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Die
Erfindung betrifft ein Messverfahren zum Messen einer Werkstückoberfläche an einem
Werkstück,
ein zur Durchführung
des Messverfahrens geeignetes Messsystem sowie eine Bearbeitungsmaschine
mit einem Messsystem. Bevorzugtes Anwendungsgebiet ist die Messung
von durch Honen bearbeiteten Zylinderlaufflächen eines Motorblockes oder die
Messung von durch Superfinishen oder Außenhonen bearbeiteten, zylindrisch
gekrümmten
Außenflächen von
Werkstücken
zur Bestimmung der Oberflächenstruktur
der Werkstückoberfläche.
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Das
Honen ist ein Zerspanungsverfahren mit geometrisch unbestimmten
Schneiden, bei dem vielschneidige Honwerkzeuge eine aus zwei Komponenten
bestehende Schnittbewegung ausführen,
die zu einer charakteristischen Oberflächenstruktur der bearbeiteten
Innenfläche
mit überkreuzten
Bearbeitungsspuren führt.
Durch Honen sind endbearbeitete Oberflächen herstellbar, die extrem
hohen Anforderungen bezüglich
Maß- und
Formtoleranzen sowie hinsichtlich der Oberflächenstruktur genügen. Dementsprechend
werden beispielsweise beim Motorenbau Zylinderlaufflächen, d.h.
Innenflächen
von Zylinderbohrungen in einem Motorblock oder in einer in einen
Motorblock einzubauenden Zylinderhülse, und Lagerflächen für Wellen
einer Honbearbeitung unterzogen. Bei der Bearbeitung von Zylinderlaufflächen werden
typischerweise mehrere unterschiedliche, aufeinander folgende Honoperationen
durchgeführt, beispielsweise
ein Vorhonen zur Erzeugung der gewünschten Makroform der Bohrung
und ein Fertighonen, mit dem die am fertigen Werkstück benötigte Oberflächenstruktur
erzeugt wird. Durch anschließende
Messschritte kann der Bearbeitungserfolg überprüft werden.
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Für die Feinbearbeitung
zylindrisch gekrümmter
Werkstückaußenflächen wird
häufig
das sogenannte Superfinishen eingesetzt, bei dem bandförmiges Schleifmittel
mit Hilfe geeignet geformter Andrückeinrichtungen an die zu bearbeitende
Außenkontur
gepresst wird. Durch kurzhubig oszillierende Axialbewegung des Schleifmittels
in axialer Richtung in Verbindung mit einer Rotation des bearbeiteten
Werkstückabschnittes
um seine Achse wird die für
den Materialabtrag erforderliche Bearbeitungsbewegung erzeugt. Gekrümmte Werkstückaußenflächen, beispielsweise
an Kolbenstangen oder dergleichen, können auch durch Außenhonen
bearbeitet werden. Auch bei gekrümmten
Werkstückaußenflächen ist
es häufig
gewünscht,
die erzielte Oberflächenqualität messtechnisch
zu bestimmen.
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Das
europäische
Patent
EP 0 377 187
B1 zeigt eine Messvorrichtung zum Messen der Form von Zylinderbohrungen
bei Motorblöcken
in einer Messstation, die einen vertikal bewegbaren und auf einen
in der Messstation aufgenommenen Motorblock absenkbaren Messkopf
hat, der mehrere Messsonden trägt,
die jeweils zum Eintauchen in einzelne Zylinderbohrungen vorgesehen
sind. Jede Messsonde hat mehrere in Sondenlängsrichtung mit Abstand zueinander
angeordnete Messsensoren mit radial über den Sondenmantel vorstehenden
Taststiften zum taktilen Abtasten der Oberfläche. Nach Absenken des Messkopfes
und Ein tauchen der Messsonden in die Zylinderbohrungen werden zunächst die Taststifte
mit den zu messenden Innenflächen
in Kontakt gebracht. Danach wird der Messkopf bezüglich des
Werkstückes
in einer Messposition fixiert und diese Festlegung wird mittels
einer Vorspannkraft aufrecht erhalten. Zur Fixierung dienen nach
unten vom Messkopf abragende Indexstifte, die von oben in an der
Deckfläche
des Motorblocks vorgesehene Indexbohrungen eingeführt werden.
Danach wird bei elastisch gebettetem Werkstück und einem von seinen Zustellorganen
entkoppelten Messkopf die Form der Zylinderbohrungen durch Abtasten
mittels der Taststifte auf benachbarten Parallelkreisen gemessen.
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Aus
dem Prospekt „HOMMEL
INCOLINE – Dynamische
Messsysteme zur Oberflächen-
und Formbestimmung in der Motorenentwicklung und -fertigung" der Firma HOMMEL
Incotec GmbH ist ein unter der Bezeichnung „V-Incometer" angebotenes flexibles
Messsystem für
Form und Rundheit in Zylinderbohrungen bekannt. Die mobile Messvorrichtung hat
eine in eine Zylinderbohrung einführbare, stangenförmige Messsonde,
an der eine umlaufend antreibbare Messspitze geführt ist. Die Messsonde wird mit
Hilfe von manuell mit Hilfe von Stellschrauben aufspreizbaren Klemmbacken
im Eingangsbereich der Zylinderbohrung fixiert, so dass die Führungsstange
in den zu messenden Bereich der Zylinderbohrung ragt. Eine Anpassung
der Messsonde an unterschiedliche Durchmesser ist durch Austausch
der Messspitzen und Klemmbacken möglich. Eventuelle Exzentrizitäten oder
Schrägstellungen
der Zylinderachse zur Messsonde werden per Software eliminiert.
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Das
deutsche Gebrauchsmuster
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200 23 557 U1 zeigt eine manuell an einem Werkstück festlegbare
mobile Vorrichtung zum Messen von Bohrungen. Sie hat einen während der
Messung der Bohrung mit dem Werkstück fest verbundenen Stützteil und
eine relativ zum Stützteil
um eine Drehachse drehbare Messsonde, die in die Bohrung eingeführt wird
und die zumindest einen Messsensor zur Messung der Bohrung trägt.
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Die
vom Stützteil
zum Messsensor führende elektrische
Leitung enthält
eine Schleifkontaktanordnung, die eine freie Drehbarkeit der Messsonde
gegenüber
dem Stützteil
unter Aufrechterhaltung der Leitungsverbindung zum Messsensor erlaubt.
Für die Messung
wird zunächst
eine Anschlussplatte im Bereich der Öffnungsränder der Zylinderbohrung auf
die Deckfläche
des Motorblockes aufgeschraubt. An der Anschlussplatte befinden
sich schwenkbare Klemmhebel, die mit einem Flansch am Stützteil der
Messvorrichtung zusammenwirken, wenn die Messsonde für die Messung
in die Zylinderbohrung eingeführt wurde.
Nach Einführung
der Messsonde wird die Messvorrichtung durch manuelles Umlegen der Klemmhebel
am Werkstück
fixiert.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Messverfahren und ein zur Durchführung des
Messverfahrens geeignetes Messsystem bereitzustellen, die eine hochgenaue
Messung der Innenflächen
von Bohrungen oder feinbearbeiteter Werkstückaußenflächen ermöglichen. Insbesondere soll
eine produktionsnahe, schnelle und genaue Messung feinbearbeiteter
gekrümmter
Werkstückoberflächen ermöglicht werden,
z.B. bei Zylinderlaufflächen
eines Motorblockes zur Bestimmung der Oberflächenstruktur der Innenfläche.
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Zur
Lösung
dieser und anderer Aufgaben stellt die Erfindung ein Messverfahren
mit den Merkmalen von Anspruch 1 und eine Messsystem mit den Merkmalen
von Anspruch 19 bereit. Weiterhin wird eine Bearbeitungsmaschine
mit den Merkmalen von Anspruch 38 bereitgestellt.
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Es
wird mindestens ein optischer Messsensor verwendet, der nach Art
von Mikroskopobjektiven nahe an die zu messende Werkstückoberfläche herangeführt werden
kann. Dabei ist vorgesehen, den Zwischenraum zwischen der zu messenden
Werkstückoberfläche und
der Messoptik mit einer für
die Messstrahlung transparenten Flüssigkeit, beispielsweise einer
transparenten Kühlflüssigkeit,
auszufüllen.
Hierdurch sind Aufnahmen mit verbesserter Auflösung und/oder verbesserter
Schärfentiefe
im Vergleich zu „trockenen" Messungen ohne eine
als Immersionsmedium wirkende Flüssigkeit
möglich.
Besonders bei Messungen in unmittelbarer Fertigungsnähe, beispielsweise
zwischen zwei Honschritten oder unmittelbar nach Abschluss eines
vorangehenden Honverfahrens, kann mit Hilfe der transparenten Flüssigkeit
die Messstelle auch für
die Messung gereinigt und damit optimal vorbereitet werden. Als
Immersionsflüssigkeit
für die
Messstrahlung des optischen Messsystems kann in manchen Fällen auch der
zur Bearbeitung verwendete Kühlschmierstoff verwendet
werden. Zur Erhöhung
der Genauigkeit kann dieser vor Zuführung in den Messbereich durch ein
geeignetes, beispielsweise mit einem Filter ausgestattetes Reinigungssystem
gereinigt werden, um ausreichende Transmission zu sichern. Auch
wenn der Kühlschmierstoff
als Zwischenstoff keine Verbesserung der Abbildung im Vergleich
zu Luft bietet, kann bei dessen Verwendung als Zwischenstoff eine aufwändige Trocknung
der zu messenden Oberfläche
eingespart werden.
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Es
ist auch möglich,
eine Reinigung des Messbereiches durch Freiblasen des Messbereiches mittels
Luft oder eines anderen geeigneten Reinigungsgases durchzuführen. Hierdurch
kann der zu messende Bereich beispielsweise von Honspänen und
Resten von Honöl
zumindest so weit bereinigt werden, dass die Messung nicht durch
derartige Rückstände an der
zu messenden Werkstückoberfläche beeinflusst
wird. Im Bereich der Messsonde können
sich dazu eine oder mehrere Blasdüsen befinden, die an ein mit
Druckluft versorgbares Fluidkanalsystem angeschlossen sind. Die
pneumatische Reinigung kann auch im Zusammenhang mit der Flutung des
Messbereiches durchgeführt
werden, indem beispielsweise zuerst der Messbereich pneumatisch
gereinigt und danach eine Immersionsflüssigkeit zwischen einen optischen
Sensor und die gereinigte Innenfläche geleitet wird.
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Ein
großer
Vorteil optischer Messsensoren ist die geringe Verschleißanfälligkeit,
da keine mechanische Berührung
zwischen dem Messsensor und der zu messenden Oberfläche stattfinden
muss. Ein möglicher
Nachteil bei einem Einsatz in unmittelbarer Fertigungsnähe ist die
Benetzung der zu messenden Flächen
mit Kühlschmierstoff.
Es kann sein, dass selbst beim Abblasen der Oberflächen Reste von
Kühlschmierstoff
in den Bearbeitungsspuren verbleiben und damit ggf. die optische
Messung verfälschen.
Daher ist eventuell eine z.B. rechnerische Nachbearbeitung der optisch
erfassten Messdaten erforderlich, gegebenenfalls kann es auch zu
Messfehlern kommen. Eine vollständige
Trocknung der Oberfläche
vor einer optischen Messung ist mit Kosten verbunden, zudem kostet
diese Reinigung und Trocknung Zeit, so dass eine fertigungsnahe
Messung mit eventueller Rückführung der
Messwerte zur Steuerung des Bearbeitungsprozesses erschwert wird.
Wird dagegen der, gegebenenfalls gereinigte, Kühlschmierstoff als „Trägermedium" für die Messstrahlung
des optischen Messsystems verwendet, werden die im Zusammenhang
mit der Restbenetzung eventuell auftretenden Probleme vermieden,
so dass eine prozessnahe optische Messung möglich wird, die auch eine unmittelbare
Rückführung von Messwerten
zur Steuerung des Bearbeitungsprozesses in einer Regelschleife ermöglicht.
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Bei
Verwendung mindestens eines optischen Messsensors ist z.B. eine
optische Erfassung der Oberflächenstruktur,
der Winkel von Bearbeitungsspuren relativ zueinander und/oder zu
einer Vorzugsrichtung der Bohrung (beispielsweise der Axialrichtung),
von Riefenbreiten oder Schnittbildern oder dergleichen erfassbar.
Auch eine Tiefeninformation, beispielsweise über die Oberflächenrauheit,
ist mit geeigneten optischen Sensoren z.B. durch Interferometrie
oder Streifenprojektion möglich.
Eine gegen Erschütterungen
unempfindliche Fixierung solcher Messsensoren gegenüber der
zu messende Werkstückoberfläche ermöglicht hochgenaue
Ergebnisse auch bei ggf. länger
andauernder Messwertaufnahme (Belichtungszeit).
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Hierzu
wird bei bevorzugten Ausführungsformen
das Messverfahren zum Messen der Werkstückoberfläche an einem Werkstück wird
mit Hilfe mindestens einer Messsonde durchgeführt, die einen Sondenkörper und
mindestens einen an dem Sondenkörper
angebrachten Messsensor aufweist. Das automatisiert durchführbare Messverfahren
beginnt mit einer, vorzugsweise antriebsgesteuerten, Positionierung
der Messonde relativ zum Werkstück,
beispielsweise durch Einführung
der Messsonde in eine Bohrung. Danach erfolgt einem, vorzugsweise
antriebsgesteuerte, Fixierung des Sondenkörpers an dem Werkstück in einer
Messposition durch Abstützen
des Sondenkörpers
an der zu messenden Werkstoffoberfläche mit Hilfe einer Abstützeinrichtung,
die mindestens ein Abstützorgan
umfasst. Danach wird die Messung innerhalb eines Messbereiches durchgeführt. Der
Messbereich kann eindimensional, d.h. im Wesentlichen linienförmig, oder
zweidimensional, d.h. flächig
ausgedehnt sein.
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Es
hat sich gezeigt, dass durch die Fixierung des Sondenkörpers durch
Abstützung
an der zu messenden Werkstückoberfläche eine
besonders zuverlässige
und gegen Erschütterungen
weitgehend unempfindliche Festlegung des Sondenköpers am Werkstück, z.B.
innerhalb einer Bohrung, gewährleistet
werden kann. Hierdurch werden hochgenaue Messungen auch in fertigungsnahen
Umgebungen möglich,
beispielsweise auf einer innerhalb einer Fertigungshalle aufgestellten,
gesonderten Messstation oder mit einem in eine Bearbeitungsmaschine
integrierten Messsystem. Wenn zusätzlich zu der Fixierung auch
die richtige Relativpositionierung der Messsonde zum Werkstück, beispielsweise
durch Einführung
der Messsonde in die Bohrung vor der Messung, mit Hilfe geeigneter
elektromotorischer, hydraulischer oder andersartiger Antriebe antriebsgesteuert
erfolgt, kann der gesamte Messvorgang ohne Eingriff eines Bedieners
automatisch durchgeführt
werden. Hierdurch werden besonders schnelle Messvorgänge mit
reproduzierbaren Messergebnissen ermöglicht.
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Die
Messung kann unmittelbar im Anschluss an den letzten Bearbeitungsschritt
am fertig bearbeiteten Werkstück
vorgenommen werden, um das fertig bearbeitete Werkstück zu qualifizieren.
Es ist auch möglich,
das Werkstück
in jeder beliebigen Zwischenstufe der Bearbeitung zu messen, beispielsweise
unmittelbar vor einem letzten, qualitätsbestimmenden Bearbeitungsschritt.
Die Messung der Werkstückoberfläche kann
beispielsweise unmittelbar nach einem vorangehenden Bearbeitungsschritt
der Werkstückoberfläche und/oder
unmittelbar von einem nachfolgenden Bearbeitungsschritt an der Werkstückoberfläche an einem
in seiner Bearbeitungs-Spannvorrichtung eingespannten Werkstück durchgeführt werden.
Es ist somit kein Umspannen des Werkstückes zwischen der Bearbeitung
und der Messung erforderlich.
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Es
ist auch eine Messung an einer von der Bearbeitungsvorrichtung gesonderten
Messvorrichtung möglich.
Dadurch kann erreicht werden, dass die zur Messung erforderliche
Messzeit nicht in die für
die Bearbeitung maßgebliche
Taktzeit eingeht, insbesondere dann nicht, wenn die Messzeit kürzer ist
als die Bearbeitungszeit.
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Besonders
in fertigungsnahen Umgebungen ist eine Entkoppelung der Messung
von Umwelteinflüssen
durch Vibration oder dergleichen nützlich, um reproduzierbare,
genaue Messergebnisse zu erhalten. Bei einer Ausführungsform
definiert die Abstützeinrichtung
einen in Axialrichtung eines zylindrisch gekrümmten Werkstückabschnittes
ausgedehnten Abstützbereich
und die Messung wird innerhalb eines Messbereichs durchgeführt, der
mindestens teilweise mit dem Abstützbereich überlappt. Insbesondere kann
die Messung innerhalb eines Messbereichs durchgeführt werden,
der vollständig
innerhalb des Abstützbereichs
liegt. Hierzu kann die Abstützeinrichtung
beispielsweise Abstützstellen sowohl
axial oberhalb, als auch axial unterhalb des Messbereiches und/oder
in Umfangsrichtung auf beiden Seiten des Messbereiches haben. Dadurch
kann z.B. im Vergleich zu konventionellen Bohrungs-Messsystemen, die
eine Abstützung
der Messsonde nur in unmittelbarer Nähe der Eingangsöffnung einer
zu messenden Bohrung vorsehen, eine deutlich verbesserte Entkopplung
der Messung von externen Vibrationen und anderen Erschütterungen
sichergestellt werden. Außerdem
kann z.B. bei der Messung von Bohrungen erreicht werden, dass die
Genauigkeit der Messergebnisse weitgehend unabhängig von der axialen Position
des Messbereichs innerhalb der Bohrung wird, so dass Messungen in
der Nähe
des von der Eintrittsseite abgewandten Endes der Messsonde unmittelbar
vergleichbar mit in der Nähe
der Eintrittsöffnung
der Bohrung durchgeführten
Messungen sind. Auf rechnerische Korrekturen der Messergebnisse
kann verzichtet werden.
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Bei
manchen Ausführungsformen
ist mindestens ein an dem Sondenkörper angebrachter Messsensor
relativ zu dem Sondenkörper
beweglich angebracht. Dadurch kann der Messsensor während der
Messung mit Hilfe eines Sensor-Antriebs relativ zu dem fixierten
Sondenkörper
bewegt werden. Hierdurch sind auch bei im Wesentlichen punktförmig wirkenden
Messsensoren größere Messbereiche
zugänglich.
Alternativ oder zusätzlich
ist es auch möglich,
dass mindestens ein Messsensor fest am Sondenkörper angebracht ist, so dass
bei fixiertem Sondenkörper
auch die Position des Messsensors fixiert ist. Solche Messsensoren,
die beispielsweise nach einem optischen Messprinzip arbeiten, können beispielsweise
einen linienförmigen
oder zweidimensional ausgedehnten, flächenförmigen Messbereich haben.
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Bei
manchen Ausführungsformen
wird die zu messende Werkstückoberfläche bei
der Messung entlang einer linearen Messstrecke abgetastet. Hierdurch
sind insbesondere Messungen des Oberflächenprofils möglich, um
daraus charakteristische Werte für
die erzielte Oberflächenrau higkeit
abzuleiten. Ein Messsensor für
eine Rauhigkeitsmessung kann mit Hilfe eines geeigneten Messsensor-Antriebes über die
Werkstückoberfläche bewegt
werden. Lineare Messstrecken verlaufen bevorzugt entweder in Axialrichtung
zylindrisch gekrümmten
Werkstückabschnitte
oder in Umfangsrichtung innerhalb einer senkrecht zur Achse des
Werkstückabschnittes
ausgerichteten Messebene.
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Bei
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass vor oder nach der Durchführung der Messung der Messsensor
in den Bereich einer Referenzeinrichtung mit einer bekannten Oberflächenstruktur verfahren
und das Messsystem durch Messung der Referenzeinrichtung kalibriert
wird. Bei der Referenzeinrichtung kann es sich beispielsweise um
einen Referenzring handeln, der in der Nähe des Eingangsbereichs einer
zu messenden Bohrung oder dicht neben der Bohrung angeordnet ist.
Vor Einfahren des Messsystems in die Bohrung, nach dem Ausfahren aus
dieser oder während
der Messung in kurzen Messpausen kann die mit bekannten Oberflächeneigenschaften
ausgestattete Innenfläche
der Referenzeinrichtung gemessen werden. Stimmen die bei dieser
Messung erhaltenen Messwerte im Rahmen der Toleranzen mit den aufgrund
der Kalibrierung zu erwartenden Messwerten überein, so kann die Messung
am Werkstück
fortgesetzt werden. Bei signifikanten Abweichungen, z.B. infolge
Verschleiß oder Zerstörung des
Messsensors, kann ein Austausch des Messsystems gegen ein anderes,
z.B. ein nicht verschlissenes Messsystem vorgenommen werden. Hierdurch
sind engere Fertigungstoleranzen bei den zu bearbeitenden Werkstücken und
eine Verringerung des Ausschussanteiles möglich.
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Besonders
günstig
ist es, wenn die Oberfläche
der Referenzeinrichtung eine Oberflächenstruktur hat, die in den
wesentlichen Rauheitskennwerten der zu messenden Werkstückoberfläche weitgehend entspricht.
Hierdurch sind besonders genaue Messungen möglich.
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Ein
zur Durchführung
des Messverfahrens geeignetes Messsystem hat mindestens einen optischen
Messsensor und eine Einrichtung zum Füllen eines Zwischenraumes zwischen
dem Messsensor und der zu messenden Werkstückoberfläche im Messbereich in einer
für Messstrahlung
transparenten Flüssigkeit.
Die optische Messung kann daher durch die transparente Flüssigkeit
hindurch an der mit der transparenten Flüssigkeit benetzten Werkstückoberfläche erfolgen.
Der Zwischenraum kann dabei insbesondere mit der bei der Bearbeitung
der Werkstückoberfläche verwendeten
Bearbeitungsflüssigkeit,
z.B. Honöl
oder Kühlschmierstoff,
gefüllt
werden, so dass die Bearbeitungsflüssigkeit als Immersionsflüssigkeit
für ein
optisches Messsystem dienen kann. Falls erforderlich, kann die Bearbeitungsflüssigkeit
vor der Verwendung als Immersionsflüssigkeit mit Hilfe einer geeigneten
Reinigungseinrichtung gereinigt werden, indem beispielsweise ein
Teil der Bearbeitungsflüssigkeit
gefiltert und dabei von Bearbeitungsrückständen, beispielsweise Honspänen, befreit
wird.
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Bei
manchen Ausführungsformen
ist eine Reinigungseinrichtung zur Reinigung des Messbereiches vor
und/oder während
der Messung vorgesehen, damit die Messung nicht durch an der Werkstückoberfläche anhaftende
Bearbeitungsrückstände beeinflusst
wird. Die Reinigungseinrichtung kann insbesondere zum Spülen der
Werkstückoberfläche mit einer
Flüssigkeit
eingerichtet sein, wobei die Spülflüssigkeit
auch als Immersionsflüssigkeit
bei der optischen Vermessung genutzt werden kann. Die Reinigungseinrichtung
kann auch so ausgestaltet sein, dass die Werkstückoberflache zunächst pneumatisch,
beispielsweise mittels Druckluft, gereinigt und anschließend mit
einer Flüssigkeit
gespült
wird, die vorzugsweise auch als Immersionsflüssigkeit für die optische Messung genutzt
wird.
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Bei
manchen Ausführungsformen
ist eine aktive Beleuchtung des optisch zu vermessenden Messbereiches
vorgesehen. Dazu wird mindes tens eine dem Messsensor zugeordnete
Lichtquelle bereitgestellt, die den Messbereich während der
Messung zumindest zeitweise beleuchtet. Als Lichtquellen können beispielsweise
LED-Leuchten oder Halbleiterlaser verwendet werden.
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Bei
manchen Ausführungsformen
hat der optische Messsensor mindestens ein Mikroskopobjektiv. Diesem
kann ein optoelektronischer Wandler, beispielsweise ein CCD-Chip
zugeordnet sein, um das von dem Mikroskopobjektiv erfasste Bild
in elektrische Signale umzuwandeln, die von einer Auswerteinrichtung
weiterverarbeitet werden.
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Das
Messsystem sollte so eingerichtet sein, dass der optische Messsensor
zumindest für
die Zeit der Messung in einem geeigneten Abstand zur Werkstückoberfläche angebracht
ist und dort gehalten wird. Bei bevorzugten Ausführungsformen ist hierzu eine
dem Messsensor zugeordnete Abstützeinrichtung
mit mindestens einem mit Hilfe eines Zustellsystems in Richtung
auf die zu messende Werkstückoberfläche zustellbaren
Abstützorgan
zur Fixierung des Sondenkörpers
an dem Werkstück
in einer Messposition durch Abstützen
des Sondenköpers
an der Werkstückoberfläche vorgesehen.
Vorzugsweise hat die Abstützeinrichtung
mehrere Abstützorgane, die
einen in Axialrichtung eines zu messenden gekrümmten Werkstückabschnittes
ausgedehnten Abstützbereich
definieren und die Messsonde hat einen Messbereich, der mindestens
teilweise mit dem Abstützbereich überlappt
und sich vorzugsweise vollständig
innerhalb des Abstützbereiches
b findet.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
zur Messung der Innenfläche
einer Bohrung ist mindestens eine Messsonde in einem Messkopf integriert, der
einen Satz von mehreren um den Umfang des Messkopfes verteilten
Abstützorganen
zur Abstützung
des Messkopfes an der Innenfläche
der Bohrung umfasst, wobei mindestens eines der Abstützorgane über ein
Zustellsystem in Richtung auf die Innenfläche der Bohrung zu stellbar
ist. Vorzugsweise ist ein Satz von mehreren um den Umfang des Messkopfes
verteilten und über
ein Zustellsystem betätigbaren
Abstützorganen
vorgesehen. Bei einem Messkopf mit mehreren um den Umfang verteilten,
zustellbaren Abstützorganen
kann der wirksame Abstützdurchmesser
des Messkopfes durch Zustellung bzw. Zurückziehen der Abstützorgane
in verschiedenen Radialrichtungen zur Messkopfachse verstellt werden.
Es gibt auch Ausführungsformen
mit mehreren Abstützorganen,
von denen nur eines in Radialrichtung zustellbar ist. Das zustellbare
Abstützorgan kann
sich beispielsweise an der der Messsonde gegenüberliegenden Seite des Messkopfes
befinden, während
auf der Seite der Messsonde beidseitig der Messsonde fest angebrachte,
unbewegliche Abstützorgane,
beispielsweise Abstützleisten,
angebracht sind. In diesem Fall wäre bei verschiedenen zu messenden
Durchmessern in dem Bereich der starren Abstützleisten der Abstand zwischen
der Messsonde und der zu messenden Werkstückoberfläche nahezu unabhängig vom
Durchmesser.
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Ein
Abstützorgane
ist vorzugsweise als in Axialrichtung verlaufende Abstützleiste
ausgestaltet, die eine großflächige und
damit die Oberflächenstruktur
der Innenfläche
schonende Abstützung
ermöglichen.
Es kann sich um durchgehende oder geteilte Abstützleisten handeln. Alternativ
oder zusätzlich
sind auch Abstützorgane
möglich,
deren Abstützbereich
sich in Umfangsrichtung der Bohrung weiter ausdehnt als in Axialrichtung.
Ein Abstützorgan
kann zumindest in den in Kontakt mit der Innenfläche mit der Bohrung tretenden
Bereichen aus einem Kunststoff, aus Gummi, einem Elastomer geeigneter
Härte (z.B.
Vulkollan®),
einem Metall, einem Hartmetall oder aus einer Keramik bestehen.
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Der
Messkopf kann insbesondere nach Art eines Honwerkzeuges aufgebaut
sein, wobei der Messkopf im Wesentlichen bohrungsfüllend dimensioniert
sein kann und die durch das Zustellsystem radial zustellbaren Abstützorgane
trägt.
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Bei
einer Ausführungsform,
die besonders für
die Messung von zylindrisch gekrümmten
Außenflächen angepasst
ist, ist mindestens eine Messsonde in einen Messkopf integriert,
der von außen
antriebsgesteuert an die zu messende Werkstückoberfläche herangeführt wird
und der einen Satz von mehreren, ggf über ein Zustellsystem betätigbaren, Abstützorganen
hat, die in Richtung auf den zu messenden Werkstückabschnitt zustellbar sind,
insbesondere im Wesentlichen in Radialrichtung des Werkstückabschnittes.
Die Abstützorgane
können, wie
bei einer Ausführungsform
für die
Messung von Bohrungsinnenflächen,
als in Axialrichtung des zu messenden Werkstückes langgestreckte Abstützleisten,
gegebenenfalls auch als sich in Umfangsrichtung des zu messenden
Werkstückes
erstreckende, gekrümmte
Abstützleisten,
gestaltet sein.
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Bei
manchen Ausführungsformen
befindet sich der Messsensor in Umfangsrichtung und/oder in Axialrichtung
zwischen Abstützorganen
bzw. zwischen durch Abstützorgane
definierten Abstützstellen.
Hierdurch ist eine gegen Vibrationen und andere Erschütterungen
besonders unempfindliche Anordnung des Messsensors möglich, die
hochgenaue Messergebnisse erlaubt.
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Bei
einer Ausführungsform,
die besonders für
prozessnahe Messungen an gehonten oder durch Finishen bearbeiteten
Werkstücken
geeignet ist, ist der Sensorkörper
im Bereich des Messsensors öldicht
gekapselt. Hierdurch kann auf eine Reinigung des zu messenden Werkstückes zwischen
einer vorausgehenden Bearbeitung und der Messung verzichtet werden.
Die Messung kann daher ohne großen Zeitverlust
auch zwischen einzelnen Honoperationen durchgeführt werden.
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Manche
Ausführungsformen
erfindungsgemäßer Messsysteme
umfassen ein Messsensor-Zustellsystem zur vorzugsweise stufenlosen
Ein stellung der radialen Position des Messsensors relativ zu einer
z.B. parallel oder koaxial zu einer Bohrungsachse oder zur Achse
eines zylindrischen Werkstückabschnittes
auszurichtenden Sondenachse. Hierdurch kann die für eine Messung
maßgebliche
radiale Null-Position des Messsensors in Bezug auf die parallel
zur Bohrungsachse oder Werkstückabschnittsachse
auszurichtende Sondenachse in Radialrichtung verlagert werden, um
eine schnelle Anpassung der Messsonde an unterschiedliche Durchmesser der
zu messenden, konvex oder konkav gekrümmten Werkstückoberfläche zu gewährleisten.
Dafür kann z.B.
der Sondenkörper
als Ganzes radial verschoben werden und/oder der Messsensor relativ
zum Sondenkörper.
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Die
Erfindung betrifft auch eine Bearbeitungsmaschine, der mindestens
ein erfindungsgemäßes Messsystem
zugeordnet ist. Das Messsystem kann z.B. in eine Honmaschine integriert
sein, beispielsweise in der Art, dass eine Spindel der Honmaschine
als Messspindel des Messsystems genutzt wird. Es ist auch möglich, das
Messsystem als eine von einer Bearbeitungsmaschine gesonderte Messstation
auszulegen.
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Eine
Auswerteeinrichtung des Messsystems kann mit einer Steuereinrichtung
der Bearbeitungsmaschine signalübertragend
verbunden bzw. Teil dieser Steuereinrichtung sein und gemeinsam
mit dieser eine Regeleinrichtung zur Steuerung der Bearbeitung auf
Basis von mit dem Messsystem erhaltenen Messdaten bilden. Beispielsweise
können
mit dem Messsystem Rauheitsparameter von mehreren in einem Bearbeitungsprozess
bearbeiteten Werkstücken
aufgenommen und deren Mittelwert gebildet werden. Aus dem Mittelwert
kann über
einen geeigneten Steueralgorithmus mindestens ein Steuerparameter
für die
Steuerung der Bearbeitungsmaschine gewonnen werden. Beispielsweise
kann die Bearbeitungszeit und/oder der Anpressdruck von Schneidstoff
(z.B. Honsteinen oder Schleifband) auf Basis von Messwerten des
Messsys tems gesteuert werden, um auch bei größeren Serien zu bearbeitender Werkstücke enge
Fertigungstoleranzen einhalten zu können.
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Die
vorstehenden und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch
aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor. Dabei können die
einzelnen Merkmale jeweils für
sich alleine oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei
einer Ausführungsform
der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte
sowie für
sich schutzfähige
Ausführungsformen
darstellen. Bevorzugte Ausführungsformen
werden an Hand der beigefügten
Zeichnungen erläutert.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer mehrspindeligen Honmaschine,
in die eine Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Messsystemes
integriert ist;
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2 zeigt
eine Ausführungsform
eines Messkopfes mit einer Abstützeinrichtung,
die mehrere in Radialrichtung zustellbare, axial verlaufende, leistenförmige Abstützorgane
und eine Umfangsrichtung zwischen Abstürzorganen angeordnete Messsonde
hat;
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3 zeigt
eine schematische Axialansicht einer anderen Ausführungsform
eines Messkopfes mit radial zustellbaren Abstützorganen einer Abstützeinrichtung
und zwei durch ein separates Zustellsystem radial zustellbare Messsonden;
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4 zeigt
einen axialen Schnitt und mehrere Querschnitte durch Ausführungsformen
von Messköpfen
mit radial fixierten Messsonden;
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5 zeigt
einen axialen Schnitt und mehrere Querschnitte durch Ausführungsformen
von Messköpfen
mit radial verschiebbaren Messsonden;
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6 zeigt
eine schematische Darstellung eines optischen Messsensors; und
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7 zeigt
eine Ausführungsform
eines Messkopfes zur Messung zylindrisch gekrümmter Werkstückaußenflächen mit
einer Abstützeinrichtung,
die mehrere in Radialrichtung zustellbare, axial verlaufende, leistenförmige Abstützorgane
und eine Umfangsrichtung zwischen Abstürzorganen angeordnete Messsonde
hat.
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In 1 ist
schematisch die Vorderansicht einer Honmaschine 100 gezeigt,
die zur Bearbeitung von Innenflächen
von Bohrungen in Werkstücken eingesetzt
werden kann, um eine oder mehrere Honoperationen an dem Werkstück durchzuführen. Auf dem
Maschinenbett 102 der Honmaschine ist eine Aufspannplatte 104 befestigt,
die ein darauf aufgespanntes Werkstück 106 trägt, bei
dem es sich im Beispielsfall um einen Motorblock einer vierzylindrigen
Brennkraftmaschine handelt. In dem Motorblock sind mehrere Zylinderbohrungen 108 bis 111 mit
generell vertikaler Ausrichtung ihrer Zylinderachsen gebildet. Die
durch die Innenflächen 115 der
Zylinderbohrungen gebildeten Zylinderlaufflächen werden auf der Honmaschine
einer qualitätsbestimmenden Endbearbeitung
unterzogen, bei der sowohl die Makroform der Zylinderlaufflächen, als
auch deren Oberflächentopographie
bzw. Oberflächenstruktur durch
geeignetes Honprozesse erzeugt werden.
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Bei
der zweispindligen Honmaschine sind auf einer nicht näher gezeigten,
portalartigen Trägerkonstruktion
zwei im Wesentlichen identisch aufgebaute Honeinheiten 120, 125 befestigt,
die abwechselnd oder gleichzeitig bei der Werkstückbearbeitung eingesetzt werden
können.
Jede Honeinheit umfasst einen an der Trägerkonstruktion befestigten
Spindelkasten 122, der die Honspindel 130 führt. Die
Honspindel lässt
sich mit Hilfe eines am Spindelkasten befestigten Spindelmotors
um ihre Längsachse
drehen. Das untere Ende der Honspindel wird durch eine Gelenkstange
gebildet, an deren unteres, freies Ende das als Bearbeitungswerkzeug
dienende Honwerkzeug 140 begrenzt beweglich mechanisch
angekoppelt ist. Ein an dem Spindelkasten montierter Hubantrieb
bewirkt die Vertikalbewegung der Honspindel beim Einführen des
Werkzeuges in das Werkstück
bzw. beim Herausziehen aus dem Werkstück und wird während der
Honbearbeitung so angesteuert, dass das Honwerkzeug innerhalb der
Bohrung des Werkstückes
eine vertikale Hin- und
Herbewegung ausführt,
die sich der durch den Spindelmotor erzeugten Drehbewegung der Spindel
um ihre Längsachse überlagert.
Da der Aufbau solcher Honeinheiten grundsätzlich bekannt ist, wird er
hier nicht näher
erläutert.
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Unmittelbar
neben den Honeinheiten ist ein in die Honmaschine integriertes Messsystem 150 als integraler
Bestandteil der Honmaschine integriert. Das einspindlige Messsystem 150 hat
einen an der Trägerkonstruktion
der Honmaschine befestigten Messspindelkasten 152, der
eine vertikal ausgerichtete Messspindel 155 führt. Am
Spindelkasten ist ein Messspindelantrieb 158 angebracht,
der dazu ausgelegt ist, die Messspindel parallel zu ihrer Längsachse
vertikal auf und ab zu bewegen. Weiterhin ist der Messspindelantrieb
in der Lage, die Messspindel schrittweise um vorgebare Winkelbeträge um ihre Längsachse
zu drehen. Das untere Ende der Messspindel wird durch eine Gelenkstange
gebildet, an deren unteres, freies Ende ein nach Art eines Honwerkzeuges
aufgebauter Messkopf 160 des Messsystems begrenzt beweglich
und lösbar
mechanisch angekoppelt ist.
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Der
in 2 im Detail gezeigte Messkopf hat einen im Wesentlichen
bohrungsfüllenden,
zylindrischen Messkopfkörper 162,
der an seinem Umfang vier gleichmäßig um den Umfang verteilte
Abstützorgane 170 in
Form von axial langgestreckten Abstützleisten trägt. Die
Abstützorgane
sind innerhalb des Messkopfkörpers
in Radialrichtung beweglich geführt, durch
nicht gezeigte Rückholfedern
in eine nach radial innen gerichtete Einzugsrichtung vorgespannt
und können
mit Hilfe eines Zustellsystems 190 in Radialrichtung zugestellt
werden, um den Abstützdurchmesser
des Messkopfes einzustellen. Das Zustellsystem umfasst eine innerhalb
der Messspindel axial beweglichen Zustellstange 192, an
deren unterem Ende ein Zustellkonus 194 angebracht ist, dessen
nach außen
gerichtete Konusfläche
mit entsprechenden, nach innen gerichteten Schrägflächen der Abstützorgane
nach Art eines Keilantriebes zusammenwirken.
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Die
nach außen
gerichteten Abstützflächen der
Abstützleisten 170 erstrecken
sich im Wesentlichen über
die gesamte axiale Länge
des Messkopfes und definieren damit die axiale Ausdehnung eines Abstützbereiches 172.
Wie beispielsweise in 1 gezeigt, kann sich der Abstützbereich über mehr
als die Hälfte
oder mehr als 60% oder 70% oder 80% der axialen Länge der
Bohrung erstrecken und insbesondere auch den Mittelbereich der Bohrung
zwischen Eintrittsöffnung
und dem unteren Ende erfassen.
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Die
vom Messkopfkörper 162 getragene Messsonde 180 ist
für eine
Messung der Oberflächenrauhigkeit
der Innenfläche
im Tastschnittverfahren ausgelegt. Hierzu hat der Messsensor 185 der Messsonde
eine durch eine Diamantnadel gebildete Tastspitze 182,
die mit Hilfe eines in die Messsonde integrierten elektrischen Sensorantriebs 187 innerhalb
eines Messbereichs 189 entlang einer geradlinigen Messstrecke
parallel zur Zentralachse des Messkopfes gradlinig verfahrbar ist.
Die beim Abgleiten der Tastspitze auf der rauen Innenfläche entstehende
Auf- und Abbewegung der Tastspitze wird mit Hilfe eines elektromechanischen
Wandlers in elektrische Signale umgewandelt, die über nicht
gezeigte elektrische Leitungen einem ebenfalls nicht gezeigten Auswertesystem
zugeführt
werden. Gleichzeitig wird die Position des Messtasters entlang der
Messstrecke durch einen Wegaufnehmer erfasst und entsprechende Wegsignale
ebenfalls zur Auswerteeinrichtung geleitet, die aus den Sig nalen
ein Rauheitsprofil ermittelt, aus dem in an sich bekannter Weise geeignete
Rauheitsparameter der Innenfläche
ermittelt werden.
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Die
verschmutzungsempfindlichen Teile des Messsensors, insbesondere
die elektromechanischen Wandler, sind innerhalb des Gehäuses des Messsensors öldicht gekapselt.
Hierzu kann zwischen der Tastspitze und dem Gehäuse eine Öldichtung vorgesehen sein,
durch die ein beweglicher Halter für die Tastspitze beweglich
hindurch geführt
ist. Die Tastspitze kann durch geeignete Maßnahmen beim Einfahren in die
Bohrung (und beim Herausfahren) gegen mechanische Beschädigung geschützt werden,
beispielsweise durch Einziehen der Tastspitze oder durch Herausfahren
eines die Tastspitze umschließenden
Schutzelementes.
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Wie
in 2 ersichtlich, liegt der lineare Messbereich 189 der
Messsonde vollständig
innerhalb des durch die in Umfangsrichtung benachbart angeordneten
Abstützleisten 170 definiertem
Abstützbereich 172.
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Die
außen
liegenden, durch ein hartes Elastomermaterial gebildeten Abstützflächen der
Abstützorgane
haben sowohl axial oberhalb, als auch axial unterhalb des Messbereiches 189 Abstützstellen.
Die Messsonde mit dem taktilen Messsensor 185 liegt in Umfangsrichtung
vollständig
zwischen Abstützorganen.
Hierdurch ist eine erschütterungsunempfindliche
Fixierung der Messsonde bzw. des Messsensors innerhalb der Werkstückbohrung
gesichert, die ein ungewollte Relativbewegung zwischen Messsonde und
Werkstück
bzw. zu messender Oberfläche
während
der Messung auch in erschütterungsgefährdeten
Messumgebungen sicherstellt.
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Zur
Durchführung
einer Rauheitsmessung an der Innenfläche einer bearbeiteten Bohrung
kann beispielsweise wie folgt vorgegangen werden. Nach Abschluss
der Honoperation, deren Bearbeitungsergebnis über prüft werden soll, werden die
Honspindeln aus den Zylinderbohrungen durch Zurückziehen nach oben ausgefahren.
Anschließend
wird das auf der Aufspannplatte 104 aufgespannte Werkstück gemeinsam
mit der Aufspannplatte mit Hilfe eines geeigneten Fördersystems
aus der in 1 durchgezogen gezeichneten
Bearbeitungsposition in die in 1 gestrichelt
gezeichnete Messposition transportiert. Der dem Messsystem zugeordnete
Teil des Maschinenbettes 102 ist gegenüber dem der Bearbeitungsposition
zugeordneten Teil elastisch entkoppelt. Nach Ausrichten des Werkstückes relativ
zur nach oben zurückgezogenen
Messspindel 155 wird die Messspindel mit Hilfe des Messspindelantriebs 158 nach
unten abgesenkt, um den Messkopf 160 in die zu messende
Zylinderbohrung 111 einzuführen. In dieser Einführphase
sind die Abstützleisten 170 in ihre
radial innen liegende Rückzugsposition
zurückgezogen,
so dass der durch die Außenflächen der Abstützorgane
definierte Wirkdurchmesser des Messkopfes einige Millimeter kleiner
ist als der Innendurchmesser der Zylinderbohrung. Hierdurch ist
eine schonende Einführung
des Messkopfes in die Zylinderbohrung ohne die Gefahr der Beschädigung der zu
messenden Innenfläche
gesichert. Auch die Tastspitze der Messsonde ist in ihrer zurückgezogenen Position,
um Beschädigungen
zu vermeiden.
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Anschließend wird
die Messspindel gegebenenfalls mit Hilfe des Messspindelantriebes 158 begrenzt
verdreht, um die Tastspitze in den zu messenden Bereich der Innenfläche der
Bohrung zu verfahren. Die Einstellung der richtigen Drehposition
der Messspindel kann auch vor oder während der Einführung des
Messkopfes in die Zylinderbohrung durchgeführt werden.
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Danach
wird die antriebsgesteuerte Fixierung des Sondenkörpers bzw.
des Messkopfes 160 innerhalb der Bohrung eingeleitet, indem
durch die Antriebseinheit 195 des Zustellsystems die Zustellstange 192 in
Richtung Messkopf zugestellt wird. Dadurch werden die Abstützleisten 170 langsam
nach radial außen
in Richtung der Innenfläche
zugestellt, bis sie mit einer geeigneten Vorspannkraft sicher an der
Innenfläche
anliegen. In dieser Position wird das Zustellsystem durch eine Verriegelungseinrichtung verriegelt,
so dass eine unbeabsichtigte Auflösung der Fixierung während der
Messung vermieden wird. Da nun der Messkopf 160 sicher
am Werkstück 106 festgelegt
ist, kann der antriebsseitige Teil der Messspindel vom messkopfseitigen
Teil der Messspindel teilweise entkoppelt werden, so dass sich eventuelle Vibrationsbewegungen
des antriebsseitigen Teils nicht mehr auf den im Werkstück fixierten
Messkopf übertragen
können.
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In
wieweit eine Abkopplung erforderlich ist, hängt von der Messumgebung und
der Messaufgabe ab. Bei anderen Ausführungsformen ist das Messsystem
in einer von der Honmaschine gesonderten Messstation untergebracht,
wodurch eine starke Entkopplung von Bearbeitungsvibrationen möglich wird. Die
separate Messmaschine kann in unmittelbarer Nähe der Honmaschine im Werkstückfluß unmittelbar
dahinter angeordnet sein.
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Danach
wird die Messung durchgeführt. Hierzu
wird zunächst
die Tastspitze 186 nach radial außen in Berührungskontakt mit der Innenfläche verfahren.
Anschließend
wird die Tastspitze mit Hilfe des Sensorantriebes 187 über die
gewünschte
Messstrecke verfahren und dabei ein Rauheitsprofil aufgenommen.
Nach Erreichen des Endpunktes der programmierten Messstrecke wird
die Tastspitze automatisch in ihre Rückzugsposition im Sondenkörper zurückgezogen.
Da an der Messspindel Weggeber zur Erfassung der axialen Position
des Messkopfes und Winkelgeber zur Erfassung der Drehposition der Messspindel
vorhanden sind, kann die Lage der Messstrecke auf der Innenfläche der
Bohrung eindeutig einem bestimmten axialen und Umfangsbereich der
Bohrungsinnenfläche
zugeordnet werden.
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Eine
Messstrecke kann sich über
den gesamten maximal verfügbaren
Messbereich 189 der Messsonde erstrecken. Es ist auch möglich, nur
Teilbereiche dieses Messbereiches für die Messung zu nutzen. Beispielsweise
können
in ein und der selben Einspannstellung des Messkopfes mehrere mit
Abstand vertikal übereinander
liegende Messstrecken gemessen werden, um beispielsweise repräsentative Messungen
für den
Eintrittsbereich der Bohrung, für einen
Mittelbereich der Bohrung und für
einen dem Eintrittsbereich abgewandten unteren Bereich der Bohrung
durchzuführen.
Sofern Messungen an anderen Umfangspositionen der Bohrung gewünscht sind,
kann die Fixierung der Messsonde durch Zurückziehen der Abstützleisten
aufgehoben und der Messkopf danach durch Verdrehen der Messspindel in
der Bohrung z.B. um 30°,
45°, 90° oder 180° verdreht
werden, um die Messsonde in Umfangsrichtung zu einem neuen zu messenden
Bereich zu verschieben. Danach wird der Messkopf in bereits beschriebener
Weise wieder innerhalb der Bohrung antriebsgesteuert fixiert, bevor
die nächste
Messung beginnt.
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Bei
dem taktil arbeitenden Messsystem kann es beispielsweise durch Verschleiß an der
Tastspitze 182 im Laufe der Zeit zu Verfälschungen
der Messergebnisse kommen. Um eine Beeinträchtigung der Messgenauigkeit
durch derartige Effekte zu vermeiden, befindet sich bei der gezeigten
Ausführungsform
mit Abstand oberhalb der zu messenden Zylinderbohrung 111 eine
Kalibriereinrichtung in Form eines am Messspindelkasten 152 befestigten
Referenzringes 187 mit einer kreiszylindrischen Innenfläche, deren
Durchmesser im Wesentlichen dem Durchmesser der Zylinderbohrung 111 entspricht. Der
Referenzring kann beispielsweise aus einem Stahlwerkstoff, einer
Keramik oder einem anderen korrosionsbeständigen und verschleißfesten
Material bestehen. Wird beispielsweise ein Motorblock aus partikelverstärktem Leichtmetallwerkstoff
mit zurückgesetzter
Metallmatrix messen, so kann auch der Referenzring 187 aus
einem solchen Material mit charakteristischer Plateaustruktur bestehen.
Der Referenzring besitzt an seiner Innenfläche eine definierte Oberflächenstruktur,
der bestimmte festgestellte Rauheitskennwerte entsprechen. Die Rauheitskennwerte
der Referenzstruktur wurden in einem Referenzmessprozess mit Hilfe
eines klassischen Rauheitsmesssystems unter im Wesentlichen gleichen Messbedingungen
ermittelt. Die Oberflächenstruktur bzw.
die Rauheit ist normalerweise der an der bearbeiteten Zylinderinnenfläche angestrebten
Oberflächenstruktur
bezüglich
aller geforderten Rauheitskennwerte sehr ähnlich bzw. mit dieser identisch.
Das Messsystem kann vor der Messung einer Zylinderinnenfläche, in
einer Messpause während
der Messung und/oder nach Abschluss einer solchen Messung an der
Referenzeinrichtung eine Test-Messung vornehmen. Werden bei dieser
Test-Messung alle aufgrund
des Referenzmessprozesses zu erwartenden Rauheitskennwerte erreicht,
so ist davon auszugehen, dass das Messsystem auch am zu messenden
Werkstück
im Rahmen der Toleranzen die richtigen Messwerte liefert. Bei signifikanten
Abweichungen der Ergebnisse dieser Kalibrierungsmessung von den
zu erwartenden Werten des Referenzringes ist ein Austausch des Messkopfes
gegen einen neuen Messkopf vorgesehen. Auf diese Weise kann die Prozesssicherheit
verbessert werden, da eventuelle Verschlechterungen des Messsystems
frühzeitig
erkannt und Schlechtteile aufgrund falscher Messungen vermieden
werden können.
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Die
Referenzeinrichtung kann bei anderen Ausführungsformen auch neben dem
zu messenden Werkstück
angeordnet sein, so dass die Messspindel zur Kalibrierung zwischen
dem zu messenden Werkstück
und der Referenzeinrichtung in seitlicher Richtung verfahren werden
muss.
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Das
Prinzip des Messsystems ist für
Bohrungen unterschiedlicher Durchmesser geeignet. Zu dem Messsystem
können
beispielsweise mehrere unterschiedlich dimensionierte Messköpfe gehören, die
jeweils einen abgegrenzten Durchmesserbereich, beispielsweise in
der Größenordnung
von bis zu zehn Millimetern Durchmesservariationen, abde cken. Anhand 3 wird
eine Ausführungsform
eines Messkopfes 360 erläutert, der eine Messung von Bohrungen
mit stark unterschiedlichen Durchmessern ermöglicht und beispielsweise einen
Durchmesserbereich mit bis zu 10% oder 20% Durchmesservariation
abdeckt. In dem Messkopfkörper 362 sind, ähnlich wie
bei der in 2 gezeigten Ausführungsform,
vier um jeweils 90° winkelversetzt
angeordnete Abstützorgane 370 vorgesehen,
die radial verschiebbar in dem Werkzeugkörper geführt sind. Die Radialpositionen
der Abstützorgane
und damit auch der Wirkdurchmesser der Abstützeinrichtung wird mit Hilfe
eines Abstützeinrichtungs-Zustellsystems 390 verstellt,
dessen Aufbau mit Zustellstange und Zustellkonus im Wesentlichen
dem anhand 2 erläuterten Aufbau entsprechen
kann. Der Messkopf trägt zwei
diametral gegenüberliegende
Messsonden 380, 380',
die für
eine Rauheitsmessung mittels Tastschnittverfahren konfiguriert sind
und dementsprechend jeweils eine Tastspitze 386, 386' haben. Während es
sich bei dem Messsensor der Sonde 380' um einen kufenlosen Taster handelt,
hat die Messsonde 380 ein Tastsystem mit Kufen 387,
die für
die bewegliche Tastspitze 386 eine durch die Spitzen des
Rauheitsprofils definierte Referenzfläche abfahren, um auf diese
Weise eine Differenzmessung zu ermöglichen. Ein Messkopf kann
somit nach unterschiedlichem Prinzipien arbeitende Messsensoren
enthalten.
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Die
Messsonden 380, 380' sind
innerhalb des Messkopfkörpers
radial beweglich geführt,
so dass ihre Radialposition gegenüber der Zentralachse des Messkopfes über einen
weiten Bereich von mindestens 2 mm, vorzugsweise 5 bis 20 mm eingestellt werden
kann. Zur Einstellung der Radialposition der Messsonden ist ein
vom Abstützeinrichtungs-Zustellsystem 390 gesondertes
Messsonden-Zustellsystem 395 vorgesehen. Dieses kann beispielsweise
einen innerhalb des Messkopfes angeordneten elektromotorischen Antrieb
umfassen. Der Messkopf kann auch nach Art eines Honwerkzeuges mit
Doppel-Aufweitung ausgestaltet sein, so dass für die radiale Verstellung der
Messsonden ein weiteres z.B. mit einer Zustellstange betätigbares
Zustellsystem vorgesehen sein kann. Im Übrigen kann der Aufbau dieses Messkopfes
im Wesentlichen dem Aufbau der 2 gezeigten
Ausführungsform
entsprechen. Auf die dortige Beschreibung wird daher verwiesen.
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Die 4 und 5 zeigen
andere Ausführungsformen
von Messköpfen
für erfindungsgemäße Messsysteme.
Der Messkopf 460 in 4(a) ist
nach Art eines einfach aufweitbaren Honwerkzeuges gestaltet und
hat einen im Wesentlichen kreiszylindrischen Messkopfkörper 462,
an dessen oberen Ende eine Bajonett-Kupplungsstruktur 465 zum
Ankoppeln des Messwerkzeuges an eine nach Art einer Honspindel ausgestaltete
Messspindel des Messsystems vorgesehen ist. Wie in der Querschnittdarstellung von 4(b) erkennbar, hat der Messkopf drei
um jeweils 120° zur
Zentralachse des Messkopfes umfangsversetzte Messsonden 480,
die jeweils einen parallel zur Axialrichtung verfahrbaren Messsensor mit
einer Tastspitze 482 haben, um gleichzeitig an drei jeweils
120° umfangsversetzten
Messbereichen die Innenfläche
einer Bohrung abzutasten. Die Abstützeinrichtung hat drei um jeweils
120° umfangsversetzte
Abstützleisten 470,
die durch ein gemeinsames Zustellsystem 490 in Radialrichtung
zustellbar bzw. nach innen zurückziehbar
sind. Das Zustellsystem 490 hat einen innerhalb des Messkörpers axial verschiebbaren
Doppelkonus 494 mit zwei axial versetzten Konusflächen, die
mit entsprechenden, nach innen gerichteten Schrägflächen von Tragleisten der Abstützorgane 470 zusammenwirken,
um eine Parallelverschiebung der Abstützorgane senkrecht zur Messkopfachse
zu gewährleisten.
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Durch
eine am unteren Ende der Zustellstange vorgesehene Schraubenfeder 495 ist
das Zustellsystem in eine Abstützkonfiguration
mit nach außen herausgeschobenen
Abstützorganen
elastisch vorgespannt. Die mit Hilfe geeigneter Rückholfedern nach
radial innen vorgespannten Abstützorgane
werden bei dieser Konstruktion dadurch zurückgezogen, dass die im Inneren
der Messspindel verlaufende Zustellstange 492 in Richtung
Messkopf 460 gedrückt wird.
Bei Entlastung der Zustellstange werden die Abstützorgane mit Hilfe der Schraubenfeder 495 nach
außen
verschoben und mit einer definierten Vorspannkraft an die Innenfläche der
zu messenden Bohrung angedrückt,
bevor die Messung beginnt. Da zur Aufrechterhaltung dieser Fixierungsposition
keine von außerhalb
des Messkopfs eingeleitete Fremdkraft einer Zustellstange nötig ist,
kann diese während
der Messung von dem messkopfseitigen Teil entkoppelt werden, so
dass über
das Zustellsystem keine Vibrationen in den Messkopf eingeleitet
werden. Der Messkopf ist somit innerhalb der zu messenden Bohrung
selbsthaltend fixiert, wodurch die Messgenauigkeit verbessert und
die Empfindlichkeit gegen Erschütterungen
vermindert wird.
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Der
Messkopf 410 in 4(c) hat
ebenfalls drei gleichmäßig um den
Umfang verteilte, radial verstellbare Abstützleisten 415. Zusätzlich sind
in Umfangsrichtung dazwischen liegend jeweils drei fest angebrachte
Führungsleisten 418 vorgesehen.
Eine einzelne Messsonde 420 ist für eine Rauheitsmessung vorgesehen
und hat hierzu eine vertikal verfahrbare Tastspitze.
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Der
Messkopf 430 in 4(d) hat
eine Abstützeinrichtung
mit vier jeweils 90° Winkel
versetzt angeordneten, radial verfahrbaren Abstützleisten 435 sowie
insgesamt acht fest am Messkopfkörper angebrachte
Führungsleisten 436,
die beispielsweise aus Kunststoff bestehen können und das schonende Einführen des
Messkopfes in die zu messenden Bohrung erleichtern. Es sind vier
symmetrisch um den Umfang verteilte Messsonden 440 vorgesehen.
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Der
Messkopf 560 in 5(a) und
(b) ähnelt hinsichtlich
der Kupplungsstruktur 565 und dem Zustellsystem 590 dem
Messkopf 460. Im Gegensatz zur dieser Ausführungsform
wirkt jedoch das Zustellsystem nicht auf die fest und nicht radial
verschiebbaren Abstützorgane 570, sondern
auf die mit Hilfe des Messsonden-Zustellsystems 590 radial
verstellbaren Messsonden 580, die mit Hilfe des Zustellsystems senkrecht
zur Zentralachse des Messkopfes verfahrbar sind und als Abstützorgane
dienen. Durch Zustellung der Zustellstange in Richtung Messkopf
gegen die Kraft der Schraubenfeder 595 werden die Messsonden 580 nach
innen zurückgezogen,
so dass der Messkopf seinen Minimaldurchmesser erreicht, der ein
problemloses Einführen
des Messkopfes in die Bohrung oder eine entsprechende Herausnahme
ermöglicht.
Zur Messung wird der Messkopf mit zurückgezogenen Messsonden in die
Bohrung eingeführt, danach
wird das Zustellsystem entlastet, so dass durch die sich entlastende
Schraubenfeder 595 die drei Messsonden 580 nach
radial außen
in Anlagekontakt mit der zu messenden Innenfläche gebracht werden und den
Messkopf dadurch gemeinsam mit den Abstützleisten 570 in der
Bohrung fixieren. Der Messkopf ist damit ohne das Aufbringen äußerer Kräfte fest
in der Bohrung fixiert, so dass die Fixierung des Messkopfes in
der Bohrung ausschließlich durch
die Konstruktion des Messkopfes selbst (mit Schraubenfeder) möglich ist.
Lediglich zur Aufhebung der Fixierung ist von außen eingeleitete Fremdenergie
nötig.
Da der Messkopf von allein in der Bohrung hält, kann die Stange, mit der
die Messeinheit 565 an der Spindel befestigt ist, zur besseren
Entkopplung zwischen Maschine und Messsensor gelöst werden. Danach beginnt die
Messung durch Verschiebung der Tastspitzen innerhalb der Messsonden.
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Die
Ausführungsform
in 5(c) hat eine vierzählige Radialsymmetrie
mit vier um jeweils 90° umfangsversetzten,
radial zustellbaren Messsonden 550. Als Einführhilfe
sind am Umfang des Messkopfes acht Kunststoff-Führungsleisten 536 angebracht, die
bei zurückgezogenen
Messsonden einen direkten metallischen Kontakt zwischen dem Messkopf und
der ihn umgebenden Bohrungsinnenwand verhindern.
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6 zeigt
einen schematischen Ausschnitt einer Messsonde mit einem optischen
Messsensor 610, der dafür
eingerichtet ist, einen flächig
ausgedehnten, zweidimensionalen Messbereich an der Innenfläche 601 einer
zylindrischen Bohrung zu erfassen. Der fest am Sondenkörper angebrachte
Messsensor 610 umfasst ein Mikroskopobjektiv 611,
das zur Messung in einem geringen Abstand zur Innenfläche 601 der
Bohrung verfahren wird. Der optische Messsensor umfasst einen CCD-Chip
oder dergleichen zur Umwandlung des von dem Mikroskopobjektiv 611 erfassten
Bildes in elektrische Signale, die der Auswerteeinheit des Messsystems
zugeführt
werden. Zur Messung wird der Messbereich mit Hilfe von LED-Leuchten 620 ausgeleuchtet.
Je nach dem optischen Messprinzip können auch andere Lichtquellen, beispielsweise
Halbleiterlaser verwendet werden. Als Messprinzipien optischer Messsensoren
kommen neben der einfachen Bilderfassung auch die Streifenprojektion,
interferometrische Meßmethoden
oder die konfokale Mikroskopie in Betracht, um auch eine Tiefeninformation über die
Topographie der zu messenden Oberfläche zu erhalten.
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Dem
Messsensor ist eine Reinigungseinrichtung 630 zugeordnet,
die dafür
ausgelegt ist, den Zwischenraum zwischen der Innenfläche 601 und der
Lichteintrittseite des Mikroskopobjektivs 611 mit Hilfe
einer für
die Messstrahlung (z.B. sichtbares Licht oder Ultraviolettlicht)
transparenten Flüssigkeit 631 zu
spülen
und dabei die Oberfläche
von Bearbeitungsrückständen zu
befreien. Hierzu wird im Beispielsfall ein gut gereinigtes transparentes
Honöl verwendet,
das gleichzeitig auch als Immersionsflüssigkeit dient, um das Auflösungsvermögen und/oder
die Schärfentiefe
der optischen Messung zu verbessern. Da eine Reinigung der Oberfläche jeweils
nur in dem gewünschten
Messbereich 650 erforderlich ist, sind im Bereich des Messkopfes
elastisch verformbare Dichtlippen 655 vorgesehen, die dem
Messbereich seitlich umschließen
und damit einen relativ kleinvolumigen Raum begrenzen, der für die Messung
gespült
und mit Immersionsmedium gefüllt
wird. Fluidkanäle 635 zur
Zufuhr und Abfuhr der transparenten Flüssigkeit sind an einen Vorratsbehälter und
an ein Pumpsystem angeschlossen. Wie erwähnt, ist es auch möglich, gut
gereinigtes Honöl
als Reinigungsflüssigkeit
und Immersionsflüssigkeit
zu nutzen. Hierzu kann ein Reinigungskreislauf vorgesehen sein, um
einen Teil des bei der Bearbeitung verwendeten Honöls aus dem
Schmiermittelkreislauf abzuzweigen und mit Hilfe geeigneter Filter
zu reinigen.
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Der
optische Messsensor kann alternativ zu einem taktilen Messsensor
oder zusätzlich
dazu vorgesehen sein, um andere Oberflächencharakteristika zu erfassen,
beispielsweise den Verlauf von Bearbeitungsspuren, Honwinkel, Riefenbreiten
etc.
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Anhand
von 7 wird nun eine Ausführungsform eines Messsystems
erläutert,
das für
die Messung von zylindrisch gekrümmten
konvexen Werkstückaußenflächen ausgelegt
ist. Das Messsystem kann beispielsweise in eine Bandfinish-Maschine
integriert sein, mit der zylindrische Wergstückabschnitte eines Werkstückes, beispielsweise
Hauptlagerflächen
und Hublagerflächen
von Kurbelwellen, bearbeitet werden. Ein im Wesentlichen zylindrischer Werkstückabschnitt 710 mit
einer um die Zentralachse 711 des Werkstückabschnitts
verlaufenden, zylindrisch gekrümmten
Werkstückaußenfläche 701 ist
im Querschnitt gezeigt.
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Das
Messsystem hat einen Messkopf 760, der mit Hilfe eines
hydraulischen oder elektromechanischen Zustellsystems in Radialrichtung
des Werkstückabschnittes
zugestellt werden kann, um den Messkopf für die Messung in eine Messposition
nahe der zu messenden Werkstückaußenfläche zu verschieben.
Der Messkopf trägt
eine fest integrierte Messsonde 780 mit einer linear parallel
zur Achse 712 des Messkopfes verschiebbaren Tastspitze 782 eines
taktilen Messsensors. Die Achse 712 ist die außerhalb
des Messkopfes 760 liegende Messkopfachse, die zur Messung
einer zylindrischen Außenfläche koaxial
mit der entspre chenden Werkstückachse 711 auszurichten
ist. Alternativ oder zusätzlich
kann der Messkopf auch mindestens einen optischen Messsensor tragen,
wie er beispielsweise in Zusammenhang mit 6 erläutert wurde.
Sämtliche
im Zusammenhang mit der Messung von Bohrungsinnenflächen erläuterten
Typen von Messsensoren können auch
bei der Messung von konvex gekrümmten Werkstückaußenflächen verwendet
werden. Der Messkopf ist an seiner dem Werkstück zugewandten Seite konkav
zylindrisch gestaltet. Beidseitig des Messsensors 780 sind
radial zur Achse 712 zustellbare Abstützorgane 770 angebracht,
die insbesondere als axial langgestreckte, parallel zur Achse 712 ausgerichtete
Abstützleisten
gestaltet sein können, wie
sie im Zusammenhang mit den Messköpfen für die Bohrungsinnenflächenmessung
erläutert
wurden. Durch radiale Verschiebung der Abstützorgane 770 lässt sich
der Messkopf 760 stufenlos auf Werkstückabschnitte unterschiedlicher
Durchmesser einstellen.
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Zur
Messung eines Werkstückabschnitts
bekannten Durchmessers werden zunächst die Abstützorgane 770 bei
zurückgezogenem
Messkopf 760 in eine radiale Position verfahren, die bei
am Werkstück
abgestützten
Messkopf eine großflächige Anlage
der Abstützorgane
an der Werkstückoberfläche sichert.
Dann wird Messkopf mit Hilfe eines elektromechanischen, pneumatischen
oder hydraulischen Antriebs in Richtung auf das Werkstück verfahren,
bis die Abstützorgane 770 auf
der Werkstückaußenfläche aufsetzen,
wobei über
eine Kraftsteuerung die Anpresskraft auf einen geeigneten Wert festgelegt
ist. Nachdem der Messkopf auf diese Weise am Werkstück fixiert
ist, wird der Messsensor in seine Messstellung bewegt, bei der die
Tastspitze 782 auf der Werkstückaußenfläche aufsitzt. Danach wird in bereits
beschriebener Weise die Rauheitsmessung durchgeführt. Bei anderen Ausführungsformen
ist die Messsonde relativ zum Messkopfkörper beweglich angebracht und
mit Hilfe eines Sondenantriebes in Richtung auf die zu messende
Oberfläche
verfahrbar, um einen geeigneten Abstand zwischen Messsonde und Oberfläche einzustellen,
wobei die Einstellung der richtigen Radialposition vor, während oder
nach der Fixierung des Messkopfes am Werkstück vorgenommen werden kann.
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Bei
einer nicht bildlich dargestellten Ausführungsform eines Messkopfes
zur Messung von konvex gekrümmten
Werkstückaußenflächen sind
die Abstützorgane
fest am Messkopfkörper
angebracht, also nicht separat zustellbar. Hierdurch sind mechanisch
besonders stabile Systeme möglich.
Bei einer solchen Ausführungsform
wird der ganze Messkopf mit den integrierten, starren Abstützorganen
auf eine Welle oder ein anderes zu messendes Werkstück zugestellt.
In diesem Fall kann die Positionierung des Messkopfes relativ zum
Werkstück
und die Fixierung am Werkstück über eine
einzige steuerbare Bewegungsachse, nämlich die Bewegungsachse des Messkopfes,
gesteuert werden.
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Bei
den bisher beschriebenen Ausführungsformen
wird als Immersionsflüssigkeit
der Kühlschmierstoff
verwendet, der in der Honmaschine für die Bearbeitung umläuft. Diese
kann vor Einleitung zwischen den optischen Messseonor und die Werkstückoberfläche gereinigt
werden. Bei anderen Ausführungformen
wird von einem separaten Tank eine als Immersionsflüssigkeit
geeignete Flüssigkeit
zugeführt,
die vorzugsweise mit dem Kühlschmierstoff kompatibel
ist. Diese Flüssigkeit
kann neuer, originaler (noch unbenutzter) Kühlschmierstoff oder auch nur
ein Grundöl
ohne oder mit wenigen Additiven sein. In diesem Fall kann dann z.B.
bei jeder Messung eine geringe Menge der neuen Flüssigkeit
in die Messkammer, d.h. in den Zwischenraum zwischen Messensor und
Werkstückoberfläche, zugeführt werden.
Nach der Messung kann die Flüssigkeit
in das Maschinenbett fließen
und damit in die grosse Kühlmittelanlage,
in der der zur Bearbeitung verwendete Kühlschmierstoff umläuft. Hierzu
kann z.B. der obere Fluidkanal 635 in 6 über ein
Dosierventil an den vom Kühlschmierstoffkreislauf
separaten Immersionsflüssigkeits-Tank
angeschlossen sein, während der
untere Fluidkanal in den Kühlschmierstoffkreislauf
mündet.
Bei dieser Vorgehensweise kann die optische Qualität der Immerssionsflüssigkeit
ohne spezielle Maßnahmen
bezüglich
der Filterung des Kühlschmierstoffes
abgesichert werden. Der zugeführte zusätzliche
Kühlschmierstoff
kann zugleich dazu genutzt werden, den normalen Austrag von Kühlschmierstoff
mit den benetzten Teilen nach der Bearbeitung ganz oder teilweise
zu kompensieren.
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Die
Erfindung wurde am Beispiel von Messsystemen für die Rauheitsmessung und/oder
bildliche Erfassung der Oberflächenstruktur
von gehonten Innenflächen
zylindrischer Bohrungen oder mit Hilfe von bandförmigen Feinbearbeitungswerkzeugen oder
auf andere Weise feinbearbeiteten zylindrischen Werkstückoberflächen erläutert. Sie
ist jedoch nicht auf diese Anwendung und/oder die gezeigten Messensoren
beschränkt.
Beispielsweise können
Messsensoren unterschiedlicher Messprinzipien kombiniert sein. So
kann z.B. zusätzlich
zu mindestens einem taktilen Sensor mindestens ein berührungslos arbeitender
Messsensor vorhanden sein, beispielsweise ein optischer Sensor zur
Erfassung der Oberflächenstruktur,
um beispielsweise anhand geeigneter Schnittbilder Rückschlüsse auf
Honwinkel, Riefenbreiten, werkstoffspezifische Größen oder
dergleichen zu erlauben. Bei geeigneter Auslegung eines optischen
Messsensors z.B. zur Streifenprojektion oder dergleichen, kann ein
optischer, verschleißfreier Messsensor
oft vollwertig zur Messung der Rauheit genutzt werden. Daher kann
gegebenenfalls auf einen taktilen Messsensor verzichtet werden,
auch wenn Rauheitskenngrößen zu ermitteln
sind. Die zu messenden Bauteile und Bohrungen sind nicht auf die
Ausführungsbeispiele
beschränkt.
Beispielsweise können
Pleuelbohrungen, Bohrungen in Zahnrädern, Kompressorlaufbahnen
und/oder Zylinderbuchsen größerer Dieselmotoren
oder anderer Brennkraftmaschinen ebenfalls mit Hilfe erfindungsgemäßer Messsysteme
gemessen werden. Mit Hilfe eines für die Messung von konvex gekrümmten Außenflächen eingerichteten
Messsystems können
bei spielsweise weitgehend zylindrische Lagerflächen an Kurbelwellen, Nockenwellen
oder anderen Wellen sowie andere zylindrische Werkstücke, beispielsweise
feinbearbeitete Kolbenstangen oder dergleichen gemessen werden.