CN107388941A - 测量装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于对工件(4)的轮廓进行测量的测量装置(2)，具有用于与所述工件(4)的表面接触的测量触头(7)和分配给所述工件(4)的第二轴线(12)，所述测量触头(7)以能够围绕第一轴线(测量轴线)(6)摆动的方式支承并且能够偏移。根据本发明，所述第一轴线(6)和所述第二轴线(12)彼此平行或者近似平行地设置，以便沿径向与所述工件(4)的表面接触，其中，设有用于使所述测量触头(7)和所述工件(4)彼此相对转动的装置，使得在转动时所述测量触头(7)对所述工件(4)的表面进行扫描，以及设有用于根据所述工件(4)相对于所述测量触头(7)的相应转动位置对所述测量触头(7)的角度偏移进行记录的装置。

Description

测量装置
技术领域
本发明涉及一种用于对工件的轮廓进行测量的测量装置。
背景技术
这样的测量装置是众所周知的。它们具有用于与工件表面接触的测量触头以及具有分配给工件的第二轴线，该测量触头以能够围绕第一轴线(测量轴线)摆动的方式支承且能够偏移。
在这样的测量装置中所使用的具有旋转测量轴线的通常的测量仪器被设计成主要用于对工件的在很大程度上呈旋转对称的测量位置的圆度进行确定。在这里，使用这样的触头，它们虽然在约10nm的范围内具有相对较高的分辨率，但是通常不适合用于对工件的呈环绕状轮廓进行确定。
如果要将这样的圆度测量仪器用来测量工件的轮廓，那么触头的特别是关于接触臂的半径以及它的初始位置的准确几何参数必须是已知的。由于为了必要地且舒服地到达很难到达的测量位置，例如这种触头的接触臂的初始位置可以通过简单“弯曲”抵抗滑动离合器的作用来进行调整，所以不能确保持久地应用所确定的几何数据。此外，不存在可以用来高精度地确定所述几何参数的方法。
在对旋转对称的工件的圆度进行测量时，需要使工件的旋转对称轴线与旋转轴线对准，其中，在已知的测量装置中，第一轴线与第二轴线垂直地延伸。在没有对准或者没有足够对准的情况下，会产生离心和摆动运动，这些运动会引起系统测量误差。此外，有时可能超过测量触头的可能的触头行程。也就是说，关于测量精度，轴线的相互对准具有重大意义。所需的对准过程是费时的，特别是对于较短的工件，例如凸轮轴来说，因此是高成本的。
在记录的圆形廓线中，由于触头的测量轴线(第一轴线)与旋转轴线(第二轴线)没有相互垂直引起的误差会导致独特的误差结构。该系统偏差的形式也被称作蚶线。
EP 787 280 B1公开了一种用于从记录的圆形廓线中消除蚶线误差的方法。
为了对工件轮廓的测量进行简化，通过测量触头与工件表面垂直地与工件接触是已知的。然而，为此，工件的轮廓必须在测量开始时就是已知的，这形成矛盾，因为该轮廓正是要通过测量才能确定。例如可以利用来自CAD图形的工件的名义轮廓，而不是工件的实际轮廓。但是，常常是不存在相应的数据。此外，在测量中要确定的工件的实际轮廓与名义轮廓相偏离，而这恰恰需要测量。
沿着直线型轴线的垂直接触例如可以借助于直线导向装置来实现。但在这里的缺点是，与摆动杆装置相比，具有所需的直线度和无振动行程的直线型轴线需以明显更高的要求进行制造并且因此在制造方面是更加昂贵的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测量装置，该测量装置在结构简单的情况下能够以高精度对工件的轮廓进行测量。
该目的通过下面给出的发明得以解决：一种用于对工件的轮廓进行测量的测量装置，所述测量装置具有用于与所述工件的表面接触的测量触头以及具有分配给所述工件的第二轴线，所述测量触头以能够围绕第一轴线(测量轴线)摆动的方式支承并且能够偏移，所述第一轴线和所述第二轴线彼此平行或者近似平行地设置，以便沿径向与所述工件的表面接触；设有用于使所述测量触头和所述工件彼此相对转动的装置，使得在转动时所述测量触头对所述工件的表面进行扫描；以及设有用于根据所述工件相对于所述测量触头的相应转动位置对所述测量触头的角度偏移进行记录的装置。
本发明的基本构思在于，通过第一轴线(测量轴线)与第二轴线平行或者近似平行地设置，借助于被设计成摆动杆的测量触头，关于特别是可以由工件的旋转对称轴线构成的第二轴线沿径向与其轮廓需要测量的工件的表面接触。扫描是通过以下方式来产生：使测量触头和工件相对转动。例如且特别是，在测量期间，测量轴线是位置固定的并且使工件围绕第二轴线转动。在工件的扫描期间，根据工件相对于测量触头的转动位置对测量触头围绕测量轴线的角度偏移进行记录。然后可以由这样获得的测量值对工件的轮廓进行重建。相应的重建方法对于本领域普通技术人员来说是众所周知的并且因此在这里不再详细说明。
根据本发明的测量装置的一个特别的优点在于，在对通常使用的测量轴线的精密度的要求降低的情况下也可以实现高的测量精度。
另一优点在于，根据本发明的测量装置对于第一轴线和第二轴线相对于彼此没有对准不敏感。轴线的相互对准因此得到简化且时间缩短，而不会在很大程度上影响测量精度。这缩短测量过程的总持续时间并且因此节省成本。在轴线完全或者很大程度上没有对准的情况下，利用根据本发明的测量装置也可以获得在大多数情况下满足要求的测量结果。
根据本发明的测量装置的另一优点在于，适当的摆动杆式触头具有高的测量精度和大的测量范围以及高的分辨率，但是同时可以成本低廉地进行制造。这种摆动杆式触头的另一优点在于，与采用沿着直线型轴线接触的测量触头的情况相比，在与工件碰撞的情况下发生损坏的危险明显更小。
根据本发明的测量装置在测量的执行中提供高的灵活性并且由于使用接触式测量触头，对于待测量工件的表面的轻度污染不敏感。
通过凭借数学形态运算的重建，由通过根据本发明的测量装置获得的测量值(记录的粗略廓线)对工件的机械表面进行重建。接着，可以用已知的方式由获得的廓线部分计算出工件的特征参数，例如工件的凸轮形状、圆半径、圆度、角度和距离。
根据本发明的测量装置适合于在不同工件上执行多样化测量任务。根据本发明的测量装置可以特别适合于测量长轴、凸轮轴(对于这些凸轮轴，凸轮轮廓、波纹度和粗糙度能够以高精度被测量)以及曲轴(主轴承和连杆轴承)。此外，根据本发明的测量装置也适合于对敏感表面进行测量，因为由于在相应的摆动杆式触头中所需的很小的测量力引起的损坏危险很小。
根据本发明，可以在测量过程期间在工件固定的情况下使测量触头围绕自身转动。根据本发明也可以在测量过程期间使测量触头和工件都转动。就简单结构而言，本发明的一种有利的改进方案规定，工件配有旋转驱动装置，用于使工件在测量期间围绕第二轴线转动。在这种实施方式中，也就是测量触头的测量轴线在测量期间保持位置固定，而使工件围绕第二轴线转动。
前面提到的实施方式的一种有利的改进方案规定，旋转驱动装置在测量期间与用于使工件固定的固定装置处于驱动连接。在这种实施方式中，工件由固定装置固定，在测量期间通过旋转驱动装置使该固定装置相对于测量触头转动。
在前面提到的实施方式中，固定装置有利地是用于夹紧工件的夹紧装置，如在一种有利的改进方案中所规定的那样。在这种实施方式中，工件在测量期间通过夹紧装置被夹紧，其中，夹紧装置例如可以具有主轴箱和尾架。
根据本发明的另一有利的改进方案中，测量触头具有以能够围绕第一轴线摆动的方式支承的摆动杆，在摆动杆的自由端部上设有接触体。
在前面提到的实施方式中，接触体的形状、大小和结构可以根据相应的要求在很大的范围内进行选择。就此而言，本发明的一种有利的改进方案规定：接触体是例如由红宝石构成的球体，特别是精密球体，或者是圆柱体，它的对称轴线与第一轴线和摆动杆的纵向方向垂直或者近似垂直。接触体作为圆柱体的设计方案特别是在测量凸状外形，例如凸轮廓线或者曲轴的连杆轴承时是有利的。接触体也可以被设计成环段式或者说“月牙”式。在这里，接触体由环或者说圈的一部分构成。它的轴线与接触断面垂直。它的环半径在这里可以位于与在采用精密球体的情况下相同的数量级上，例如在0.5到1.5mm的范围内。
本发明的另一有利的改进方案规定，测量触头配有数字角度测量系统，用于在测量期间对测量触头的相应角度位置进行检测。相应的数字角度测量系统使得能够以高精度对测量触头的角度位置或者说角度偏移进行检测。
根据本发明的另一有利的改进方案，测量触头配有用于特别是为了与工件接触而对测量触头相对于第二轴线的位置进行调整的调整装置。为了执行测量，通过调整装置相对于工件对测量触头进行调整，使得测量触头与工件接触。
前面提到的实施方式的一种有利的改进方案规定，调整装置具有分配给测量触头的第一轴线的摆动装置，以使第一轴线摆动90°或者近似90°，使得在第一摆动位置上，第一轴线和第二轴线是平行的或者近似平行的，以便沿径向与工件的表面接触，以及使得在第二摆动位置上，第一轴线与第二轴线垂直地或者近似垂直地设置，以便与工件的指向第二轴线方向的表面接触。在这种实施方式中，在第一摆动位置上，按照根据本发明的方式沿径向与工件接触，从而能够在工件上执行相应的测量。相反，在第二摆动位置上，关于第二轴线，可以沿轴向与工件接触。由此，可以确定工件的附加的特征参数，例如，端面跳动特征或者螺旋槽的走向。以这种方式利用根据本发明的测量装置可以实施附加的测量任务。该实施方式与特征“所述测量装置具有用于与所述工件的表面接触的测量触头以及具有分配给所述工件的第二轴线，所述测量触头以能够围绕第一轴线(测量轴线)摆动的方式支承并且能够偏移”相结合，但是不依赖于特征“所述第一轴线和所述第二轴线彼此平行或者近似平行地设置，以便沿径向与所述工件的表面接触；设有用于使所述测量触头和所述工件彼此相对转动的装置，使得在转动时所述测量触头对所述工件的表面进行扫描；以及设有用于根据所述工件相对于所述测量触头的相应转动位置对所述测量触头的角度偏移进行记录的装置”以及不依赖于用于对测量触头相对于第二轴线的位置进行调整的调整装置地具有独立的发明意思。因此，本发明的内容还包括一种用于对工件轮廓进行测量的测量装置，该测量装置具有用于与工件的表面接触的以能够围绕第一轴线(测量轴线)摆动的方式支承且能够偏移的测量触头以及具有分配给工件的第二轴线，第一轴线和第二轴线彼此相互垂直或者近似垂直地设置，以便沿轴向与工件的表面接触，设有用于使测量触头和工件彼此相对转动的装置，使得在转动时测量触头对工件的表面进行扫描，以及设有用于根据工件相对于测量触头的转动位置对测量触头的偏移进行记录的装置。本发明的这种实施方式可以如从属权利要求中所描述的那样进行改进。
本发明的另一有利的改进方案规定一种用于对用于通过测量触头与工件接触的接触力进行设定的装置。
根据本发明的另一有利的改进方案，设有一种用于对测量值进行存储的测量值存储器，这些测量值根据工件相对于测量触头的相应转动位置由测量触头的角度偏移构成，其中，存储器与用于由存储的测量值对工件的轮廓进行重建的评价装置处于数据传输连接。
根据本发明，轴线彼此分别近似平行以及近似垂直地对准，这被理解为，轴线在期望的测量精度范围内分别可以被视为平行以及垂直。
附图说明
下面参照极度简化的被缩减至根据本发明的测量装置的基本原理的附图，根据实施例对本发明进行详细说明。在这里，在说明书中描述的、在附图中示出的以及在从属权利要求中描述的所有特征单独地以及按照任何适当的组合构成本发明的内容，而不依赖于它们在从属权利要求中的概括以及它们的引用关系以及不依赖于它们的描述或者在图中的图示。
在附图中：
图1示出了根据本发明的测量装置的第一实施例的极度简化的原理图，以及
图2用与图1相同的视图示出了根据本发明的测量装置的第二实施例。
具体实施方式
图1用极度简化的原理图示出了根据本发明的用于对仅仅是示意性示出的形式为轴的工件4的轮廓进行测量的测量装置2的第一实施例。
测量装置2具有以能够围绕在绘图平面内延伸的第一轴线6摆动的方式支承且能够偏移的测量触头7，该测量触头7具有摆动杆8，在该摆动杆8的自由端部上设有接触体10，该接触体10在该实施例中由精密球体构成。工件4配有第二轴线12。
根据本发明，第一轴线6和第二轴线12平行地设置，从而测量触头7沿径向与工件4的待测量的表面接触，如从图1可见。
根据本发明，设有使测量触头7和工件4相对转动的装置，使得在转动时测量触头7以它的接触体10对工件4的表面进行扫描。
根据本发明，还设有用于根据工件4相对于测量触头7的转动位置对测量触头7的相应偏移进行记录的装置。
在所示的实施例中，为了在测量期间对工件4进行固定而设有固定装置，该固定装置具有用于夹紧工件4的夹紧装置11。由于图1是纯粹的原理图，所以夹紧装置11在图1中仅仅是示意性示出，为了使工件4围绕第二轴线12转动，工件配有旋转驱动装置13，该旋转驱动装置13由于图形被缩减至原理图而同样仅仅是示意性地示出。旋转驱动装置13与夹紧装置11处于驱动连接，从而工件4可以围绕第二轴线12转动，如在图1中用箭头14所示。
为了根据工件4在围绕轴线12的转动期间的相应的转动位置对测量触头7的角度偏移进而对相应的角度位置进行检测，在所示实施例中设有数字角度测量系统16，该系统16与由存储的测量值对工件4的轮廓进行重建的从属的评价装置20处于数据传输连接。
通过在图1中同样仅仅是示意性示出的电动的调整装置22，能够在空间上相对于工件4对测量触头7进行调整。
根据本发明的测量装置的工作原理如下：
为了对工件4的轮廓进行测量，通过调整装置22相对于工件4对测量触头7进行调整，从而接触体10沿径向与工件4的待测量的表面接触并且测量触头7因此与工件4接触。然后通过调整装置22或者通过为此单独设置的装置对期望的接触力进行设定。
在测量期间，使工件4围绕第二轴线12转动，其中，根据工件4的轮廓使测量触头7的接触臂8偏移。在工件4的转动期间，对于工件4围绕第二轴线12的相应转动位置，通过角度测量系统16对测量触头7的接触臂8的对应的角度偏移进行检测并且将由此相应形成的坐标对作为测量值存储在测量值存储器18中。根据这些测量值，评价装置20对工件4的轮廓进行重建。重建是如何进行对于本领域普通技术人员来说是众所周知的并且因此在这里不再详细说明。
根据本发明的测量装置2以简单且成本低廉的结构实现对工件4的轮廓的测量。由于根据本发明的测量装置2相对于在理想情况下彼此平行的轴线6、12彼此不对准不敏感，所以可以至少部分地省去费时的轴线6、12的相互对准，从而测量的总持续时间缩短并且因此实现了节省成本。
在图2中示出了根据本发明的测量装置2的第二实施例，该实施例与如图1的实施例的区别在于，测量触头7的测量轴线(第一轴线6)与第二轴线12垂直或者近似垂直地设置(在图2中与绘图平面垂直地延伸)，如在图2中所示，其中，接触臂8能够围绕第一轴线摆动地支承。
以这种方式，可以沿轴向与工件4的指向第二轴线12方向，也就是指向轴向方向的表面15接触。在保留根据本发明的测量装置2的优点的条件下，按照与如图1的实施例相对应的方式执行测量，其中，例如可以确定被接触表面的端面跳动特征。在第二实施例中，轴线6、12可以在结构上彼此永久垂直地设置。但是也可行的是，如图1的测量装置2通过以下方式被转变成如图2的测量装置：通过调整装置22的摆动装置使测量触头7摆动90°。于是，如图1的设置形成第一摆动位置，在该位置上，轴线6、12彼此平行地设置，以便沿径向与工件4接触，而如图2的设置形成第二摆动位置，在该位置上，轴线6、12彼此相互垂直地设置，以便沿轴向与工件4接触。
本发明的内容还包括一种用于对表面的轮廓进行测量的方法，在该方法中，第一轴线和第二轴线按照根据本发明的方式彼此相对地设置。

Claims (11)

1.一种用于对工件(4)的轮廓进行测量的测量装置(2)，所述测量装置(2)具有用于与所述工件(4)的表面接触的测量触头(7)以及具有分配给所述工件(4)的第二轴线(12)，所述测量触头(7)以能够围绕第一轴线(测量轴线)(6)摆动的方式支承并且能够偏移，其特征在于，所述第一轴线(6)和所述第二轴线(12)彼此平行或者近似平行地设置，以便沿径向与所述工件(4)的表面接触；设有用于使所述测量触头(7)和所述工件(4)彼此相对转动的装置，使得在转动时所述测量触头(7)对所述工件(4)的表面进行扫描；以及设有用于根据所述工件(4)相对于所述测量触头(7)的相应转动位置对所述测量触头(7)的角度偏移进行记录的装置。
2.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述工件(4)配有用于使所述工件(4)在测量期间围绕所述第二轴线(12)转动的旋转驱动装置。
3.如权利要求2所述的测量装置，其特征在于，所述旋转驱动装置在测量期间与用于使所述工件(4)固定的固定装置处于驱动连接。
4.如权利要求3所述的测量装置，其特征在于，所述固定装置具有用于夹紧所述工件(4)的夹紧装置。
5.如前述权利要求中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述测量触头(7)具有以能够围绕所述第一轴线(6)摆动的方式支承的摆动杆(8)，在所述摆动杆的自由端部上设有接触体(10)。
6.如权利要求5所述的测量装置，其特征在于，所述接触体(10)是例如由红宝石构成的球体，特别是精密球体，或者是圆柱体，该圆柱体的对称轴线与所述第一轴线(6)和所述摆动杠杆(8)的纵向方向垂直地或者近似垂直地设置。
7.如前述权利要求中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述测量触头(7)配有用于对所述测量触头(7)的角度位置进行检测的数字角度测量系统(16)。
8.如前述权利要求中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述测量触头(7)配有用于特别是为了与所述工件(4)接触而对所述测量触头(7)相对于所述第二轴线(12)的位置进行调整的调整装置(22)。
9.如权利要求8所述的测量装置，其特征在于，所述调整装置(22)具有分配给所述测量触头(7)的第一轴线(6)的摆动装置，该摆动装置用于使所述测量触头(7)摆动90°或者近似90°，使得在第一摆动位置上，所述第一轴线(6)和所述第二轴线(12)平行或者近似平行，以便沿径向与所述工件(4)的表面接触，以及在第二摆动位置上，所述第一轴线(6)与所述第二轴线(12)垂直或者近似垂直地设置，以便与所述工件(4)指向所述第二轴线(12)方向的表面接触。
10.如前述权利要求中任一项所述的测量装置，其特征在于，设有用于对用于通过所述测量触头(7)与所述工件(4)接触的接触力进行设定的装置。
11.如前述权利要求中任一项所述的测量装置，其特征在于，设有用于对测量值进行存储的测量值存储器(18)，所述测量值是根据所述工件相对于所述测量触头(7)的转动位置由所述测量触头(7)的相应角度偏移构成，其中，所述测量值存储器(18)与用于由存储的测量值对所述工件(4)的轮廓进行重建的评价装置(20)处于数据传输连接。
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