DE102006046545A1

DE102006046545A1 - Vorrichtung zur Vermessung der Geometrie von Kanten

Info

Publication number: DE102006046545A1
Application number: DE102006046545A
Authority: DE
Inventors: Gunther Röder; Oliver Scherer
Original assignee: Gunter Roder & Oliver Scherer Messtechnik GbR (vertretungsberechtigte Gesellschafter Dipl-Ing Gunther Roder; Gunter Roeder & Oliver Scherer; Dipl-Ing Oliver Scherer 66333 Volklingen)
Current assignee: Gunter Roder & Oliver Scherer Messtechnik GbR (vertretungsberechtigte Gesellschafter Dipl-Ing Gunther Roder; Gunter Roeder & Oliver Scherer; Dipl-Ing Oliver Scherer 66333 Volklingen)
Priority date: 2006-08-10
Filing date: 2006-09-25
Publication date: 2008-02-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vermessung der Geometrie von Kanten, insbesondere von Turbinenschaufelkanten und Schneidkanten, aber auch von anderen Kanten aller Art. Dazu werden eine oder mehrere Abstandsmesseinrichtungen eingesetzt. Zwischen deren Messstelle(n) und der zu vermessenden Kante wird eine Relativbewegung ausgeführt. Für Kanten mit komplizierterem Profil und für Kanten mit kleinem Kantenwinkel werden vorzugsweise mehrere Abstandsmesseinrichtungen (2, 3, 4, ...) eingesetzt, deren Messergebnisse zu einem gemessenen Kantenprofil zusammengesetzt werden. Die Abstandsmesseinrichtungen sind dabei örtlich zueinander fixiert. Die Wirkrichtungen M2, M3, M4, ... der Abstandsmesseinrichtungen fallen vorzugsweise nicht mit der Relativbewegung V zusammen.

Description

Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vermessung der Geometrie von Kanten. Insbesondere, aber nicht ausschließlich, betrifft die Erfindung die Vermessung der Geometrie von Turbinenschaufelkanten und von Schneidkanten sowie die Vermessung der Geometrie von Kanten mit Graten, insbesondere, aber nicht ausschließlich von Kanten, die durch Stanzen hergestellt sind.
Eine Kante entsteht durch das Zusammentreffen zweier Flächen unter einem bestimmten Winkel. Im einfachsten Fall sind die Flächen plan und die Kante ist eine Gerade. Wenn die Flächen gebogen sind, ergibt sich entsprechend eine gebogene Kante. Auch der Kantenwinkel kann im Verlauf einer Kante variieren. Wenn der Kantenwinkel größer als 180° ist, wird die Kante als Hohlkante oder Hohlkehle bezeichnet.
In einem idealisierten Fall ist die Kante scharf, das heißt, nicht verrundet. In der Praxis hat die Kante jedoch immer einen mehr oder weniger idealen Radius, wobei dieser sehr klein sein kann, wenn die Kante scharf ist. Er kann jedoch auch groß sein, wenn die Kante eine starke Verrundung aufweist. Im Allgemeinen handelt es sich bei der Verrundung der Kante trotz der Bezeichnung Radius nicht um einen exakten Kreisabschnitt. Der Kantenradius kann als der Radius definiert werden, der die Krümmung an der Stelle der Winkelhalbierenden der Kante beschreibt. An dieser Stelle ist der Kantenradius meist maximal. Der Kantenradius kann im Verlauf einer Kante variieren. Die Form der Verbindung zwischen den zwei Flächen, die die Kante definieren, ab der Stelle, an der die Oberfläche des Objekts nicht mehr zu den Flächen gerechnet wird, wird im folgenden als Kantengeometrie oder Geometrie der Kante bezeichnet. Ein Kante kann auch eine kompliziertere Geometrie als eine Kurve mit konstanter oder variabler Krümmung haben, zum Beispiel durch einen Grat oder wellenförmige Aufwertungen z.B. durch eine Bearbeitung. Die Kante eines Bleches mit einem Kantenwinkel von 180°, der definiert wird, wenn die Ober- und Unterseite des Blechs als die an die Kante angrenzenden Flächen betrachtet werden, kann beispielsweise als aus zwei 90°-Winkeln mit einem mehr oder weniger geraden Abschnitt dazwischen bestehend angesehen werden. Die beiden 90°-Winkel können jedoch je nach Messaufgabe auch einzeln als Kanten definiert werden.
Kanten können vielerlei technische Funktionen haben. Im Bereich der Strömungstechnik hat die Geometrie an einer Kante eine besondere Bedeutung, da sich die Strömung an festen Bauteilen durch die Geometrie der Kante verändert und dementsprechend optimiert werden kann. Dies ist insbesondere bei Turbinenschaufeln der Fall. Neuere Entwicklungen haben gezeigt, dass ein elliptisches Profil der Kante (das als Querschnitt in einem Winkel zum Kantenverlauf definiert wird) vorteilhaft ist. Im Feld der Schneidwerkzeuge hat die Kante ebenfalls eine besondere Bedeutung, da von ihr Schnittkraft und Schnittqualität entscheidend abhängen. Außerdem kann auch die Kante von geschnittenen, gestanzten oder anderweitig bearbeiteten Werkstücken besondere Bedeutung haben, z. B. auf Grund von Graten, abstehenden Spanresten, Ausbrüchen oder Verformungen, die die Funktion oder das Aussehen beeinträchtigen oder den Benutzer gefährden können. Eine bestimmte Geometrie kann u. U. auch eine bestimmte Funktion erfüllen. Nicht zuletzt kann auch die Form von Kanten von Interesse sein, die ohne gezielte Herstellung entstanden sind, z. B. Bruchkanten oder Objekte der Geologie oder Biologie.
Aus Gründen der Qualitätssicherung oder für Entwicklung oder Forschung kann es erforderlich sein, die Geometrie von Kanten zu messen. Dazu kann nach dem Stand der Technik beispielsweise eine Koordinatenmessmaschine verwendet werden. Nachteilig sind dabei jedoch die hohen Maschinenstundensätze, die eine universelle Koordinatenmessmaschine verursacht. Zudem muss die Maschine von speziell geschultem Personal bedient werden. Außerdem ist die Messgeschwindigkeit nicht auf diesen Fall bin optimiert, was die Prüfkosten weiter in die Höhe treibt und eine 100%-Prüfung bei einer Fertigung mit hohem Ausstoß nahezu unmöglich macht. Koordinatenmessmaschinen sind nach dem Stand der Technik hinlänglich bekannt.
Der Anmelder hat am 10.08.2006 eine weitere deutsche Patentanmeldung eingereicht, die die Vermessung von Kanten betrifft. Diese wird durch Inanspruchnahme der inneren Priorität in diese Anmeldung eingebunden.
Gegenstand der Erfindung ist es daher, eine Messvorrichtung zu schaffen, die eine schnelle und kostengünstige Messung der Kantengeometrie auch durch wenig geschultes Personal ermöglicht. Die Kantengeometrie soll im allgemeinen als Datensatz in einer Datenverarbeitungseinrichtung für die weitere Verwendung vorliegen. In manchen Fallen ist jedoch eine Anzeige der Geometrie ausreichend.
Mit der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Vermessung der Geometrie von Kanten geschaffen, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung durch eine Relativbewegung zwischen der Kante und einer Messstelle mindestens einer Abstandsmesseinrichtung bewirkt wird. Für bestimmte Fälle wird es bevorzugt, mehrere Messstellen zu verwenden. Zur Bestimmung der Kantengeometrie wird die Position oder die Positionen der Relativbewegung(en) gemessen, wenn ein Messwert der Abstandsmesseinrichtung(en) aufgenommen wird. Aus dem Messwert/den Messwerten und den Position(en) wird ein Punkt oder mehrere Punkte auf der Oberfläche der bestimmt.
Nach der Erfindung wird die Aufgabe folgendermaßen gelöst. Die Grundidee ist, eine oder mehrere Abstandsmesseinrichtungen so einzusetzen, dass damit der Abstand zwischen der Messeinrichtung und der Kantenoberfläche bestimmt und dadurch die Geometrie einer Kante 1 erfasst werden kann. Damit eine Abtastung einer Kantengeometrie mit einer Abstandsmesseinrichtung 2 möglich ist, müssen das Objekt, an dem sich die Kante befindet, und die Messstelle, an der die Wirklinie in Messrichtung M der Abstandsmesseinrichtung auf die Oberfläche des Objektes trifft, eine Relativbewegung ausführen, die wenigstens Anteile quer zur Messrichtung hat, oder im Extremfall vollständig quer zur Messrichtung verläuft. Dies wird vorzugsweise durch eine lineare oder eine rotierende Bewegung erreicht, da diese Bewegungsformen leicht zu realisieren und entsprechende Messergebnisse leicht auszuwerten sind. In einem Spezialfall liegt die Vorschubrichtung V an der Messstelle in einem Winkel von 90° zur Messrichtung M. Dieser Winkel wird im weiteren als Schrägstellwinkel α bezeichnet.
Mit einer rotierenden Relativbewegung zwischen Kante und Abstandsmesseinrichtung wird eine Aufnahme der Messwerte in Polarkoordinaten (Radius r, Winkel φ) erreicht, deren Ursprung im Rotationszentrum liegt (1). Mit einer eindimensionalen linearen Bewegung wird eine Aufnahme eines zweidimensionalen Profils in kartesischen Koordinaten erreicht (2). Um ein Kantenprofil zu messen, müssen Messwerte der Abstandsmesseinrichtung und die zugehörigen Positionen entlang der Bewegung aufgenommen werden. Im Falle einer Rotation ist die Position der Drehwinkel φ, und im Falle einer Translation der zurückgelegte Weg x. Die Mess werte der Abstandsmesseinrichtung stellen die Koordinaten der Kante r bzw. y dar.
In einer Konfiguration mit einem Schrägstellwinkel α von 90° und linearer Bewegung kann ein Profil eines Querschnittes der Kante aufgenommen werden, dessen Bezugslinie der Koordinaten aus dem Nullwert der Abstandsmesseinrichtung in Vorschubrichtung V entsteht. Im Falle einer Messung mit linearem Vorschub ist die Bezugslinie eine Gerade, während sie im Falle einer Messung in Polarkoordinaten ein Kreis ist. Der Kreis hat den Radius Null, wenn der Nullwert der Abstandsmesseinrichtung im Rotationszentrum liegt.
Die Messung eines Profils kann auch mit einem Schrägstellwinkel α durchgeführt werden, der von 90° abweicht. Dies kann für die Messung an schrägstehenden Teilen der Kantengeometrie sinnvoll sein, wie unten detaillierter ausgeführt wird. Außerdem kann ein Auftreffwinkel zwischen der Oberfläche der zu vermessenden Kante und der Messrichtung M definiert werden. Er wird mit β bezeichnet.
In der Praxis können Abstandsmesseinrichtungen nicht mit beliebigen Kombinationen aus Schrägstellwinkeln α und Auftreffwinkeln β arbeiten. Der Grund hierfür sind beispielsweise Querkräfte, die bei mechanisch berührenden Abstandsmesseinrichtungen bei der Bewegung auftreten, oder schräges Einstrahlen bei optischen Abstandsmesseinrichtungen.
Als mechanisch berührende Abstandsmesseinrichtungen können zum Beispiel induktive Messtaster (LVDTs), Taster, die mit einer kapazitiven Wegmesseinrichtung gekoppelt sind, oder Messaufnehmer auf Basis eines Maßstabes geeignet, der beispielsweise optisch oder kapazitiv ausgelesen wird, oder elektronisch ausgelesene Messuhren. Um die Reibung an der Kante zu minimieren, kann die Spitze des taktilen Messaufnehmers drehbar ausgeführt sein, z. B. mit einer Rolle oder einer Kugel. Da der Berührungspunkt vom Auftreffwinkel β der Wirklinie auf die Oberfläche der Kante abhängt, kann eine entsprechende rechnerische Kompensation des Messwerts erforderlich sein. Eine solche Fehlerkompensation ist Fachleuten aus dem Bereich der Oberflächenvermessung mit Tastschnittgeräten geläufig.
Bei mechanisch berührenden Abstandsmesseinrichtungen treten grundsätzlich Querkräfte auf, wenn ein Anteil der Relativbewegung quer zur Messrichtung vorliegt, was für die vorliegende Messung unabdingbar ist. Die Querkräfte ergeben sich daraus, dass ein mechanischer Taster mit einer gewissen Vorspannung an die Oberfläche angedrückt werden muss, was zu Reibung in Querrichtung zur Oberfläche führt. Wenn die die Messrichtung nicht senkrecht auf die Oberfläche steht (β # 90°), gibt es auch im Stillstand ohne Reibung durch die Reaktionskraft der angetasteten Oberfläche eine Querkraft im Messtaster. Diese statische Querkraft kann der Reibung je nach der Richtung der Neigung der Messrichtung zur Oberfläche bei Bewegung entgegenwirken oder sie sie verstärken, was dann zu einer ensprechenden Gesamtquerkraft führt, die deshalb für einen bestimmten Auftreffwinkel β Null wird. Dies kann eine optimale Einstellung für den Betrieb einer solchen mechanisch tastenden Messvorrichtung sein. Eine weitere Erhöhung der Querkraft kann entstehen, wenn die Bewegung in Vorschubrichtung V bei der Messung dazu führt, dass der Taster eingedrückt wird. Ob dies geschieht, hängt vom Schrägstellwinkel α und vom Auftreffwinkel β ab, wie sich ein Fachmann geometrisch leicht klarmachen kann. Wenn der Vorschub parallel zur Oberfläche liegt, wird der Taster nicht eingedrückt. Dies ist der Fall, wenn gilt: α + β = 180°. Wenn α + β > 180° ist, fährt der Taster aus, gilt α + β < 180°, so wird der Taster eindrückt. Im letzteren Fall kann sich durch Beschleunigungskräfte oder gebenenfalls erhöhte Federkraft die Vorspannung erhöhen, was wiederum höhere Querkräfte bedingt. Die oben beschriebene optimale Einstellung ändert sich dadurch jeodch nicht, solange die Reibkraft proportional zur Andruckkraft ist und Beschleunigungen in die Messrichtung M stattfinden.
Die Führung einer mechanisch berührenden Abstandsmesseinrichtung kann keine beliebig hohen Querkräfte aufnehmen. Außerdem entstehen elastische oder sogar plastische Verformungen der mechanischen Teile der Abstandsmesseinrichtung durch Querkraft, was zu seitlicher Auswanderung der Messstelle und ab einem bestimmten Querkraft-/Längskraft-Verhältnis zu Klemmen der Führung führt. Zudem kann die Messstelle selbst nicht mit beliebig hohen Kräften beaufschlagt werden, ohne dass störende Verformungen oder Beschädigungen des Tasters oder der Oberfläche der Kante auftreten. Alle diese Faktoren führen in der Praxis beim Einsatz von mechanisch tastenden Abstandsmesseinrichtungen bei der Messung nach dieser Erfindung zu Beschränkungen für den Auftreffwinkel β, und unter Umständen auch für den Schrägstellwinkel α.
Optische Abstandsmesseinrichtungen, die für diese Aufgabe geeignet sind, sind zum Beispiel Triangulationsmessgeräte, Messgeräte nach dem Laufzeitprinzip, Interferometrische Abstandsmesseinrichtungen, Abstandsmessung durch Bestimmung der Fokuslage oder Abstandsmesseinrichtungen, die nach dem Prinzip der Abschattung eines Lichtstrahls arbeiten, wobei letztere keine durch eine Wirklinie definierte Messstelle sondern statt dessen eine Wirkrichtung aufweisen, und sich eine Messstelle ergibt, die keinen festen räumlichen Bezug zur Abstandsmesseinrichtung hat. Um die Kantengeometrie zu vermessen, können sie nur in Kombination mit einer rotatorischen Relativbewegung eingesetzt werden, da eine lineare Relativbewegung keine neuen Informationen liefert. Eine weitere Möglichkeit, zu Abstandsinformationen zu gelangen, die die Kantengeometrie beschreiben, ist, die Messergebnisse von optischen Messeinrichtungen, die den Winkel an der Oberfläche bestimmen, in eine Steigung an der Messstelle umzurechnen und diese zu integrieren oder anderweitig geeignet eine Kurve daraus zu bestimmen, die die Geometrie der Kante beschreibt.
Bei den meisten optischen Abstandsmesseinrichtungen ist nur der Auftreffwinkel β von Bedeutung, da keine Beschleunigung oder Vorspannkräfte auftreten. Wenn der Auftreffwinkel β zu klein wird, reichen im allgemeinen die Reflexionen für eine Messung nicht mehr aus. Es existieren daher Grenzwerte für den Auftreffwinkel β, innerhalb derer eine Abstandsmesseinrichtung im Rahmen der Anforderungen an die Messung eingesetzt werden kann. Davon ausgenommen sind Abstandsmesseinrichtungen, die nach dem Prinzip der Abschattung eines Lichtstrahls arbeiten, bei denen der Auftreffwinkel β keine Rolle spielt. Bei optischen Messeinrichtungen, die den Winkel an der Oberfläche bestimmen, wird β gemessen, und die Grenze ist deshalb der Messbereich der Winkelmesseinrichtung.
Wenn an einer Stelle entlang der Kante ein Kantenprofil aufgenommen werden soll, muss ein Winkel von 180° abzüglich des Kantenwinkels κ mit der Messstelle der Abstandsmesseinrichtung überstrichen werden. Wenn der maximal zulässige Winkel β kleiner als der Kantenwinkel 180° -κ ist, kann das Überstreichen durch eine relative Rotation von Kante und Abstandsmesseinrichtung mit einer einzigen Abstandsmesseinrichtung erreicht werden. Durch Rotation um mindestens 180° -κ – β kann bewirkt werden, dass der zulässige Auftreffwinkel β_zulässig auf jeder Stelle auf dem überstreichenden Winkel zu liegen kommt. Für eine lineare Relativbewegung sind in dieser Situation mehrere Abstandsmesseinrichtungen erforderlich, da die Messrichtung bei einer linearen Relativbewegung konstant bleibt und ein Überstreichen des Kantenwinkels so nicht möglich ist.
Ein weitere Vorgabe für die Anzahl, Anordnung und Relativbewegung der Abstandsmesseinrichtung(en) ist das Vorhandensein von Wendepunkten im Kantenprofil. Diese liegen z.B. an Kanten mit überlagerten Wellen oder Einkerbungen vor, wobei die „Täler" je nach Richtung der Wirklinie für die Abstandsmesseinrichtung unerreichbare Hinterschnitte bilden können. in 3 ist ein Beispiel einer linearen Messung gezeigt, bei der die Messstelle einen Hinterschnitt nicht erreichen kann. Bei einer Abstandsmesseinrichtung mit Wirkrichtung statt Wirklinie (z. B. bei Abstandsmesseinrichtung mit Abschattung eines Lichtstrahls) sind Hinterschnitte prinzipiell nicht erreichbar, wodurch diese für derartige Kantenprofile auch mit rotierender Relativbewegung nicht eingesetzt werden können. Um Hinterschnitte mit der Messstelle zu erreichen, kann entweder eine entsprechende Anordnung und Relativbewegung einer Abstandsmesseinrichtung vorgesehen werden, oder es kann die Anzahl der Abstandsmesseinrichtungen erhöht werden, um z.B. einen Hinterschnitt mit einer anderen und anders angeordneten Abstandsmesseinrichtung zu erreichen.
Allgemein gesprochen muss die Kombination aus Relativbewegung, anzumessenden Winkeln an der Oberfläche und Anzahl und Anordnung von Abstandsmesseinrichtungen sicherstellen, dass keine unzulässigen Messbedingungen insbesondere bzgl. des Auftreffwinkels β auftreten, und dass mit der Kombination alle Stellen des Profils erreicht werden können, d.h., dass Hinterschnitte durch Relativbewegung, Anordnung und Anzahl der Abstandsmesseinrichtungen nicht unzugänglich sind. Hierfür eine Vorgehensweise zu schaffen ist Teil der vorliegenden Erfindung.
Grundsätzlich stellt sich die Frage, unter welchen Umständen eine rotatorische Relativbewegung oder eine lineare Relativbewegung Vorteile bietet. Wie in unserer am 10.08.2006 eingereichten Patentanmeldung mit dem Titel „Vorrichtung zur Vermessung der Geometrie von Kanten" beschrieben ist, ist es bei rotatorischer Relativbewegung erforderlich, dass der Drehpunkt der Drehachse in einem relativ genau definierten zulässigen Bereich auf der Winkelhalbierenden innerhalb des zu ver messenen Objektes liegt. Dies erfordert unter Umständen nicht unerheblichen Positionierungsaufwand vor der eigentlichen Messung, insbesondere, wenn es sich um sehr schlanke Kanten mit kleinem Kantenwinkel und kleinem Kantenradius handelt. Da sich im allgemeinen der Mittelpunkt des Kreises, der durch die Krümmung an der Oberfläche definiert wird, nicht für alle Stellen der Oberfläche am selben Ort befindet, kann die Rotationsachse für eine Abstandsmesseinrichtung im allgemeinen nicht konstant in diesem Mittelpunkt liegen. Deshalb kann die Messrichtung im allgemeinen nicht an allen Stellen der Oberfläche der Kante senkrecht zu Oberfläche stehen, sodass auch bei Rotation der zulässige Aufteffwinkel β_zulässig überschritten werden kann. Bei Messungen mit linearer Relativbewegung liegen die Nachteile vor allem darin, dass die Messrichtung feststeht und der zulässige Aufteffwinkel β_zulässig nicht wie bei der Rotation ausgedehnt werden kann. Deshalb sind vergleichsweise tendenziell mehr Abstandsmesseinrichtungen erforderlich. Der Hauptvorteil liegt jedoch darin, dass der Aufwand zur relativen Positionierung von Abstandsmesseinrichtung und Kante vor der Messung erheblich geringer ist. Dies ist darin begründet, dass die Relativbewegung zwischen der Kante und der Messstelle leicht so zu realisieren ist, dass die Bewegungsmöglichkeit größer als die eigentlich erforderliche Messstrecke ist. Dadurch ist es ausreichend, die Kante im Bereich der Bewegungsmöglichkeit zu positionieren, was der Vorpositionierung zwischen Kante und Messstelle einen größeren Spielraum einräumt. Durch einen Messbereich der Abstandsmesseinrichtung, der größer als das eigentlich erforderliche Messeintervall ist, entsteht auch in Messrichtung ein größerer Spielraum für die Vorpositionierung.
Die Messaufgabe einer Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung kann die Vermessung von gänzlich unbekannten Kantengeometrien oder die genaue Vermessung einer Kante mit grundsätzlich bekannter Geometrie sein, z. B. an Teilen aus einer Serienfertigung. Mit der letzteren geht im allgemeinen auch die Möglichkeit einher, eine starre Aufspannvorrichtung verwenden zu können, mit der eine Vorpositionierung unkompliziert erreicht werden kann. Bei gänzlich unbekannten Kantengeometrien oder verschiedenen Messobjekten ist es im Gegensatz dazu vorteilhaft, wenn die Vorpositionierung nicht sehr exakt ausgeführt werden muss. In diesem Fall können die Vorteile einer linearen Bewegung überwiegen, auch wenn mehr Abstandsmesseinrichtungen erforderlich sind. Für eine derartige universelle Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung müssen dennoch Einschränkungen für die zu vermessende Kante definiert werden, die sich aus Anzahl, Anordnung und Relativbewegungen ergeben.
Ein mögliches Vorgehen für die Auswahl der Anzahl, Anordnung und der Relativbewegungen ist, den Kantenwinkel κ in Abschnitte zu unterteilen, die jeweils von einer einzelnen Abstandsmesseinrichtung im Rahmen ihrer Begrenzungen, insbesondere durch den Auftreffwinkel β_zulässig, vermessen werden können. Diese Abschnitte reihen sich für eine vollständige Messung des Kantenprofils lückenlos einander; wenn gewisse Teile der Kante nicht von Interesse sind, können dort Lücken gelassen werden. Die Anzahl der erforderlichen Messeinrichtungen ergibt sich dann aus der erwarteten Kantengeometrie, d.h., aus dem Kantenwinkel κ und zusätzlichen Wendepunkten, die den zu überstreichenden Winkelbereich erhöhen, und unter Berücksichtigung der nicht zu vermessenden Abschnitte in Kombination mit den zulässigen Auftreffwinkeln β_zulässig der vorgesehenen Abstandsmesseinrichtungen. Je nach Messaufgabe und erwarteter Form eines Abschnittes kann die Relativbewegung der Abstandsmesseinrichtung rotatorisch oder linear ausgeführt werden, wobei die Messrichtung vorzugsweise auf der Winkelhalbierenden des Abschnitts steht, um die möglichen Auftreffwinkel bis β_zulässig der Abstandsmesseinrichtung, die sich üblicherweise symmetrisch um β = 90° verteilen, optimal auszunutzen. Wenn größere Winkelbereiche zu vermessen sind, kann es im Sinne des Einsatzes möglichst weniger Abstandsmesseinrichtungen vorteilhaft sein, eine rotatorische Relativbewegung zu verwenden. Der Nachteil der höheren erforderlichen Genauigkeit der Vorpositionierung kann z. B. bei der Prüfung von Serienteilen nicht ins Gewicht fallen, wodurch in diesem Fall eine rotatorische Relativbewegung bevorzugt werden kann.
Wird beispielsweise eine rotatorische Anordnung einer einzelnen Abstandsmesseinrichtung eingesetzt, so kann diese bei guter Vorpositionierung und rein konvexer Oberfläche für die Vermessung des gesamten Kantenprofils ausreichen, wie in unserer ebenfalls eingereichten Anmeldung vom 10.08.2006 mit dem Titel „Vorrichtung zur Vermessung der Kantengeometrie" beschrieben ist. Diese kommt jedoch z.B. unter bestimmten Umständen für langgestreckte Ellipsen, kleine Kantenwinkel κ oder Wellen in der Oberfläche in der Nähe zum Übergang zu den angrenzenden Flächen an die Grenze des zulässigen Auftreffwinkels β_zulässig. Der Abschnitt für die rotatorisch bewegte Abstandsmesseinrichtung reicht dann nicht für die vollständige Überde ckung des zu überstreichenden Winkels 180° -κ aus. Dem kann beispielsweise dadurch abgeholfen werden, dass zwei weitere Abschnitte bis zu den Übergängen zu den angrenzenden Flächen ergänzt werden. Diese weiteren Abschnitte können dann z.B. mit zwei weiteren Abstandsmesseinrichtungen vermessen werden, die zum Beispiel mit linearer Relativbewegung arbeiten. Der Auftreffwinkel einer im Winkel fixierten Abstandsmesseinrichtung wird dabei im allgemeinen optimal ausgenutzt, wenn β an der Stelle des Mittelwerts der Neigung über den Messabschnitt senkrecht zur Oberfläche steht.
Das vorgenannte Beispiel bedingt, dass mindestens die rotatorische und die linearen Relativbewegungen voneinander verschieden sind. Um die Abstandsmesseinrichtungen mit der linearen Relativbewegung optimal auszunutzen, kann es sinnvoll sein, dass die beiden linearen Bewegungen nicht parallel zueinander stattfinden. Dann liegen drei voneinander verschiedene Relativbewegungen vor. Es kann jedoch auch bevorzugt werden, die beiden Abstandsmesseinrichtungen mit linearer Relativbewegung mit derselben Bewegungsvorrichtung zu betreiben, was eine Bewegungsvorrichtung einspart. Die optimale Ausnutzung des möglichen Auftreffwinkels kann in diesem Fall durch einen optimierten Schrägstellwinkel α auf Kosten eines höheren erforderlichen Messbereiches der Abstandsmesseinrichtung erreicht werden.
Es sei angemerkt, dass ein Schrägstellwinkel α, der von 90° abweicht, eine Veränderung der Empfindlichkeit der Abstandsmessung zwischen Kante und Abstandsmesseinrichtung in Abhängigkeit des Vorschubs der Relativbewegung mit sich bringt. Wie sich ein Fachmann aus der Geometrie leicht klarmachen kann, erscheint ein Differenzwert, der an der Oberfläche der Kante zwischen zwei Positionen der Relativbewegung mit dem Schrägstellwinkel α gemessen wurde, gegenüber dem echten Wert um den Faktor sin(α) verkürzt.
Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, jede Vermessung der Kantengeometrie ausschließlich mit linearen Relativbewegungen zu realisieren. Der Vorteil hiervon ist, dass dadurch die Vorpositionierung unkritisch wird. Grundsätzlich muss dabei sichergestellt werden, dass eine lineare Relativbewegung nicht in Messrichtung M einer Abstandsmesseinrichtung verläuft, da in dieser Konstellation keine Informationen über die Kante gewonnen werden können. Die Abstandsmesseinrichtung wird von der Relativbewegung ausgelenkt, ohne dass die Oberfläche der der Kante abgetastet wird, da es keine Querbewegung gibt. Die Wirkrichtungen von zwei Abstandsmesseinrichtungen können jedoch durchaus gleiche, aber entgegengesetzt sein, wenn sie zum Beispiel das Messobjekt von zwei Seiten erfassen.
Für eine rein konvexe Kanten ohne Wendepunkte sind mit ausschließlich linearen Relativbewegungen je nach zulässigem Auftreffwinkel β_zulässig und bei kleinem Kantenwinkel κ, was z. B. einem Blech, einer Turbinenschaufel oder einer Messerschneide entspricht, in der Praxis etwa zwei bis fünf Abstandsmesseinrichtungen erforderlich. Eine bevorzugte Ausführung dieser Erfindung ist eine Messvorrichtung, die eine solche Messeaufgabe universell abdecken kann. Vorzugsweise wird sie mit zwei oder drei Abstandsmesseinrichtungen ausgeführt. Vorzugsweise werden Lasertriangulationssensoren eingesetzt, da diese berührungslos und verschleißfrei arbeiten. Vorzugsweise wird zwischen den Abstandsmesseinrichtungen, die zueinander feststehend befestigt sind, und der Kante nur eine Relativbewegung ausgeführt. Vorzugsweise überlappen sich die messbaren Auftreffwinkel der Abstandsmesseinrichtungen, sodass eine lückenlose Aufnahme aller Kantenpositionen möglich ist. Dies kann durch Auswahl einer Messeinrichtung mit ausreichend großem zulässigen Auftreffwinkel β_zulässig und geeignet gewählten Messrichtungen M erreicht werden. Die Vorschubrichtung V für die gemeinsame Relativbewegung aller Messpunkte bzgl. der Kante wird vorzugsweise so gewählt, dass die Schrägstellwinkel α aller Messrichtungen möglichst um den gleichen Betrag von 90° abweichen. Dadurch wird die Empfindlichkeit der einzelnen Abstandsmesseinrichtungen so gleich wie möglich gehalten. Wenn einzelne Stellen der Oberfläche eine höhere Messgenauigkeit erfordern, kann die Abstandsmesseinrichtung des zugehörigen Abschnitts gezielt mit einem Schrägstellwinkel α betrieben werden, der stärker von 90° abweicht, um deren Auflösung zu erhöhen. Je nach Anzahl der Abstandsmesseinrichtungen ergeben sich für die messbaren Kanten verschiedene Vorgaben, insbesondere hinsichtlich des Kantenwinkels κ und zulässiger Welligkeit auf der Oberfläche. Ein Beispiel mit zwei Abstandsmesseinrichtungen ist in 4 und eines mit drei Abstandsmesseinrichtungen in der 5 dargestellt. Grundsätzlich, und auch in den Beispielen in den 4 und 5, muss die Kante für eine vollständige Vermessung des Kantenprofils bzgl. den Abstandsmesseinrichtungen vor der Messung derart positioniert werden, das durch Ausführung der Relativbewegung(en) alle rele vanten Teile der Kante von den Messstellen überstrichen werden. Die 4 und 5 stellen nicht die Vorpositionierung, sondern die Situation während der Messung dar.
Eine Vorrichtung zur Vermessung der Geometrie von Kanten mit Graten wird vorzugsweise durch eine Konfiguration realisiert, die in 6 dargestellt ist. Vorzugsweise werden drei Abstandsmesseinrichtungen eingesetzt, wobei die Abstandsmesseinrichtung, die mit 4 beziffert ist, weggelassen werden kann, wenn der Verlauf erkannte unterhalb des Grades nicht interessant ist, und die Abstandsmesseinrichtung 2 weggelassen werden kann, wenn der Gratrücken nicht von Interesse ist. Im einfachsten Fall wird nur die Abstandsmesseinrichtung 3 verwendet. Die Vorschubrichtung wird wiederum so ausgerichtet, dass die Schrägstellwinkel α aller Messrichtungen möglichst um den gleichen Betrag von 90° abweichen, beziehungsweise können einzelne Abstandsmesseinrichtungen wiederum gezielt mit einem Schrägstellwinkel α betrieben werden, der stärker von 90° abweicht, um deren Auflösung zu erhöhen. In der Figur sind dies die Abstandsmesseinrichtungen 3 und 4. Vorzugsweise werden Abstandsmesseinrichtungen nach einem Fokusabstandsmessverfahren verwendet, da diese sehr kleine Messstellen produzieren können, was insbesondere bei Graten in der Größenordnung von nur wenigen Mikrometern vorteilhaft ist.
Bei den beschriebenen bevorzugten Ausführungen, aber auch allgemein für Vorrichtungen nach der vorliegenden Erfindung für die Vermessung von Kanten mit unbekannter Geometrie, kann eine Vorpositionierung dadurch erreicht werden, dass die Kante an einen Anschlag angelegt wird. Dieser Anschlag hat vorzugsweise die Form eines Hohlwinkels. Vorzugsweise wird an eine seiner Flanken eine der an die Kante angrenzenden Flächen angelegt, und an die andere Flanke ein Teil des Kantenprofils oder die andere an die Kante angrenzenden Fläche. Der Anschlag kann jedoch auch andere Geometrien aufweisen. Wesentlich ist, dass er die Position der Kante bzgl. der oder den Abstandsmesseinrichtungen vor der Messung festlegt und diese Position während der Relativbewegung als Bezugspunkt der Kante bestehen bleibt, das heißt, dass die Kante während der Messung einen Anschlag angelegt bleibt. Der Anschlag wird vorzugsweise in Kantenrichtung neben dem zu vermessenen Kantenprofil angeordnet. Dabei ist der Anschlag vorzugsweise im Kantenrichtung so lang ausgebildet, dass Verkippen der Kante in der Führung nicht leicht möglich ist. Alternativ kann bevorzugt werden, den Anschlag geteilt auszuführen, und ihn in Kantenrichtung an beiden Seiten des zu vermessenen Kantenprofils anzuordnen. Durch den Anschlag wird die Position der Messvorrichtung in Bezug auf die Kantenrichtung festgelegt. Dadurch und durch die Anordnung der Messvorrichtung bezüglich des Anschlags wird auch festgelegt, unter welchem Winkel zur Kantenrichtung das Profil aufgenommen wird. Vorzugsweise wird ein Kantenprofil im wesentlichen senkrecht zur Kantenrichtung aufgenommen.
Wenn nicht nur ein Profil einer Kante aufgenommen werden soll, sondern die dreidimensionale Kantengeometrie entlang der Kartenrichtung, so kann dies zum Beispiel erreicht werden, indem an mehreren Stellen Kantenprofile aufgenommen werden und dazwischen interpoliert wird.
Wenn mehrere Abstandsmesseinrichtungen eingesetzt werden, oder eine kompliziertere Bewegung als eine einfache Drehung oder eine einfache Verschiebung oder Kombinationen daraus gewählt werden, stellen die gemessenen Daten der Kante nicht direkt Polarkoordinaten oder kartesische Koordinaten dar. Vielmehr müssen die Daten von verschiedenen Abstandsmesseinrichtungen, die auf verschiedenen Abschnitten der Kante gemessen wurden, mit für sie spezifischen Korrekturwerten, die sich aus ihrer Anordnung und der zugehörigen Bewegung ergeben, korrigiert und schließlich zu einem gemessenen Gesamtprofil der Kante zusammengesetzt werden. Dieses Gesamtprofil der Kante liegt in einem gemeinsamen, einheitlichen Koordinatensystem für alle Punkte. Damit kann es als Messung eines Querschnitts der Kantengeometrie verwendet werden.
Zunächst muss eine Korrektur der Messwerte dahingehend durchgeführt werden, dass nach der Korrektur alle Messdaten bezüglich der echten Kantengeometrie denselben Maßstab aufweisen. Dieser verändert sich zum Beispiel durch den Schrägstellwinkel a. Natürlich müssen auch möglicherweise verschieden kodierte Messergebnisse von Abstandsmesseinrichtungen von verschiedenen Typen auf einen gleichen Maßstab umgerechnet werden.
Der zweite Schritt ist, die Koordinatensysteme der einzelnen Abstandsmesseinrich tungen durch Transformationen in ein Einheitskoordinatensystem des Gesamtprofils zu überführen. Die Art der Transformation hängt von der Art der Relativbewegung und der Position und Richtung der Wirklinie der Abstandsmesseinrichtungen Bezug auf die Kante ab. Liegen nur lineare relative Bewegungen vor, beschränken sich die Transformationen auf Translationen und Rotationen der Koordinatensysteme der einzelnen Abstandsmesseinrichtungen. Liegen außerdem rotatorische Relativbewegungen vor, können deren Polarkoordinaten zunächst in kartesische Koordinaten transformiert werden. Mit diesen kann dann verfahren werden, wie mit Koordinaten von Abstandsmesseinrichtungen mit linearer Relativbewegung. Wenn Messwerte durch kompliziertere relativ Bewegungen erfasst wurden, müssen der Bewegung entsprechende Transformationen verwendet werden, um die Messergebnisse wieder in kartesische Koordinaten zu transformieren. Nach den Transformationen können die Messwerte in einem einzigen Datensatz zusammengefasst werden, die dann zum Beispiel gespeichert oder angezeigt werden können. Die Rechenfunktionen werden von einer Überlagerungseinrichtung ausgeführt. Diese kann beispielsweise in einem PC, einem Mikrocontroller, einem digitalen Signalprozessor oder einem FPGA implementiert werden. Die Überlagerungseinrichtung kann auch die oben erwähnte Korrektur der Messwerte übernehmen.
Um die Koordinatensysteme der einzelnen Abstandsmesseinrichtungen miteinander zu in Bezug zu setzen, sind Parameter für die Transformationen der einzelnen Koordinatensysteme zum Einheitskoordinatensystems des Gesamtprofils erforderlich. Dabei handelt es sich beispielsweise um Längen für die Translation und Drehwinkel für die Rotation von kartesischen Koordinatensystemen. Bei anderen Transformationen können zusätzliche Parameter erforderlich sein. Diese Parameter können durch Kalibrierung mit einem bekannten Messobjekt gewonnen werden. Je nachdem, welche Transformationsparameter erforderlich sind, muss das Kalibrierstück bestimmte bekannte geometrische Abmessungen aufweisen. Pro Translationstransformation ist jeweils ein bekannter Punkt im Ausgangs- und ihr Koordinatensystem erforderlich. Für eine Rotationstransformation sind zwei bekannte Punkte erforderlich, das heißt ein weiterer, wenn außerdem einen Translationstransformation durchgeführt wird. Für eine Transformation von Polarkoordinaten in in das Einheitskoordinatensystem des Gesamtprofils muss der Ursprungs der Polarkoordinaten bekannt sein. Dieser kann zum Beispiel durch Vermessung eines Kalibrierstück mit bekanntem Radius ermittelt werden.
Für einige Messeaufgaben kann es vorteilhaft sein, wenn die Hauptausdehnung der Messvorrichtung sich nicht hauptsächlich in der Ebene des Kantenprofils erstreckt. Dieses zum Beispiel für Messungen an Turbinenschaufeln der Fall, bei denen die Turbinenschaufeln aus dem vollen Material der Turbinenwelle herausgearbeitet sind. Hinter den Kanten ist nur wenig Platz vorhanden, da gleich dahinter die nächste Reihe von Turbinenschaufeln angeordnet ist. Für eine Messung ist es daher vorteilhaft, wenn die Messrichtung(en) M der Abstandsmesseinrichtung(en) (2, 3, 4, ...) aus der Ebene des zu vermessenden Profils heraus umgelenkt werden. Dies kann im Falle einer optischen Abstandsmesseinrichtung meist und vorzugsweise durch einen Planspiegel erreicht werden, der kurz hinter der Messstelle angeordnet wird. Im Falle einer mechanisch tastenden Abstandsmesseinrichtung kann eine Umlenkung zum Beispiel durch einen präzise gelagerten Umlenkhebel bewirkt werden.

Claims

Vorrichtung zur Vermessung der Geometrie von Kanten, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung durch eine Relativbewegung (V) zwischen der Kante (1) und einer Messstelle mindestens einer Abstandsmesseinrichtung (2, 3, 4, ...) bewirkt wird.
Vorrichtung zur Vermessung der Geometrie von Kanten, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung durch Relativbewegung (V) zwischen mehreren Messstellen von mehreren Abstandsmesseinrichtungen (2, 3, 4, ...) und der Kante (1) bewirkt wird.
Vorrichtung zur Vermessung der Geometrie von Kanten, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionen der Relativbewegung(en) (V) bei der Aufnahme von Messwerten der Abstandsmesseinrichtung(en) (2, 3, 4, ...) bestimmt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung der Kantengeometrie die Messergebnisse der Abstandsmesseinrichtung oder der Abstandsmesseinrichtungen (2, 3, 4, ...) mit den Positionen der Relativbewegung oder den Relativbewegungen (V) in Verbindung gebracht werden.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativbewegung(en) (V) der einen oder der mehreren Abstandsmesseinrichtungen (2, 3, 4, ...) jeweils linear oder rotatorisch ausgeführt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Abstandsmesseinrichtung (2, 3, 4, ...) ein Abschnitt des Kantenprofils definiert ist, innerhalb dessen die jeweilige Abstandsmesseinrichtung eine Messung innerhalb ihres zulässigen Auftreffwinkels β_zulässig ausführt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschnitte, die zu den Abstandsmesseinrichtungen (2, 3, 4, ...) der Vorrichtung gehören, die interessierenden Anteile des Kantenprofils oder das vollständige Kantenprofil (1) abdecken.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2, 4, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ergebnisse von mehreren Abstandsmesseinrichtungen (2, 3, 4, ...) von einer Überlagerungseinrichtung rechnerisch so überlagert werden, dass sich als Ergebnis ein zusammengesetztes Kantenprofil (1) ergibt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kalibrierung der Überlagerungseinrichtung dadurch durchgeführt wird, dass ein Kalibrierstück mit an geeigneten Stellen bekannten geometrischen Abmessungen vermessen wird und aus den Ergebnissen Kalibrierwerte errechnet werden, mit deren Hilfe die Überlagerungseinrichtung die Ergebnisse der einzelnen Abstandsmesseinrichtungen miteinander in Beziehung setzt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ausschließlich lineare Relativbewegungen (V) zwischen einer oder mehreren Messstellen und der zu vermessenden Kante ausgeführt werden, um damit eine möglichst wenig präzise festgelegte Vorpositionierung der relativen Position von Messstellen bezüglich der Kante (1) zu erreichen.
Vorrichtung nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Messbereich der Abstandsmesseinrichtungen (2, 3, 4, ...) den Messbereich, der für die Messung der Extremalwerte der Kante (1) erforderlich ist, überschreitet, sodass dadurch der Bereich der möglichen Vorpositionierung für die Messung erweitert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Bewegungsbereich für die lineare Relativbewegung einer Abstandsmesseinrichtung (2, 3, 4, ...) den Bereich, der für die Messung der Extremalwerte des zugehörigen Abschnitts der Kante (1) erforderlich ist, überschreitet, sodass dadurch der Bereich der möglichen Vorpositionierung für die Messung erweitert wird
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr Abstandsmesseinrichtungen (2, 3, 4, ...) eingesetzt werden, die die selbe lineare Relativbewegung (V) bezüglich der Kante ausführen, wobei die Richtung der linearen Relativbewegung mit keiner der Wirkrichtungen (M) der Abstandsmesseinrichtungen zusammenfällt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Anschlag aufweist, sodass die Position der Kante (1) durch Anlegen an den Anschlag festgelegt werden kann, und die eine oder die mehreren Relativbewegung(en) (V) der Abstandsmesseinrichtung(en) (2, 3, 4, ...) relativ zu dem Anschlag durchgeführt werden.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Messverfahren für die Abstandsmesseinrichtung Triangulation, Interferometrie, Fokusabstandsmessung oder ein mechanischer Taster mit induktiver Auslesung durch einen LVDT oder mit einem optischen oder kapazitiven Maßstab eingesetzt werden.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkrichtung(en) (M) der Abstandsmesseinrichtung(en) (2, 3, 4, ...) aus der Ebene des zu vermessenen Profils heraus umgelenkt werden.