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.
DESCRIPTION
The invention relates to a method for determining the geometric accuracy of a linear guide according to the preamble of patent claim 1.
Linear guides are used in many machines and machine parts. The machine tools represent a large area of application. In these, the guides secure movements of machine parts against one another in a specific, preferably straight path and are designed either as sliding guides or roller guides. Another type of guide is the directional guide, which determines the variable positions of machine parts relative to one another, e.g. a tailstock on a machine bed or a counterholder on milling machines.
The invention is concerned with the measurement of such guides mentioned above, these measurements giving a statement about the quality, i.e. should allow the accuracy of the leadership. The measurements are limited to linear guides, which make up the majority of all guides used. The purpose of these measurements is to determine the geometric accuracy of a linear guide.
In three-dimensional space, a rigid body has six degrees of freedom with three translations and three rotations. A linear guide can therefore, viewed as a rigid body system with one degree of freedom, have a maximum of five individual deviations, two translations and three rotations for each reference position. With the values of these five individual deviations, the geometric accuracy of a linear guide can be completely described.
Various measuring devices are used to measure these individual deviations, as they are also specified in the existing regulations for determining the accuracy of linear guides. Laser interferometers, autocollimators and alignment telescopes are used for these measurements. Angular deviations can be measured with a spirit level; however, the roll on the vertical guide and the yaw on the horizontal guide cannot be measured. With the laser interferometer, all individual deviations with the exception of rolling can be measured, while with the autocollimator all angular deviations, but without rollers, and with the alignment telescope, all straightness deviations can be measured.
The implementation of such measurements on linear guides is extremely time-consuming (several days), since the handling of the measuring devices mentioned is complex. For this reason, there is usually not enough data to assess the geometric accuracy of a linear guide, so that no characteristic values could be defined. There are also no statistical values that allow a correct assessment of a linear guide. The known measuring methods also have the disadvantage that not all individual deviations can be measured simultaneously.
It is therefore an object of the invention to further develop a method of the type described in the introduction in such a way that data obtained at the same time are available in a relatively short time and that the outlay in terms of equipment can be significantly reduced.
This object is achieved according to the invention by the characterizing features of patent claim 1.
An embodiment of the invention is shown in the drawing and described below. Show it:
1 is a coordinate system for displaying the names (according to ISO),
2 shows a schematic representation of a device for measuring a linear guide,
3 shows a schematic representation of the complete measurement of a linear guide in the form of a stiffness map,
Fig. 4 is a schematic representation of a bed milling machine with a measurement of the X-axis and
5 shows the stiffness map of the measurement on the machine according to FIG. 4.
In Fig. 1, the coordinate system with the six degrees of freedom for a rigid body and the corresponding short names are shown. If the linear guide to be measured is placed in its longitudinal extent in the X axis, the designations given in FIG. 1 result for the individual deviations thereof. With these five individual deviations, the geometric accuracy of the guidance can be completely described. According to Maxwell's theory, also known as kinematic construction principles or 6-point theory, it is sufficient to record five measurement variables for each measuring point in a linear guide in order to be able to calculate the individual deviations therefrom.
So that these five individual deviations can be recorded in one measurement, a device shown schematically in FIG. 2 is provided. A measuring arm 4 is fastened on a linear guide 1 to be measured, which can comprise, for example, a machine bed 2 of a machine tool and a slide 3 which can be moved on the bed 2. The measuring arm 4 is supported on a base 5 which is mounted on the slide 3, e.g.
by means of a magnet. The measuring arm 4 and the base 5 are constructed in such a way that they can be regarded as rigid. The measuring arm 4 carries at its free end a measuring head 6 which is designed as an angle with two legs 7, 8 arranged at right angles. The measuring head 6 is assigned to a measuring body 9, which serves as a measuring base. The measuring body 9 is set up approximately parallel to the linear guide 1.
Five length measuring sensors 10 are mounted in the measuring head 6, two of which are arranged in the vertical leg 7 and three in the horizontal leg 8 of the measuring head 6. However, it is possible to arrange the length measuring sensors 10 in a different way. In order for the inductive or capacitive length measuring sensors 10 to bear against the measuring body 9 within their displacement path, it is aligned approximately parallel to the linear guide 1. The connecting lines 12 of the sensors 10 are connected to a switch 13 which connects the individual sensors 10 to a computer 15 via a line 14.
The respective measuring position 20 of the measuring arm 4 is also transmitted to the computer 15 via a position encoder 17. At 16, a device, e.g. denotes a printer or a plotter on which the values calculated by the computer 15 are displayed.
Such a printout using a plotter is shown schematically in FIG. 3. The values EAX, EBX, ECX, EYX and EZX according to FIG. 1 are shown on the X axis, which corresponds to the length of the linear guide. These five curves are collectively referred to as the stiffness map.
A practical example of such a measurement is shown in FIGS. 4 and 5. 4 shows a bed milling machine, on the cross arm of which the measurement is carried out in the X axis.
The measuring arm (not shown) is fastened on the spindle slide 21 and slidably mounted on the horizontal linear guide 22. The horizontal linear guide 22 is supported on the displaceable stand 23, while the measuring body (not shown) is set up on the stationary bed 24. The measuring arm thus protrudes downward and engages with the measuring head the measuring body mounted on the bed 24.
The result of this measurement is shown in FIG. 5 in the form of a stiffness map. It can be seen from this that the measurements were carried out several times during a back and forth movement. The graph for ECX shows the deflection of the guide 22 when the spindle slide 21 comes to the end of the guide 22. This diagram also shows signs of hysteresis.
The five individual deviations depend on the individual probe positions with respect to the measuring point 20 on which the individual deviations are calculated. This point is usually where the base 5 of the measuring arm is attached. However, this point can also be set at any other point, i.e. the geometry of the measuring device can be determined by the software of the computer provided rigid connections are provided.
It should also be pointed out the influence of errors. These are: a) shape deviations of the measuring body 9 or the scanning lines thereon, b) the roughness of the measuring body 9, if it is not scanned without contact, c) the absolute accuracy of the sensors depends on the measuring path with respect to the measuring point, and the repeatability especially through the mechanical construction of the sensors, for example, through the button guide for inductive buttons; being affected.
d) The measuring body 9 must be fixed in such a way that a displacement is not possible even with the smallest forces, e) Thermal influences on the guide to be measured can be practically excluded, since the measurement of a stiffness map can be carried out very quickly.
Various influences of errors can be compensated or excluded. The measurement accuracy that can be achieved is thus essentially dependent on the repeatability of the sensors 10 and on the probe distance 11, see FIG. 2. However, these notes show that a very high measuring accuracy can be achieved with the described device.
The measurements for setting up a stiffness map can be carried out in three different ways. The simplest measurement is carried out manually, the approach to the measuring point and the triggering of the measurement being carried out manually. In the case of automatic static measurement, the measuring position is approached and the measurement is then carried out, whereupon the next measuring point is approached. The whole process is done automatically. Finally, with the dynamic method, the measurement values can be recorded while the sled is moving, which is also called flying measurement.