BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Feststellung der geometrischen Genauigkeit einer Linearführung nach den Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Linearführungen finden in vielen Maschinen und Maschinenteilen Anwendung. Ein grosses Anwendungsgebiet stellen hierbei die Werkzeugmaschinen dar. Bei diesen sichern die Führungen Bewegungen von Maschinenteilen gegeneinander in einer bestimmten, vorzugsweise geraden Bahn und sind entweder als Gleitführungen oder Rollführungen ausgebildet. Eine weitere Art von Führungen sind die Richtführungen, welche veränderliche Stellungen von Maschinenteilen zueinander festlegen, z.B. einen Reitstock auf einem Maschinenbett oder einem Gegenhalter bei Fräsmaschinen.
Die Erfindung befasst sich mit dem Messen solcher vorstehend genannten Führungen, wobei diese Messungen eine Aussage über die Qualität, d.h. der Genauigkeit der Führung erlauben sollen. Die Messungen werden hierbei auf lineare Führungen beschränkt, die den grössten Teil aller verwendeten Führungen ausmachen. Bei diesen Messungen geht es darum, die geometrische Genauigkeit einer linearen Führung festzustellen.
Ein starrer Körper hat im dreidimensionalen Raum sechs Freiheitsgrade mit drei Translationen und drei Rotationen. Eine lineare Führung kann demzufolge, als Starrkörpersystem mit einem Freiheitsgrad betrachtet, höchstens fünf Einzelabweichungen aufweisen, für jede Bezugslage zwei Translationen und drei Rotationen. Mit den Werten dieser fünf Einzelabweichungen kann die geometrische Genauigkeit einer Linearführung vollständig beschrieben werden.
Für die Messung dieser Einzelabweichungen werden verschiedene Messgeräte benützt, wie sie auch in den heute bereits existierenden Vorschriften für die Bestimmung der Genauigkeit von Linearführungen festgelegt sind. Für diese Messungen werden Laser-Interferometer, Autokollimatoren und Fluchtungsfernrohre verwendet. Mit der Wasserwaage können Winkelabweichungen gemessen werden; nicht gemessen werden können jedoch das Rollen an der vertikalen und das Gieren an der horizontalen Führung. Mit dem Laser-Interferometer können alle Einzelabweichungen mit Ausnahme des Rollens gemessen werden, während mit dem Autokollimator alle Winkelabweichungen, jedoch ohne Rollen, und mit dem Fluchtungsfernrohr alle Geradheitsabweichungen gemessen werden können.
Die Durchführung von solchen Messungen an Linearführungen ist mit einem ausserordentlich grossen, zeitlichen Aufwand (mehrere Tage) verbunden, da die Handhabung der genannten Messgeräte aufwendig ist. Deshalb fehlen für die Beurteilung der geometrischen Genauigkeit einer Linearführung meistens genügend Daten, so dass demzufolge'auch keine Kennwerte definiert werden könnten. Es fehlen demnach auch statistische Werte, welche eine richtige Beurteilung einer Linearführung erlauben. Bei den bekannten Messverfahren besteht zudem der Nachteil, dass nicht alle Einzelabweichungen gleichzeitig gemessen werden können.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art so weiter auszugestalten, dass in verhältnismässig kurzer Zeit gleichzeitig ermittelte Daten vorliegen und dass der gerätetechnische Aufwand wesentlich verringert werden kann.
Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ein Koordinatensystem zur Darstellung der Bezeichnungen (nach ISO),
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Einrichtung zum Ausmessen einer linearen Führung,
Fig. 3 eine schematische Darstellung der vollständigen Messung einer linearen Führung in Form einer Steifigkeitskarte,
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Bettfräsmaschine mit einer Messung der X-Achse und
Fig. 5 die Steifigkeitskarte der Messung an der Maschine nach Fig. 4.
In Fig. 1 sind das Koordinatensystem mit den sechs Freiheitsgraden für einen starren Körper und die entsprechenden Kurzbezeichnungen dargestellt. Wird die auszumessende Linearführung in ihrer Längsausdehnung in die X-Achse gelegt, ergeben sich für die Einzelabweichungen derselben die in Fig. 1 aufgeführten Bezeichnungen. Mit diesen fünf Einzelabweichungen kann die geometrische Genauigkeit der Führung vollständig beschrieben werden. Gemäss der Maxwell'schen Theorie, auch kinematische Konstruktionsprinzipien oder 6-Punkte-Theorie genannt, genügt es, bei einer Linearführung pro Messstelle fünf Messgrössen zu erfassen, um die Einzelabweichungen daraus berechnen zu können.
Damit diese fünf Einzelabweichungen in einer Messung erfasst werden können, wird eine in Fig. 2 schematisch dargestellte Einrichtung vorgesehen. Auf einer auszumessenden Linearführung 1, die beispielsweise ein Maschinenbett 2 einer Werkzeugmaschine und einen auf dem Bett 2 verschiebbaren Schlitten 3 umfassen kann, ist ein Messarm 4 befestigt. Der Messarm 4 ist an einem Sockel 5 abgestützt, der auf dem Schlitten 3, z.B.
mittels eines Magneten, befestigt ist. Der Messarm 4 und der Sockel 5 sind so konstruiert, dass sie als starr betrachtet werden können. Der Messarm 4 trägt an seinem freien Ende einen Messkopf 6, der als Winkel mit zwei rechtwinklig angeordneten Schenkeln 7, 8 ausgebildet ist. Der Messkopf 6 ist einem Messkörper 9 zugeordnet, der als Messbasis dient. Der Messkörper 9 wird etwa parallel zur Linearführung 1 aufgestellt.
Im Messkopf 6 sind fünf Längenmess-Sensoren 10 gelagert, von denen zwei im vertikalen Schenkel 7 und drei im horizontalen Schenkel 8 des Messkopfes 6 angeordnet sind. Es ist jedoch möglich, die Längenmess-Sensoren 10 in anderer Weise anzuordnen. Damit die beispielsweise induktiven oder kapazitiven Längenmess-Sensoren 10 innerhalb ihres Verschiebungsweges am Messkörper 9 anliegen, wird er etwa parallel zur Linearführung 1 ausgerichtet. Die Verbindungsleitungen 12 der Sensoren 10 sind mit einem Schalter 13 verbunden, der die einzelnen Sensoren 10 über eine Leitung 14 mit einem Rechner 15 verbindet.
Die jeweilige Messlage 20 des Messarmes 4 wird über einen Lagegeber 17 ebenfalls an den Rechner 15 übertragen. Mit 16 ist ein Gerät, z.B. ein Drucker oder ein Plotter bezeichnet, auf dem die vom Rechner 15 errechneten Werte dargestellt werden.
Ein solcher Ausdruck mittels eines Plotters ist schematisch aus Fig. 3 ersichtlich. Über die X-Achse, die der Länge der Linear führung entspricht, werden die Werte EAX, EBX, ECX, EYX und EZX gemäss Fig. 1 dargestellt. Diese fünf Kurven werden gesamthaft als Steifigkeitskarte bezeichnet.
In Fig. 4 und 5 ist ein praktisches Beispiel für eine solche Messung dargestellt. In Fig. 4 ist eine Bettfräsmaschine dargestellt, an deren Querarm die Messung in der X-Achse erfolgt.
Der Messarm (nicht dargestellt) ist hierbei auf dem Spindelschlitten 21 befestigt und auf der horizontalen Linearführung 22 verschiebbar gelagert. Die horizontale Linearführung 22 ist am verschiebbaren Ständer 23 abgestützt, während der Messkörper (nicht dargestellt) auf dem ortsfest gelagerten Bett 24 aufgestellt ist. Der Messarm ragt somit nach abwärts und umgreift mit dem Messkopf den auf dem Bett 24 gelagerten Messkörper.
Das Ergebnis dieser Messung ist in Fig. 5 in Form einer Steifigkeitskarte dargestellt. Es ist daraus ersichtlich, dass die Mes sungen mehrmals während einer Hin- und Herbewegung durch geführt wurden. Das Diagramm für ECX zeigt die Durchbie gung der Führung 22, wenn der Spindelschlitten 21 an das Ende der Führung 22 gelangt. In diesem Diagramm sind zudem Hy sterese-Erscheinungen feststellbar.
Die fünf Einzelabweichungen sind abhängig von den einzelnen Tasterpositionen bezüglich des Messpunktes 20, auf den die Einzelabweichungen berechnet werden. Dieser Punkt ist in der Regel dort, wo der Sockel 5 des Messarmes befestigt ist. Dieser Punkt kann aber auch an einer anderen beliebigen Stelle angesetzt werden, d.h. die Geometrie der Messvorrichtung kann unter der Voraussetzung starrer Verbindungen durch die Software des Rechners festgelegt werden.
Es sei noch auf die Fehlereinflüsse hingewiesen. Es sind dies: a) Formabweichungen des Messkörpers 9, bzw. der Abtastlinien auf demselben, b) Die Rauhigkeit des Messkörpers 9, wenn nicht berührungslos abgetastet wird, c) Die absolute Genauigkeit der Sensoren ist abhängig vom Messweg bezüglich dem Messpunkt, wobei die Wiederholgenauigkeit vor allem durch die mechanische Konstruktion der Sensoren, z.B., durch die Tasterführung bei induktiven Tastern; beeinflusst wird.
d) Der Messkörper 9 muss derart fixiert werden, dass eine Verschiebung auch bei kleinsten Kräften nicht möglich ist, e) Thermische Einflüsse auf die zu messende Führung können praktisch ausgeschlossen werden, da die Messung einer Steifigkeitskarte sehr schnell durchgeführt werden kann.
Verschiedene Fehlereinflüsse können kompensiert oder ausgeschlossen werden. Damit ist die erreichbare Messgenauigkeit im wesentlichen von der Wiederholgenauigkeit der Sensoren 10 und vom Tasterabstand 11, siehe Fig. 2, abhängig. Diese Hinweise zeigen aber, dass bei der beschriebenen Einrichtung eine recht hohe Messgenauigkeit erreicht werden kann.
Die Messungen zur Aufstellung einer Steifigkeitskarte können auf drei verschiedene Arten durchgeführt werden. Die einfachste Messung erfolgt manuell, wobei das Anfahren des Messpunktes und das Auslösen der Messung manuell durchgeführt wird. Beim selbsttätig-statischen Messen wird die Messposition angefahren und anschliessend die Messung durchgeführt, worauf der nächste Messpunkt angefahren wird. Der ganze Ablauf erfolgt automatisch. Schliesslich kann beim dynamischen Verfahren die Aufnahme der Messwerte bei fahrendem Schlitten erfolgen, was auch fliegende Messung benannt wird.