DE10109462A1

DE10109462A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Achslage zweier Maschinenspindeln

Info

Publication number: DE10109462A1
Application number: DE10109462A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Lysen
Original assignee: Prueftechnik Dieter Busch AG
Current assignee: Prueftechnik Dieter Busch AG
Priority date: 2001-03-01
Filing date: 2001-03-01
Publication date: 2002-09-05
Also published as: US20020129504A1; EP1236971A3; EP1236971B1; US6609305B2; DE50213627D1; ATE434751T1; EP1236971A2

Abstract

Die Achslage zweier Spindeln, z. B. an Werkzeugmaschinen oder Wellen und dgl., wird hinsichtlich Parallelversatz und Winkelversatz dadurch bestimmt, daß sowohl eine optische Sendevorrichtung als auch eine optische Empfangseinrichtung in jeweils mindestens drei unterschiedliche Drehlagen gebracht wird. Auf diese Weise lassen sich zugehörige Kreise definieren, durch welche die Lage der Drehachse der ersten Spindel oder das Drehzentrum der zweiten Spindel in Relation zueinander errechnet werden können. Der Parallelversatz der Spindeln kann somit in einer horizontalen und in einer vertikalen Ebene bestimmt werden. Zur Bestimmung eines Winkelversatzes der beiden Spindeln ist eine weitere Messung durchzuführen, bei der optische Sende- und Empfangseinrichtung gegeneinander vertauscht in den Spindeln angebracht sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine zugehörige Vorrichtung zur Bestimmung der Achslage zweier Maschinenspindeln.

Ein solches Verfahren ist bekannt aus der DE 40 34 302 A1, Erfinder Hamar. Es wird dort ein Laserausrichtungssystem beschrieben, welches ein Laserabstrahlelement als optische Sendevorrichtung aufweist sowie ein lichtempfindliches Target als optische Empfangseinrichtung. Mit dem Target kann der Ort eines auftreffenden Laserstrahls ermittelt werden. Das Target kann anstelle eines Werkzeuges in einer Welle einer Werkzeugmaschine angebracht werden, oder in einem Bezugsteil, welches aus Sicht des Werkzeuges diesem gegenüber steht. Laserabstrahlelement und das Target sind austauschbar an entweder dem Bezugsteil oder dem drehenden Werkzeug anbringbar.

In der genannten Schrift wird davon ausgegangen, daß sowohl das Laser-Abstrahlelement als auch das lichtempfindliche Target von praktisch absoluter Genauigkeit sind, d. h. der kleinste Meßwert, der vom Instrument angezeigt werden kann, ist relativ groß im Vergleich zu dessen systematischen Eigenfehler.

Diese Voraussetzung ist nicht immer gegeben, da die entsprechenden Meßgeräte mit einer Auflösung und Genauigkeit im Mikrometerbereich arbeiten sollen und bei rauher Behandlung oder durch starke Temperatureinwirkung ungenau werden können.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine hochgenau arbeitendes Verfahren samt zugehöriger Einrichtung der gattungsgemäßen Art zu schaffen, welche sich nicht nur selbst überprüfen, sondern im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich präzisere Meßergebnisse liefern kann. Das Verfahren/Vorrichtung soll leicht zu handhaben sein. Ausserdem soll es zumindest nicht teurer sein als bekannte Lösungen nach dem Stand der Technik.

Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß ein Verfahren zur Bestimmung der Achslage zweier Maschinenspindeln oder Wellen relativ zueinander angegeben wird, welches durch die Ausführung folgender Schritte gekennzeichnet ist:

- an einer ersten Maschinenspindel oder einem ersten Wellenende wird stirnseitig eine optische Sendevorrichtung befestigt, mit welcher ein Lichtstrahl angenähert in axiale Richtung der Spindel ausgesendet wird
- an einer zweiten Maschinenspindel oder einem zweiten Wellenende, welche bzw. welches der ersten Maschinenspindel bzw. Wellenende frontal gegenübersteht, wird stirnseitig eine flächige optische Empfangsvorrichtung befestigt, welche es gestattet, den genannte Lichtstrahl zu empfangen und dessen Auftreffpunkt nach zwei Koordinaten zu bestimmen,
- die Distanz zwischen der Sendevorrichtung und der Empfangsvorrichtung wird ermittelt
- bei feststehender zweiter Maschinenspindel wird die erste Maschinenspindel manuell oder motorisch angetrieben in mindestens drei frei wählbare Drehlagen gebracht und die zugehörigen Positionen des Auftreffpunktes des Lichtpunktes registriert; die registrierten mindestens drei Positionen des Auftreffpunktes werden dazu herangezogen, die Parameter eines zugehörigen ersten Kreises, insbesondere dessen Mittelpunkt auf der optischen Empfangsvorrichtung, zu berechnen oder alternativ mittels einer Fehlerausgleichsmethode bestmöglich zu spezifizieren
- bei feststehender erster Maschinenspindel wird die zweite Maschinenspindel manuell oder motorisch angetrieben in mindestens drei frei wählbare Drehlagen gebracht und die zugehörigen Positionen des Auftreffpunktes des Lichtpunktes registriert, die registrierten mindestens drei Positionen des Auftreffpunktes werden dazu herangezogen, die Parameter eines zugehörigen zweiten Kreises, insbesondere dessen Mittelpunkt auf der optischen Empfangsvorrichtung, zu berechnen oder alternativ mittels einer Fehlerausgleichsmethode bestmöglich zu spezifizieren
- aus den errechneten oder spezifizierten Parametern des ersten und des zweiten Kreises sowie aus der Distanz zwischen der optischen Sendevorrichtung und der optischen Empfangsvorrichtung wird der Parallelversatz der Spindeln in einer horizontalen und/oder in einer vertikalen Ebene errechnet.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird auch die Ermittlung eines Winkelversatzes (Orientierung) zweier Maschinenspindeln oder Wellen relativ zueinander ermöglicht, und zwar durch die Ausführung folgender Verfahrensschritte:
Zunächst wird das Verfahren wie oben angegeben durchgeführt. Danach werden Sendevorrichtung und Empfangsvorrichtung vertauscht auf die zu untersuchenden Maschinenspindeln oder Wellen angebracht, so daß die optische Sendevorrichtung auf der zweiten Maschinenspindel und die optische Empfangseinrichtung auf der ersten Maschinenspindel montiert ist. Danach wird das Verfahren wie oben angegeben sinngemäß wiederholt, so daß aber jetzt Parameter zu zwei weiteren, nämlich einem dritten und einem vierten Kreis, errechnet werden können. Mit diesen Daten, und unter Berücksichtigung der Entfernung zwischen der optischen Sendevorrichtung und der optischen Empfangseinrichtung, können jetzt auch die Werte für den Winkelversatz in horizontaler und vertikaler Richtung bestimmt werden. Gemäß der Erfindung können die errechneten Werte für Parallelversatz und Winkelversatz nicht nur dazu verwendet werden, eine manuelle Korrektur der Ausrichtung von Spindeln durchzuführen, sondern auch einer Verstelleinrichtung zugeführt werden, welche zumindest eine von beiden auszurichtenden Spindeln so lange horizontal und vertikal bewegt, bis eine genügend genaue Ausrichtung erreicht ist, woraufhin die entsprechende Spindel in gewohnter Weise mittels Spannschrauben oder dgl. arretiert werden kann.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ergibt sich der Vorteil, daß durch den Laserstrahl kein geschlossener Kreisring auf dem Target abgebildet werden muß. Vielmehr genügt es, die Daten von Meßpunkten auf einem Kreisbogen zu ermitteln. In besonders günstig gelagerten Fällen kann es genügen, die Meßwerte von nur jeweils 3 Auftreffpunkten des Laserstrahles zu ermitteln und die Parameter solcherart spezifizierter Kreise auf der Empfangsvorrichtung dem weiteren Rechengang zugrunde zu legen. Von besonderem Nutzen ist es dabei, dass auch bei einer Mehrzahl erfasster Meßpunkte die Parameter eines zugehörigen Kreises in direktem, nicht iterativem Rechengang ermittelt werden. Hierbei werden Methoden der Ausgleichsrechnung verwendet, insbesondere Methoden der kleinsten Quadrate. Neben den genannten Parametern (x- und y-Position des Zentrums und Radius des Kreises) ist es gemäß der Erfindung daher auch möglich, eine Angabe bezüglich der Qualität des Ausgleichsergebnisses zu machen. Es können somit auch wichtige statistische Parameter wie relativer Fehler, Korrelationskoeffizient, Schiefe der Verteilung usw. angegeben werden.

Das vorgeschlagene Verfahren funktioniert prinzipiell ohne die Verwendung von Inclinometer-Meßwerten. In einer Variante der Erfindung werden jedoch ein oder mehrere bevorzugt elektronische Inclinometer vorgesehen, welche die aktuelle Drehlage einer Spindel ausweisen und deren Meßergebnisse bei der Ermittlung gesuchter Kreise zusätzlich verwendet werden. Damit ist die Bestimmung von Parallelversatz und Winkelversatz der Spindeln noch genauer möglich.

Darüberhinaus ist es von Vorteil, wenn alle durchgeführten Messungen und alle zugehörigen Meßergebnisse, ggf. auch vorläufige Ergebnisse, sofort auf einem elektronischen Bildschirm visualisiert werden, so daß sich eine Bedienperson einen subjektiven Eindruck über die Qualität des Meßvorganges verschaffen kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine bekannte Vorrichtung zur Spezifikation eines Durchstoßungspunktes einer Drehachse durch ein Target

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Anordnung zur Bestimmung eines Durchstoßungspunktes, sofern die Auftreffpunkte des Laserstrahls nur auf einem Teil des Vollkreises (Kreisbogen) liegen

Fig. 3 die erfindungsgemäße Bestimmung der Lage der Drehachse einer Spindel oder Welle relativ zu einem verwendeten Target

Fig. 4 die Wirkungsweise zur Ermittlung der wahren Drehachse von Spindel (29) im Vergleich zur Kurvenschar der emittierten Laserstrahlen (12)

Fig. 5 eine vergleichbare Anordnung, jedoch mit vertauscht angebrachter optischer Sende- bzw. Empfangseinrichtung

Fig. 6 eine schematische Darstellung zur Ermittlung des Winkelversatzes der beteiligten Spindeln

Fig. 1 weist bekannten, o. g. Stand der Technik aus und verwendet auch im wesentlichen die dortigen Bezugszeichen. An einer Spindel 29, Wellenende oder dgl. ist eine optische Sendeeinrichtung in Form eines Laserstrahl-Generators 16 angebracht, z. B. durch ein Backenfutter (nicht gezeigt). Es ergibt sich in der Praxis eine abweichende Lage des Laserstrahls 12 gegenüber der Spindelachse 30 (in der Zeichnung überhöht dargestellt). Bei Drehung der Spindel 29 beschreibt die Kurvenschar der Strahlen 12 annähernd einen Kegel, so daß auf dem Target 40 ein Kreisring 32 beschrieben wird, hervorgerufen durch einzelne Lichtpunkte 32A. Der Kreisring ist zentriert um das zugehörige Zentrum Z, Bezugsziffer 34, welches somit den Durchstoßungspunkt der Drehachse 30 durch das Target 40 definiert.

In Fig. 2 wird gezeigt, wie in ähnlicher Weise ein Durchstoßungspunkt Z' ermittelt werden kann, auch wenn anstelle eines Kreisringes nur ein Kreisbogen vorliegt, oder einzelne Lichtpunkte 32A 32B und 32C. Gemäß der Erfindung kann nämlich auch von solchen Lichtpunkten, sofern deren zweidimensionale Koordinaten elektronisch erfaßt sind, mittels eines besten Angleiches und unter Verwendung der Methode der kleinsten Quadrate, das zugehörige Zentrum Z' mit vergleichsweise grosser Präzision ermittelt werden. Dies gelingt in der Praxis für die meisten Konturen in direktem, nicht iterativem Rechengang. Bei Bedarf können aber auch iterative Rechenverfahren verwendet werden.

Wichtig ist, daß in Fig. 2 die Verhältnisse dargestellt werden, wie sie sich bei drehender erster sowie feststehender zweiter Spindel ergeben.

Dies ist in Fig. 3 gerade anders. Dort wird dargestellt, wie ein einzelner Lichtstrahl 12 bei arretierter erster Spindel relativ zu deren Drehachse 30 ausgesendet wird und einen ersten Auftreffpunkt 42A auf dem Target 40 definiert. Gemäß der Erfindung kann nun die Lage der Drehachse 60 der zweiten Spindel 52 relativ zum Target 40 dadurch sehr genau festgestellt und überprüft werden, daß die zweite Spindel 52 einige Male um einen beliebigen Drehwinkel gedreht wird (cf. Drehpfeil 61), so daß durch Lichtstrahl 12 z. B. weitere Lichtpunkte 42B, 42C in Erscheinung treten. Sie definieren den Kreis mit dem Mittelpunkt Z", wobei Z" auf der tatsächlichen Drehachse 60 der Spindel liegt. Auch in diesem Falle kann die Präzision bei der Bestimmung von Z" gesteigert werden. Wiederum sind dazu aber mehr als nur drei Meßpunkte und außerdem ein zugehöriges mathematisches Ausgleichsverfahren zu verwenden. Mit Bezugsziffer 70 und der symbolisch gezeigten Steckvorrichtung wird dargestellt, daß der optischen Empfangsvorrichtung 40 eine Elektronik oder ein Rechner (nicht gezeigt) nachgeschaltet wird, womit die in elektrischer Form vorliegenden Meßergebnisse weiterverarbeitet und angezeigt werden können.

In Fig. 4 werden in querschnittsmäßiger Ansicht noch einmal die Verhältnisse aus Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt. Es ist ersichtlich, daß nunmehr gemäß der Erfindung die Empfangsvorrichtung 40 (Sensor) so situiert sein kann, daß der Durchstoßungspunkt 34 einigermaßen nah an der Sensor-Kante liegen kann, was bislang Meßfehler zur Folge hatte.

In ähnlicher Weise werden in Fig. 5 die Verhältnisse aus Fig. 3 dargestellt, sofern Sende- und Empfangsvorrichtung 116 bzw. 140 vertauscht auf erster Spindel 29 bzw. 50 positioniert sind. Bei Drehung von Spindel 50 ergibt sich ein Kegel von Lichtstrahlen 112 um die tatsächliche Drehachse 130, wie gezeigt. Auftreffpunkt 132A liegt somit relativ nahe an der Begrenzung der Empfangsvorrichtung 140, kann aber mit weiteren Auftreffpunkten trotzdem zur Bestimmung des zugehörigen Kreiszentrums dienen.

Sofern Messungen gemäß Fig. 4 und 5 mit vertauschten Sende-/Empfangvorrichtungen durchgeführt worden sind, gelingt auch die Bestimmung der Orientierung der Spindeln relativ zueinander, wie in Fig. 6 dargestellt. Unter der Voraussetzung kleiner Winkelmaße ergibt sich der beispielsweise dargestellte Winkelversatz in vertikaler Richtung aus den in y-Richtung gemessenen Versatzmaßen S1 und S2, so daß tan (alpha) = ca. (S1 + S2)/d1.

Eine entsprechende Betrachtung gilt für den Winkelversatz in horizontaler, also azimutaler Richtung.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der Achslage zweier Maschinenspindeln oder Wellen relativ zueinander, gekennzeichnet durch die Ausführung folgender Schritte:

- an einer ersten Maschinenspindel oder einem ersten Wellenende wird stirnseitig eine optische Sendevorrichtung befestigt, mit welcher ein Lichtstrahl angenähert in axiale Richtung der Spindel ausgesendet wird;
- an einer zweiten Maschinenspindel oder einem zweiten Wellenende, welche bzw. welches der ersten Maschinenspindel bzw. Wellenende frontal gegenübersteht, wird stirnseitig eine flächige optische Empfangsvorrichtung befestigt, welche es gestattet, den genannte Lichtstrahl zu empfangen und dessen Auftreffpunkt nach zwei Koordinaten zu bestimmen;
- die Distanz zwischen der Sendevorrichtung und der Empfangsvorrichtung wird ermittelt;
- bei feststehender zweiter Maschinenspindel wird die erste Maschinenspindel manuell oder motorisch angetrieben in mindestens drei frei wählbare, aber definierte Drehlagen gebracht und die zugehörigen Positionen des Auftreffpunktes des Lichtpunktes registriert; die registrierten mindestens drei Positionen des Auftreffpunktes werden dazu herangezogen, die Parameter eines zugehörigen ersten Kreises, insbesondere dessen Mittelpunkts auf der optischen Empfangsvorrichtung, zu berechnen oder alternativ mittels einer Fehlerausgleichsmethode bestmöglich zu spezifizieren;
- bei feststehender erster Maschinenspindel wird die zweite Maschinenspindel manuell oder motorisch angetrieben in mindestens drei frei wählbare, aber definierte Drehlagen gebracht und die zugehörigen Positionen des Auftreffpunktes des Lichtpunktes registriert, die registrierten mindestens drei Positionen des Auftreffpunktes werden dazu herangezogen, die Parameter eines zugehörigen zweiten Kreises, insbesondere dessen Mittelpunkt auf der optischen Empfangsvorrichtung, zu berechnen oder alternativ mittels einer Fehlerausgleichsmethode bestmöglich zu spezifizieren;
- aus den errechneten oder spezifizierten Parametern des ersten und des zweiten Kreises sowie aus der Distanz zwischen der optischen Sendevorrichtung und der optischen Empfangsvorrichtung wird der Parallelversatz der Spindeln in einer horizontalen und/oder in einer vertikalen Ebene errechnet.

2. Verfahren zur Bestimmung der Achslage und Orientierung zweier Maschinenspindeln oder Wellen relativ zueinander, gekennzeichnet durch die Ausführung folgender Schritte:

- Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1;
- Vertauschtes Anbringen von Sendevorrichtung und Empfangsvorrichtung auf die zu untersuchenden Maschinenspindeln oder Wellen, so daß die optische Sendevorrichtung auf der zweiten Maschinenspindel und die optische Empfangseinrichtung auf der ersten Maschinenspindel angeordnet ist;
- sinngemäße Wiederholung des Verfahrens nach Anspruch 1, so daß die Parameter eines dritten und eines vierten Kreises errechnet werden;
- aus der Distanz zwischen der Sendevorrichtung und der Empfangsvorrichtung sowie aus den errechneten oder spezifizierten Parametern des ersten, zweiten, dritten und des vierten Kreises 1 wird der Winkelversatz sowie der Parallelversatz der Spindeln in einer horizontalen und/oder in einer vertikalen Ebene errechnet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit den errechneten Versatzmaßen betreffend Parallelversatz und/oder Winkelversatz eine Vorrichtung gesteuert wird, mit welcher zumindest eine von beiden Spindeln oder Wellen derartig im Raum relativ zur jeweils anderen Spindel bewegt wird, dass ein verbleibender Versatz minimiert oder eliminiert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameter eines Kreises in direktem, nicht iterativen Rechengang ermittelt werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß neben den Parametern eines Kreises die zugehörigen statistischen Parameter des errechneten besten Kurvenangleichs angegeben werden.

6. Verfahren in Anlehnung an Anspruch 1 oder 2, bei dem die jeweilige dort genannte Meßwerterfassung dadurch erweitert wird, daß eine zusätzliche Drehlagenerfassung der ersten und/oder zweiten Spindel mittels Inclinometern durchgeführt wird und die jeweiligen Inclinometer-Meßwerte zusätzlich in den Rechengang zur Ermittlung des Parallelversatzes oder des Winkelversatzes in horizontale oder vertikale Richtung einbezogen werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beobachteten Auftreffpunkte des Lichtstrahls, zugehörige errechnete Kreise und die errechneten Versatzmaße auf einem elektronischen Bildschirm angezeigt werden.

8. Vorrichtung zur Bestimmung der Achslage und Orientierung zweier Maschinenspindeln oder Wellen relativ zueinander, mit folgenden Merkmalen:

- an einer ersten Maschinenspindel ist stirnseitig eine optische Sendevorrichtung befestigt, mit welcher ein Lichtstrahl, insbesondere ein Laser-Lichtstrahl, angenähert in axiale Richtung der Spindel ausgesendet wird;
- an einer zweiten Maschinenspindel, welche der ersten Maschinenspindel frontal gegenübersteht, ist stirnseitig eine flächige optische Empfangsvorrichtung befestigt, welche es gestattet, den genannten Lichtstrahl zu empfangen und dessen Auftreffpunkt nach zwei Koordinaten zu bestimmen
- der optischen Empfangsvorrichtung ist eine Elektronik oder ein Rechner nachgeschaltet, welcher anhand von drei oder mehr registrierten Auftreflpunkten einen diesen bestmöglich zugeordneten Kreis zu berechnen gestattet, so daß dessen errechnete Parameter "Mittelpunktskoordinaten" und "Radius" einem nachfolgenden manuellen oder elektronischen Rechenvorgang zur Bestimmung der Achslage und Orientierung zuführbar sind.

9. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, ergänzt durch ein oder mehrere Inclinometer zur Bestimmung der jeweiligen Drehlage einer Spindel, wobei angezeigte Inclinometerwerte zusätzlich zu den Werden der Auftreffpunkte des Licht- oder Laserlichtstrahls der vorgenannten Elektronik oder dem Rechner zur Verbesserung der Meßgenauigkeit zugeführt werden.