DD255300A5

DD255300A5 - Werkstueckpositioniereinrichtung

Info

Publication number: DD255300A5
Application number: DD30044187A
Authority: DD
Inventors: Anthony B Barnaby; Michael W Mills
Original assignee: Rank Taylor Hobson Limited,Gb
Priority date: 1986-03-04
Filing date: 1987-03-04
Publication date: 1988-03-30
Also published as: GB8605325D0; GB8624396D0; IN169361B; JPS62272186A; GB2189604A; JPH0370196B2; SU1672934A3; SU1718735A3; DD254771A5

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine automatisch arbeitende Einrichtung zur Werkstueckpositionierung, d. h. zum Zentrieren und Ausrichtung von Werkstuecken, speziell in Messeinrichtungen. Eine Messeinrichtung wird mit einem Drehtisch 4 versehen, der zur Ausfuehrung eines Zentrier- und Richtvorgangs horizontal verschiebbar und schwenkbar ist. Der Drehtisch 4 wird an drei Punkten A, B, P gelagert, von denen P feststehend ist und die beiden anderen A, B mit Hilfe von motorgetriebenen Hebevorrichtungen vertikal verstellbar sind. Das Zentrieren und Richten erfolgt automatisch mittels eines Computers 72, der die erforderlichen Horizontal- und Schwenkbewegungen des Drehtisches 4 aus den Daten berechnet, die durch Abtasten der Werkstueckoberflaeche mit einem Messfuehler 12 gewonnen werden. Fig. 1

Description

Hierzu 7 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Werkstückpositioniereinrichtung zum Zentrieren und Ausrichten eines Werkstückes auf einem Drehtisch, speziell in einer Meßeinrichtung.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Es ist eine Meßeinrichtung bekannt, bei der ein Werkstück auf einem Drehtisch positioniert wird und Messungen durch Drehen des Drehtisches vorgenommen werden, während ein Meßfühler die Oberfläche des Werkstückes abtastet. Im allgemeinen ist es notwendig, einen als Zentrieren und Richten bekannten Arbeitsgang durchzuführen, wobei der Drehtisch horizontal verschoben und angekippt wird, um das Werkstück in die gewünschte Lage zu bringen, meistens, um eine geforderte Achse des Werkstückes mit der Rotationsachse des Drehtisches in Übereinstimmung zu bringen, Weiterhin ist es äußerst wünschenwert, daß der Zentrier-und Richtvorgang automatisch vorgenommen wird, so daß es effektiv und schnell durchgeführt werden kann. Eine Meßeinrichtung, in der das Zentrieren und Richten automatisch vorgenommen werden kann, ist bereits bekannt und im Handel erhältlich. Bei der bekannten Einrichtung wird der Drehtisch, der kreisförmig ist, auf einerTragkonstruktion montiert, die eine sphärisch gekrümmte Auflagefläche einschließt, welche eine Universalkippbewegung des Drehtisches um einen Punkt ermöglicht, der sich oberhalb der Arbeitsfläche des Drehtischesund in einer bekannten Horizontalebene befindet. Zwei unter dem Drehtisch in einem Winkel von 90° zueinander angeordnete Heber dienen dazu, die Kippbewegung um die entsprechenden orthogonalen Achsen, die sich in der obenerwähnten Horizontalebene befinden, zu bewirken. Federn drücken den Drehtisch nach unten, so daß er mit den Hebern in Kontakt bleibt und die sphärisch gekrümmte Auflagefläche mit einer Gegenauflagefläche in Kontakt bleibt, die bei einer Ausführung einen Ring von Kugeln umfaßt, der in die Tragkonstruktion eingefügt ist. Die Tragkonstruktion ist zur Rotation des Drehtisches auf einer Spindel montiert, wobei die Horizontalbewegung der Tragkonstruktion durch ein weiteres Lager bewirkt wird, wodurch der Zentriervorgang durchgeführt werden kann.

Bei der Einrichtung des bekannten Standes der Technik wird, nachdem das zu prüfende Werkstück auf den Drehtisch aufgelegt wurde, das Zentrieren und Richten durchgeführt, indem als erstes die Lage des Mittelpunktes des Abschnitts der Werkstückoberfläche bestimmt wird, der sich in der Horizontalebene befindet, welche den Punkt, um den der Drehtisch gekippt werden kann, enthält. Diese Bestimmung wird durchgeführt, indem ein zu der Einrichtung gehörender Taststift mit der Werkstückoberfläche in dieser Horizontalebene in Kontakt gebracht wird und die Spindel angetrieben wird, so daß sich das Werkstück um die Spindelachse dreht. Der Exzentrizitätsgrad zwischen der Rotationsachse des Werkstückes (oder der Spindelachse) und der Lage des Mittelpunktes der Werkstückoberfläche in dieser Ebene kann durch dann nach den durch einen Meßfühler, mit dem der Taststift verbunden ist, gegebenen Signalen bestimmt werden. Danach wird die Tragkonstruktion für den Drehtisch horizontal zur Spindel verschoben, um den bestimmten Mittelpunkt der Werkstückoberfläche mit der Achse der Spindel in Übereinstimmung zu bringen. Damit ist der Zentriervorgang für diese Ebene abgeschlossen. Das Richten durchgeführt, indem der Taststift zu einer anderen Horizontalebene bewegt wird, die Spindel angetrieben wird, so daß sich das Werkstück dreht, und die Exzentrizität der Mitte der Werkstückoberfläche in dieser Horizontalebene mit Bezug auf die Spindelachse bestimmt wird, wobei die durch den Meßfühler gegebenen Signale verwendet werden. Nachdem diese Exzentrizität bestimmt worden ist, werden die Hebel in dem Maße betätigt, wie es notwendig ist, um die Mitte der Werkstückoberfläche in der zweiten Horizontalebene mit der Rotationsachse des Drehtisches (der Spindelachse) in Übereinstimmung zu bringen. Damit ist der Richtvorgang abgeschlossen sowie das Zentrieren und Richten ausgeführt. Da die Kippbewegung des Drehtisches, die während dieses Richtvorganges stattfindet, in einem Punkt der ersten Horizontalebene zentriert ist, der durch den Zentriervorgang mit der Spindelachse in Übereinstimmung gebracht wurde, wird diese Übereinstimmung durch den Richtvorgang nicht aufgehoben

Diese Einrichtung weist eine Reihe von Nachteilen auf.

Erstens muß jeder Zentriervorgang durch Abtasten der sich in derselben, feststehenden, das Kippzentrum des Drehtisches einschließenden Horizontalebene befindenden Werkstückoberfläche durchgeführt werden; in einigen Fällen besitzt das Werkstück in dieser Ebene keine Oberfläche, die abgetastet werden kann. Das ist ein erheblicher Nachteil bei Werkstücken mit komplizierter Form, wie zum Beispiel Kurbelwellen.

Zweitens muß der Schwerpunkt des Werkstückes immer innerhalb des 90-Grad-Sektors des Drehtisches liegen, der durch die Stellung der beiden Heber definiert ist: eine Anordnung des Schwerpunktes außerhalb dieses Sektors würde bei dem Drehtisch ein Drehmoment hervorrufen, durch das der Drehtisch außer Kontakt mit diesen Hebern geraten kann. Drittens ist die Herstellung der Lagerfläche, auf der sich der Drehtisch befindet, mit dem erforderlichen Genauigkeitsgrad schwierig und kostspielig.

Ziel der Erfindung

Die vorliegende Erfindung stellt eine Einrichtung zur Verfügung, mit dereines oder mehrere dieser Probleme beseitigt werden können.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Werkstückpositionierungseinrichtung mit einem Drehtisch zur Aufnahme des Werkstückes und einem Rechner, mit der ein Zentrier- und Richtvorgang ausgeführt werden kann, bei dem jede als Folge des Kippens des Drehtisches zu Richtzwecken entstehende Dezentrierung des Werkstückes ausgeglichen wird. Mit der entsprechend diesem Aspekt der Erfindung konstruierten Einrichtung können Zentrierung und Ausrichtung also mit Bezug auf alle Horizontalebenen durchgeführt werden, ohne auf eine einzige Horizontalebene, die das Kippzentrum des Drehtisches enthält, beschränkt zu sein, wie es bei der oben beschriebenen Einrichtung des bekannten Standes der Technik der Fall ist.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Werkstückpositionierungseinrichtung mit einem Drehtisch für das Werkstück, der an drei sich an den Spitzen eines Dreiecks, vorzugsweise eines gleichseitigen Dreiecks, in dem der Mittelpunkt des Drehtisches liegt, befindenden Punkten aufliegt, wobei mindestens zwei der Punkte in der Höhe verstellbar sind, sowie einem Rechner zur Durchführung des Zentrier- und Richtvorganges, bei dem die Höheneinstellung eines oder mehrerer der Punkte stattfindet. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren oder eine Einrichtung zur Durchführung des Zentrier- bzw. Richtvorganges, wobei das Werkstück durch eine Abtasteinrichtung abgetastet wird und der Vorgang durch Steuerung der elektronischen Steuereinrichtung in Übereinstimmung mit einem bestimmten Algorithmus durchgeführt wird. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Einrichtung mit einem Drehtisch zur Auflage eines Werkstückes, der um einen Punkt oder Achsen unterhalb dessen Oberfläche zur Durchführung des Ausrichtens schwenkbar ist, sowie einer elektronischen Steuereinrichtung für diese Schwenkbewegung. Der Punkt oder der Schnittpunkt der Achsen liegt vorzugsweise versetzt zur Rotationsachse des Drehtisches

Weitere Aspekte der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den Patentansprüchen deutlich.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Einrichtung;

Fig.2: eine perspektivische Ansicht einer in der Einrichtung nach Fig. 1 enthaltenen Drehtischtragkonstruktion; Fig. 3: einen Schnitt durch einen Teil der Tragkonstruktion nach Fig. 2, wobei jedoch ebenfalls der Drehtisch gezeigt wird; Fig.4: ein vereinfachtes Blockschaltbild eines zu der Einrichtung nach Fig. 1 gehörenden Steuersystems; Fig.5a bis5d: die grafische Darstellung eines Zentrier-und Richtvorganges; und Fig. 6 bis 9: grafische Darstellungen zum besseren Verständnis der durch das Steuersystem ausgeführten Berechnungen zur Durchführung des in Fig.6 dargestellten Zentrier- und Richtvorganges.

Bezugnehmend auf Fig. 1 umfaßt eine Meßeinrichtung eine durch einen Rahmen 3 (wovon nur die Füße in Fig. 1 sichtbar sind) getragene Werkbank 2. Der Rahmen 3 trägt einen Drehtisch 4, auf demein Werkstück befestigt werden kann. Ein senkrechter Ständer 6 führt einen motorgetriebenen, senkrecht verschiebbaren Wagen 8. Ein Taststift 10 ist an einem Ende eines schwenkbaren Arms 12 angebracht, durch den die Haltung des Taststiftes verändert werden kann und der wiederum am Ende eines von Wagen 8 getragenen horizontal (radial) beweglichen Arms 14 gehalten wird. Messungen an einem Werkstück werden durchgeführt, indem der Taststift 10 durch Drehen des Drehtisches bzw. radiale oder vertikale Bewegung des Taststiftes dazu veranlaßt wird, die Oberfläche des Werkstückes zu überqueren.

Wie in Fig.2 und 3 gezeigt wird, umfaßt die Tragkonstruktion für den Drehtisch 4 eine Auflage 16, die durch eine Scheibe 18 getragen wird, welche an einer motorgetriebenen Spindel 20 befestigt ist. Eine in Fig.3 durch gestrichelte Linien schematisch dargestellte Lagerung 21 nimmt die Spindel 20 zum Zwecke der Rotation um ihre eigene, vertikale Achse 23 auf. Die Lagerung 21 ist in Rahmen 3 montiert und ist vorzugsweise so aufgebaut, wie es in GB-PS 2178805 A beschrieben ist. Ein Satz Kugellager 22 in einem scheibenförmigen Käfig 24 ist zwischen der Auflage 16 und der Scheibe 18 untergebracht, um eine horizontale Bewegung der Auflage 16 im Verhältnis zu der Scheibe 18 zu ermöglichen. Diese Bewegung wird entlang der orthogonalen x- und y-Achse mit den Motoren 26x, 26y ausgeführt, die auf der Auflage 167 befestigt sind und jeweils die wechselweise wirkenden Antriebsstangen 28x und 28y über die Getriebekasten 3Ox und 3Oy antreiben, die zum Beispiel Schneckentriebe umfassen können. Die Antriebsstangen 28 χ und 28y werden jeweils entlang der x- und y-Achse angetrieben, wenn die jeweiligen Motore eingeschaltet werden. Ein Nabenstück 32, das am oberen Ende der Spindel 20 befestigt ist, die durch eine Öffnung 34 in der Mitte der Auflage 16 hindurchragt, weist die Abflachungen 32x und 32y auf, die jeweils mit den Enden der Antriebsstangen 28x und 28y in Kontakt stehen und im rechten Winkel zur x- bzw. y-Achse liegen. Eine Zugfeder 36, deren eines Ende mit dem Nabenstück 32 und deren anderes Ende mit der Säule 38 verbunden ist, die auf der Auflage 16 befestigt ist, hält die Enden der entsprechenden Antriebsstangen 28x und 28y in Kontakt mit den Abflachungen 32x und 32y. Mit Hilfe der Motore 26x und 26y und der Kraft der Feder 36 kann sich die Auflage 16 also in jeder Richtung entlang der x-und y-Achse in genau bestimmten Abständen bewegen. Die Führungsplatten 40x und 40y, durch die die Antriebsstangen 28x und 28y jeweils hindurchführen, haben Schlitze 42 zur Aufnahme der Führungsstifte 44, die durch die Getriebekasten 3Ox und 3Oy gehalten werden. Ein in einer Vertiefung im oberen Ende der Säule 38 befestigte Kugel 46 lagert den Drehtisch 4, um eine universelle Schwenkbewegung um den Punkt P zu ermöglichen.

An den Punkten A und B wird der Drehtisch 4 auf den Kugeln 50 a bzw. 50 b über die Distanzstücke 52 (nur Fig. 3) gelagert, die auf der Unterseite des Drehtisches 4 befestigt sind und auf den Kugeln 50a und 50 b ruhen. Die Hebelplatten 54a, 54b, die zum Zwecke der Schwenkbewegung um die horizontalen Achsen 58 (im rechten Winkel zur Ebene des Papierbogens von Fig.3) an den Winkeln 56 befestigt sind, weisen die Vertiefungen 60a, 60 b auf, in denen die Kugeln 50 a, 50 b entsprechend aufgenommen werden.

Die Motore 62a, 62b treiben die Hebevorrichtungen 64a, 64b (nur Fig.3) über die Getriebekasten 66a, 66b an, um die Hebelplatten 54a, 54b nach oben und nach unten um ihre Schwenkachse 58 zu schwenken. Die Betätigung des Motors 62a bewirkt also, daß der Drehtisch um eine Achse, die die Punkte P und B verbindet, gekippt wird, und eine Betätigung des Motors 62b bewirkt, daß der Drehtisch 4 um eine Achse gekippt wird, die die Punkte P und Averbindet. Diese Achsen führen durch die Mittelpunkte der Kugeln 46,50a und 50b.

Die Punkte ABP befinden sich an den Spitzen eines gleichseitigen Dreiecks, dessen Mittelpunkt C mit dem Mittelwert des Drehtisches 4 zusammenfällt, d.h. die Punkte ABP sind in bezug auf Punkt C symmetrisch angeordnet. Dadurch ergibt sich die maximale Fläche des Drehtisches, in der ein Werkstück positioniert werden kann, ohne daß eine Instabilität des Drehtisches verursacht wird. Folglich liegen die Achsen PA und PB, um die der Drehtisch kippbar ist, in einem Winkel von 60 Grad zueinander.

Die Zugfedern 68 halten den Drehtisch unten, so daß die Distanzstücke 52 mit den Kugeln 50a und 50 b in Kontakt bleiben, und die Zugfedern 70 halten die Hebelplatten 54a und 54b unten, so daß diese mit den Hebevorrichtungen 64a, 64b in Kontakt bleiben.

Eine an der Scheibe 18 angebrachte zylindrische Wand 69 umschließt die oben beschriebene Tragkonstruktion. Wie in dem vereinfachten Blockschaltbild von Fig.4 zu sehen ist, werden die Motore 26x, 26y zum Zentrieren und die Motore 62 a, 62 b zum Richten durch eine Rechenanlage 72 gesteuert, die von einem Meßfühler 73, der auf den Taststift 10 anspricht, Eingangsdaten erhält. Eine von einer Bedienperson gesteuerte Tastatur 75 ist vorgesehen, um an die Rechenanlage 72 Anweisungen zu geben. Die Rechenanlage 72 steuert auch einen Motor 74, der die Spindel 20 zur Rotation des Drehtisches (O-Achse) antreibt, einen Motor 76 zum Heben und Senken des Wagens 8 auf dem Ständer 6 (z-Achse), und einen Motor 78, der den Arm 14 in radialer Richtung (r-Achse) antreibt, um den Taststift 10 mit der Werkstückoberfläche in und außer Kontakt zu bringe. Weiterhin versorgen die Meßfühler 80,82 und 84 die Rechenanlage 72 mit Daten über die Winkelstellung des Drehtisches 4, die Vertikalstellung des Wagens 8 und die Radialstellung des Arms 14. Ein Bildschirmgerät 86 und ein Speicher 88 sind ebenfalls an die Rechenanlage 72 angeschlossen, wobei der Speicher 88 die erhaltenen Daten und Programme speichert, nach denen die Rechenanlage 72 arbeitet. Die Rechenanlage 72 kann einen oder mehrere Computer umfassen. Die Bewegungen, die von dem Drehtisch 4 ausgeführt werden, um eine Zentrierung und Ausrichtung eines Werkstückes zu erzielen, werden durch die Fig. 5a bis 5d verständlich. Zur Verdeutlichung stellt Fig. 5 ein zylindrisches Werkstück 100 dar, das innerhalb des Dreieckes ABP auf dem Drehtisch 4 positioniert ist. Das Werkstück 100 steht auf einem Ende 102, das gerade ist, aber wahrscheinlich in einem leichten Winkel (in Fig. 5 stark übertrieben) zur radialen Ebene liegt, so daß sich die Achse 104 des Werkstückes 100 in einem Winkel zur vertikalen Rotationsachse 23 der Spindel 20 befindet. Die Folge der beim Zentrier-und Richtvorgang durchgeführten Schritte, die in Fig. 5 dargestellt ist, umfaßt als erstes die Rotation des Drehtisches 4, wobei der Taststift 10 so angeordnet ist, daß er die Oberfläche des Werkstückes 100 in einer horizontalen Ebene 108 abtastet. Die Rechenanlage 72 erhält die Ausgabedaten von den Meßfühlern (80,73,84) und errechnet unter Verwendung eines entsprechenden Algorithmus die Größe und Richtung der Verschiebung zwischen der Mitte 110 des Werkstückes in der Ebene 108 und der Achse 23. Die von den Meßfühlern ausgegebenen polaren Parameter werden auf ein begriffliches kartesisches Koordinatensystem (u,v) übertragen, und angenommen, daß N Punkte auf der Oberfläche mit den Koordinaten (uj, V₁) abgetastet werden, werden die Mittelpunkt (u₀, v₀) und der Radius R der Oberfläche unter Verwendung eines modifizierten Fehlerquadratkriteriums durch Minimierung der Summe:

N .J₁ [(Ui - u_o)² + (ν, - V₀)² - R²]²

errechnet.

Nachdem der Computer die Mitte errechnet hat, löst er die Motore 26x und 26y aus, um nötigenfalls Punkt 110 mit der Achse 23 in Übereinstimmung zu bringen, wie es in Fig. 5 b gezeigt wird.

Der nächste Schritt für den Drehtisch 4 besteht darin, in Rotation versetzt zu werden, wobei der Taststift 10 so angeordnet ist, daß die Oberfläche des Werkstückes in einer anderen horizontalen Ebene 112, die in einem gewissen Abstand zur Ebene 108 liegt, abgetastet wird in dem vorliegenden Beispiel liegt die Ebene 112 oberhalb der Ebene 108. Wiederum unter Verwendung des entsprechenden Algorithmus bestimmt die Rechenanlage 72 die Lage der Mitte des Werkstückes in der Ebene 112. Danach errechnet die Rechenanlage 72 die Winkelbewegung des Drehtisches 4 und des Werkstückes 100, die notwendig ist, um das Werkstück aus der in Fig. 5 b gezeigten Lage in die in Fig. 5c gezeigte Lage zu bringen, in der die Achse 104 des Werkstückes parallel zu der Achse 23 der Spindel liegt. Diese Berechnung wird später beschrieben. Wie in Fig. 5c zu sehen ist, ergibt sich aus dieser Winkel-oder Kippbewegung, daß Punkt 110 wieder von der Achse 23 verschoben wird. Der letzte Schritt ist die Durchführung eines zweiten Zentriervorganges, bei dem die Lage der Achse 104 des Werkstückes im Verhältnis zur Achse 23 wiederum unter Verwendung des entsprechenden obenerwähnten Algorithmus bestimmt wird und die Motore 26x und 26y wiederum ausgelöst werden, um die Achse 104 in Übereinstimmung mit der Achse 23, wie in Fig. 5 d gezeigt, zu bringen. Obwohl die vorangehende Beschreibung von Fig. 5 der Einfachheit halber auf der Grundlage gegeben wurde, daß die verschiedenen Schritte in einer bestimmten Reihenfolge durchgeführt werden, ist dies nicht wesentlich, und in der Praxis können Zentrieren und Richten erreicht werden, indem als erstes in den Ebenen 100 und 112 Messungen durchgeführt werden, wobei das Werkstück 100 und der Drehtisch 4 sich in der in Fig.5a gezeigten Lage befinden, und danach die Motore 26x und 26y und 62a und 62b gleichzeitig oder in einer beliebigen Reihenfolge ausgelöst werden, aber vorzugsweise in der Reihenfolge, das Werkstück erst zu zentrieren und es danach zu richten, um die in Fig.5d dargestellten Bedingungen zu erfüllen.

Im folgenden werden die Berechnungen der horizontalen und Kippbewegungen beschrieben, die von dem Drehtisch 4 ausgeführt werden müssen, um das Zentrieren und Richten zu erzielen. In derfolgenden Beschreibung werden die Motore 26x und 26y als die Motore χ und y bezeichnet, und die Motore 62 a und 62 b als Motore a und b. Obwohl das Teil jede beliebige Form haben kann, vorausgesetzt, daß die zu beurteilenden Flächen ein regelmäßiges Profil aufweisen, ist es wiederum der Einfachheit halber günstig, den Fall der Zentrierung und Ausrichtung eines zylindrischen Werkstückes zu betrachten, wie zum Beispiel das in Fig. 5 gezeigte Werkstück 100, da die Achse eines Zylinders leicht zu bestimmen ist.

Für die folgenden Diskussionen ist es günstig, alle Bewegungen auf ein kartesisches Rechtssystem X, Y und Z mit den Einheitsvektoren i, j und k zu beziehen. Der Ursprung des Koordinatensystems wird so gewählt, daß er mit dem Festpunkt P zusammenfällt, und die x-Achse wird so gewählt, daß sie die Linie, die die beiden Punkte A und B verbindet, halbiert. Das Koordinatensystem wird in Fig. 6, wodieZ-Achse im rechten Winkel zur Ebene des Papierbogens liegt, und auch in Fig. 2 gezeigt.

Eine Zentrierung des Tisches wird erreicht, indem die erforderliche Bewegung hinsichtlich der X- und Y-Achse in parallel zu der Wirkungslinie der Motore χ und y verlaufende Bewegungen zerlegt wird.

Der erforderliche Zentriervektor sei Cii + C₂J, und die parallel zu den Wirkungslinien der Motore χ und y verlaufenden Einheitsvektoren seien entsprechend e_x und e_y. Aus der Geometrie kann man dann ersehen, daß

C₁I + C₂J = -k[(Ci - c₂)e_x + (c, + c₂)e_y] ist, (1)

worin k = 2~^1/2.

Zur Betrachtung des Richtvorganges eines auf den Tisch aufgelegten Teiles ist es günstig, zwei weitere Variablen Θ-ΐ und Θ₂ einzuführen, wobei Q₁ der Kippwinkel der Tischoberfläche um die X-Achse und Θ₂ der entsprechende Winkel um die Y-Achse ist. Die Höhe eines jeden Punktes (X₁, Y₁) auf der Oberfläche des Tisches mit Bezug auf seine Höhe bei waagerechter Oberfläche ist also gegeben durch

Z₁ = XitanQ-f + Y^nQ₂ (2)

Jetzt ergeben sich mit der Einführung der Parameter Ti und T₂, wie in Fig. 6 gezeigt, und mit der Bezeichnung der inkrementellen Höhen der Punkte A und B als Z_A, Z₈ die Gleichungen

Z_A = T^nQ₁ + T₂tan9₂ · (3a)

Z₈ = T^nQ₁ - T₂tan0₂ (3b)

Aus diesen Gleichungen kann man die inkrementalen Höhen von A und B, oberhalb der Horizontalebene durch P in Form der Kippwinkel O₁ und Θ₂ berechnen.

Wie aus Fig. 6 ersichtlich ist, sind die Werte von T₁ und T₂ von dem Winkel APB zwischen den Achsen AP und BP, um die der Drehtisch gekippt werden kann, abhängig. Die von dem Computer 72 beider Ausführung des Richtvorganges durchgeführten Berechnungen sind also von dem Winkel APB abhängig.

Bevor fortgefahren wird, ist es notwendig, den eigentlichen Mechanismus, durch den die Punkte A und B in der vertikalen Ebene mit Hilfe der Motore a und b bei der bevorzugten Ausführungsform bewegt werden, näher zu betrachten.

Wie in Fig.7 anhand eines Beispiels gezeigt wird, beträgt der Abstand zwischen der Achse 58 und der Mitte 51 des Kugellagers 50a oder 50 b 12 Millimeter und zwischen der Achse 58 und dem Berührungspunkt 55 der Hebevorrichtung 64a oder 64b mit dem Hebel 54a oder 54b 36 Millimeter.

Unter Bezugnahme auf Fig.8 kann man sehen, daß, wenn die Hebevorrichtung 64a oder 64b um eine Höhe ζ hochgeschraubt wird, die Mitte der Kugel 50a oder 50b sich durch eine Höhe Sz bewegt. Man kann sehen, daß

z = 36tane* (4)

δζ = 12sina ist,

woraus

z = 366z/12²-8z²)V2 (5 a)

ζ = 3δζ - 3δζ³/(2 χ 12²) + 3²δζ⁵/(2³ χ 12⁴) + ... (5b)

folgt.

Angenommen, der Tisch 4 ist anfangs horizontal und ein Zylinder wird in zwei Höhen (Z₁₁Z₂) gemessen, wobei die Mittelpunkte der beiden Ebenen sich als Ia^b₁, Z₁) und(a₂, b₂, z₂) ergeben, wie es in Fig. 9 gezeigt wird. Man kann feststellen, daß jeder Punkt in Höhe Z und auf der Achse des Zylinders Koordinaten in dem gewählten System hat, die gegeben sind durch

X = [(a₂ - _ai)/(z₂ - Z₁)] Z + _ai Y ^=Kb₂-D₁)Z(Z₂-Z₁)] Z+ Ij₁

Schreibt man h = (z₂ - Z₁) und vergleicht diese Gleichungen mit den Gleichungen (2), ergibt sich

9i = (a₂ tan8 = (b₂ - b^/h

Die inkrementellen Höhen δΖ_Α, 6Z₈, durch die die Punkte A und B bewegt werden müssen, um diese Winkel auszugleichen, sind durch die Gleichungen (3) gegeben, und zwar

6Z_A = T₁ tan Q₁ + T₂tan0₂ δΖ_Β = T₁ tan Θ, - T₂tan Θ₂

und aus Gleichung (5) ergeben sich die Höhen, um die die Schraubwinden-Hebevorrichtungen hochgeschraubt werden müssen:

Z_A = 36Z_A/(12²-6Z_A ²)V2 Z₈ = 3δΖ_Β/(12² - δΖ_Β ²)¹/₂

Unter Anwendung der Binominalreihenentwicklung dieser Gleichungen und Abbruch der Reihen beim zweiten Glied ergibt sich

Z_A = 3δΖ_Α + ρδΖ_Α ³ Z_B = 3δΖ_Β + ρδΖ_Β ³ ₍

worin ρ = 1,1331161 χ 10~² ist und eine Korrektur für die Abbruche der Reihen einschließt.

Die für die Ausrichtung erforderliche Anzahl Umdrehungen der Motore a und b kann also leicht unter Verwendung der oben angegebenen Berechnungen bestimmt werden. Außerdem ist die für die Zentrierung erforderliche Anzahl Umdrehungen der Motore χ und y ebenfalls leicht zu berechnen. Beide Berechnungen werden durch die Rechenanlage 72 ausgeführt, und die Ergebnisse werden für den Antrieb der Motore a, b, χ und y eingesetzt.

Die dargestellte Ausführungsform besitzt also die wesentlichen Vorteile, daß die in Fig. 5 gezeigten Ebenen 108 und 112, in denen die Oberfläche des Werkstückes zu Zentrier- und Richtzwecken gemessen wird, innerhalb des Arbeitsbereiches der Meßfühler 73 und 84 beliebig angeordnet werden können. Das Werkstück kann so positioniert werden, daß sein Schwerpunkt an einer beliebigen Stelle innerhalb des Dreiecks ABP liegt, das erheblich größer ist als der entsprechende Bereich bei der Einrichtung des bekannten Standes der Technik, und indem es symmetrisch um den Mittelpunkt des Drehtisches liegt, ist es weitaus günstiger angeordnet. Da der Drehtisch an drei Punkten aufgelagert ist, von denen zwei in der Höhe verstellbar sind, um eine Kippbewegung zu Richtzwecken zu ermöglichen, ist die Notwendigkeit kostspieliger großer sphärisch gekrümmter Lagerflächen wie bei dem bekannten Stand der Technik beseitigt.

Die beschriebene Einrichtung besitzt den kombinierten Vorteil, daß der Zentrier- und Richtvorgang automatisch ausgeführt werden kann, daß der mechanische Aufbau des Drehtisches und seines Antriebes relativ einfach sein kann, daß der Drehtisch einen hohen Stabilitätsgrad aufweist und daß eine größere Vielfalt von Werkstücktypen beurteilt werden kann.

Außerdem kann der Aspekt der Erfindung, der die Durchführung von Messungen in Ebenen, die in einem gewissen Abstand zu dem Kippzentrum oder den -achsen liegen, betrifft, bei einer Meßeinrichtung Anwendung finden, bei der das Werkstück nicht auf einem Arbeitstisch aufliegt, sondern in einer Einspannvorrichtung o.a. gehalten wird, die um eine Achse, jedoch nicht um eine vertikale, sondern zum Beispiel um eine horizontale Achse gedreht werden kann.

Die Erfindung ist nicht auf das Abtasten der äußeren Oberflächen des Werkstückes (wie zum Beispiel die Lagerflächen einer Kurbelwelle) beschränkt, sondern kann ebenfalls eingesetzt werden, wenn Innenflächen (wie zum Beispiel die eingangs-und ausgangsseitigen Lageraufnahmen eines Getriebegehäuses) abgetastet werden sollen.

Mitunter sollen nicht die Mittelpunkte von zwei Abschnitten des Werkstückes (wie zum Beispiel zwei Lagerflächen einer Kurbelwelle) ausgerichtet werden, sondern ein Punkt des Werkstückes auf der Achse des Drehtisches zentriert und eine ebene Fläche des Werkstückes gerichtet werden, indem sie rechtwinklig zur Achse eingestellt wird. Zum Beispiel kann es vorkommen, daß ein Motorkolben zentriert und gerichtet werden soll, indem der Kolbenboden zentriert und die untere Kante des Kolbenmantels in einen rechten Winkel zu der Achse gebracht wird. In diesem Fall wird nicht der Mittelpunkt eines zweiten Abschnitts des Werkstückes, sondern die Neigung eines zweiten Abschnitts des Werkstückes oder eine dazu feststehende Bezugsfläche (wie zum Beispiel die Oberfläche des Drehtisches, auf der der Kolben ruht) bestimmt. Dann kann der bestimmte Mittelpunkt zentriert und danach die Neigung eingestellt werden; und dann kann der Mittelpunkt erneut zentriert werden, um durch die Neigungseinstellung aufgetretene Dezentrierungen auszugleichen.

Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung bei Werkstücken mit kreisförmigen abzutastenden Teilen beschränkt, sondern kann bei Werkstücken mit abzutastenden Querschnitten anderer Formen, wie zum Beispiel rechteckiger, dreieckiger, elliptischer und sechseckiger Form, angewendet werden.

Wenn das Werkstück zum Beispiel zylinderförmig ist, ist es nicht notwendig, das kreisförmige Profil des Werkstückes in zwei, in einem gewissen Abstand zueinander liegenden Ebenen abzutasten, sondern stattdessen kannder Meßfühler entlang einer spiralförmigen Linie im Verhältnis zur Werkstückoberfläche geführt werden, und das Ausmaß der Quer- und Kippverstellung kann danach bestimmt werden.

Die Anordnung des Meßfühlers 10, die Tragkonstruktion 12,14 und das in Fig. 4 gezeigte Steuersystem entsprechen vorzugsweise der Beschreibung in unserer gleichzeitig hiermit eingereichten, gleichfalls anhängigen Anmeldung, wobei Prioritätsanspruch gegenüber der Britischen Patentanmeldung Nr. 8605324, die am 4. März 1986 eingereicht wurde und Hugh Rogers Lane und Peter Dean Onyon als Erfinder berrennt, erhoben wird. Bei dieser Anordnung wird ein Meßfühler mit hohem Auflösungsvermögen und kleinem Arbeitsbereich auf einem radial beweglichen Arm befestigt, der unter Computersteuerung durch Reaktion auf die Ausgabe des Meßfühlers mittels eines Motors angetrieben wird, so daß der Meßfühler automatisch einer Werkstückoberfläche mit einer großen Formenvielfalt folgen kann. Insbesondere kann der Meßfühler ein Auflösungsvermögen bis etwa 12 Nanometer über einen Bereich von etwa 0,4mm aufweisen, und der radial bewegliche Arm kann einen Bewegungsbereich von etwa 200mm besitzen und mit einem Positionsabtastsystem mit einem Auflösungsvermögen von etwa 200 Nanometern ausgestattet sein. Durch diese Anordnung wird der Zentrier- und der Richtvorgang dahingehend vereinfacht, daß eine genaue Vorpositionierung des Werkstückes auf dem Drehtisch nach Augenmaß nicht notwendig ist, da das Meßfühlersystem unserer zuvor erwähnten gleichfalls anhängigen Patentanmeldung jeden Zentrier- und Richtfehler innerhalb des Bereiches der möglichen Zentrier- und Richteinstellungen des Drehtisches aufnehmen kann.

Claims

1. Werkstückpositioniereinrichtung zum Zentrieren und Ausrichten eines Werkstückes auf einem Drehtisch, die eine um eine vorbestimmte Achse drehbare Stütze, eine auf der drehbaren Stütze zum Zwecke der Rotation damit befestigte Werkstückaufnahmevorrichtung, eine erste, die Aufnahmevorrichtung zum Zwecke der Kippbewegung in jede Richtung im Verhältnis zu der drehbaren Stütze tragende Stützvorrichtung, eine zweite, die Aufnahmevorrichtung zum Zwecke der Querbewegung im Verhältnis zu der drehbaren Stütze tragende Stützvorrichtung, erste und zweite Antriebsorgane zur entsprechenden Auslösung der Kipp- und Querbewegung, eine drittes Antriebsorgan zur Drehung der drehbaren Stützen, einen so montierten Oberflächenmeßfühler, daß er sich im wesentlichen parallel zu und auf die Achse zu und von ihr weg bewegt, vierte Antriebsorgane zur Auslösung der Bewegung des Meßfühlers, den Oberflächenmeßfühler, der so eingerichtet ist, daß er die Werkstückoberfläche während einer relativen Bewegung zwischen dem Meßfühler und dem Werkstück überquert und abtastet, und einen Computer, der auf den Meßfühler anspricht und eine Programmeinrichtung zur Erfassung von Zentrier- und Richtfehlem und zur Auslösung der ersten und zweiten Antriebsorgane enthält, um eine Zentrier- und Richtkorrektur durchzuführen, umfaßt, gekennzeichnet dadurch, daß die erste Stützvorrichtung drei Stützelemente (46,50 a, 50 b) umfaßt, die die Aufnahmevorrichtung (4) an nur drei Punkten (A, B, P) an den Spitzen eines Dreiecks (A, P, B) tragen, innerhalb dessen der Mittelpunkt (C) der Werkstückaufnamevorrichtung (4) angeordnet ist, wobei das erste Antriebsorgan (62a, 62 b) so betrieben werden kann, daß mindestens zwei der Stützelemente (50a, 50 b) verstellt werden, so daß die Verstellung eines der Stützelemente (50a, 50 b) die Aufnahmevorrichtung (4) um eine entsprechende Kippachse (PS oder PA) kippt, die sich im wesentlichen zwischen den anderen beiden Elementen (46 und 50 b oder 50a) erstreckt, und gekennzeichnet dadurch, daß die Programmeinrichtung derart ausgelegt ist, daß das erste Antriebsorgan (62,62 b) in Abhängigkeit von dem Winkel (PAB) zwischen den Kippachsen (PB, PA) gesteuert wird, und daß das zweite Antriebsorgan (26x, 26y) in Abhängigkeit von den Richtfehlern gesteuert wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Winkel (PAB) zwischen den Kippachsen (PA, PB) kein rechter Winkel ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Punkte (P, A, B) an den Spitzen eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet sind, wobei der Winkel (PAB) dadurch 60 Grad beträgt.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Punkte (P, A, B) im Verhältnis zu dem Mittelpunkt (C) der Werkstückaufnahmevorrichtung (4) symmetrisch angeordnet sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß nur zwei der drei Stützelemente (50 a, 50 b) verstellbar sind und das dritte der drei Stützelement (46) fest ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, daß das erste Antriebsorgan den ersten und den zweiten Motor (62 a, 62 b) zur Auslösung der Kippbewegung um die erste bzw. die zweite Kippachse (PB, PA) umfaßt.

7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß das zweite Antriebsorgan den ersten und den zweiten Motor (26x, 26y) zur Auslösung der Querbewegung in die entsprechenden orthogonalen Richtungen (x, y) umfaßt.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet dadurch, daß die orthogonalen Richtungen (x, y) durch eine Linie geteilt werden, die im gleichen Abstand zu mindestens zwei Stützelementen (50 a, 50 b) und durch das dritte Stützelement (46) verläuft.

9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß die vorbestimmte Achse (23) vertikal verläuft.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet dadurch, daß die Werkstückaufnahmevorrichtung (4) ein Drehtisch ist.

11. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß die Programmeinrichtung so ausgelegt ist, daß ein Zentrier- und Ausrichtungskorrekturvorgang durchgeführt wird, bei dem die Mittelpunkte des Werkstücks (100) in der ersten und zweiten Ebene (108,112) senkrecht zu der vorbestimmten Achse (23) und in bestimmten Abständen zueinander entlang dieser Achse bestimmt werden und das erste und zweite Antriebsorgan (62 a, 62 b; 26x, 26y) in Abhängigkeit von der Berechnung ausgelöst werden.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet dadurch, daß die Programmeinrichtung zur Steuerung des ersten und zweiten Antriebsorgans (62 a, 62 b; 26x, 26y) in Abhängigkeit von einer ersten Berechnung, bei der die Querbewegung der Werkstückaufnahmevorrichtung (4), die notwendig ist, um den ersten der Werkstückmittelpunkte mit der Achse (23) in Übereinstimmung zu bringen, bestimmt wird; einer zweiten Berechnung, bei der das Kippen der Vorrichtung (4), das notwendig ist, um eine die Werkstückmittelpunkte verbindende Linie parallel zu der vorbestimmten Achse (23) auszurichten, bestimmt wird; und einer dritten Berechnung, bei der die Querbewegung der Vorrichtung (4), die notwendig ist, um Verschiebungen des ersten Werkstückmittelpunktes als Folge des Kippens auszugleichen, bestimmt wird, ausgelegt ist.

13. Einrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet dadurch, daß die Programmeinrichtung zur Ausführung einer Zentrier- und Richtfolge ausgelegt ist, bei der die erste Berechnung durchgeführt wird und das zweite Antriebsorgan (26x, 26y) entsprechend ausgelöst wird, um den ersten Werkstückmittelpunkt mit der vorbestimmten Achse (23) in Übereinstimmung zu bringen, und danach die Position des zweiten Mittelpunktes bestimmt wird, die zweite und die dritte Berechnung durchgeführt werden und das erste und das zweite Antriebsorgan (62 a, 62 b; 26x, 26y) entsprechend der zweiten und dritten Berechnung ausgelöst werden.

14. Einrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet dadurch, daß die Programmeinrichtung so ausgelegt ist, daß das zweite Antriebsorgan (26x, 26y) entsprechend der zweiten Berechnung nach Beendigung der Auslösung des ersten Antriebsorgans (62 a, 62 b) ausgelöst wird.

15. Einrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet dadurch, daß die Programmeinrichtung so ausgelegt ist, daß das zweite Antriebsorgan (26x, 26y) entsprechend der dritten Berechnung gleichzeitig mit der Auslösung des ersten Antriebsorgans (62 a, 62 b) entsprechend der zweiten Berechnung ausgelöst wird.

16. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Programmeinrichtung so ausgelegt ist, daß die ersten, zweite und dritte Berechnung und die Auslösung des ersten und zweiten Antriebsö'rgans derart durchgeführt werden, daß das erste und zweite Antriebsorgan (62 a, 62 b; 26x, 26y) gleichzeitig ausgelöst werden, so daß beide Werkstückmittelpunkte mit der vorbestimmten Achse (23) in Übereinstimmung gebracht werden.

17. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß die Progrämmeinrichtung außerdem so angelegt ist, daß ein Meßvorgang an dem Werkstück durchgeführt werden kann, indem das dritte und vierte Antriebsorgan (74,76,78) ausgelöst werden, um den Meßfühler zu veranlassen, eine Fläche des Werkstückes zu überqueren, wobei die Ausgangssignale von dem Meßfühler gespeichert werden, um Daten bereitzustellen, die sich auf die Fläche beziehen.