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Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zur lehrenlosen Vermessung eines Gewindes an einem Messobjekt. Insbesondere betrifft die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur lehrenlosen Vermessung einer Kugelgewindespindel bzw. allgemein von Bauteilen eines Kugelgewindetriebs, die mit einem entsprechenden Gewinde versehen sind. Es versteht sich, dass die vorliegende Offenbarung auch auf Rollengewinde und damit versehene Spindeln bzw. Antriebe anwendbar ist.
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Wesentliche Aspekte und Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden mit Bezug auf Kugelgewindespindeln veranschaulicht. Dies ist jedoch nicht einschränkend zu verstehen. Beispielsweise ist auch eine Anwendung bei Kugelgewindemuttern vorstellbar. Darüber hinaus ist eine Anwendung bei sämtlichen mit einem Gewinde versehenen Bauteilen denkbar, bei denen es auf hohe Präzision und insbesondere auf eine hohe Genauigkeit des Weges/Vorschubs bzw. ein möglichst konstantes Verhältnis zwischen Umdrehungen und einem damit verknüpften Verfahrweg ankommt.
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Beispielsweise offenbart die
DE 199 20 169 A1 ein Verfahren zur Linearitätsmessung bei einer Druckmaschine, wobei eine Gewindespindel in Form einer Kugelumlaufspindel verwendet wird. Die
EP 0 333 928 A2 zeigt die Verwendung einer Gewindespindel zur Positionsbestimmung bei einem Roboter.
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Die Verwendung einer Kugelumlaufspindel mit entsprechender Gewindemutter bei einem Lenksystem für Fahrzeuge wird beispielsweise in der
DE 102 34 596 B3 beschrieben.
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Aus der
US 2013/0104407 A1 ist ein computergestütztes Verfahren zum Prüfen des Gewindes eines Objektes bekannt, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Platzieren einer Messsonde an mehreren aufeinanderfolgenden Stellen auf dem Gewinde, wobei die Messsonde mit einem Gelenkarm verstellbar ist; Aufzeichnen eines Punktes der Gewindepositionen in 3D durch ein computergestütztes Messsystem, das mit dem Gelenkarm gekoppelt ist; und unter Verwendung des computergestützten Messsystems, Erzeugen von Daten, die das Gewinde als Funktion der aufgezeichneten 3D Punkte der Gewindepositionen charakterisieren.
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Aus der
JP 2012-247362 A ist eine Vorrichtung zur Koordinaten basierten Vermessung eines Gewindes einer Kegelgewindespindel bekannt. Aus der
JP 2009-020118 A ist eine Vorrichtung zur Koordinaten basierten Vermessung eines Innengewindes bekannt. Aus der
US 2011/0164244 A1 ist eine Vorrichtung zur Gewindevermessung bekannt. Es handelt sich um eine Vorrichtung, die spezifisch zur Vermessung von Rohrgewinden gestaltet ist. Aus der
US 2009/0179162 A1 ist eine Vorrichtung zur optischen Vermessung eines Gewindes bekannt. Aus der
US 5,521,707 A ist eine Vorrichtung zur Vermessung eines Gewindes mittels Lasertriangulation bekannt.
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Bei der Forschung, Entwicklung, aber auch Einzelfertigung oder Serienfertigung von Produkten kommt der Messtechnik insbesondere unter dem Aspekt der Qualitätssicherung eine große Bedeutung zu. So kann es etwa bereits in frühen Phasen einer Produktentwicklung erforderlich sein, die Gestalt von Musterteilen zu erfassen, um beispielsweise sicherzustellen, dass Funktionsmaße oder dgl. innerhalb von im Rahmen der Auslegung ermittelten Toleranzbereichen liegen. Die Ermittlung oder Erfassung solcher Maße oder ggf. deren Streuung erlaubt eine Rückkopplung mit dem Produktentwicklungsprozess. Somit können von den Eigenschaften oder dem Verhalten der Musterteile ggf. Änderungen oder Anpassungen angeleitet werden, die erforderlich sein können, um den Reifegrad eines Produkts zu verbessern.
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Neben entwicklungsbegleitenden Messaufgaben ist die Messtechnik auch ein häufig unverzichtbares Hilfsmittel und Qualitätskontrollelement bei der Planung, Einrichtung und Durchführung einer Serienfertigung.
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Zur Vermessung der Geometrie eines Messobjekts, aber auch zur Erfassung weiterer Merkmale wie Oberflächeneigenschaften, Lagetoleranzen, Formtoleranzen und dgl. eignet sich in besonderem Maße die Koordinatenmesstechnik. Dabei wird ein Messobjekt in einem Koordinatensystem angetastet, das durch die Gestaltung einer genutzten Messeinrichtung vorgegeben sein kann. Es kann dabei eine Erfassung von Raumpunkten, Raumkurven oder Raumbahnen sowie Flächenelementen erfolgen. Die erfassten Werte können dabei als Ist-Abbildung des Messobjekts im Koordinatenraum verstanden werden.
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Ein Koordinatenmessgerät besitzt im Regelfall eine Struktur, die es einem Messaufnehmer erlaubt, innerhalb eines bestimmten Koordinatenraumes entlang einer Mehrzahl von Raumachsen verfahren und ggf. zusätzlich um zumindest eine Raumachse verschwenkt zu werden. Der hierzu erforderliche Antrieb kann grundsätzlich manuell oder aber motorisch erfolgen. Eine Vielzahl von Koordinatenmessgeräten ähnelt in ihrem Grundaufbau beispielsweise CNC-Mehrachsfräsmaschinen.
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Gewindetriebe, insbesondere Kugelgewinde, werden für diverse Anwendungen genutzt. Dies kann einerseits Antriebselemente von Werkzeugmaschinen, Messgeräten und ähnlichen Vorrichtungen betreffen, insbesondere Verfahrantriebe. Darüber hinaus kann ein solcher Gewindetrieb auch als Maßverkörperung für Messaufgaben genutzt werden, wenn der Zusammenhang aus Steigung, Umdrehungen und dem damit verknüpften Vorschub bekannt ist.
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Darüber hinaus finden mit Gewinden versehene Spindeln auch Verwendung in der Fahrzeugtechnik, insbesondere bei sogenannten Kugelumlauflenkungen oder Schraubspindellenkungen.
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Kugelgewindetriebe haben den Vorteil einer ausgeprägten Leichtgängigkeit. Dank der verwendeten Wälzkörper (Kugeln) können Reibungsverluste zwischen der Spindel und einer darauf angeordneten Mutter deutlich reduziert werden.
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Die Anwendung von Kugelgewindetrieben, die mit Kugelgewindespindeln versehen sind, steht und fällt jedoch mit der Genauigkeit der Bewegung, also der Umsetzung zwischen Rotationsbewegung und axiale Relativbewegung zwischen Spindel und Mutter, sowie einer hierbei gegebenen Wegabweichung.
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Gängige Gestaltungen von Kugelgewindetrieben sind normiert, um die gewünschte Genauigkeit und Funktionssicherheit gewährleisten zu können. Im Hinblick auf grundsätzliche Gestaltungen von Kugelgewindetrieben wird beispielhaft auf die internationale Norm ISO 3408-1:2006 - Kugelgewindetriebe: Begriffe und Bezeichnungssystem verwiesen. Dies bedingt regelmäßig auch entsprechende Vorgaben zur Überprüfung solcher Bauteile zur Gewährleistung der gewünschten Qualität. Ergänzend wird in diesem Zusammenhang auf die internationale Norm ISO 3408-3:2006 - Kugelgewindetriebe: Abnahmebedingungen und Abnahmeprüfungen verwiesen, welche Anforderungen und Prüfbedingungen für bestimmte Klassen von Kugelgewindeanordnungen definiert.
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Insbesondere die Ermittlung gegebener Wegabweichungen ist mit einem beträchtlichen Aufwand verbunden. Üblicherweise werden hierfür Lehren in Form von Lehrmuttern genutzt, welche auf die Kugelgewindespindel aufgesetzt werden. Sodann wird eine Relativrotation zwischen Lehrmutter und Spindel erzeugt und der sich ergebende Verfahrweg bestimmt.
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Ein solcher Messvorgang ist, wenn überhaupt, nur mit großem Aufwand automatisierbar oder zumindest teilautomatisierbar. Derartige Messungen eignen sich allenfalls für Stichproben im Rahmen der Entwicklung oder der fertigungsbegleitenden Qualitätssicherung.
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Ein weiterer Nachteil, der der Lehren basierten Vermessung innewohnt, beruht auf der Tatsache, dass Verformungen, insbesondere Durchbiegungen, der Spindel Eingang in das Messergebnis, also in den Verfahrweg bzw. die Wegabweichung finden. Dies ist prinzipbedingt und kann schon deshalb nicht vermieden werden, da die genutzte Mutter möglichst spielfrei oder spielarm auf der Spindel sitzt und gewissermaßen über die Spindel (in Längsrichtung der Spindel) geführt wird.
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Ferner hat auch eine Lehrmutter regelmäßig Gestaltabweichungen und sonstige Fehler, welche sich wiederum im Messergebnis und in der ermittelten Wegabweichung niederschlagen.
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Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass etwa in der ISO 3408-3:2006 vorgeschrieben ist, dass Wegabweichungen in Längsrichtung parallel zur Längsachse der Spindel bzw. parallel zum Verfahrweg entlang der Spindel zu erfassen sind. Sofern jedoch die Spindel etwa aufgrund einer Durchbiegung eine Krümmung aufweist, kann diese Vorgabe eigentlich nicht mehr erfüllt werden.
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Ferner müssen bei Verwendung einer Lehrmutter zur Bestimmung der Wegabweichung (Fehler in Längsrichtung) andere Messaufgaben mit anderen Messmitteln durchgeführt werden, etwa betreffend die Bestimmung des Durchmessers, der Gewindeform, sowie von Lage-und Formtoleranzen der Gewindes.
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Dies macht die Vermessung und insgesamt die Qualitätssicherung bei derartigen Spindeln und Muttern zeitaufwendig und kostenaufwändig.
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Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Offenbarung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Vermessung eines Gewindes an einem Messobjekt anzugeben, das lehrenlos, also ohne Verwendung einer Lehre, durchführbar ist. Vorzugsweise ist das Verfahren unter Verwendung eines Messsystems zur Koordinaten basierten Vermessung, insbesondere eines Koordinatenmessgerätes, durchführbar.
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Insbesondere soll eine möglichst vollständige Vermessung und Prüfung des Messobjekts in nur einer einzigen Einspannung (Aufspannung) ermöglicht werden, ohne dass weitere Rüstvorgänge und Ähnliches erforderlich sind. Vorzugsweise eignet sich das Verfahren zur automatisierten oder zumindest teilweise automatisierten Durchführung.
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Ferner soll das Verfahren etwaige Fehler, die durch Verwendung von Lehrmuttern bedingt sind, minimieren oder möglichst vermeiden. Ferner soll das Verfahren die Ermittlung einer Wegabweichung über das Gewinde des Messobjekts möglichst unabhängig von einer etwaigen Verformung/Durchbiegung des Messobjekts erlauben. Darüber hinaus soll das Verfahren die Bestimmung der Wegabweichung möglichst parallel zur (globalen) Längserstreckung des Messobjekts ermöglichen.
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Schließlich soll ein Messsystem, insbesondere ein Koordinatenmessgerät, angegeben werden, dass sich zur Durchführung des Verfahrens eignet. Darüber hinaus sollen vorteilhafte Verwendungen von Messsystem, insbesondere von Koordinatenmessgeräten, angegeben werden. Schließlich soll ein Computerprogramm zur Ausführung des Verfahrens angegeben werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur lehrenlosen Vermessung eines Gewindes an einem Messobjekt, insbesondere einer Kugelgewindespindel, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- - Erfassung einer Teilwegabweichung in einem ersten Gewindeabschnitt, umfassend wiederholtes oder kontinuierliches Antasten einer Gewindenut,
- - erfassen einer Teilwegabweichung in zumindest einem zweiten Gewindeabschnitt, umfassend wiederholtes oder kontinuierliches Antasten der Gewindenut, und
- - Ermittlung einer Gesamtwegabweichung auf Basis der erfassten Teilwegabweichungen,
wobei die Wegabweichung in den Gewindeabschnitten jeweils in Bezug auf eine lokale Koordinatenreferenz am Messobjekt erfasst wird, und
wobei die lokale Koordinatenreferenz zwischen den Gewindeabschnitten am Messobjekt versetzt wird.
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Die Aufgabe der Erfindung wird auf diese Weise vollkommen gelöst.
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Erfindungsgemäß wird nämlich das Gewinde am Messobjekt in mehrere Abschnitte oder Segmente unterteilt, wobei die Abschnitte sodann separat vermessen werden, um Teilwegabweichungen abschnittsbezogen zu ermitteln. Schlussendlich können die Teilwegabweichungen zusammengeführt werden, um eine Gesamtwegabweichung für das Gewinde zu bestimmen. Dies bezieht sich beispielsweise auf einen Arbeitsweg des Gewindes.
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Ein Vorteil dieser Gestaltung ist, dass eine Durchbiegung oder sonstige Krümmung des Messobjekts allenfalls nur einen geringen Einfluss auf das Messergebnis hat, da das Gewinde gewissermaßen „scheibchenweise“ vermessen wird. Die Antastung des Gewindes im jeweiligen Abschnitt kann sodann unter der Annahme erfolgen, dass die Krümmung im - hinreichend klein gewählten - Abschnitt berücksichtigt ist.
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Unter dem Begriff lehrenlose Vermessung ist insbesondere eine Koordinaten basierte Vermessung zu verstehen, wobei ein Messsystem verwendet wird, welches durch ansprechende Antastungen die Bestimmung von Raumpunkten erlaubt. Auf dieser Basis kann sodann unter Nutzung einer Mehrzahl oder Vielzahl erfasster Raumpunkte die Erstreckung des Gewindes in Längsrichtung und mithin die Wegabweichung ermittelt werden.
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Beispielsweise beschreibt die Wegabweichung die Abweichung einer Ist-Position einer Mutter an einer Gewindespindel von einer definierten Soll-Position. Die Soll-Position ergibt sich regelmäßig aus einer gegebenen Steigung sowie einer (ganzzahligen oder nicht ganzzahligen) Umdrehungszahl. Mit anderen Worten kann der Soll-Position eine ideale mittlere Steigung zugrunde gelegt werden. In diesem Zusammenhang wird erneut auf die oben bereits genannte internationale Norm ISO 3408-3:2006 verwiesen, welche detaillierte Angaben zu entsprechenden Kenngrößen und zu deren Bestimmung gibt.
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Mit dem offenbarungsgemäßen Verfahren soll zumindest eine Gewindesteigung oder eine Längenerstreckung des Gewindes im jeweiligen Gewindeabschnitt und schlussendlich über das gesamte Gewinde oder einen entsprechend großen Arbeitsbereich des Gewindes ermittelt werden.
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Bei der Koordinatenreferenz kann es sich etwa um ein Koordinatensystem oder eine ähnliche Referenz handeln, die zur Erfassung und Darstellung der Teilwegabweichungen geeignet ist.
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Die Koordinatenreferenz kann beispielsweise einen Nullpunkt aufweisen, der mit der Längsachse des Messobjekts zusammenfällt. Ferner kann ausgehend vom Nullpunkt eine Längsrichtung definiert sein, die ebenso mit der Längsachse zusammenfällt. Wenn das Messobjekt gekrümmt oder anderweitig deformiert ist, kann die Längsrichtung an dessen Längsachse zumindest angenähert sein. Die Koordinatenreferenz kann ferner eine Angabe zur aktuellen Umdrehungszahl bzw. zum aktuellen Umdrehungswinkel und der sich ergebenden Positionsverlagerung erlauben. Bei gegebener Soll-Steigung ließe sich sodann eine Abweichung zwischen einer Ist-Position entlang der Längsachse des Messobjekts und einer Soll-Position ermitteln.
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Wesentlich ist, dass die Koordinatenreferenz neu festgelegt wird, wenn ein neuer Gewindeabschnitt vermessen wird. Somit „wandert“ eine idealisierte Koordinatenreferenz über das Messobjekt, wenn verschiedene Abschnitte vermessen werden. Mit anderen Worten wird das Gewinde in mehrere Scheiben unterteilt, welche leicht (seitlich bzw. winkelmäßig) versetzt voneinander sein können, um Krümmungen des Messobjekts nachzuvollziehen. Bei der Auswertung können jene Scheiben wieder koaxial ausgerichtet und zusammengeführt werden, um eine Aussage über die Gesamtwegabweichung treffen zu können. Dies erfolgt vorzugsweise ohne sonderlich störenden Einfluss durch eine etwaige Verformung des Messobjekts
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Die oben beschriebene Ausgestaltung des Verfahrens erlaubt die Erfassung und Bestimmung einer resultierenden Gesamtwegabweichung, und zwar jeweils unter Berücksichtigung der tatsächlichen Gestalt des Messobjekts im aktuellen Gewindeabschnitt. Die Ausrichtung und Zusammenführung der Koordinatenreferenzen resultiert in einer genauen Angabe der Gesamtwegabweichung, wobei sich eine etwaige Durchbiegung des Messobjekts nicht nachteilig auswirkt.
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Bildhaft gesprochen kann dieser Ansatz mit der Bestimmung der Gesamtlänge einer gekrümmt angeordneten Kette verglichen werden, wobei einzelne Kettenglieder individual betrachtet werden, unter Verwendung einer entsprechenden Koordinatenreferenz. Um entsprechende Längenabweichungen zusammenführen zu können, wird die Kette gedanklich gerade gezogen, sodass sich die Koordinatenreferenzen entsprechend axial ausrichten.
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Mit anderen Worten wird bei den Gewindeabschnitten jeweils eine lokale Bauteilachse zur Bildung und Orientierung der Koordinatenreferenz herangezogen. Dies hat den Vorteil, dass insgesamt mögliche Wegabweichungen in Längsrichtung parallel zur Längsachse des Messobjekts aufsummiert werden können, wenn eine entsprechende koaxiale Ausrichtung zwischen den verschiedenen lokalen Bauteilachsen erfolgt.
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Dies erlaubt insgesamt eine fehlerarme Ermittlung der Gesamtwegabweichung, welche einen wesentlichen Parameter für die Genauigkeit des Gewindes bzw. eines damit versehenen Spindeltriebes darstellt.
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In beispielhafter Ausgestaltung des Verfahrens wird die Gesamtwegabweichung durch Zusammenführung der Teilwegabweichungen ermittelt. Dies erfolgt vorzugsweise unabhängig oder im Wesentlichen unabhängig von einer Krümmung des Messobjekts. Auf diese Weise kann die Ermittlung der Gesamtwegabweichung unabhängig von einer möglicherweise vorliegenden Durchbiegung erfolgen.
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Demgemäß kann die Gesamtwegabweichung unabhängig von einer tatsächlichen Orientierung des Messobjekts hochgenau bestimmt werden.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die Koordinatenreferenz in den Gewindeabschnitten jeweils derart ausgerichtet, dass eine Längsrichtungs-Koordinatenachse mit einer Momentan-Längsachse des Messobjekts ausgerichtet ist und vorzugsweise mit dieser zusammenfällt. Es versteht sich, dass jedenfalls dann, wenn die Koordinatenachse ideal geradlinig ist, die Ausrichtung eine tangentiale Orientierung oder sonstige Näherung umfassen kann.
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Es versteht sich, dass das Verfahren nicht nur auf Außengewinde beschränkt ist. Das Verfahren lässt sich analog auch für Innengewinde anwenden, etwa für entsprechende Muttern.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden die lokalen Koordinatenreferenzen zur Ermittlung der Gesamtwegabweichung mit ihren Längsrichtungs-Koordinatenachsen (gedanklich bzw. rechnerisch) linear oder fluchtend ausgerichtet. Sodann können die Teilwegabweichungen einfach aufsummiert werden.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung des Verfahrens umfassen die Gewindeabschnitte mindestens eine Umdrehung, vorzugsweise eine Mehrzahl von Umdrehungen, entlang der die Teilwegabweichung ermittelt wird. Es versteht sich, dass hiervon eine ganzzahlige Mehrzahl oder ein gebrochener Wert umfasst sein können. Die Anzahl der Umdrehungen sollte jedoch in zumindest einem Gewindeabschnitt kleiner als die gesamte Anzahl der Umdrehungen im Arbeitsbereich des Gewindes sein.
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Ein Gewindeabschnitt kann sich also über η*2*π rad (pi rad) Umdrehungen bzw. einen entsprechenden Umfangswinkel/Rotationswinkel entlang der Spirale erstrecken, wobei n ganzzahlig oder nicht-ganzzahlig sein kann. Demgemäß kann n beispielsweise Werte zwischen 1 und 10 annehmen, abhängig von der Gesamterstreckung der Spindel. Größere Werte sind denkbar. Beispielsweise kann n 4.5 betragen, so dass in diesem Ausführungsbeispiel im entsprechenden Abschnitt 4.5 Umdrehungen (entsprechend einem Rotationswinkel von 1620° (Grad)) betrachtet werden.
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Bei bekannter Soll-Steigung bzw. Soll-Ganghöhe kann nunmehr der Soll-Weg für eine definierte Rotation bestimmt werden. Durch die Messung ergibt sich im Vergleich hierzu ein Ist-Weg. Wegabweichungen entsprechend betragsmäßig der Differenz aus Soll-Weg und Ist-Weg.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden die sich ergebenden Teilabweichungen für einzelne Messabschnitte unter Berücksichtigung der gedachten Abmessungen einer ideal gestalteten Lehrmutter ermittelt. Üblicherweise überdeckt eine solche Lehrmutter eine Mehrzahl von Umdrehungen. Bei einer Lehren basierten Vermessung hat demgemäß auch die Gestaltung der Lehrmutter einen Einfluss auf die ermittelte Position der Lehrmutter in der Längsrichtung und somit auf die Ermittlung der jeweiligen Teilwegabweichung.
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So kann eine Lehrmutter einerseits glättend wirken und eine momentane Wegabweichung (etwa innerhalb einer Umdrehung) ausgleichen. Da jedoch die Lehrmutter grundsätzlich auch selbst fehlerbehaftet sein kann, können zusätzliche Fehler in das Ergebnis einflie-ßen, welche nicht oder nicht direkt auf die Gestaltung des Gewindes zurückgeführt werden können.
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Ein entsprechendes Messsystem kann nun bei der Auswertung der ermittelten Raumpunkte, die die Gestalt des Gewindes beschreiben, eine ideal gestaltete Lehrmutter zugrunde legen, um auf Basis der Gewindegestalt und der Gewindeerstreckung resultierende Verfahrwege und Wegschwankungen bzw. Wegabweichungen rechnerisch zu ermitteln.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung des Verfahrens überlappen sich benachbarte Gewindeabschnitte zumindest teilweise. Auf diese Weise ist gewissermaßen eine „gleitende“ Vermessung möglich. Insgesamt kann somit die Gesamtwegabweichung noch genauer bestimmt werden.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung des Verfahrens weisen die Gewindeabschnitte zumindest teilweise unterschiedliche Längen auf. Damit kann zum einen dem Umstand Rechnung getragen werden, dass verschiedene Abschnitte des Gewindes unterschiedlich stark gekrümmt sind. Zum anderen kann damit auf bereichsabhängige Genauigkeitsanforderungen reagiert werden. Darüber hinaus können Gewindeabschnitte unterschiedlicher Längen, die sich zumindest teilweise überlappen, auch genutzt werden, um das Ergebnis zu verifizieren.
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Beispielsweise kann ein Gewinde für eine Kugelgewindespindel in einen Gewindeeinlauf, einen Gewindeauslauf, sowie eine Nutzlänge zwischen dem Gewindeeinlauf und dem Gewindeauslauf unterteilt werden.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird das Messobjekt während der Vermessung periodisch oder kontinuierlich rotiert. Dies vereinfacht und beschleunigt die Vermessung, da auf Seiten eines mit zumindest einem Taster versehenen Tastkopfes zum Antasten an die Gewindekontur weniger komplexe Bewegungen erforderlich sind, wenn das Messobjekt selbst rotiert wird.
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Ferner vereinfacht die Bewegung des Messobjekts die Ermittlung spezifischer Lagetoleranzen oder Formtoleranzen, wie etwa Rundlauf, Konzentrizität, Rundheit, Zylinderform, etc. Dies gilt auch für die Erfassung der spezifischen Nutform des Gewindes, also für den Querschnitt der Gewindenut bzw. des Gewindegangs. Ferner kann auf diese Weise der bauliche Aufwand beim Tastkopf selbst minimiert werden.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist das Messobjekt an einem Drehtisch aufgenommen. Der Drehtisch trägt beispielsweise ein Spannfutter oder eine sonstige zur Aufnahme des Messobjekts geeignete Aufnahme.
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Das Messobjekt kann grundsätzlich mit vertikal orientierter Längserstreckung/Längsachse angeordnet sein. Demgemäß kann das Messobjekt auf einem Drehtisch stehen oder an einem oberseitig aufgenommenen Drehtisch hängen.
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Dies schließt gleichwohl nicht aus, dass das Messobjekt mit horizontal orientierter Längserstreckung/Längsachse angeordnet ist. In diesem Falle müsste jedoch mit einer ausgeprägteren Durchbiegung/Krümmung gerechnet werden.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt das Antasten unter Nutzung eines Koordinatenmessgerätes. Das Antasten kann taktil oder optisch erfolgen. Generell sind berührende Taster als auch Näherungstaster bekannt. Die Taster sind an einem Messkopf angeordnet, der üblicherweise relativ zu einem Gestell des Koordinatenmessgerätes verfahrbar ist.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung des Verfahrens umfasst die Vermessung ferner auch eine Bestimmung zumindest eines weiteren Kennwertes, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Folgendem besteht: Durchmesserwerte, Lagetoleranzen, Formtoleranzen, Oberflächenbeschaffenheit, und Nutprofilformangaben.
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Gemäß einem weiteren Aspekt bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf ein Messsystem, insbesondere ein Koordinatenmessgerät, das Folgendes aufweist:
- - eine Aufnahme zur Aufnahme eines mit einem Gewinde versehenen Messobjekts,
- - zumindest einen Messkopf zur Aufnahme eines Messtasters,
- - eine Antriebseinheit zum Verfahren des Messtasters in zumindest zwei Raumachsen, und
- - eine Steuereinrichtung, die mit dem Messkopf und der Antriebseinheit gekoppelt ist,
wobei die Steuereinrichtung das Messsystem zur Ausführung des Verfahrens gemäß einer der hierin beschriebenen Ausgestaltungen befähigt.
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Dies umfasst regelmäßig, dass die Steuereinrichtung mit der Antriebseinheit und dem Messkopf bzw. dem daran aufgenommenen Messtaster kommuniziert, um Steuerbefehle zum Verfahren des Messtasters auszugeben sowie um Signale vom Messtaster zu empfangen, die beispielsweise einen Kontakt mit dem Messobjekt anzeigen.
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Die Steuereinrichtung kann ferner zur Verarbeitung und Auswertung der ermittelten Raumkoordinaten ausgebildet sein, um die Gesamtwegabweichung des Gewindes verfahrensgemäß ermitteln zu können.
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Es versteht sich, dass Teilaufgaben oder Teilaspekte der Steuerung/Auswertung durch räumlich entkoppelte Steuereinheiten abgearbeitet werden können, etwa durch separate Computer, die zumindest zweitweise mit dem Messsystem gekoppelt sind, um Daten auszutauschen.
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Demgemäß kann das Messsystem auch mit einer Schnittstelle zum Datenaustausch sowie zum Austausch von Steuerbefehlen versehen sein.
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Gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung des Messsystems weist dieses ferner einen Drehtisch auf, an dem die Aufnahme für das Messobjekt aufgenommen ist, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgebildet ist, eine gekoppelte Bewegung des Messkopfes und des Messobjekts zu erzeugen, um das Gewinde zu vermessen.
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Die gekoppelte Bewegung kann eine zumindest zeitweise zeitparallele Bewegung des Messkopfes und des Messobjekts umfassen. Es ist jedoch auch vorstellbar, das Messobjekt und den Messkopf ohne unmittelbare zeitliche Überlappung zu bewegen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf die Verwendung eines Messsystems gemäß einem der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele, das als Koordinatenmessgerät ausgestaltet ist, zur Ausführung des Verfahrens zur Gewindevermessung gemäß einem der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele.
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Schließlich bezieht sich die Offenbarung ferner auf ein Computerprogramm, das Programmcode aufweist, der ein Messsystem, insbesondere ein Koordinatenmessgerät, gemäß einem der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele, dazu befähigt, das Verfahren zur Gewindevermessung gemäß einem der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele auszuführen, wenn das Computerprogramm auf einer Steuereinrichtung des Messsystems ausgeführt wird.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Messsystems in Form eines Koordinatenmessgerätes;
- 2 eine perspektivische, teilweise geschnittene Teilansicht eines Kugelgewindetriebs mit einer Kugelgewindespindel sowie einer Kugelgewindemutter;
- 3 eine perspektivische Ansicht einer mit einem Kugelgewinde versehenen Stange zur Verwendung bei einem Fahrzeug-Lenksystem;
- 4 eine Teilansicht einer Gewindestange;
- 5 eine weitere Ansicht der Gewindestange gemäß 4 in einem gekrümmten Zustand; und
- 6 ein vereinfachtes Blockdiagramm zur Veranschaulichung einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Vermessung eines Gewindes an einem Messobjekt, insbesondere zur Bestimmung einer Gesamtwegabweichung.
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In 1 ist ein Messsystem dargestellt, das eine Messeinrichtung 10 sowie eine Datenverarbeitungseinrichtung 42 zu deren Steuerung umfasst. Das Messsystem ist insgesamt mit 66 bezeichnet.
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Die Messeinrichtung 10 ist vorliegend als Koordinatenmessgerät in Portalgestalt ausgebildet, kann jedoch grundsätzlich auch eine Ständerbauweise, Auslegerbauweise oder dgl. aufweisen.
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Als Basis der Messeinrichtung 10 dient ein Messtisch 12, der eine Aufnahme 14 aufweist, auf der ein zu vermessendes Messobjekt 52 angeordnet ist. Im beispielhaften Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist die Aufnahme 14 auf einem Drehtisch 16 angeordnet. Der Drehtisch 16 erlaubt eine gesteuerte Rotation der Aufnahme 14 mit dem Messobjekt 52.
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Am Messtisch 12 ist ein Portal 18 aufgenommen, das diesem gegenüber kontrolliert verfahrbar ist. Am Portal 18 ist ein Schlitten 20 aufgenommen, der wiederum diesem gegenüber kontrolliert verfahren werden kann. Schließlich dient der Schlitten 20 als Aufnahme und Führung für eine in diesem aufgenommenen Pinole 22, die dem Schlitten 20 gegenüber kontrolliert verfahrbar ist. Am messtischseitigen Ende der Pinole 22 ist ein Messaufnehmer 24 angeordnet, der in 1 beispielhaft einen Tastschaft 26 sowie an dessen Ende einen Tastkopf 28 aufweist.
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Die drei relativ zueinander und gegenüber dem Messtisch 12 verfahrbaren Baugruppen Portal 18, Schlitten 20 sowie Pinole 22 erlauben somit ein Verfahren des Messaufnehmers 24 mit dem Tastkopf 28 entlang von drei Raumachsen 30a, 30b, 30c. Zur Bestimmung der Position des Tastkopfes 28 und somit zur Bestimmung der Lage von angetasteten Entitäten auf dem Messobjekt 52 weist die Messeinrichtung mit 32a, 32b, 32c angedeutete Maßverkörperungen auf, anhand derer eine Ist-Lage des Tastkopfes 28 bezüglich jeder der drei Raumachsen 30a, 30b, 30c bestimmt werden kann.
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Daneben kann die Messeinrichtung auch eine sog. Dreh-Schwenk-Funktionalität aufweisen, um den Messaufnehmer 24 oder zumindest den Tastschaft 26 mit dem Tastkopf 28 um zumindest eine der Raumachsen 30a, 30b, 30c verdrehen oder verschwenken zu können. Die sich dabei ergebenden Rotationsfreiheitsgrade sind in 1 mit 34a, 34b, 34c angedeutet. Auch der Drehtisch 16 erlaubt eine Rotation um einer Raumachse 30c und stellt somit einen Rotationsfreiheitsgrad analog zu 34b bereit.
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Vereinfacht kann die Messeinrichtung 10 mit einer CNC-Bearbeitungseinrichtung verglichen werden, die etwa eine sog. Drei-Achs-Funktionalität oder aber eine Fünf-Achs-Funktionalität aufweisen kann.
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Die Ansteuerung der Messeinrichtung 10 kann grundsätzlich in einfacher Weise über ein Steuerelement 36 erfolgen, das vorliegend einen Richtungsgeber 38 sowie ein Schaltelement 40 aufweist. Dabei kann der Richtungsgeber 38 etwa als Steuerhebel oder Steuerknüppel ausgebildet sein. Zur Steuerung in mehreren Raumrichtungen und ggf. zum Verschwenken oder Verdrehen des Messaufnehmers 24 um verschiedene Raumachsen kann auch eine Mehrzahl von Richtungsgebern 38 vorgesehen sein. Am Steuerelement 36 ist ferner ein Schaltelement 40 vorgesehen, mit dem beispielsweise ein Signal erzeugt werden kann, das eine Messung eines angetasteten Geometrieelements freigibt.
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Neben der manuellen oder teilautomatisierten Ansteuerung über das Steuerelement 36 ist die Messeinrichtung 10 auch zur Ansteuerung durch eine Datenverarbeitungseinrichtung 42 ausgebildet, die einen Bestandteil einer (Gesamt-) Steuereinrichtung 60 der Messeinrichtung 10 bildet. Die Datenverarbeitungseinrichtung 42 kann beispielsweise als Mess-Computer oder aber als Client eines zentralen Hauptrechners ausgebildet sein. Neben der angekoppelten Datenverarbeitungseinrichtung 42 kann die Steuereinrichtung 60 ferner auch Baugruppen und Komponenten aufweisen, welche in die Messeinrichtung 10 integriert sind.
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Die Datenverarbeitungseinrichtung 42 weist eine Anzeige 44 zur Ausgabe von Information und Eingabeelemente 46a, 46b auf, etwa Tastaturen, Tastenfelder, Mäuse, Touchscreens, Trackballs, 3D-Eingabeelemente oder dgl. Somit kann ein Bediener grundsätzlich ausgegebene Informationen erfassen sowie Eingaben und Befehle eingeben.
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Daneben weist die Datenverarbeitungseinrichtung 42 ferner ein Verarbeitungsmodul 48 sowie ein Speichermodul 50 auf, die über zumindest eine Schnittstelle 51 verbindbar sind. Das Verarbeitungsmodul 48 kann etwa als Prozessoreinheit ausgeführt sein und dazu ausgebildet sein, Programmbefehle auszuführen. Das Speichermodul 50 kann als Datenbasis fungieren oder aber mit einer zentralen Datenbasis, etwa einem zentralen Produktdatenmanagementsystem, verbindbar sein.
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Die Datenverarbeitungseinrichtung 42 ist ferner dazu ausgebildet, die Messeinrichtung 10 anzusteuern, also beispielsweise das Rotieren des Drehtisches 16, das Verfahren des Portals 18, des Schlittens 20 sowie der Pinole 22 bewirken zu können. Umgekehrt kann die Datenverarbeitungseinrichtung 42 von der Messeinrichtung 10 erfasste Positionswerte empfangen und verarbeiten. Die Elemente 16, 18, 20, 22 sind, sofern vorhanden, in einer Antriebseinheit 54 zusammengefasst.
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Das Messobjekt 52 weist zumindest abschnittsweise ein Gewinde auf. Insbesondere handelt es sich bei dem Gewinde um ein sogenanntes Kugelgewinde.
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2 zeigt anhand einer perspektivischen, teilweise geschnittenen Darstellung eine beispielhafte Ausführungsform eines Kugelgewindetriebs 70, der eine Gewindespindel 72 und eine Mutter 74 umfasst. Zwischen der Gewindespindel 72 und der Mutter 74 sind Wälzkörper in Form von Kugeln 76 angeordnet. Die Wälzkörper 76 gewährleisten eine reibungsoptimierte Relativbewegung zwischen der Mutter 74 und der Gewindespindel 72. Die Relativbewegung umfasst eine Relativrotation um eine Längsachse des Kugelgewindetriebs 70, sowie eine Relativtranslation entlang der Längsachse des Kugelgewindetriebs 70.
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3 veranschaulicht anhand einer perspektivischen Darstellung ein Wellenbauteil 80, welches beispielsweise in einem Lenksystem für ein Fahrzeug nutzbar ist. Das Wellenbauteil 80 kann auch als Lenkstange bezeichnet werden. Das Wellenbauteil 80 umfasst einen Kugelgewindeabschnitt 82 und einen Zahnstangenabschnitt 84. Beispielsweise kann eine Lenksäule mit einer Verzahnung über den Zahnstangenabschnitt 84 auf das Wellenbauteil 80 einwirken. Über den Kugelgewindeabschnitt 82 kann beispielsweise eine Lenkkraftunterstützung auf das Wellenbauteil einwirken, um Lenkbefehle zu erleichtern.
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Die beispielhaft mit Bezugnahme auf die 2 und 3 veranschaulichten Ausgestaltungen stehen für eine Vielzahl weiterer denkbarer Ausführungsformen von Spindeln oder Wellenbauteilen, die mit Gewindeabschnitten, insbesondere mit Kugelgewindeabschnitten, versehen sind.
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Die 4 und 5 veranschaulichen ein Messobjekt 100, welches als Gewindespindel gestaltet ist. 4 zeigt einen idealen Zustand des Messobjekts 100. 5 zeigt einen teilweise deformierten (durchgebogenen) Zustand des Messobjekts 100. Es versteht sich, dass die Darstellung der Verformung in 5 aus Veranschaulichungsgründen überzeichnet ist.
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Das Messobjekt 100 weist ein Gewinde 102 auf, welches als Kugelgewinde gestaltet ist. Eine Längsachse des Messobjekts 100 ist mit 104 bezeichnet. In der Darstellung gemäß 5 ist das Messobjekt 100 zumindest abschnittsweise verformt, insbesondere aufgrund einer Durchbiegung. Demgemäß ist die Längsachse 104 im Bereich des Gewindes 102 gekrümmt.
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Wie vorstehend bereits erläutert, ist es von Vorteil, das Gewinde 102 in Abschnitte 110, 112, 114 zu unterteilen, um eine Gesamtwegabweichung möglichst unabhängig von einer gegebenen Verformung/Krümmung zu ermitteln.
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Zu diesem Zweck wird vorgeschlagen, für jeden der Abschnitte 110,112,114 eine Koordinatenreferenz bzw. ein Koordinatensystem zu definieren. Hierbei soll die jeweilige Koordinatenreferenz 120, 122, 124 bzw. deren Längsachse 130, 132, 134 jeweils mit dem aktuellen Verlauf der Längsachse 104 im jeweiligen Abschnitt 110,112,114 ausgerichtet werden. Nunmehr kann das Gewinde 102 abschnittsweise zur Ermittlung einer Teilwegabweichung angetastet werden, wobei im jeweiligen Abschnitt 110,112,114 die gegebene Krümmung der Achse 104 zumindest teilweise berücksichtigt wird. Dies hat den Vorteil, dass die Krümmung der Achse 104 nicht zu einer willkürlichen Veränderung des jeweiligen Weges entlang des Gewindes 102 führt.
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Zur Erfassung einer Gesamtwegabweichung werden Teilwegabweichungen für die Abschnitte 110, 112, 114 aufsummiert, sodass sich insgesamt eine präzisere Messung ergibt, die den realen Gegebenheiten besser entspricht.
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Es ist grundsätzlich vorstellbar, die Abschnitte 110, 112, 114 zumindest teilweise zu überlappen, um eine Überdeckung (in Längsrichtung) zwischen den Abschnitten zu schaffen. Es ist jedoch unser sie auch vorstellbar, die Abschnitte 110, 112, 114 ohne Überdeckung zu definieren.
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Es ist ferner vorstellbar, die Abschnitte 110, 112, 114 unterschiedlich lang zu gestalten, um verschiedene Abschnitte des Gewindes 102 entsprechend zu berücksichtigen. Jeder der Abschnitte 110, 112, 114 umfasst vorzugsweise zwei oder mehr Umdrehungen des Gewindes 102. Auf diese Weise kann auf Basis einer gegebenen Steigung der sich ergebende Weg in Abhängigkeit des aktuellen Rotationswinkels ermittelt werden. Ein Vergleich zwischen Ist-Werten und Soll-Werten ergibt sodann die jeweilige Wegabweichung.
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In 5 ist mit 140 eine sogenannte virtuelle Mutter bezeichnet. Hierbei handelt es sich um ein Hilfsmittel bei der Auswertung der bei der Vermessung der Abschnitte 110, 112, 114 ermittelten Daten. Hintergrund dieses Ansatzes ist, dass regelmäßig sogenannte Lehrmuttern verwendet werden, um insbesondere resultierende Wegabweichungen von Gewinden 102 zu ermitteln. Diese Lehrmuttern überdecken regelmäßig mehrere Umdrehungen, sodass die sich ergebende Wegabweichung gewissermaßen über mehrere Umdrehungen „gemittelt“ wird.
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Es wird nunmehr vorgeschlagen, die Verwendung derartiger Lehrmuttern zu simulieren, wobei der Vorteil daran besteht, dass ideal gestaltete Lehrmuttern der Auswertung der Messergebnisse zugrunde gelegt werden können. Der mit 140 bezeichnete Block wird demgemäß zu Zwecken der Auswertung mit idealen Maßen für die dort vorhandene Gewindenut und etwaige Wälzkörper, sofern vorhanden, verknüpft, sodass etwaige Fehler, die mit realen Lehrmuttern verknüpft sein können, keinen Einfluss auf die ermittelten Wegabweichungen haben können.
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Ein weiterer Vorteil der Unterteilung des Gewindes 102 in Abschnitte 110, 112, 114 ist, dass die „simulierte“ Lehrmutter 140 gewissermaßen der Krümmung der Längsachse 104 in den jeweiligen Abschnitten 110, 112, 114 folgt. Dies erhöht die Genauigkeit der Erfassung der Wegabweichung weiter.
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Das Gewinde 102 bzw. der Verlauf der Gewindenut 106, die das Gewinde 102 ausbildet, wird kontinuierlich oder intermittierend angetastet, um einen realen Weg zu ermitteln, der sich entlang des Gewindes 102 bei der Drehung des spindelartigen Messobjekts 100 ergibt. Dies erlaubt die Verwendung eines Messsystems, welches als Koordinatenmessgerät gestaltet ist oder ein Koordinatenmessgerät verwendet. Je nach Gestaltung des Koordinatenmessgeräts können weitere Maße, Parameter, Formabweichungen, Gestaltabweichungen, etc. ermittelt werden.
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Insgesamt kann somit ein separater Messvorgang für die resultierende Wegabweichung vermieden werden, der aufgrund der Verwendung von Lehrmuttern arbeitsintensiv ist.
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Die Unterteilung des Gewindes 102 in zwei oder mehr Abschnitte 110, 112, 114, die dem aktuellen Krümmungsverlauf des Messobjekts 100 folgen, erhöht die Genauigkeit der Messung.
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Mit Verweis auf 6 wird anhand einer Blockdarstellung eine beispielhafte Ausgestaltung eines Verfahrens zur Vermessung eines Gewindes eines Messobjekts veranschaulicht.
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Das Verfahren umfasst einen Schritt S10, welcher die Bereitstellung eines Messsystems umfasst, das ein Koordinatenmessgerät nutzt. Somit ist es ermöglicht, ein Messobjekt anzutasten, um entsprechende Raumkoordinaten zu erfassen, die die Kontur des Messobjekts widerspiegeln.
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Hieran folgt ein Schritt S12, der die Aufnahme eines Messobjekts an einem Drehtisch im Koordinatenmessgerät umfasst. Bei dem Messobjekt handelt sich insbesondere um ein Wellenbauteil oder eine Spindel, die mit einem Gewindeabschnitt versehen sind. Das Messobjekt wird derart aufgenommen bzw. eingespannt, dass der Drehtisch das Messobjekt um seine Längsachse definiert rotieren kann.
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In einem nachgelagerten Schritt S14 erfolgt ein mehrmaliges oder kontinuierliches Antasten einer Gewindebahn eines ersten Gewindeabschnittes, um einen Wegverlauf des Gewindes (äquivalent zur Steigung mal Umdrehungen) zu ermitteln. Dies umfasst ferner die Ermittlung einer Wegabweichung von einem Soll-Weg. Der Schritt S16 umfasst einen ähnlichen oder gleichartigen Messvorgang in einem weiteren Gewindeabschnitt. Den abschnittsweisen Messungen in den Schritten S14 und S16 wird jeweils eine Koordinatenreferenz (Koordinatensystem) zugrunde gelegt, die einer aktuellen Krümmung des Messobjekts folgt. Dies erhöht insbesondere bei einer Durchbiegung des Messobjekts die Genauigkeit der Messung.
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Vorzugsweise erfolgt die Vermessung in den Schritten S14 und S16 derart, dass jeweils mehrere Umdrehungen des Gewindes erfasst werden. Die Schritte S14 und S16 stehen beispielhaft für zwei oder mehr Abschnitte, die nacheinander vermessen werden.
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Den Vermessungsschritten S14 und S16 folgt ein Auswerteschritt S18. Im Auswerteschritt S18 werden die in den Schritten S14 und S16 ermittelten Koordinaten ausgewertet, um eine Gesamtwegabweichung für das Gewinde zu ermitteln. Dies erfolgt unter Berücksichtigung der lokalen Koordinatenreferenz der jeweiligen Abschnitte. Dies erhöht insgesamt die Genauigkeit der Bestimmung der Gesamtwegabweichung.
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Ferner umfasst der Schritt S18 gemäß beispielhaften Ausführungsformen die Berücksichtigung einer „virtuellen“ Lehrmutter, welche mit idealen Maßen gestaltet ist. Eine solche Mutter kann eine Längenerstreckung aufweisen, welche mehrere Umdrehungen des Gewindes überspannt. Dies kann etwa zu einer Nivellierung oder Mittelung von umdrehungsweise erfassten Gestaltabweichungen führen. Da die Auswertung im Schritt S18 in erster Linie rechentechnisch erfolgt, kann zumindest sichergestellt werden, dass das gesamte Gewinde über die verschiedenen Abschnitte „virtuell“ von ein und derselben ideal gefertigten Lehrmutter überfahren wird.
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Dies schließt zumindest aus, dass etwaige Fehler in einer „realen“ Lehrmutter einen Eingang in die erfasste Gesamtwegabweichung finden.
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In einem hierauf folgenden Schritt S20 erfolgt eine Ausgabe oder Übergabe des Messergebnisses. Auf dieser Basis kann die Maßhaltigkeit und Qualität des Gewindes bestimmt werden. Die ermittelten Daten können weiterverarbeitet werden. Auf Basis der ermittelten Daten kann bestimmt werden, ob das geprüfte Gewinde bzw. die damit versehene Spindel den Anforderungen bzw. der gewünschten Qualitätsklasse entspricht oder nicht.
