequently the key to achieving minimal positioning deviations of the assembled system. The presented devices for the alignment and calibration of linear axes are based on laser interferometric measuring methods. They enable highly accurate simultaneous measurements of linear position, pitch and yaw angles as well as a straightness component in one measurement run

A self-calibrating multicomponent force/torque measuring system

A multi-component self-calibrating force and torque sensor is presented. In this system, the principle of a Kibble balance is adapted for the traceable force and torque measurement in three orthogonal directions. The system has two operating modes: the velocity mode and the force/torque sensing mode. In the velocity mode, the calibration of the sensor is performed, while in the force/torque sensing mode, forces and torques are measured by using the principle of the electromagnetic force compensation. Details about the system are provided, with the main components of the sensor and a description of the operational procedure. A prototype of the system is currently being implemented for measuring forces and torques in a range of ±2 N and ±0,1 Nm respectively. A maximal relative expanded measurement uncertainty (k=2) of 10·10-5 is expected for the force and torque measurements