DE102007061887A1

DE102007061887A1 - Einrichtung zur laserbasierten Werkstückmessung an Drehmaschinen

Info

Publication number: DE102007061887A1
Application number: DE102007061887A
Authority: DE
Inventors: Horst Prof. Dr. Heinke
Original assignee: HOCHSCHULE MAGDEBURG STENDAL F; HOCHSCHULE MAGDEBURG-STENDAL (FH)
Current assignee: HOCHSCHULE MAGDEBURG STENDAL F; HOCHSCHULE MAGDEBURG-STENDAL (FH)
Priority date: 2007-02-15
Filing date: 2007-12-20
Publication date: 2008-08-21
Anticipated expiration: 2027-12-21
Also published as: DE102007061887B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur laserbasierten Werkstückmessung an Drehmaschinen, in denen wellenförmige Teile zur Sicherung einer gleich bleibenden Fertigungsqualität vermessen werden sollen.
Die Einrichtung weist eine Lasermesseinrichtung sowie eine Ablagestation für die Lasermesseinrichtung auf, wobei die Lasermesseinrichtung ein Koppelstück besitzt, welches mit einem Adapter eines Werkzeugsystems der Drehmaschine erfassbar ist. Die Lasermesseinrichtung kann so durch das Werkzeugsystem sowohl an notwendige Messpositionen am Werkstück als auch in eine Ruheposition in der Ablagestation transportiert werden.
Die Lasermesseinrichtung kann über einen elektrischen Energiespeicher sowie einen Datenspeicher verfügen, so dass ein autarker Messbetrieb erfolgen kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur laserbasierten Werkstückmessung an Drehmaschinen, in denen wellenförmige Werkstücke zur Sicherung einer gleich bleibend hohen Fertigungsqualität mit hoher Messgenauigkeit vermessen werden sollen. Die gewonnenen Messdaten können insbesondere zur Kompensation der Maßtrends bzw. der Maßdrift infolge thermisch bedingter Deformationen und infolge des Werkzeugverschleißes verwendet werden.
Zur Werkstückmessung sowohl an Fräs- als auch an Drehmaschinen sind taktile Messtaster bekannt und werden auch verbreitet angewendet. Die Einsatzmöglichkeiten taktiler Messtaster in Drehmaschinen sind jedoch stark eingeschränkt. Der Späneflug im Bearbeitungsraum von Drehmaschinen verursacht eine hohe Ausfallrate taktiler Messtaster. Eine diametrale Durchmessermessung von beidseitig eingespannten Wellen zur Erreichung einer ausreichend hohen Messgenauigkeit ( ≤ 3 μm) ist an Drehmaschinen nur mit einer zusätzlichen y-Achse möglich.
Lasermesssysteme werden an Dreh- und an Fräsmaschinen überwiegend nur zur Werzeugmessung verwendet, wobei hier üblicherweise das zu messende Werkzeug mit Hilfe einer NC-Achse durch den Laserstrahl bewegt wird. Die Werkstückmessung an Drehmaschinen ist deshalb besonders schwierig, weil die Arbeitsspindel von Drehmaschinen im Regelfall über keine Translationsachsen in der x- oder der y-Richtung verfügt. Die x- und die z-Achse, ggf. die y-Achse, eines Drehmaschinenkorpus dienen überwiegend der Bewegung des Werkzeuges. Lediglich Vertikalfutterteildrehmaschinen verfügen serienmäßig über eine in x-Richtung bewegliche Arbeitsspindel.
Einrichtungen zur laserbasierten Vermessung von Werkstücken außerhalb von Maschinen sind z. B. nach der DE 37 13 109 C2 bekannt, jedoch wird hier mit einer separaten aufwändigen Einrichtung der Laserstrahl bewegt und aus dem Zusammenhang von gemessener Unterbrechungszeit des Laserstrahls durch das Werkstück dessen Abmessung ermittelt. Ein solches Verfahren ist für die Erfassung von Werkstücksgeometrien in betrieblichen Bearbeitungsprozessen wegen seiner komplizierten und aufwändigen Verwirklichung ungeeignet.
In der DE 40 30 994 A1 wird vorgeschlagen, die geometrische Prüfung rotationssymmetrischer Werkstücke durch die Kombination eines Lasermesskopfes mit einem mechanischen Tastkopf durchzuführen. Auch hier ist das Anwendungsgebiet auf Einzelanwendungen begrenzt – der Realisierungsaufwand ist unverhältnismäßig groß, da auch bei dieser Lösung Lasermesskopf und Taster separat bewegt und gesteuert werden müssen.
Mit der Lösung der DE 196 31 306 C2 wird ein Laser-Lichtschranken-System vorgeschlagen, das der Vermessung von geometrischen Werkzeug- und Werkstückwerten dient und welches zum Schutz der Lasereinrichtung vor Werkzeug- oder Werkstückberührung einen mechanischen Schutzschalter zur Abschaltung der Maschine bei Kollision eines Anschlagelementes mit einem bewegten Werkzeug oder Werkstück besitzt. Während der Messvorgänge wird das Messsystem durch Sperrluft wenigstens vor Späneeinflüssen geschützt. Die Gestaltung des Messsystems als separate, am Maschinengestell befestigte und örtlich und zeitlich dauerhaft den Bearbeitungseinflüssen im Bearbeitungsraum der Maschine ausgesetzte Einrichtung hat eine eingeschränkte Anwendbarkeit, eine erhöhte Störanfälligkeit und zusätzlich, einen nicht unerheblichen Aufwand zur Folge.
In der JP 02036053 A wird schließlich ein in einem Werkzeugspeicher ablegbares Kamerasystem zur optischen Messung für Werkzeugmaschinen beschrieben, das zur Messung dem Werkzeugspeicher entnommen und in Messposition gebracht und danach zum Schutz vor Bearbeitungseinflüssen wieder im Werkzeugspeicher abgelegt wird. Das Kamerasystem besitzt einen Adapter zur automatischen Aufnahme und Halterung des Systems. Das Kamerasystem arbeitet nach dem Auflichtprinzip. Nachteilig ist hierbei die unzureichend geringe Messgenauigkeit eines nach dem Auflichtprinzip arbeitenden Kamerasystems.
Um die Nachteile der Lösungen des Standes der Technik zu vermeiden, besteht die Aufgabe, eine Möglichkeit zu entwickeln, die geometrischen Werkstücksdaten an Drehmaschinen mit einem mit hoher Messgenauigkeit arbeitenden Lasermesssystem zu erfassen und gleichzeitig schädigende Einflüsse des Bearbeitungsprozesses auszuschließen, wobei eine solche Lösung mit geringem Aufwand realisierbar und für verschiedene Messaufgaben an Drehmaschinen flexibel einsetzbar sein soll.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Einrichtung zur lasergestützten Werkstückmessung an Drehmaschinen gelöst, die die Merkmale des 1. Patentanspruches aufweist.
Eine erfindungsgemäße Einrichtung zur laserbasierten Werkstückmessung an Drehmaschinen basiert auf einer nach dem Gegenlichtprinzip arbeitenden Lasermessbrücke, die mittels eines in Form einer modifizierten Standardschnittstelle ausgeführten Koppelstückes durch den Adapter des Werkzeugsystems der Drehmaschinen aufgenommen, transportiert und positioniert werden kann. Die Einrichtung weist weiterhin eine Ablagestation für die Lasermesseinrichtung auf, die bevorzugt so angeordnet ist, dass eine in der Ablagestation abgelegte Lasermesseinrichtung nicht den Bearbeitungseinflüssen des Drehprozesses ausgesetzt ist.
So kann die Ablagestation in einer Ausnehmung angeordnet sein, die in den Drehmaschinenkorpus ragt. Die Ausnehmung kann zum Schutz der Lasermesseinrichtung gegenüber dem Bearbeitungsraum der Drehmaschine mittels Klappen, Türen oder ähnlichem verschließbar sein. Dadurch kann das Eindringen von Spänen und Kühlmittel in die Ablagestation verhindert werden. Die Ablagestation kann aber auch an einem vor Späneflug und Kühlmittel geschütztem Ort im Bearbeitungsraum der Drehmaschine angeordnet sein. Die Ablagestation kann in diesem Fall mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines Sperrluftschleiers verbunden sein, um so Späne und Kühlmittel von der Ablagestation fernzuhalten.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Ablagestation außerhalb des Bearbeitungsraumes der Drehmaschine, jedoch in dessen unmittelbarer Nähe, anzuordnen.
Eine Ablage der erfindungsgemäßen Einrichtung im Werkzeugträger der Drehmaschine ist aufgrund der Baugröße von nach dem Gegenlichtprinzip arbeitenden Lasermesseinrichtungen nicht möglich, da zum einen der benötigte Platz im Werkzeugträger nicht zur Verfügung steht und zum anderen die Kapazität von an Drehmaschinen üblicherweise verwendeten Werkzeugträger nur sehr begrenzt ist.
An der Lasermesseinrichtung ist erfindungsgemäß ein Koppelstück beispielsweise in Form einer modifizierten Standardschnittstelle angeordnet, das mit einem Adapter des Werkzeugsystems korrespondiert. Es ist erfindungswesentlich, dass durch die Möglichkeit, die messende Einrichtung durch das Werkzeugsystem der Drehmaschine aus der Ablagestation abzuholen und messaufgabengemäß zu bewegen, eine sehr flexible Bewegung der Einrichtung zur Messung unterschiedlichster Werkstückswerte gegeben ist.
Das Koppelstück wird bevorzugt magnetisch gespannt. Dadurch ist eine automatische Aufnahme der erfindungsgemäßen Einrichtung durch den Adapter des Werkzeugsystems einer Drehmaschine mit hoher Zuverlässigkeit möglich. Die Einrichtung kann sicher und exakt für die Durchführung der Messung positioniert werden.
Es kann zweckmäßig sein, an der Lasermesseinrichtung ein weiteres Koppelstück anzuordnen, über welches die Lasermesseinrichtung eindeutig positioniert in der Ablagestation abgelegt werden kann.
Durch die Verwendung einer nach dem Gegenlichtprinzip arbeitenden Lasermessbrücke kann eine Messgenauigkeit < 3 μm erreicht werden. Hierin liegt der besondere Vorzug der Erfindung. Hohe Maßgenauigkeiten in der Produktion, insbesondere der Serienproduktion, erfordern eine kontinuierliche oder in ausreichend kurzen Zyklen diskontinuierliche Erfassung der Werkstückabmessungen mit hoher Messgenauigkeit. Für auf Drehmaschinen gefertigten wellenförmigen Teilen war die automatisierte Bestimmung der Werkstückabmessungen während des Fertigungsprozesses mit hoher Genauigkeit bisher nicht oder nur mit erheblichem Aufwand möglich.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist in der Lasermesseinrichtung ein elektrischer Energiespeicher angeordnet. Dieser versorgt den Laser mit der für die Messung notwendigen elektrischen Energie. Der elektrische Energiespeicher ist bevorzugt als wiederaufladbarer elektrischer Akkumulator ausgeführt. Die Aufladung des Akkumulators erfolgt zweckmäßig in der Zeit, in der sich die Lasermesseinrichtung in der Ablagestation befindet. Dazu weist die Ablagestation entsprechende Mittel auf, die über Kontakte oder berührungslos den Akkumulator mit elektrischer Energie speisen.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht in der Anordnung einer Speichereinheit zur Speicherung von Messdaten in der erfindungsgemäßen Einrichtung. Die erfassten Messdaten werden bei dieser Ausgestaltung der Erfindung während der Messung, d. h. während die Einrichtung zur Messung am Werkstück positioniert ist, in den Speicher eingelesen, und nachdem die Einrichtung nach der Messung in der Ablagestation abgelegt wurde und sich in der Ruheposition befindet, aus dem Speicher ausgelesen und weiterverarbeitet. Dazu sind an der Ablagestation entsprechende Mittel zur kontaktbehafteten oder berührungslosen Datenübertragung aus der Speichereinheit der Lasermesseinrichtung vorzusehen. Die Speichereinheit kann durch den in der Lasermesseinrichtung befindlichen elektrischen Energiespeicher mit elektrischer Energie versorgt werden.
Durch beide vorgenannten Maßnahmen kann der Aufwand zum Betrieb der Lasermesseinrichtung erheblich reduziert werden. Der Adapter des Werkzeugsystems zur Aufnahme und Positionierung der Lasermesseinrichtung benötigt bei dieser Ausgestaltung der Erfindung keine Einrichtung zur Energie- und Datenübertragung.
Mit der erfindungsgemäßen, überraschend einfach zu realisierenden Lösung einer Einrichtung zur laserbasierten Vermessung von wellenförmigen Werkstücken an Drehmaschinen sind die folgenden Vorteile verbunden:
Mit der Einrichtung lassen sich erstmals wellenförmige Werkstücke in Drehmaschinen mit Hilfe eines Lasermesssystems mit hoher Messgenauigkeit vermessen. Für die Durchführung der Messungen sind keine besonderen Vorrichtungen zur Bewegung der Messeinrichtung erforderlich. Die Einrichtung kommt ohne bisher übliche taktile Messgeber aus.
Die erfindungsgemäße Einrichtung kann mit geringem Aufwand realisiert werden und ist bei einer Vielzahl vom Messaufgaben zur Messung wellenförmiger Teile in Drehmaschinen anwendbar. Durch die Ablage der Einrichtung in einer vor Bearbeitungseinflüssen geschützten Ablagestation ist die Einrichtung vor Spänen, Kühlmitteln usw. geschützt.
Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Dabei zeigt die zugehörige Zeichnung eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Einrichtung im Bearbeitungsraum einer Drehmaschine.
Gemäß Figur sind innerhalb eines nicht dargestellten Drehmaschinengestells ein Werkstück 1, eine Lasermesseinrichtung 2 und eine in einer Ausnehmung 3 im Drehmaschinenkorpus angeordnete Ablagestation 4 für die Lasermesseinrichtung 2 vorhanden. Die Lasermesseinrichtung 2 besitzt ein Koppelstück 5 sowie eine Adaptereinheit 6 für ein an der Ablagestation 4 angeordnetes Koppelstück 7. Beide jeweils aus den Koppelstücken 5 bzw. 7 sowie der Adaptereinheiten 6 an der Ablagestation bzw. dem Adapter 9 des Werkzeugsystems 8 gebildeten mechanischen Schnittstellen werden elektromagnetisch gespannt. Sie sind als eine bei der Werkzeugspannung übliche Schnittstelle mit elektromagnetischer Spannkraft ausgebildet. In der Figur sind ein Werkzeugsystem 8 mit einem Adapter 9 dargestellt. Der Adapter 9 ist so gestaltet, dass er über das Koppelstück 5 die Lasermesseinrichtung 2 erfassen, aus der Ablagestation 4 herausfahren, gemäß der Messaufgabe zu verschiedenen Positionen am Werkstück 1 bewegen und wieder in der Ablagestation 4 ablegen kann. Der Adapter 6 wird dabei seinerseits durch das Werkzeugsystem 8 der Drehmaschine bewegt. Die Ablagestation 4 für die Lasermesseinrichtung 2 befindet sich vorteilhaft in der Nähe einer Einspannung 10 des Werkstücks 1. Die Lasermesseinrichtung 2 kann so leicht mittels Pick-Up-Prinzip entnommen und abgelegt werden. Durch die Bewegung der Lasermesseinrichtung 2 mittels des Werkzeugsystems 8 ist gesichert, dass während der Bearbeitungszeiten des Werkstücks 1 die Lasermesseinrichtung 2 sicher in der Ablagestation 3 ruht, da das Werkzeugsystem 8 in den Bearbeitungszeiten die Werkzeughaltung und -bewegung vollführt. Die Ausnehmung 3, in der die Ablagestation 4 angeordnet ist, ist durch seitlich verfahrbare Türen 11 verschließbar.
Die Lasermesseinrichtung 2 weist einen elektrischen Energiespeicher in Form eines elektrischen Akkumulators sowie einer Speichereinheit in Form eines Datenspeichers (RAM) zur Speicherung von Messdaten auf. Der elektrische Akkumulator versorgt sowohl den Laser als auch die Speichereinheit mit elektrischer Energie. An der Ablagestation sind eine kontaktlos arbeitende Einrichtung zur Ladung des elektrischen Akkumulators sowie eine ebenfalls kontaktlos arbeitende Einrichtung zum Auslesen der Messdaten aus dem Datenspeicher angeordnet. Letzteres kann mittels eines Transponders (Radio Frequency Identifikation – RFID) erfolgen.
Während der Messung werden die Messdaten in den Speicher der Lasermesseinrichtung 2 eingelesen. Nachdem die Lasermesseinrichtung 2 in der Ablagestation abgelegt wurde, werden die Messdaten aus dem Speicher ausgelesen und zur Weiterverarbeitung geleitet. Danach wird der Speicher zurückgesetzt und so für die Aufnahme neuer Messdaten vorbereitet. Parallel dazu erfolgt ein Nachladen des elektrischen Akkumulators.

1: Werkstück
2: Lasermesssystem
3: Ausnehmung im Drehmaschinenkorpus
4: Ablagestation
5: Koppelstück an der Lasermesseinrichtung
6: Adaptereinheit an der Lasermesseinrichtung
7: Koppelstück an der Ablagestation
8: Werkzeugsystem
9: Adapter des Werkzeugsystems
10: Einspannung
11: Verfahrbare Türen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 3713109 C2 [0004]
- DE 4030994 A1 [0005]
- DE 1963130602 C2 [0006]
- JP 02036053 A [0007]

Claims

Einrichtung zur laserbasierten Werkstückmessung an Drehmaschinen, eine in einer Ablagestation (4) ablegbare Lasermesseinrichtung (2) aufweisend, wobei die Lasermesseinrichtung (2) als eine nach dem Gegenlichtprinzip arbeitende Messbrücke ausgebildet ist und ein Koppelstück (5) in Form einer modifizierten Standardschnittstelle besitzt, welches mit einem Adapter (9) eines Werkzeugsystems (8) der Drehmaschine derart aufnehmbar ist, dass die Lasermesseinrichtung (2) durch das Werkzeugsystem (8) sowohl an die Messpositionen am Werkstück (1) als auch in eine Ruheposition in der Ablagestation (4) transportierbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablagestation (4) in einer an den Bearbeitungsraum der Drehmaschine angrenzende Ausnehmung (3) im Drehmaschinenkorpus angeordnet ist.
Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (3), in der sich die Ablagestation (4) befindet, gegenüber dem Bearbeitungsraum der Drehmaschine durch Klappen, Türen (11) oder ähnliches abgrenzbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablagestation (4) außerhalb des Drehmaschinenkorpus in unmittelbarer Nähe des Bearbeitungsraumes der Drehmaschine angeordnet ist.
Einrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasermesseinrichtung (2) in der Ablagestation (4) eindeutig positioniert ablegbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablage der Lasermesseinrichtung (2) in der Ablagestation (4) mittels eines weiteren an der Lasermesseinrichtung (2) angeordneten Koppelstückes (5) erfolgt.
Einrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Koppelstück/e (5, 7) elektromagnetisch spannbar sind.
Einrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasermesseinrichtung (2) einen elektrischen Energiespeicher aufweist.
Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Energiespeicher aufladbar ausgeführt ist und in der Ablagestation (4) Mittel zum Aufladen des elektrischen Energiespeichers angeordnet sind.
Einrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasermesseinrichtung (2) einen Datenspeicher zur Speicherung von Messdaten aufweist.
Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ablagestation Mittel zum Auslesen der im Datenspeicher der Lasermesseinrichtung (2) gespeicherten Messdaten angeordnet sind.
Einrichtung nach Anspruch 9 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie- und/oder Datenübertragung zu bzw. von der Lasermesseinrichtung (2) in der Ablagestation (4) berührungslos erfolgt.