Ontwikkeling van een data-acquisitie pakket ten behoeve van kalibratie van 3D-meetmachines

Ontwikkeling van een data-acquisitie pakket ten behoeve van

kalibratie van 3D-meetmachines

Citation for published version (APA):

Spaan, H. A. M. (1989). Ontwikkeling van een data-acquisitie pakket ten behoeve van kalibratie van 3D-meetmachines. (TH Eindhoven. Afd. Werktuigbouwkunde, Vakgroep Produktietechnologie : WPB; Vol. WPA0737). Technische Universiteit Eindhoven.

Document status and date: Gepubliceerd: 01/01/1989

Document Version:

Uitgevers PDF, ook bekend als Version of Record

Please check the document version of this publication:

• A submitted manuscript is the version of the article upon submission and before peer-review. There can be important differences between the submitted version and the official published version of record. People interested in the research are advised to contact the author for the final version of the publication, or visit the DOI to the publisher's website.

• The final author version and the galley proof are versions of the publication after peer review.

• The final published version features the final layout of the paper including the volume, issue and page numbers.

Link to publication

General rights

Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights. • Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain

• You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal.

If the publication is distributed under the terms of Article 25fa of the Dutch Copyright Act, indicated by the “Taverne” license above, please follow below link for the End User Agreement:

www.tue.nl/taverne Take down policy

P

P

(A', l...,t ~.>

Ontwikkeling van een data-acquisitie pakket ten behoeve van kalibratie van 3D-meetmachines.

Auteur: H.A.M. Spaan

Rapport nr.: WPA 0737, mei 1989.

Verslag onderzoekopdrach t.

Afstudeerhoogleraar: Prof. dr. ir. A.C.H. van der Wolf. Begeleiders: Dr. ir. P.H.J. Schellekens,

Voorwoord

In dit rapport wordt het ontwerp van een softwarepakket besproken. Dit pakket kan als deelpakket dienen van een softwarepakket dat in staat is een afschatting te genereren betreffende de onnauwkeurigheid van een 3D-meetmachine, een en ander op basis van beperkte kalibratie data. Het is ontwikke1d als onderzoekopdracht binnen het laboratorium. van lengtemeting, vakgroep WPA van de faculteit werktuigbouwkunde van de Technische Universiteit Eindhoven.

Dit onderzoek is begeleid door Ir. F.C.C.J.M. Theuws, onder de supervisie van Dr. Ir. P.H.J. Schellekens. Mijn dank gaat uit naar bovengenoemden en naar aile andere medewerkers van de onderwijsgroep Meettechniek.

Samenvatting

3-Dimensionale meet machines worden in de industrie veel gebruikt, te meer daar de huidige tendens gaat naar steeds complexere en nauwkeurigere produkten.

Deze 3-D meet machines hebben echter een beperkte nauwkeurigheid. Om nu deze onnauwkeurigheid te determineren is het noodzakelijk deze machines te

controleren, zij het bij afname van fabrikant, zij het gedurende het verloop der jaren.

Om nu deze controle te bespoedigen en de kans op fouten te verkleinen wordt een softwarepakket ontwikkeld dat in staat is, op basis van beperkte kalibratie data, een uitspraak te genereren omtrent deze onnauwkeurigheid.

Gekozen wordt voor een opsplitsing in twee softwarepakketten; het data-acquisitie en het berekenings-pakket.

Het data-acquisitie pakket, dat ontwikkeld is in het kader van een

onderzoeksopdracht, moet in staat zijn om zoveel mogelijk data via een interface, IEEE-488, in te lezen, daar dit de snelheid ten goede komt en de kans op fouten verkleint.

Als meetinstrument wordt dan ook gekozen voor de laserinterferometer, daar deze vele soorten metingen, met hoge nauwkeurigheid, kan verrichten en deze in staat is te communiceren via de IEEE-488 interface. Ais ander meetinstrument wordt gekozen voor de elektronische waterpassen ,daar deze in staat zijn die metingen te verrichten die niet met de laserinterferometer gedaan kunnen worden. Ook deze instrumenten kunnen communiceren via IEEE-488 interface.

Tevens biedt het data-acquisitie pakket de mogelijkheid data via het toetsenbord in te voeren.

Het data-acquisitie pakket bespoedigt de controle metingen van een 3-D meet machine enorm en biedt direct de mogelijkheid de metingen te controleren (grafisch); het nog te ontwikkelen berekenings-pakket zal in staat zijn de data uit het data-acquisitie pakket in te lezen en deze, rekening houdend met het

kinematisch model van de meet machine, om te kunnen zetten in een uitspraak omtrent de onnauwkeurigheid van de desbetreffende machine.

Inhoudsopgave Symbolen

1. Inleiding

Inhoud

1.1 3-D meetmachines 1.2 Doel van het onderzoek

2. Afnameprocedures

2.1 Foutenbronnen van een 3-D meet machine 2.1.1 Een model van een 3-D meet machine 2.1.2 Geometrische bronnen van afwijking 2.1.3 De afwijkingen analyse

2.2 !4eetstrategie

3. Structuur van het softwarepakket

3.1 Doel van het gehele softwarepakket 3.2 A!4EC part 1

4. Keuze meetmiddelen & interface-programmatuur 4.1 De meetmiddelen 4.1.1 Lineariteits-afwijkingen 4.1.2 Rechtheids-afwijkingen 4.1.3 Rotatie-afwijkingen 4.1.4 Haaksheids-afwijkingen 4.2 Keuze meetmiddelen 4.3 Interface programmatuur 4.3.1 Interface programmatuur t.b.v. de laserinterferometer 4.3.2 Interface programmatuur t.b.v. de elektronische waterpassen

ITI

V 1 1 2 3 3 4 5 1 10 12 12 13 16 16 16 11

18

22 23

25

25

21

5. Bet data-acguisitie pakket 5.1 Globaal overzicht

5.2 Overzicht van het hoofdmenu

5.3 Overzicht van de keuze van de 800rt meting 5.4 Overzicht van het programmadeel metingen 5.5 Overzicht van het laatste menu

5.5.1 Laatste menu

5.5.2 Overzicht laatste menu

twee rechtheidsmetingen 5.6 Resultaten in praktijk

6. Conclusies

&

Aanbevelingen 6.1 Conclusies 6.2 Aanbevelingen Appendix A Appendix B literatuur 28 28 29 31 35 36 36 39

41

44

44

45 46

47

48

SYMBOLEN

Symbool Betekenis Eenheid

A gemeten afwijking _J1II1

d factor voor coordinatensysteem

dx verplaatsing t.O.V. translerende as m

1

dx verplaatsing t.O.V. translerende as m

2

1 armlengte m

Rx rotatie matrix II

Ry rotatie matrix II

Rz

rotatie matrix II

RX.x rotatie-afwijking X-geleiding om X-geleiding 11

RXy rotatie-afwijking Y -geleiding om X-geleiding II

RXz rotatie-afwijking Z-geleiding om X-geleiding II

RYx rotatie-afwijking X-geleiding om Y -geleiding II

RYy rotatie-afwijking Y -geleiding om Y -geleiding

_"

RYz rotatie-afwijking Z-geleiding om Y -geleiding

_"

RZx rotatie-afwijking X-geleiding om Z-geleiding II

RZy rotatie-afwijking Y -geleiding om Z-geleiding II

RZz Iotatie-afwijking Z-geleiding om Z-geleiding 11

Sy haaksheids-afwijking-vector t.g.v. verplaatsing

over Y -geleiding m

~z haaksheids-afwijking-vector t.g. v. verplaatsing

over Z-geleiding m

SXy haaksheids-afwijking van de Y-geleiding t.O.V.

de X-geleiding

_"

SXz haaksheids-afwijking van de Z-geleiding t.O.V.

de X-geleiding II

SYz haaksheids-afwijking van de Z-geleiding t.o.v.

de Y -geleiding II

Tx translatie-afwijking-vector van de X-geleiding m

TXx lineariteits-afwijking van de X-geleiding m TXy rechtheids-afwijking van de Y-geleiding in X-riehting m

TXz reehtheids-afwijking van de Z-geleiding in X-richting m TYy lineariteits-afwijking van de Y -geleiding m TYx rechtheids-afwijking van de X-geleiding in Y -riehting m TYz rechtheids-afwijking van de Z-geleiding in Y -richting m TZz lineariteits-afwijking van de Z-geleiding m TZx reehtheids-afwijking van de X-geleiding in Z-richting m TZy rechtheids-afwijking van de Y -geleiding in Z-richting m Vi ideale meet vector in coOrdinatensysteem XYZ m Vox verbindingsvector in coordinatensysteem XYZ m Vt tastervector in co5rdinatensysteem XYZ m Vw werkelijke meetveetor in cOOrdinatensysteem XYZ m Vx geleidingsvector in coordinatensysteem XYZ m Vxy verbindingsveetor in coordinatensysteem XYZ m yY geleidingsveetor in coordinatensysteem XYZ m yYz verbindingsveetor in coordinatensysteem XYZ m Vz geleidingsvector in coordinatensysteem XYZ m X geleidingscoordinaat in eoordinatensysteem XYZ m Xt tasterlengte in X-richting m x translatie over een rechte m

t

Xmachine Uitgegeven positie van de meetmachine m Xmeetmiddel

Xxy lengte verbindingsvector tussen X- en Y -geleiding

in X-richting m

Xxz lengte verbindingsvector tussen X- en Z-geleiding

in X-richting m

Xyz lengte verbindingsvector tussen Y - en Z-geleiding

in X-richting m

Yt tasterlengte in Y -richting m Yxy lengte verbindingsvector tussen X- en Y -geleiding

in Y-richting m

Yxz lengte verbindingsvector tussen X- en Z-geleiding

in Y -richting m

Yyz lengte verbindingsvector tussen Y - en Z-geleiding

in Y-richting m

Zt tasterlengte in Z-richting m Zxy lengte verbindingsvector tussen X- en Y-geleiding

in Z-richting m

Zxz lengte verbindingsvector tussen X- en Z-geleiding

in Z-richting m

Zyz lengte verbindingsvector tUBBen Y - en Z-geleiding

in Z-richting m

a rotatie-afwijking II

ax rotatie gedurende translatie over 2*L II

l:lVm meetafwijkingvector m

l:lVmx meetafwijking in X-richting m l:lVmy meetafwijking in Y -richting m

l:lVmz meetafwijking in Z-richting m 'Px uitrichtafwijking van rechtheidsmeting t.O.V. X-as II 'Py uitrichtafwijking van rechtheidsmeting t.o.v. Y-as

"

1. Inleiding

1.1 3-D meet machines

In de industrie is er tegenwoordig een duide1ijke trend zichtbaar naar het ontwerpen en fabriceren van produkten met hoge mate van complexiteit en

nauwkeurigheid. Hierdoor wordt het meten van deze produkten met conventionele meetmiddelen echter een bijna onmogelijke en arbeidsintensieve taak. Om deze produkten toch snel en nauwkeurig te kunnen meten zijn 3-Dimensionale (3-D) meet machines ontwikkeld. M. b. v. deze coordinaten-meetmachines is het mogelijk om vrijwel elk produkt te controleren om zo een terugkoppeling te creeren naar het produktieproces.

Zoals bij ieder meetinstrument dient men zich af te vragen hoe nauwkeurig een dergelijke machine is, vooral wanneer het feit in acht genomen wordt dat een meetinstrument een ordegrootte nauwkeuriger moet zijn dan het gemeten produkt.

1.2 Doel van het onderzoek

Daar omtrent de controle van de door de fabrikant opgegeven

onnauwkeurigheid van 3-D meetmachines internationaal nog geen vaste afspraken zijn gemaakt, kan dit op verscheidene manieren plaatsvinden. Tevens zal de machine gedurende gebruik slijten, waardoor de nauwkeurigheid afneemt. De

kwaliteitscontrole van een 3-D meetmachine kan dan ook opgesplitst worden in een afnamecontrole bij levering van de machine en in een periodieke controle gedurende de levensduur. De afnamecontrole bestaat uit een verificatie van de

machinespecificaties, waarbij aUe afwijkingen in acht worden genomen. De periodieke controle zal bestaan uit een test waarbij bekeken wordt of de afwijkingen veranderen gedurende gebruik van de meetmachine.

Teneinde bovenstaande controles te kunnen realiseren wordt een softwarepakket ontwikkeld dat in staat is een uitspraak te genereren betreffende de

onnauwkeurigheid van een 3-D meet machine, dit op basis van beperkte kalibratie data. T.b.v. dat softwarepakket is, in het kader van een onderzoekopdracht, een deelpakket ontwikkeld dat de acquisitie van de kalibratie data mogelijk maakt en transformeert in een, voor latere bewerking, bruikbare vorm.

2. Afnameprocedurcs

2.1 Foutenbronnen van een 3-D meetmachine

Ben 3-D mcetmachine kan door zijn lx)Uwvorm nooit voldoen aan het Abbe-principe (figuur 2.1). Hierdoor zuBen de afwijkingen in de geleidingen doorwerken tot cen positie-afwijking van de meettaster, afilankelijk van de plaats van de verschillende sledes. Vanuit het in onderstaande paragrafen gepresenteerde model van cen 3-D meetmachine, wordt aangegeven welke afwijkingen kunnen voorkomen en hoe deze afwijkingen de meetnauwkeurigheid beinvloeden [TIlE 87]. lIet model is alleen van toepassing op machines die opgebouwd zijn uit starre elementen.

Figuur 2.1 3-D meetmachine met meetschalen (MS) en meettaster (MT) niet in elkaars verlengde, waardoor niet aan het Abbe-principe wordt voldaan.

2.1.1 Een model van een 3-D meetmaehine

3-D meetmaehines kunnen, over het algemeen, voorgesteld worden door een ketting van vectoren [THE 87]. Hierbij wordt onderscheid gemaakt tussen

geleidingsveetoren, verbindingsvectoren en een tasterveetor.

Een geleidingsvector geeft de positie van een sIede aan ten opzichte van het

nulpunt van de geleiding. De verbindingsvector geeft de afstand en de riehting aan van de verbinding tussen 2 geleidingen. De tastervector, tenslotte, geeft het

eindpunt aan van de taster ten opzichte van de derde geleiding. Elke machine is dus weer te geven in 7 vectoren, te weten:

3 geleidingsvectoren (Vx,yY,Vz), 3 verbindingsvectoren (Vox,Vxy,yYz) en 1

tasterveetor (Vt). Samen vormen deze 7 vectoren de ideale meetvector Vi (figuur

2.2) waarvoor geldt:

Vi

=

Vox

+

Vx

+

Vxy

+

yY

+

yYz

+

Vz

+

Vt (2.1)

Vi ligt in het orthogonale coordinatensysteem XYZ en geeft het idealegeval weer, waarbij geen geometrische afwijkingen in de geleidingen van de meetmachine voorkomen.

o

Figuur 2.2 Vi

Yz

Vx

Sehematische voorstelling van de ideale meet vector Vi.

2.1.2 Geometrische bronnen van afwijkingen

In principe wordt de plaats en stand van een object in de ruimte bepaald door 6 vrijheidsgraden, namelijk 3 translaties en 3 rotaties. Vanuit dit oogpunt heeft een geJeiding 6 mogeUjke bronnen van afwijking, waardoor de slede op een andere positie of in een andere stand kan staan dan gewenst is (figuur 2.3). Per geleiding zijn dit 3 verplaatsings-afwijkiDgeD: TXi, TYi en TZi en 3 rotatie--afwijkingeD: RXi, RYi en RZi, met i

=

x, y of z. In tabel 2.1 wordt de gchaDteerde

afwijkingensymboliek verklaard. TZx

z

TXx

Figuur 2.3 BronneD van afwijking in een geleiding

Eerste symbool

Tweede symbool

Index

Bron van afwijking

Bepaling van afwijking

Geleiding

T

·

_·

verplaatsing

I, Y, Z

·

_·

verplaatsingsrichting

x, y, z

R :

rotatie

I, Y, Z

·

_·

rotatie- as

x, y, z

S

·

_·

haaksheid

I, Y

·

_·

referentie-as

y,

z

Tabel 2.1 De symboliek voor de geometrische broDDeD van afwijking.

De translatie--afwijking van een geleiding in de bewegingsrichting van de betreffende geleiding, wordt de lineariteits-afwijking genoemd.

De translatie--afwijking van oon geleiding in de riehting van een van de andere twoo geleidingen, worden de rechtheids-afwijkingen van de desbetreffende geleiding genoemd.

De 3 mogelijke rotaties bij translatie van oon geleiding worden rotatie--afwijkingen van die geleiding genoemd. De 2 rotaties, loodrecht op de bewegingsrichting van de geleiding, worden ook weI kantel-afwijkingen van de desbetreffende geleiding genoemd.

Een 3-D meetmachine bezit 3 geleidingen waardoor er nog 3

haaksheids-afwijkingen SXy, SYz en SXz gedefinieerd moeten worden. Dit omdat de 3 geleidingen nooit exact haaks staan, d.w.z. goon orthogonaal stelsel vormen. In totaal zijn er in oon 3-D meetmachine dus 3*6

+

3

=

21 statische geometrische bronnen van afwijking mogelijk.

2.1.3 De afwijkingen ananlyse

Zowel de lineariteits- als de rechtheids-a.fwijkingen worden ren op ren doorgegeven aan de taster.

De verplaatsings-afwijking tengevolge van rotaties is echter afhankelijk van de rotatiehoek en van de armlengte waarop die rotaties werken. Er wordt voor het verdisconteren van de afwijkingen ten gevolge van rotaties dan ook gekozen voor beschrijving in matrices, waardoor na vermenigvuldiging met de bijbehorende armlengte de geachte afwijking bepaald kan worden. Deze matrices zijn

commutatief, dat wi! zeggen dat de tot ale afwijkingvector ten gevolge van rotaties van de drie geleidingen gelijk is aan de 80m van de rotatie-afwijkingen van de drie geleidingen afzonderlijk, oftewel, de totate afwijkingvector in een bepaatd punt in het meetvolume is onafhankelijk van de gevolgde weg naar dit punt. De

rotatiepunten van de X, Y en Z geleidingen bevinden zich respectievelijk op het eindpunt van de X en Y geleiding en op het begin punt van de Z geleiding. De haaksheidsafwijkingen worden in rekening gebracht door aan de

geleidingsvectoren Y.y en Vz respectievelijk de haaksheidsafwijking-vectoren

fur

en

S.Z

toe te voegen (Tabel 2.2). Hieruit is af te leiden dat het verplaatsen van de eerste geleiding t.g.v. de gekozen definitie geen aanleiding geeft tot

haaksheids-afwijkingen. Bron van afw.

Verplaatsing

Rotatie

Haaksheid

Geleiding Afwijkings-vector/matrix

[TIx]

[TXY]

_[TZ']

x, y, z Ix

=

TYx

IY

=

TYy Iz

=

TZy

TZx TZy TZz x, y, z Ii

=

IZi 1 [ 1 -lZi

m]

-~Xi i

=

x, y of z -IYi IXi

r*SIY]

[Z*SIZ]

x, y, z

_fur

=

0

.s.z

=

- Z*SYz 0 0

Tabel 2.2 Mathematische beschrijving van de afwijkings-vectoren en -matrices.

De ?oor de 3-D meetmachine waargenomen meetvector (Vw) bestaat uit de kinematische ketting van vectoren, die de ideale meetvector (Vi) vormt, waaraan op de juiste plaats de besproken afwijkings-vectoren en afwijkings-matrices zijn toegevoegd. De waargenomen meet vector is schematisch weergegeven in figuur 2.4 en wordt gegeven door:

Vw

=

Vox

+

Vx

+

Tx

+

Rx:

*

(Vxy

+

Y.:y

+

D

+

Sy

+

Ry *

(yYz

+

Rz

*

(Vz

+

Tz

+

Sz

+

Vt») (2.2) De meetafwijking (AVm) is de waargenomen meetvector (2.2) minus de ideale meet vector (2.1), oftewel :

AVm

=

Vw- Vi (2.3)

In tabel 2.3 wordt de uitwerking van verge1ijking (2.3) gegeven waarbij

tweede-orde effect en verwaarloosd zijn. De verplaatsings-afwijkingen TXi, TYi en TZi en de rotatie-afwijkingen RXi, RYi en RZi zijn allen functies die afhangen van de desbestreffende machinecoordinaten X, Yen Z, de tastercOOrdinaten Xt, Yt en Zt en de coordinaten van de verbindingsvectoren Ijk, waarbij I = X, Y of Zen j,k

=

x, y of z.

Figuur 2.4 Schematische voorstelling van de meet vector Vw

In de tabel zien we bij de rotatie-afwijkingen een extra factor (d) die afhankelijk van de keuze van het assenkruis en de ligging van het machinenulpunt +1 of-1 kan zijn. [THE 87].

Foutbron

AVmx

AVmy

AVmz

Lineari teit :

TXx

=

TXrXtj

1

TYy

=

TV V-Yt

1

TZz

=

TZ Z-Zt

1

Rechtheid :

TXy

=

TX Y- Yt

TXz

=

TX Z- Zt

TYx

=

TY X-It

TYz

=

TY Z- Zt

TZx

=

TZ X- Xt

TZy

=

TZ Y-Yt

Rotatie :

RXx

=

RX X- Xt

RYy

=

RY Y- Yt

RZz

=

RZ Z-Zt

Rly

=

RX X-Xt

RXz

=

RX Z- Zt

RYx

=

RY X-It

RYz

=

RY Z- Zt

RZx

=

RZ X- It

RZy

=

RZ Y- Yt

lIaaksheid

.

.

SXy

SXz

SYz

1 1 1 1 1 1

d( - Z- Zxy- Zyz)

d~Y+Yxy+YYz)

d~Z+ZYz)

(- Xyz- Xt)

(- Yt)

_d~Xt)

d(- -z)z)

d(Yyz+Yt)

d(-Z

d(Yt)

d(Z+Zxy+Zyz)

d (- Xxy- Xyz- X

t)

d(Z)

d(-Xt)

d(- Y- Yxy- Yyz)

d(Xxy+Xyz+Xt)

d(-Yyz-Yt)

d(Xyz+It)

-Y

-Y

-Z

Tabe12.3 De component en AVmx, AVmy en AVmz van de meetafwijkingvector 6. Vm. In de drie

rechterkolommen staan vermenigvuldigingsfactoren.

2.2 ~eetstrategie

Ten einde een uitspraak te kunnen genereren betreffende de onnauwkeurigheid van een 3-D meetmachine, is het noodzakelijk bovenstaande afwijkingen te

bepalen. Per geleiding dienen dus de lineariteits- (1), de rechtheids- (2) en de rotatie- (3) afwijkingen gemeten te worden. De haaksheid (4) van de 3 geleidingen kan bepaald worden uit de rechtheidsmetingen.

Ad 1 Bij het bepalen van de lineariteits-afwijking van een machine wordt een door de machine uitgegeven verplaatsing vergeleken met de werkelijke verplaatsing die aan de tasterpunt wordt gegenereerd. De werkelijke verplaatsing dient dan wel te worden bepaald met een instrument dat in ieder geval nauwkeuriger is dan de machine.

In de werkelijke verplaatsing, gegenereerd aan de tasterpunt zijn tevens rotatie-invloeden verdisconteerd. Lineariteitsmetingen dienen dan ook zo dicht mogelijk bij de meetliniaal plaats te vinden (ook weI kleinste komparator fout genoemd) oftewel dienen deze metingen op 2

verschillende afstanden ten opzichte van de meetliniaal plaats te vinden, zodat de rotatie-invloeden in de lineariteits-afwijking geelimineerd kunnen worden.

Ad 2. Een rechtheids-afwijking is gedefinieerd als een afwijking van een geleiding in een richting loodrecht op de verplaatsingsrichting. Deze afwijking wordt bepaald ten opzichte van de best passende lijn door de meetpunten, verkregen uit een rechtheidsmeting. Dit is noodzakelijk daar het meetinstrument nooit volledig parallel staat aan de

bewegings-as van de machine. De meetwa.a.rden zullen dan ook altijd een evenredig stijgend verloop geven.

Ad 3 De rotatie-afwijkingen zijn gedefinieerd als draaiingen van een geleiding om een van de drie eigen assen. Om deze afwijking te kunnen bepalen wordt de rotatie gemeten bij translatie van de desbetreffende as.

Ad 4 De haaksheids-afwijking is gedefinioord als de hoek tussen de 2 best passende lijnen door de meetpunten van twee, nominaal orthogonale, rechtheidsmetingen minus 90°. De haaksheid is te bepalen aan de hand van een haaksheidsnormaal. De haaksheids-afwijking wordt bepaald door het verschil te bepalen tussen de hoeken die beide

rechtheidsmetingen genereren

a.a.n

een haa.ksheidsnormaal (Appendix A).

Als eenheid wordt bij de translatie-afwijkingen (lineariteits- en

rechtheids-afwijkingen) millimeter en bij de rotatie en de haa.ksheids-afwijkingen boogseconde genomen.

3. Structuur van het softwareoakket

3.1 Doel van het gehele softwarepakket

Het doel van het totale softwarepakket is het vereenvoudigen en bespoedigen van de afzonderlijke metingen en het genereren van een afschatting van de

onnauwkeurigheid van een 3-D meetmachine.

Teneinde bovenstaand doel te kunnen realiseren is gekozen voor het opsplitsen van het softwarepakket in 2 deelpakketten, waarbij het ene pakket de data-acquisitie ondersteun1;(AMEC part 1) en het andere pakket een uitspraak omtrent de nauwkeurigheid van een 3-D meet machine genereert (AMEC part 2).

Er is voor deze opspUtsing gekozen omdat:

- gedurende de metingen aan een 3-D meetmachine, deze machine niet operationeel is. Teneinde deze stilstand zoveel mogelijk te beperken is geen tijd beschikbaar om ingewikkelde berekeningen uit te voeren, zodat gekozen is voor een splitsing tussen data-acquisitie en berekening;

- de data-acquisitie op een relatief kleine, draagbare, IBM compatible computer uitgevoerd kan worden, die eenvoudig te installeren is in een meetopstelling; - het gehele software pakket anders te uitgebreid wordt om snel en efficient mee

te werken;

- op de plaats waar de metingen uitgevoerd worden geen uitvoermogelijkheden zijn zoals printers en plotters;

- het doorrekenen van de kalibratie data tot een uitspraak omtrent de nauwkeurigheid van een 3-D meetmachine vraagt om een krachtigere computer dan de beschikbare draagbare computer;

- het op adequate wijze berekenen van de onnauwkeurigheid enige expertise en inzicht in de modelvorming vereist die bij de acquisitie van de meetdata niet direct noodzakelijk is.

h1

~;nv ~ ~

l

w

1

I

4r

1A

4,

~

Jr

tt'

~ ~

~,.

Ihr-M.,

~ ~ ~~t

r

f

1.

~w

4

3.2 AMEC part 1

Bij de splitsing van het software pakket in 2 deelpakketten is gekozen voor een data acquisitie pakket en een pakket dat op basis van de beschikbare data een uitspraak genereerd omtrent de onnauwkeurigheid van een 3-D meet machine. Amec, Accuracy MEasurement of Coordinate measuring machines, part 1 verzorgt de data-acquisitie. Dit pakket is ontwikkeld in het kader van een

onderzoekopdracht. Om te kunnen voldoen aan de doelstelling bovenstaand software pakket te creeeren moet het data-acquisitie pakket de volgende mogelijkheden bieden:

1 mogelijkheid tot het verwerken van data via een interface;

Ten einde de metingen te bespoedigen wordt getracht zoveel mogelijk data-acquisitie plaats te laten vinden via IEEE-!88 interface. M.b.v. deze interface (ook weI HP-IB genoemd) is het mogelijk te

communiceren met diverse meetmiddelen, waardoor sneller gemeten kan worden en de kans op fouten afneemt (uiteraard is ingave via het

toetsenbord ook mogelijk).

2 mogelijkheid tot het meten van rotaties, translaties en haaksheid; M.b.v. deze metingen is het mogelijk een uitspraak omtrent de onnauwkeurigheid van de gehele machine te genereren, mits correct uitgevoerd en rekening houdend met eventuele arm lengtes. De rotaties om de diverse assen resulteren in translaties van de meettaster. Wanneer nu de armlengtes bekend zijn is het mogelijk om die rotatie-invloeden op de translatie metingen te elimineren.

3 het genereren van een willekeurig getal;

Door bij lineariteitsmetingen de meetpunten willekeurig te varieren om een vaste stapgrootte, wordt een eventueel aanwezige periodieke fout in de meetlinialen ook gedetecteerd.

4 grafische representatie mootresultaten;

Door het grafisch woorgeven van de mootresultaten wordt oon

niet-reproducerende meting oonvoudig gedetectoord (eventuele vroomde afwijkingen springen in het oog).

5 mogelijkheid tot het bewerken van de data;

De grafische representatie van oon rechtheidsmeting zou goon zin hebben wannoor er goon mogelijkheid was tot het berekenen van oon best

passende lijn door die meetwaarden. Tevens moet het mogelijk zijn oon meting te 'nullen'.

6 Uitgave van data, zodat compatibiliteit met bestaande pakketten gewaarborgd is.

De uitgave van data dient in ASCII formaat te zijn, zodat oonvoudige inzage en wijzigingen tot de mogelijkheden behoort. Tevens moet het formaat zo ingericht worden dat het softwarepakket ACE (ontwikkeld binnen het laboratorium voor geometrische moottechniek door J.A. Soons) gebruik kan maken van de data uit dit pakket.

Gekozen is voor een menu-gestuurd softwarepakket (Figuur 3.1). Deze struct uur heeft het voordeel dat ongeoefende gebruikers toch gebruik kunnen maken van het pakket.

Villekeurig

getal

INGAVE :

meetdata per

toetsenbord

Grafische

representatie.

INGAVE :

coordinaten meetmachine data

client data

I

lEUZE IETING

Translatie

Itotatie

Haaksheid

1

INGAVE :

start- en taster-coordinaten

1

METING

met IEEE-488 interface

zonder IEEE-488 interface

1

Bevattend:

datum, tijd

gebruikers-tekst

temperatuur

Interface

programmatuur

start-coordinaten

taster-coordinaten

meetwaarden

Figuur 3.1 Overzicht van de structuur van het data-acquisitie pakket.

4. Keuze meetmiddelen & interface-programmatuur

4.1 De meetmiddelen

Uit het gegeven model kan afgeleid worden welke bronnen van afwijkingen bepaald moeten worden. In deze paragraaf zal worden besproken welke

meetmiddelen hiervoor kunnen worden aangewend.

4.1.1lineariteits-afwijkingen

Bij de bepaling van de lineariteits-afwijking, wordt een door de machine uitgegeven verplaatsing vergeleken met de werkelijke verplaatsing die aan het tasterpunt wordt gegenereerd. Daarbij wordt de fout gedefinieerd als het verschil tussen de door de machine uitgegeven verplaatsing en de werkelijke verplaatsing. Voor een lineariteits-afwijking in X geldt dus:

TXx

=

Xmachine - Xmeetmiddel (4.1) Hierbij dient Xmeetmiddel zo dicht mogelijk bij de meetliniaal van de machine bepaald te worden, zodat de afhankelijkheid van de positie in Y en Z, gedurende de meting, veroorzaakt door rotaties, zoveel mogelijk geelimineerd wordt.

Ter bepaling van de lineariteits-afwijking komen de volgende meetmiddelen in aanmerking:

1 Laserinterferometerj

De hier gebruikte laserinterferometer is een instrument dat gebruik maakt van het optisch dopplereffect om een verplaatsing te bepalen[HP 84]. Dit

instrument heeft als be1angrijkste voordelen dat de meeilengte continu

variabel is en dat de relatieve onnauwkeurigheid laag is

«

10-6). Een nadeel is

echter dat het effect van afwijkingen in het tastsysteem niet gemeten kan worden.

2 Eindmaatj

Eindmaten zijn beschikbaar in lengtes varierend van 1 mm tot 1500 mm [SCH 88]. De reIatieve onnauwkeurigheid is afhankelijk van de

nauwkeurigheidsklasse van de eindmaat en kan dalen tot 10-6• De eindmaat

heeft als voordelen dat deze eenvoudig te hanteren zijn, 3-D metingen toelaten en dat de afwijking van het tastsysteem weI verdisconteerd wordt. De nadelen van eindmaten zijn echter o.a. dat deze gevoe1ig zijn voor

temperatuursverschillen met de machine, zodat correctie noodzakelijk is, de kritische ondersteuning (Besse1se oplegpunten) om ongewenst doorbuiggedrag te voorkomen en de noodzaak tot uitlijnen.

3 Stappeneindmaat.

De stappeneindmaat bestaat uit een aantal gekoppelde kleine eindmaten die aangebracht zijn op een draagbalk. Hierdoor is, over een lengte die

vergelijkbaar is met die van een eindmaat, een vee1voud van aantastvlakken aanwezig. De onnauwkeurigheid die haalbaar is ligt op 0.2

+

0.8

*

L pm, waarbij L de lengte van de stappeneindmaat in meter is. De stappeneindmaat koppelt het voordeel van de eenvoudige hanteerbaarheid van eindmaten aan het voordee1 van de variabeIe meetlengte van de laserinterferometer.

4.1.2 Rechtheids-afwijking

Een rechtheidsafwijking is gedefinieerd als een afwijking van een machine-as, genomen ten opzichte van de best passende lijn door de meetpunten, in een

richting loodrecht op de bewegingsrichting. Ala meetmiddelen komen de volgende instrumenten in aanmerking:

1 Laserinterferometerj

Met behulp van de rechtheidsoptie van de laserinterferometer is het mogeliJK om rechtheidsmetingen uit te voeren waarbij een onnauwkeurigheid behaald

kan worden van 0.25

+

10-2

*

_{A pm, waarbij A de gemeten afwijking in}

2 llichtkijker;

De richtkijker is een optisch meetinstrument dat in combinatie gebruikt wordt met een verlicht richtmerk. De haalbare absolute onnauwkeurigheid van dit instrument ligt op 0.03 mm, voor machines tot 10 m lengte. Het be1angrijkste voordeel van dit instrument is de eenvoudige bediening.

3 Optisch waterpas;

Het optisch waterpas kan, in combinatie met hetze1fde merk als bij de

richtkijker, gebruikt worden om zowel de rechtheids-afwijking als vlakheid te bepalen. De haalbare absolute onnauwkeurigheid ligt op 0.05 mm.

4 Rechtheidsliniaal;

De rechtheidsliniaal bestaat uit een rechte, vlakke strip van staal, hardsteen of keramisch materiaal [8CH 88]. Er dient een verplaatsingsopnemer te worden bevestigd aan de tastkop van de machine, waarna de machine langs de

rechtheidsliniaal wordt bewogen. Uit de afiezing van de verplaatsingsopnemer is de rechtheidsafwijking van de machine te bepalen. Rechtheidslinialen zijn beschikbaar tot een lengte van 6000 mm. Bij gebruik van een rechtheidsliniaal met een lengte van 350 mm is een onnauwkeurigheid haalbaar van 0.2 p:m.

4.1.3 Rotatie-afwijkingen

De rotatie-afwijkingen zijn gedefinioord als rotaties om de translatie-as of om een van de andere twee assen loodrecht op de translatie-as, waarbij de rotatie positief wordt genomen volgens het rechtsdraaiiend assenkruis. Bij het bepalen van deze rotaties, waarbij de gemeten hoek in boogseconden (") wordt uitgedrukt, komen de volgende instrumenten in aanmerking:

1 Autocollimator;

Een autocollimator is een optisch hoekmeetinstrument met een resolutie van 0.2" en een absolute onnauwkeurigheid die, na correctie, onder 1 II ligt. Een

nadee1 van de autocollimator is de hoge gevoe1igheid voor veranderingen van de brekingsindex in de meetbunde1, waardoor een onzuiver beeld kan ontstaan en het instrument moeilijk af te lezen is. Tevens kan de altijd aanwezige hysterese moeilijkheden veroorzaken (de metingen moeten altijd vanuit een

2 Elektronisch waterpasj

Een e1ektronisch waterpas is een instrument dat de hoek rechtstreeks digitaal uitgeeft met een resolutie van 0.2 n. De absolute onnauwkeurigheid ligt in de orde van 1 ". Ret grootste nadee1ligt in het feU dat aIleen rotatie-afwijIrigen ten opzicht van een horizontaal vlak kunnen worden bepaald en dat door de aanwezigheid van drift kone meettijden noodzakelijk zijn.

3 Laserinterferometerj

Met

de laserinterferometer kunnen hoekmetingen worden verricht met een resolutie van 0.1

tI,

waarbij een onnauwkeurigheid haalbaar is van 0.1" [RP 84].

4 Twee rechtheidsmetingen.

Door een rechte af te tasten met behulp van een verplaatsingsopnemer, die aan een arm is bevestigd, is het mogelijk, wanneer de armlengte bekend is, om de rotatie van het translerende element te bepalen. Door nu dezelfde meting uit te voeren, echter met de

arm

1800 _{geroteerd, wordt de fout van de rechte}

goolimineerd (omkiapmethode). Aangezien de rechte op deze1fde plaats afgetast dient te worden is er, na het omkiappen, een translatie nodig. Door tijdens deze translatie de rotatie te meten is het mogelijk om de fout ten gevolge van die rotatie te elimineren (4.2).

dx -dx -x

*a

180

a

= 2 1 t X

* _ *

3600

[tI]

2

*

L f'

waarbij:

a :

rotatie-afwijIring

(1']

dx ,dx : verplaatsing t.O.V. de translerende as [m]

1 2

X : translatie over de rechte [m]

t

ax: rotatie gedurende de translatie over 2*L [rad] L : lengte van de arm [m]

In figuur 4.1 en 4.2 wordt een en ander nog verduidelijkt.

\

dbc

₂

I

~---l

n

I I

I I 'T I I R / " -... ~ -dx

1<

-L L

Figuur 4.1 Bovenaanzicht van een rotatie meting met behulp van een rechte (R) en een taster (T). De gestippe1de tekening geeft situatie 2 weer (na omklappen).

X

t

Figuur 4.2 Zijaanzicht van een rotatie meting met behulp van een rechte en een taster.

De onnauwkeurigheid van deze meting hangt af van de onnauwkeurigheid waarmee de positie ten opzichte van de rechte bepaald wordt, van de onnauwkeurigheid waarmee de translatie over de rechte bepaald wordt en van de onnauwkeurigheid van de bepaling van de armlengte.

Deze me~ing kan tevens worden uitgevoerd met behulp van twee rechtheidsmeting met de laserinter!erometer (figuur 4.3). Daartoe wordt de retrorefiector aan een arm bevestigd en een rechtheidsmeting uitgevoerd (dx ). Door nu deze arm 1800 _te

1

roteren en de meting opnieuw uit te voeren (dx ) is het mogelijk om de altijd

2

aanwezige scheefstand van de bundel te elimineren, doordat de scheefstand van de bundel hetzelfde blijft, terwijl het teken wisselt van de door de rotatie veroorzaakte verplaatsing. Uit deze rechtheidsmetingen is het nu, evenals bij de

rechtheidsmetingen met behulp van het aftasten van een rechte, mogelijk om de rotatie te bepalen. dx 1 RECIITIlEIDS SPIEGEL dx 2

J

RETROREFLECTOR X t

1----1

LASER

I

PENT AGONPRISMA

Figuur 4.3 Rotatie meting met behulp van twee

4.1.4 haaksheids-afwijkingen

De haaksheids-afwijking is gedefinieerd als de hoek tussen de twee best passende lijnen door de meetpunten van twee, nominaal orthogonale,

rechtheidsmetingen minus 90°,

Ret is mogelijk de haaksheids-afwijking te bepalen met een haaksheidsnormaal (Appendix A) :

1 Raaks blokj

Ret is mogelijk om de haaksheid te bepalen aan een, bijvoorbeeld granieten, blok of een gehard stalen hoekhaak. Deze haaksheidsnormalen zijn beschikbaar tot afmetingen van 2000 mm, waarbij een absolute onnauwkeurigheid van 2 11

On worden behaald. Ret is echter mogelijk om met behulp van een normaal met een grotere onnauwkeurigheid toch een relatief nauwkeurige haaksheids meting te verrichten door het omklappen van de normaal, waarbij de afwijking van de normaal van teken verwisse1d, terwijl de afwijking van de machine hetze1fde blijft [TRE 87}.

2 Pentagonprismaj

Ret pentagon prisma is

een

optische haaksheidsnormaal. Met behulp van deze optische normaal is het mogelijk om

een

absolute onnauwkeurigheid van 1 " te bereiken. Door twee rechtheidsmetingen uit te voeren, waarbij het

pentagonprisma als haaksheidsnormaal fungeert, kan de haaksheidsafwijking worden bepaald, daartoe dient het pentagonprisma echter we1 gekalibreerd te zijn.

4.2 Keuze meetmiddelen

Bet doel van het data-acquisitie pakket is het vereenvoudigen en bespoedigen van de afzonderlijk metingen. Teneinde bovenstaand doel te kunnen reaJiseren wordt gekozen om zoveel mogelijk metingen te kunnen verrichten met behulp van een interface. De eerste keuze valt dan onmiddelijk op de laserinterferometer. Dit meetinstrument heeft niet alleen een hoge relatieve nauwkeurigheid maar biedt tevens de mogelijkheid om te communiceren via de IEEE-488, oftewel de BP-IB, interface. Dit interface systeem is tevens te gebruiken met een IBM-compatible computer. Een bijkomstig voordeel van de laserinterferometer als meetinstrument is dat dit instrument tevens de mogelijkheid biedt om nagenoeg alle noodzakelijke metingen, ten behoeve van de afnamecontrole van een 3-D meetmachine, te kunnen verrichten.

De rotatie om de transierende as kan echter niet met behulp van de

laserinterferometer gemeten worden. De Iaserinterferometer bepaalt de rotatie door een verschuiving in weglengte te meten, bij kanteling van de reflector, waaruit, bij bekende a.fstand tussen beide reflector en een hoek bepaald wordt. Daartoe behoort de Iaserbundel evenwijdig te staan aan de translerende as. Daar er bij de rotatie om de translerende as geen verschuiving van de weglengte optreedt, moet voor het bepalen van deze afwijking gekozen worden voor een ander instrument.

De keuze valt dan op de elektronische waterpas. Dit instrument is in staat om rotaties om de translerende as te bepalen, daar er een verschilmeting plaats vindt tussen een waterpas geplaatst op een referentie en een waterpas geplaatst op de transierende as. Tevens biedt het elektronisch waterpas de mogelijkheid tot communicatie via de BP-IB interface.

Een nadeel van het elektronisch waterpas is dat er alleen rotaties in het horizontale viak gemeten kunnen worden en dat door het aanwezig zijn van drift korte

meettijden noodzakelijk zijn. De rotatie om de eigen as,translerend in het vertikale vlak, kan dus noch met behulp van de laserinterferometer, noch met behulp van de elektronische waterpas bepaald worden. Deze rotatie-afwijking kan alleen bepaald worden door twee rechtheidsmetingen (zie 4.1.3 optie 4).

Resumerend kan vastgesteld worden dat het data-acquisitiepakket in staat moet zijn om via IEEE-488, oftewel HP-IB, interface te communiceren met zowel de laserinterferometer als de elektronische waterpassen. Tevens moet het pakket in staat zijn om gegevens conventioneel, via het toestenbord, in te lezen. De laatst genoemde optie maakt het mogelijk om het software-pakket ook voor andere metingen te gebruiken dan alleen voor de data-acquisitie ten behoeve van de kalibratie van 3D-meetmachines.

4.3 Interface programmatuur

Gekozen is voor communicatie via de IEEE-488, oftewel de HP-IB, interface. Deze interface biedt de mogelijkheid om tot communicatie tussen diverse

meetinstrumenten en een computer met een interface-kaart. Dit systeem is in staat de meetinstrumenten aan te sturen, zodat wanneer de geschikte programmatuur daartoe ontwikkeld is het mogelijk is om vanuit een computer de gehele meting te controleren. Tevens wordt de kans op fouten, veroorzaakt door incorrecte notitie van de meetgegevens, verkleind, omdat de meet data nu rechtstreeks vanuit het meetinstrument in de computer worden ingelezen. Deze kan de data dan gebruiken voor verdere verwerking.

Aangezien gekozen is voor zowel de laserinterferometer als het elektronische waterpas als meetinstrumenten die met behulp van de interface aangestuurd worden, wordt voor die beide instrument en de interface programmatuur ontwikkeld.

4.3.1 Interface programmatuur t.b.v. de laserinterferometer

De IEEE-488 compatible instrument en kunnen in de IEEE-488 systemen gebruikt worden als een 'LISTENER', dat wi! zeggen in staat om data te

ontvangen, als een 'TALKER', dat wil zeggen in staat om data te verzenden en als 'CONTROLLER', dat wil zeggen in staat om apparatuur, aangesloten op het systeem, te definieren alslistener of talker [CEC 87]. De laserinterferometer is in staat te fungeren als 'TALKER' en beperkt als 'LISTENER'. Aangezien de kaart in de IBM-compatible computer als controller optreedt zijn deze mogelijkheden ruim voldoende.

De laserinterferometer is i~ staat om een beperkt aantal IEEE-488 bus commando's te herkennen (tabel4.1). Deze enkele commando's zijn echter voldoende om de laserinterferometer, geplaatst in een meetopstelling, aan te sturen. Bet is nu moge1ijk om, bijvoorbeeld, de laserinterferometer algemene BP-IB commando's toe te zenden, waardoor dit instrument tegelijkertijd met de andere instrument en in de opstelling een meting kan verrichten.

Ten behoeve van de ins telling van de laserinter!erometer is er een grote varietei t aan instrument-gekoppelde commando's

[HP

83}, waardoor de laserinterferometer vanuit de IBM-eompatible computer aangestuurd kan worden. Met behulp van deze commando's is het tevens moge1ijk de laserinterferometer een meting te laten verrichten. Aangezien het simultaan uitlezen van de laserinterferometer met een ander instrument met van toepassing is in het data-a.cquisitie pakket, wordt er zoveel mogelijk van de instrument-gekoppelde commando's gebruik gemaakt.

Commando SDC GET GTL DCL LLO betekenis gevolg

Selected Wist HP-IB output buffer, compensatie van Device luchtgesteldheid en materiaal uitzetting Clear wordt geactiveerd, indien aangesloten. Group Een meting wordt verricht en het resultaat Execute wordt naar de buffer geschreven

Trigger Go To Local

Schakelt bet front-paneel op het instrument in

Device Hetzelfde als bij SDC (dit commando is ecbter Clear adres-onafhankelijk

Local Schakelt het front-paneel uit Lockout

Tabe14.1 IEEE-488 bus commando's t.b.v. de laserinterferometer.

De aansturing van de IEEE-488 interface vanuit een programma geschreven in Turbo Pascal gebeurt met routines aangeleverd door derden. Door toedoen van deze routines wordt het aansturen van de laserinterferometer een relatief eenvoudige zaak, doordat aileen gebruikt gemaakt wordt van de

instrument-gekoppelde commando's, die goed beschreven zijn in de handleiding [HP 83].

De laserinterferometer is in staat om diverse metingen te verrichten. Bij gebruik making van de lineariteitsmeting biedt de laserinterferometer de mogelijkheid om eventuele afwijkingen veroorzaakt zowel door temperatuurs variaties in de

meetlinialen als door luchtgesteldheidsvariaties, waardoor de lichtsnelheid door Iucht beinvloed wordt, te corrigeren door die temperatuurs- en

Iuchtgesteldheids-variaties te meten. De laserinterferometer bezit daartoe 3 materiaal temperatuurssensoren en een luchtgesteldheidssensor. Door nu deze sensoren uit te lezen en de informatie via het IEEE-488 systeem naar de computer te verzenden, wordt informatie verkregen omtrent de omgevingsgesteldheid,

waarbij de metingen werden verricht.

I

V

V

~

rM

{,y

h1

Wr-f

Cffy N.1A ~ fr\A

IArr

4

11A.MA-4.3.2 Interface programmatuur t.b.v. de elektronische waterpassen

hA

~ ~

(v{~ I]

De Wyler elektronische waterpassen, de Minilevel AlO, zijn in staat rotaties te met en door een verschilmeting tussen twee waterpassen. Deze twee waterpassen worden aangesloten op een IEEE-488 interface. Door middel van deze interface is het dus mogelijk om de meetdata naar de IBM-eompatible computer te zenden. De uitlezing van de waterpassen via het IEEE-488 systeem gebeurt door met de hand een 'trigger' signaal te creer en en deze dan met de algemene IEEE-488 bus commando's in te lezen. Daar het met de hand een 'trigger' signaal te creeren niet gemakkelijk werkt wordt deze schakelaar doorverbonden. Door nu voor de meting eerst de buffer van dit instrument te legen (zijnde 3 meetwaardes) is het mogelijk de juiste meetwaarde in te lezen. De uitgelezen waarde wordt nu door 4 gedeeld en vermenigvuldigd met de resolutiefactor (0.2 of 2 afuankelijk van de gekozen

5 Bet data-acguisistie pakket

5.1 Globaal overzicht

Om de data-acquisitie ten behoeve van een controle van een 3-D

meetmachine, zoals genoemd in hoofdstuk 2, te laten voldoen aan de eisen geste1d in hoofdstuk 3 en 4 is een programma geschreven in Turbo-Pascal versie 4.0. Deze programmeertaal is gekozen omdat er reeds ervaring mee opgedaan is en vele routines, waaronder grafische, reeds aanwezig zijn.

In figuur 5.1 wordt een globaal overzicht gegeven van de te doorlopen structuur, teneinde de data-acquisitie uit te voeren. In de hiervolgende paragrafen wordt eenieder van de deelelementen, zoals figuur 5.1 toont, afzonderlijk besproken, behalve de introductie daar deze alleen het opstart scherm initieert en de benodigde initialisatie ten behoeve van de programmatuur uitvoert.

leuze v.d. soort meting

1

ILaatste menu

I

Baaksheid/rotatie meting uit 2 rechtheidsmetingen Laatste menu

2

rechtheidsmetingen

5.2 Overzicht van het hoofdmenu

Dit deel van het data-acquisitie pakket, weergegeven in figuur 5.2, biedt de volgende moge1ijkheden:

Stop:

Door deze optie te kiezen wordt het programma afgebroken en keert de gebruiker terug naar het operating system.

Representatie data:

Dit blok genereert een overzicht van alle vorige metingen, waarvan de data naar file geschreven zijn, waaruit een keuze gemaakt kan worden. Na het se1ecteren van een vorige meting wordt de keuze geboden deze data weer te geven zoals ze op file staan, of het verschil tot de best passende kleinste kwadraten lijn weer te geven.

Wijzig data:

Wederom wordt een overzicht gegeven van alle metingen, waaruit een keuze gemaakt kan worden. Na het selecteren van een meting worden alle

moge1ijkheden geboden van het laatste menu om deze data te wijzigen, grafisch weer te geven en weg te schrijven naar file.

Verander client data:

Hiermee is het mogelijk om de gegevens van een client in te voeren, te veranderen en te bewaren.

Verander 3-D meet machine data:

Met behulp van deze optie kunnen zowe1 de naam, het type en identificatie nummer als het bereik van de te controleren 3-D meetmachine ingevoerd worden. Tevens wordt er een ID opgehoogd, waardoor de bij een meet machine behorende datafiles onderscheiden worden.

Met behulp van de ingegeven bereiken van de 3 translatie assen van de 3-D meetmachine wordt later in het programma bepaald of het einde van het bereik van de machine bereikt is.

Data-acquisitie met IEEE interface:

Bij keuze van deze optie wordt de data-acquisitie uitgevoerd met behulp van de IEEE-488 interface, dat wil zeggen dat in dit pakket de metingen worden verricht met de laserinterferometer of met de elektronische waterpassen.

Data-acquisitie zonder IEEE interlace:

Bij keuze van deze optie wordt de data-acquisitie uitgevoerd met behulp van het toetsenbord. Deze optie is toegevoegd, zodat het mogelijk is om

conventionele meetinstrumenten te kunnen gebruiken en de elektronische waterpassen voorlopig ook gebruikt kunnen worden.

Opties (F2):

Door op functie toets F2 te drukken, wordt gekozen voor het wijzigen van de programmatuur opties. De keuze om een functie toets te gebruiken is gemaakt omdat dan deze optie niet zo in het oog springt, daar eventuele ondoordachte veranderingen het vastlopen van het systeem tot gevolg kunnen hebben. Met behulp van deze opties is het mogelijk om:

Bet wachtwoord te veranderenj

Bet aantal metingen die gedaan worden met behulp van de laserinterlerometer in te stellen per meetpositiej

De tijd, die de computer moet wachten voordat de volgende meting gedaan wordt, in te stellen totdat het hierboven ingestelde aantal bereikt iSj

De directory, dat wil zeggen een partitie op de schijf, te kiezen waar het programma de gegevens naartoe moet schrijvenj

Bet hexadecimale adres van de IEEE-488 interlace kaart, die in de computer geinstalleerd is te wijzigen;

Maximale afwijking On cq Off. Wanneer deze toggle On staat wordt bij lineariteitsmetingen gevraagd naar een maximale afwijking in de vorm van een constante en een lengteafhankeliJ"ke factor en bij

rechtheidsmetingen een maximale afwijking in de vorm van een constante. Bij rotatiemetingen wordt geen gebruik gemaakt van een weergave van de maximale afwijking. Deze ma.ximale afwijking wordt bij een representatie in een grafiek weergegeven, zodat eventuele

afwijkingen die buiten de specificaties liggen behorende bij de desbetreffende machine, gemakkelijk gedetecteerd worden.

Automatisch nullen On cq Off. Wanneer deze toggle On staat wordt na het beeindigen van een meting de eerste waarde van deze meting

Geluid On cq Off. Wanneer deze toggle On staat wordt er na het respectievelijk inlezen of intoetsen van een meetwaarde of bij het

optreden van een foutmelding een geluidsignaal geproduceerd. Wanneer deze toggle Off staat wordt er geen geluidssignaal geproduceerd.

Bescherming {F3}:

Bij keuze van Bescherming wordt, na indrukken van een toets het programma onderbroken, totdat het juiste, onder opties in te stellen, wachtwoord wordt ingetoetst. Voor deze optie is gekozen omdat het dan mogelijk is de computer onbeheerd achter te laten, zonder het programma te moeten afbreken en de computer uit te schakelen, en toch enige, zij het beperkte, vorm van

bescherming tegen onjuist gebruik te bieden.

Stopl !Opties! !Beschermingl Ilepresentatie data

I

!

I

I

wijzig BOOFDIENU Verander client

data data

I

I

I

I

Data acquisitie Data acquisitie Verander zonder

IEEE

met

IEEE

3-D meetmachine

interface interface Data

Figuur 5.2 Overzicht van het hoofdmenu

5.3 Overzicht van de keuze van de 800d meting

Na de keuze gemaakt te hebben of de data-acquisitie plaats vindt met of zonder IEEE interface, moet de keuze gemaakt worden wat voor een meting gedaan wordt, waarbij de volgende opties geboden worden, zie hoofdstuk 2:

Translatie:

Bij keuze van een translatie meting zijn zowel de linea.riteits- als de

rechtheidsmeting mogelijk, waarbij de translerende as van de machine en de gemeten translatie as ingegeven behoren te worden.

Rotatie:

Deze optie biedt de mogelijkheid tot het meten van alle benodigde rotaties, zie hoofdstuk 2, waarbij tevens de translerende as van de machine en de rotatie as ingegeven behoren te worden.

Haaksheid:

De haaksheidsafwijking wordt berekend aan de hand van twee

rechtheidsmetingen, waarbij beide rechtheidsmetingen loodrecht op e1kaar staan (Appendix A). De haaksheidsafwijking is dan de hoek door de twee best passende lijnen door de meetpunten van twee, nominaal orthogonale,

rechtheidsmetingen minus 900•

Bij keuze van haaksheidsmetingen wordt de mogelijkheid geboden tot: Haaksheidsmetingen uit vorige metingen, waarbij twee

rechtheidsmetingen gekozen worden uit alle vorige translatie metingen. Deze beide rechtheidsmetingen dienen loodrecht op elkaar, of met een bekende haaksheidsafwijking, uitgevoerd te worden, waarna de hoek bepaald kan worden.

Haaksheidsmetingen uit nieuwe metingen, waarbij na ingeven van de afwijking van de haaksheidsnormaal twee rechtheidsmetingen gedaan worden. Uit deze twee rechtheidsmetingen wordt dan de

haaksheidsafwijking bepaald.

Haaksheidsmetingen uit nieuwe metingen, echter met een

haaksheidsnormaal, waarvan de afwijking onbekend is. Bij deze keuze worden vier rechtheidsmetingen gedaan. Twee rechtheidsmetingen voor en twee rechtheidsmetingen na het omklappen van de normaal. Door dit omklappen verandert de fout van de normaal van teken, de fout van de machine blijft echter constant, waardoor het mogelijk is de fout van de normaal te berekenen.

Nadat de keuze van de soort metingen is gedaan, wordt geverifieerd of de meting reeds verricht is. Wanneer een ze1fde soort meting wordt gedetecteerd, wordt zowe1 de naam van de meting als de ingegeven tekstrege1 op het scherm weergegeven. N u kan er gekozen worden de meting alsnog te verrichten of terug te springen naar

Wanneer voor een lineariteitsmetingen gekozen is, wordt de gebruiker gevraagd of dit gebeurt met de zogenaamde grootste of kleinste komparator fout of zonder deze fout (in het vedengde van de gemeten as).

Achtereenvolgens wordt dan het meetmiddel, de start-positie van de meting en de armlengte van de gebruikte meetmiddelen geplaatst in de kop van de meet machine ingegeven. Tevens wordt het formaat van de willekeurige get allen gevraagd. Deze getal1en worden gegenereerd door een waarde die geinitieerd wordt vanuit een startpositie, op te hogen met een stap en op te hogen met een willekeurig getal, waarvan de gebruiker het aantal cijiers, zowel voor als achter de komma, als het interval waarbinnen die getal1en moeten liggen kan ingeven. Met behulp van deze getal1en kan een eventuele periodieke fout in de meetlinialen gedetecteerd worden. Tevens is het mogelijk een getallenreeks met een vaste stapgrootte te genereren.

Wanneer de maximum deviation toggle On staat wordt bij een lineariteitsmetingen gevraagd om een constante plus een lengtea.fhankelijke factor met een maximum en bij een rechtheidsmeting om een constante voor de maximale afwijking behorende bij die machine. Bij rotatiemetingen wordt deze optie overgeslagen, daar er bij rotatiemetingen geen gebruik gemaakt wordt van een weergave van een maximale afwijking.

Wanneer de data-acqui8itie uitgevoerd wordt met behulp van de IEEE-488 interface wordt gevraagd met hoeveel en op welke assen van de machine de temperatuUIsensoren behorende bij de laserinterferometer gebruikt gaan worden. Deze sensoren worden vlak voordat de meting begint, en nadat de meting

uitgevoerd is, uitgelezen. Wanneer geen sensoren aanwezig zijn wordt gevraagd de temperatuUI voor en na de meting via het toetsenbord in te gevenj mee8tal wordt dan de omgevingstemperatuUI ingegeven.

f

leuze van de soort meting

I I

I

I

!Uaaksheid : Translatie ! !B.otatie !

I

Ingave:

leetinstrument

Start 1 taster-coordinaat Formaat willekeurig getal Temperatuur

1

, 5.4 Overzicht van het programmadeel metingen

Nadat de keuze voor de 800rt meting gemaakt is en aIle benodigde gegevens zijn ingevoerd, zie 5.3, wordt er een onderscheid gemaakt tUBsen data-a.cquisitie met of zonder IEEE-488 interface (figuur 5.4). Wanneer gebruik wordt gemaakt van de interface, wordt eerst na initialisatie van zowel de interface kaart als de laser of de waterpassen een optie geboden de positieve meetrichting te kiezen.

De metingen worden verricht door, na eventueel de door het programma

gegenereerde positie van de machine te wijzigen, deze positie te accepteren, waarna wanneer gebruik wordt gemaakt van de interface, deze wordt uitgelezen. Wanneer geen gebruik wordt gemaakt van de interface mogelijkheid kan de uitlezing van de meetinstrumenten via het toetsenbord worden ingegeven.

Wanneer de geluid toggle On staat wordt er, na het ingeven via het toetsenbord of inlezen via de interface van de meetwaarde, een ge1uidssignaal gegeven.

Wanneer bemerkt wordt dat een foutieve meting heeft plaatsgevonden is het moge1ijk deze opnieuw te verrichten door {unctie toets F3 te gebruiken waardoor ren meting terug wordt gesprongen.

De meting wordt beeindigd wanneer het einde van het bereik, gegeven in Verander 3-D meetmachine data, van de translerende machine

as

wordt bereikt of wanneer de gebruiker op de ESC-toets drukt.

met IEEE-488 interlace

IEEE-488 • laser

initialisatie

richting

letingen

zonder IEEE-48B interface

5.5 Overzicht van het laatste menu

Aangezien bij metingen van de haaksheid van een machine en bij een rotatiemeting uit twee rechtheidsmetingen een ander laatste menu wordt

geactiveerd wordt gekozen voor een opsplitsing in twee delen, zijnde laatste menu en laatste menu 2 rechtheidsmetingen.

5.5.1 Laatste menu

Na het beeindigen van een meting wordt eerst de optie aangeboden een meting terug te verrichten. Deze optie is gekozen zodat de terugmeting, een mogelijkheid tot controle van de reproduceerbaarheid van een meting, snel gecontinueerd kan worden. N a het weI of niet verrichten van een terugmeting en nadat de

temperatuUI ingelezen is via IEEE interface of ingetoetst via het toetsenbord wordt het laatste menu geactiveerd (figUUI 5.5). Dit menu biedt de mogelijkheid tot:

Stop:

Wanneer deze optie gekozen wordt stopt het programma en keert de gebruiker terug naar het operating system.

Terug naar hoofdmenu:

Wanneer VOOI deze optie gekozen wordt, keert de gebruiker terug naar het

hoofdmenu, waar hij in de gelegenheid gesteld wordt om bijvoorbeeld de gegevens om trent de meetmachine of client te wijzigen of een nieuwe meting op te starten.

Representatie gemeten data

+

maximale afwijking:

Deze optie genereert een grafische weergave van de gedane meting. Wanneer onder Opties gekozen is voor maximale afwijking On en de meting een translatie meting betreft wordt de bijbehorende maximaal toegestane, ingegeven, afwijking tevens weergegeven.

Doe meting opnieuw:

Wanneer uit de grafische representatie blijkt dat een meting niet correct is uitgevoerd, blijkend uit wilde, onverklaarbare sprongen in de data, of om een andere reden de meting niet naar verlangen uitgevoerd kon worden, is het mogelijk om de meting, onder dezelfde instelling als voorheen, nog een keer uit te voeren. V oordat de meting opnieuw wordt opgestart en de oude data

gewist, wordt eerst de gebruiker gevraagd of die data gewist mogen worden, dan wel naar file geschreven dienen te worden.

Schrijf gemeten data naar file:

Deze optie biedt de mogeliJKheid om de gegenereerde data naar file te schrijven. Bij dit wegschrijven wordt de mogelijkheid geboden om een regel gebruikerstekst in te voeren om eventueel bij de meting behorend commentaar toe te voegen. Dit wegschrijven gebeurt in ASCII volgens een formaat

(appendix B) zodat andere programma's de data kunnen gebruiken voor verdere verwerking.

Tevens is het mogelijk een overzicht te krijgen van alle vorige metingen. Berekening:

Aangezien diverse meetinstrumenten niet de mogelijkheid bieden de uitlezing te 'nullen' wordt onder optie 'Berekening' de mogelijkheid geboden aan de eerate meetwaarde een door de gebruiker zelf te bepalen waarde te geven. Tevens biedt deze optie de mogelijkheid een bestpassende kleinste kwadraten lijn door de meetpunten te genereren en later de afwijking tot deze lijn weer te geven in een grafiek, waardoor het mogelijk is om rechtheidsmetingen te beoordelen.

Tevens is het mogelijk om de meetdata te vermenigvuldigen met of te delen door een constante, zodat eventuele omrekeningsfactoren geimplementeerd kunnen worden.

t

IStopl

Doe meting

Representatie meting

+

I

terug

maximale afvijking

I

IHoofdmenul

ILaatste menu!

Berekeningl

~

I

Schrijf meting

Doe meting

naar file

opnieuv

5.5.2 Overzicht laatste menu twee rechtheidsmetingen

Daar zowel haaksheidsmetingen als rotatiemetingen om een vertikale as kunnen bestaan uit twee rechtheidsmetingen die samen de gegevens omtrent de afwijking genereren wordt gekozen om een specifiek menu te creeren (figuur 5.6). Dit menu biedt de mogeliJ"kheid tot:

Continueer:

Wanneer deze optie gekozen wordt vervolgt het programma zijn weg, dat wil zeggen wanneer gekozen is voor een haaksheidsmeting waarbij de fout van de haaksheidsnormaal niet bekend is en pas twee metingen verricht zijn worden nog twee andere metingen verricht. In alle andere gevallen wordt

teruggesprongen naar het hoofdmenu. Representatie eerste meting:

Deze optie biedt de mogelijkheid tot grafische weergave van de eerste rechtheidsmeting ,waarbij het mogelijk is de data zelf of de afwijking tot de kleinste kwadraten lijn weer te geven.

Representatie tweede meting:

Deze optie biedt de mogelijkheid tot grafische weergave van de tweede rechtheidsmeting ,waarbij het mogelijk is de data zelf of de afwijking tot de kleinste kwadraten lijn weer te geven.

Representatie resultaat:

Hierbij worden de resultaten van de berekening van de haaksheid cq rotatie getoond. Bij de representatie van de haaksheid worden zowel de haaksheid als de hoeken die beide kleinste kwadratenlijnen maken met de machine assen weergegeven.

Schrijf eerste (cq tweede) meting naar file:

Deze beide opties bieden de mogelijkheid om de gegevens van de eerste (en van de tweede) meting naar file te schrijven, waarbij dezelfde mogelijkheden worden geboden als bij het laatste menu.

Schrijf reswtaat naar file:

Deze optie schrijft de gegevens omtrent de haaksheidsmeting, zijnde beide file-namen waaronder de gegevens van beide rechtheidsmetingen staan, de fout van de haaksheidsnormaal en een regel waar de gebruiker tekst naar believen kan plaatsen.

De gegevens van een rotatiemeting worden op dezelfde manier als bij het laatste menu weggeschreven.

Continucci-I lepresentatie

I

eerste meting

I

I

I

Schrijf resultaat

-

Laatste menu r-- _{lepresentatie}

naar file 2 rechtheidsmetingen tweede meting

I

I

I

I

I

Schdjf Schdj£ lepresentatie tweede meting eerste meting resultaat

naar file naar file

5.6 Resultaten in praktijk

Bet data-acquisitie pakket is diverse malen gebruikt door verschillende gebruikers, ten behoeve van de afname controles van 3-D meetmachines verricht door het laboratorium van lengtemeting, vakgroep WP A van de faculteit der werktuigbouwkunde van de Technische Universiteit Eindhoven.

Bet pakket blijkt, bij gebruik in de praktijk (o.a. bij Nefit te Deventer, Eurometaal te Zaandam en Volvo te Belmond), de metingen enorm te versnellen, vooral daar de meetdata nu automatisch ingelezen worden, terwijl voorheen deze data met de hand genot uleerd werden.

Tevens is het mogelijk de meting onmiddellijk te beoordelenj door grafische weergave van heen en terugmeting waardoor de reproduceerbaarheid van een meting beoordeeld kan worden (vooral van belang bij waterpas meting, daar deze instrumenten drift vertonen) of door berekening van een kleinste kwadraten lijn bij rechtheidsmetingen.

Doordat bij grafische representatie tevens de mogeUjkheid wordt geboden om een maximale afwijking aan te geven is het mogeUjk om meteen na een meting de machine te corrigeren. Dit werd ondermeer toegepast bij Eurometaal te Zaandam, waar een lineariteitsafwijking werd gecorrigeerd (figuur 5.7 en figuUI 5.8).

[-2 • 1.0

~:

-_.

__

._---_._._---_.

0.2

•

'i.0 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 .. 0 "'0 7.0 1.0 s.o [2

Miwtoyo

FN-~

Figuur 5.7 Lineariteitsmeting TXx voor correctie

[-2 •

-J.O 0.0 1.0 2.0 3.0 .. 0 e.o '"0 '.0 LO 9.0 t 2

Mitntoyo

FN-!xx)

Figuur 5.8 Lineariteitsmeting TXx na correctie

Doordat de meetdata in ASCII volgens een bepaald formaat (Appendix B) worden weggeschreven wordt de verdere verwerking van deze data enorm bespoedigd. Met behulp van enige eenvoudige programma's wordt nu de uitvoer van een gehele afname van een 3-D meetmachine, in de vorm van grafieken (figuur 5.9) en tabe1len (figuur 5.10), in enkele uren bewerkstelligd, terwijl voorheen dit enkele dagen in beslag nam.

De kans op het verrichten van metingen, die reeds gedaan zijn, is tevens verkleind, doordat het programma een zelfde soort meting detecteert en dit &an de gebruiker

60.

STIEFELMAYER MZ1 040 VOLVO CAR B.V.

_{TJY IoIeetinsIr. l.lser 0 . 02-11-'88} ~ 20.

•

II.

~

-20.

..

f

~ -611. -to. -100. -120. 0. zoo. 100. 1000. 1200. o • GallOOE1D

Figuur 5.9 Voorbeeld van grafisch representatie zoals deze van de meetdata gegenereerd wordt.

StieCelmayer MZI010 Volvo Car B,V.

Type meting: Tyy Meetposit ie x= - mm,

Meetmlddel : laser 'Z .. 150mm,

Ibtum : 02-11-'88 Temp, meting .. - oC.

Meetposlticl Aflezing IVerschtllMCCtPosltlel AClezing IverSChillGemiddeldel

Y -AS IIEF1f IIEEN IIEF1f Y -AS TERUG TERUG TERUG aCwtjklng

(II1II) (II1II) (~) (IIIII) (II1II) (J.UII) (~)

0.000 0.0000 0.0 0.000 0,0032 -3.2 -1.6 100.350 100.3288 21.2 100.370 100,3520 18.0 19.6 200.150 200.1622 -12.2 200.140 200,1580 -18.0 -15.1 300.710 300.7744 -34.4 300.760 300.7930 -33.0 -33.7 100.160 400.4801 -20.1 400,460 400.4799 -19.9 -20.0 500,270 500.2912 -21.2 500.240 500.2534 -13.4 -17.3 600.150 600.4605 -10.5 600.430 600.4119 -14.9 -12,7 700.710 700.7538 -13.8 700.730 700.7828 -52.8 -48.3 800.630 800.6702 -10.2 800.650 800.6926 -12.6 -41.4 900.210 900.2582 -48.2 900.230 900.2769 -46.9 -47.5 1000.610 1000.6171 -37.1 1000,620 1000.6618 -41,8 -39.4 1100.580 1100.6131 -33.1 1100.550 1100.5804 -39.4 -31.7 1200.680 1200.7194 -39.4 1200.610 1200.7012 -37.2 -38.3

Figuur 5,10 Voorbeeld van tabel, zoals deze van de meetdata gegenereerd wordt,

6 Conclusies & Aanbevelingen

6.1 Conclusies

In dit rapport wordt de voorbereiding beschreven van de ontwikkeling van een softwarepakket dat in staat is een uitspraak te genereren omtrent de

onnauwkeurigheid van een 3-D meet machine op basis van beperkte kalibratie data. Tevens wordt de ontwikkeling van een deelpakket uit dat gehele softwarepakket besproken, zijnde de data-acquisitie.

Omtrent de ontwikkeling van het softwarepakket kan geconcludeerd worden:

Bet softwarepakke.t bestaat uit twee deelpakket, zijnde het data-acquisistie pakket en het berekenings-pakket. Bet data-acquisitie pakket is reeds ontwikkeld en beschreven in dit rapport, het berekenings-pakket dient nog ontwikkeld te worden(afstudeerwerk);

Bet data-acquisitie pakket maakt voornamelijk gebruik van de IEEE-488 interface, teneinde de acquisitie sneller en vooral foutloos plaats te laten vinden;

Bet data-acquisitie pakket bezit de mogelijkheid om de data te bewerken en grafisch weer te geven, zodat de gebruiker de meting kan 'nullen' en snel inzicht krijgt in de gedane meting;

Bet data-acquisitie pakket kan tevens voor 'gewone' metingen gebruikt worden, waarbij gebruik wordt gemaakt van de interfacing mogelijkheid met de laserinterferometer;