AT515410B1

AT515410B1 - Verfahren zur Ermittlung der Ausrichtung einer Oberfläche eines Bauteils in Bezug auf eine Referenzebene

Info

Publication number: AT515410B1
Application number: ATA194/2014A
Authority: AT
Inventors: Elmar Mattes; Martin Dr Bauer
Original assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2014-03-18
Filing date: 2014-03-18
Publication date: 2015-09-15
Also published as: AT515410A4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Ausrichtung einer zu vermessenden Oberfläche (5) eines Bauteils in Bezug auf eine Referenzebene (6), mit den Schritten: Verwendung von drei berührungslosen Messsensoren (11, 12, 13), die verteilt über den Umfang eines Messkreises (7) angeordnet sind, Kalibrierung der Messsensoren (11, 12, 13) in Bezug auf die Referenzebene (6), Messen des Abstands zwischen jedem Messsensor (11, 12, 13) und der zu vermessenden Oberfläche (5) und Ermitteln von Abstandswerten (h1, h2, h3) zwischen der zu vermessenden Oberfläche (5) und der Referenzebene (6), Ermitteln der Ausrichtung der zu vermessenden Oberfläche (5) in Bezug auf die Referenzebene (6) anhand der gemessenen Abstandswerte (h 1, h2, h3), wobei mindestens ein weiterer Messsensor (14) verwendet wird, der auf dem Messkreis (7) angeordnet ist und zuvor in Bezug auf die Referenzebene (6) kalibriert wurde, Messen des Abstands zwischen dem weiteren Messsensor (14) und der zu vermessenden Oberfläche (5) und Ermitteln eines Abstandswertes (h4) zwischen der zu vermessenden Oberfläche (5) und der Referenzebene (6), Verifizierung der Abstandwerte (h1, h2, h3) der drei Messsensoren (11, 12, 13) anhand des Messwertes des weiteren Messsensors (14).

Description

Beschreibung

VERFAHREN ZUR ERMITTLUNG DER AUSRICHTUNG EINER OBERFLÄCHE EINES BAUTEILS IN BEZUG AUF EINE REFERENZEBENE

GEBIET DER ERFINDUNG

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Ausrichtung einer Oberfläche eines Bauteils in Bezug auf eine Referenzebene. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung der Ausrichtung der Oberfläche eines Rotorbauteils eines Elektromotors in Bezug auf einen Normalenvektor einer Referenzebene.

STAND DER TECHNIK

[0002] In der Technik besteht oftmals das Problem, die Ausrichtung eines Bauteils in Bezug auf ein anderes Bauteil bzw. eine Referenzebene zu ermitteln. Beispielsweise werden bei Festplattenlaufwerken Magnetspeicherplatten verwendet, die auf einem Rotor eines das Festplattenlaufwerkes antreibenden Spindelmotors befestigt sind. Aufgrund von Bauteile- und Montagetoleranzen weicht die Drehachse des Motors in der Praxis mehr oder weniger von der Richtung des Normalenvektors der Magnetspeicherplatten ab, so dass der Normalenvektor der Rotoroberfläche keinen konstanten, sondern einen sich zeitlich und drehwinkelabhängig ändernden Messwert ergibt. Diese Diskrepanz zwischen der feststehenden theoretischen Drehachse und der zeitlich variablen tatsächlichen Drehachse der Speicherplatte kann zu Fehlern beim Lesen und Schreiben der Daten auf die Magnetspeicherplatte führen.

[0003] Die Parallelität der weitgehend ebenen Oberflächen des Rotors bzw. der Rotornabe und der Auflageflächen der Magnetspeicherplatten, in Bezug auf eine Referenzebene bzw. die Parallelität der tatsächlichen Rotationsachse des Motors zu einer Referenzsachse, ist ein wichtiges Qualitätsmerkmal eines Spindelmotors. Der von den Abweichungen der tatsächlichen Rotationsachse herrührende axiale und radiale Schlag des Rotors, lässt sich unterscheiden in einen wiederholbaren Schlag und einen nicht wiederholbaren Schlag. Die Parallelität zweier Flächen oder Ebenen kann mithilfe einer entsprechenden Messvorrichtung erfasst werden. Hierzu wird die zu vermessende Oberfläche oder das zu vermessende Bauteil in eine Messstation eingespannt. Durch mehrere vorzugsweise berührungslos arbeitende Messsensoren, die über den Umfang eines Messkreises verteilt sind, wird an mehreren Punkten der Abstand der zu vermessenden Oberfläche in Bezug auf eine Referenzfläche ermittelt.

[0004] Üblicherweise werden drei Messsensoren verwendet, wobei eine durch die zu vermessende Oberfläche aufgespannte Ebene anhand der Abstandswerte der drei Messpunkte ermittelt werden kann. Anhand dieser drei Messpunkte ist die Ebene eindeutig im Raum definiert.

[0005] Die DE 10 2005 029368 A1 offenbart ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 zur Ermittlung der Ausrichtung einer zu vermessenden Oberfläche, insbesondere eines Rotorbauteils eines Elektromotors eines Festplattenlaufwerkes, in Bezug auf eine Referenzebene unter Verwendung von mindestens drei berührungslosen Messsensoren, die verteilt über den Umfang eines Messkreises angeordnet sind.

[0006] Die EP 2 469 220 A1 offenbart ein Verfahren zur Ermittlung der Ausrichtung einer zu vermessenden Oberfläche unter Verwendung von drei Messsensoren, die verteilt über den Umfang eines Messkreises angeordnet sind.

[0007] Die EP 1 371 944 A2 betrifft die Ermittlung der Ausrichtung einer zu vermessenden Oberfläche unter Verwendung von drei Messsensoren, die verteilt über den Umfang eines Messkreises angeordnet sind.

[0008] Aufgrund von Ungenauigkeiten der Messsensoren, Ungenauigkeiten bei der Referenzie-rung oder Positionierfehler der Messsensoren können die Messpunkte nur mit einer bestimmten Genauigkeit ermittelt werden. Es verbleibt immer eine Messtoleranz und Unsicherheit. Durch den Messfehler von nur einem Messsensor kann bereits ein falsches Messergebnis erzeugt werden. Dies kann zur Schlechterbewertung eines an sich guten Teils oder einer Gutbewertung eines an sich schlechten Teils führen, was in der Praxis nicht tolerabel ist.

[0009] Neben einer exakten numerischen Berechnung einer Ebene anhand von drei Messpunkten, ist es ferner möglich, anhand von mindestens vier Messpunkten eine Ebene mittels Optimierungsmethoden anzugeben, welche eine minimale mittlere Abweichung zu den Messpunkten aufweist.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

[0010] Es ist die Aufgabe der Erfindung, im Verfahren zur Ermittlung der Ausrichtung einer Oberfläche eines Bauteils in Bezug auf eine Referenzebene anzugeben, welches eine verbesserte Messgenauigkeit bzw. eine genauere Bewertung der Messergebnisse erlaubt.

[0011] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

[0012] Die bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung und weitere vorteilhafte Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

[0013] Das beschriebene Verfahren verwendet drei berührungslose Messsensoren, die verteilt über den Umfang eines Messkreises angeordnet sind. Zunächst werden die Messsensoren in Bezug auf eine Referenzebene kalibriert. Dann erfolgt ein Messen des Abstands, zwischen jedem Messsensor und der zu vermessenden Oberfläche, und ermitteln eines Abstandswertes zwischen der zu vermessenden Oberfläche und der Referenzebene. Aus diesen ermittelten Abstandswerten kann dann die Ausrichtung der zu vermessenden Oberfläche in Bezug auf die Referenzebene ermittelt werden.

[0014] Erfindungsgemäß wird nun mindestens ein weiterer Messsensor verwendet, der zuvor in Bezug auf die Referenzebene kalibriert wurde. Es wird der Abstand zwischen dem weiteren Messsensor und der zu vermessenden Oberfläche ermittelt und dann ein entsprechender Abstandswert zwischen der zu vermessenden Oberfläche und der Referenzfläche. Anhand des gemessenen Abstandswertes des weiteren Messsensors können dann die entsprechenden Abstandswerte der drei anderen Messsensoren verifiziert werden.

[0015] Bevorzugt werden aus mindestens drei Abstandswerten und den Koordinaten der Messsensoren Punkte im dreidimensionalen Raum berechnet, die eine Ebene der Oberfläche relativ zur Referenzebene bestimmen. Dabei wird die Abweichung mindestens eines der Punkte im dreidimensionalen Raum relativ zur Ebene der Oberfläche ermittelt.

[0016] Erfindungsgemäß werden also zum Beispiel vier Messsensoren verwendet und zunächst die Ebene der zu vermessenden Oberfläche mithilfe der Messwerte von drei Messsensoren berechnet bzw. optimiert. Dann erfolgt eine Plausibilitätsprüfung der Messwerte der drei Messsensoren anhand einer Berechnung der Abweichung des vierten Messsensors zur Ebene mit einer Bewertung der Toleranz.

[0017] Der zusätzliche vierte Messsensor kann beispielsweise auch zu einem anderen Zweck installiert worden sein.

[0018] Man kann zur Berechnung der Ebene auch alle vier Messsensoren verwenden. Aus den Messwerten der vier Messsensoren, die unter einem vorgegebenen Winkel und in einem bestimmten Messradius (Messkreis) angeordnet sind, wird nach einer bekannten Formel die Ebene bestimmt. Zur Plausibilitätskontrolle wird dann die Ebene nochmals aus Kombinationen von nur drei Abstandswerten von drei Messsensoren ermittelt. Die Abweichung der Ebene zum jeweiligen Abstandswert des verbleibenden Messsensors wird mit einer erlaubten Unsicherheit bewertet und entschieden ob ein Fehlerfall vorliegt. Der Fehlerfall kann einerseits durch ein fehlerhaftes Messsignal oder durch ein fehlerbehaftetes Bauteil verursacht sein. Die maximal zulässige Abweichung beträgt dabei typischerweise 20 % des Toleranzbereichs der Parallelität, entsprechend 5 Mikrometer.

[0019] Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Bezug auf die Zeichnungsfiguren näher erläutert. Hieraus ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

[0020] Figur 1 zeigt schematisch den Messaufbau gemäß der Erfindung.

[0021] Figur 2 zeigt schematisch einen Messaufbau unter Verwendung von drei Messsenso ren.

[0022] Figur 3 zeigt schematisch eine Seitenansicht des Messaufbaus mit drei Sensoren.

[0023] Figur 4 zeigt schematisch eine Aufsicht des Messanbaus mit vier Sensoren.

[0024] Figur 5 zeigt schematisch eine Seitenansicht von Figur 4.

[0025] Figur 6 zeigt schematisch eine Aufsicht eines alternativen Messaufbaus mit drei Senso ren.

[0026] Figur 7 zeigt eine Seitenansicht des Messaufbaus von Figur 6.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSGESTALTUNG DER ERFINDUNG

[0027] Figur 1 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Messaufbaus mit vier Messsensoren 11, 12, 13 und 14 zur Messung der Ausrichtung einer Oberfläche 5 in Bezug auf eine Referenzebene 6. Insbesondere soll die Ausrichtung d.h. Parallelität der Oberfläche 5 (Ebene), die beispielsweise einer Oberfläche eines Rotorbauteils entspricht, in Bezug auf die Referenzebene 6 ermittelt werden. Hierzu werden die Messsensoren 11, 12, 13 und 14 zunächst in Bezug auf die Referenzebene 6 kalibriert. Dies erfolgt dadurch, dass der Abstand zwischen jedem Messsensor 11, 12, 13 und 14 und der Referenzebene 6 ermittelt wird, wie es anhand der längeren gestrichelten Pfeile dargestellt ist. Die Messwerte der Kalibrierung werden gespeichert. Das Bauteil mit der zu vermessenden Oberfläche 5 befindet sich während der Kalibrierungsmessungen nicht in der Messstrecke. Nachfolgend wird dann die zu vermessende Oberfläche 5 in die Messstrecke eingebracht und es wird der Abstand zwischen jedem Messsensor 11, 12, 13 und 14 und der zu vermessenden Oberfläche 5 ermittelt, wie es anhand der kürzeren gestrichelten Pfeile dargestellt ist.

[0028] Aus den Messwerten der Referenzmessungen, in Bezug auf die Referenzebene 6, und den Messwerten der Abstände zwischen den Messsensoren 11-14 und der zu vermessenden Oberfläche 5, kann durch Subtraktion dieser Werte der jeweilige Abstandswert h1, h2, h3, h4 zwischen der zu vermessenden Oberfläche 5 und der Referenzebene 6 bestimmt werden.

[0029] Wie man in Figur 2 sieht, sind die Messsensoren 11-14 auf einem Messkreis 7 mit einem Radius r angeordnet. Im Beispiel von Figur 2 sind lediglich drei Messsensoren verwendet, die vorteilhaft in einem gegenseitigen Winkel von jeweils 120 Grad auf dem Messkreis 7 angeordnet sind. Anhand der jeweiligen Position der Messsensoren auf dem Messkreis 7 und den gemessenen Abstandswerten h1, h2, h3 können die Position der entsprechenden Messpunkte 1, 2, 3 auf der zu vermessenden Oberfläche 5 im dreidimensionalen Raum bestimmt werden. Anhand der Punkte 1, 2, 3 kann dann eine Ebene im Raum bestimmt werden, welche die Lage der zu vermessenden Oberfläche 5 in Bezug auf die Referenzebene 6 definiert.

[0030] Figur 3 zeigt beispielsweise die Seitenansicht von Figur 2 entlang der Linie A-A. Anhand der Lage der Messpunkte 1, 2, 3 und der durch die Messpunkte 1, 2, 3 bestimmten Ebene 5 kann zum Beispiel auch die mittlere Höhe Z0 der Ebene und damit auch die Höhe eines Mittelpunkts M des Messkreises 7 berechnet werden mit Z0 = (h1 + h2 + h3) / 3. Ferner können sowohl der niedrigste Punkt 8 der Ebene, als auch der höchste Punkt 9 der Ebene berechnet werden, indem man von Punkt M jeweils mit dem Radius r entlang der Ebene 5 verfährt. Der Parallelitätswert lässt sich dann aus

bestimmen.

[0031] Die in den Figuren 3, 5 und 7 gezeigte X-Achse ist die Richtung, in der die Referenzebene liegt. Die Z-Achse ist die Richtung, die senkrecht zur Referenzebene 6 verläuft.

[0032] Figur 4 zeigt schematisch eine Aufsicht auf eine Messanordnung mit vier Messsensoren bzw. Messpunkten 1, 2, 3, und 4, die auf einem Messkreis 7 angeordnet sind und vorzugsweise in einem Winkel von 90 Grad zueinander angeordnet sind. Es werden die Abstände h1, h2, h3, h4 zwischen den Messpunkten 1, 2, 3, 4 und der Referenzebene 6 bestimmt, wie es im Zusammenhang mit Figur 1 beschrieben wurde. Anhand dieser Abstandswerte h1, h2, h3 und h4 kann man die Ebene bestimmen, in welcher die zu vermessende Oberfläche 5 liegt. Analog zu den Figuren 2 und 3 kann man durch Verwendung des Radius r des Messkreises den niedrigsten Punkt 8, sowie den höchsten Punkt 9 der zu vermessenden Oberfläche 5 bestimmen. Ferner kann man den Parallelitätswert P anhand der Abstandswerte h1, h2 und h3 bestimmen zu

Die weiteren Parallelitätswerte können durch eine zyklische Vertauschung der Messsensoren 1-2 - 3, 2 - 3 - 4 und 3-4-1 berechnet werden. Der Wert Z0 bestimmt sich aus (h1 + h2 + h3 + h4)/4.

[0033] Erfindungsgemäß kann ferner, wie es im Zusammenhang mit den Figuren 2 und 3 beschrieben ist, die Ebene der zu vermessenden Oberfläche 5 anhand von den Abstandswerten h1, h2, h3 von lediglich drei Messsensoren bestimmen, wobei der Abstandswert h4 des vierten Messsensors dann zur Plausibilitätsprüfung der Abstandswerte der drei anderen Messsensoren herangezogen wird.

[0034] Die Figuren 6 und 7 zeigen ein gegenüber den Figuren 2 und 3 erweitertes Messverfahren, welches grundsätzlich wie das Messverfahren gemäß den Figuren 2 und 3 arbeitet. Zusätzlich kann man mit einem gegebenen Radius R über den Messkreis 7 die Ebene erweitern und nicht nur den niedrigsten Punkt 8 und den höchsten Punkt 9 der zu vermessenden Oberfläche 5 bestimmen, sondern die Ebene über die höchsten und niedrigsten Punkte 8, 9 hinaus projizieren einen projizierten niedrigsten Punkt 8’ und einen projizierten höchsten Punkt 9’ bestimmen.

[0035] Gleichermaßen kann man auch in Figur 7 den Wert Ppr also den projizierten Parallelitätswert bestimmen.

LISTE DER BEZUGSZEICHEN 1 Messpunkt 2 Messpunkt 3 Messpunkt 4 Messpunkt 5 Oberfläche 6 Referenzebene 7 Messkreis 8, 8’ Niedrigster Punkt 9, 9’ Höchster Punkt 11 Messsensor 12 Messsensor 13 Messsensor 14 Messsensor h1 Abstandswert h2 Abstandswert h3 Abstandswert h4 Abstandswert M Mittepunkt Z0 mittlere Höhe r Radius des Messkreises R gegebener Radius P Parallelitätswert

Ppr projizierter Parallelitätswert

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zur Ermittlung der Ausrichtung einer zu vermessenden Oberfläche (5) eines Bauteils in Bezug auf eine Referenzebene (6), mit den Schritten; Verwendung von drei berührungslosen Messsensoren (11, 12, 13), die verteilt über den Umfang eines Messkreises (7) angeordnet sind, Kalibrierung der Messsensoren (11, 12, 13) in Bezug auf die Referenzebene (6), Messen des Abstands zwischen jedem Messsensor (11, 12, 13) und der zu vermessenden Oberfläche (5) und Ermitteln der Abstandswerte (h1, h2, h3) zwischen der zu vermessenden Oberfläche (5) und der Referenzebene (6), Ermitteln der Ausrichtung der zu vermessenden Oberfläche (5) in Bezug auf die Referenzebene (6) anhand der gemessenen Abstandswerte (h1, h2, h3), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiterer Messsensor (14) verwendet wird, der auf dem Messkreis (7) angeordnet ist und zuvor in Bezug auf die Referenzebene (6) kalibriert wurde, Messen des Abstands zwischen dem weiteren Messsensor (14) und der zu vermessenden Oberfläche (5) und Ermitteln eines Abstandswertes (h4) zwischen der zu vermessenden Oberfläche (5) und der Referenzebene (6), Verifizierung der Abstandwerte (h1, h2, h3) der drei Messsensoren (11, 12, 13) anhand des gemessenen Abstandswertes (h4) des weiteren Messsensors (14).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus mindestens drei Abstandswerten (h1, h2, h3, h4) und den Koordinaten der Messsensoren (11,12, 13, 14) Punkte (1, 2, 3, 4) im dreidimensionalen Raum berechnet werden, die eine Ebene der Oberfläche (5) relativ zur Referenzebene (6) bestimmen.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abweichung mindestens eines der Punkte (1, 2, 3, 4) im dreidimensionalen Raum relativ zur berechneten Ebene der Oberfläche (5) ermittelt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fehlerfall vorliegt, wenn die Abweichung mindestens eines der Punkte (1, 2, 3, 4) größer ist als eine vorgegebene maximale Abweichung.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Abweichung 5 Mikrometer beträgt. Hierzu 4 Blatt Zeichnungen