DE102018209017A1

DE102018209017A1 - Halterung zur Fixierung und Referenzierung von mit einer Messvorrichtung an mehreren, nicht in einer gemeinsamen Ebene angeordneten Oberflächen in einer Einspannung zu vermessenden Bauteilen

Info

Publication number: DE102018209017A1
Application number: DE102018209017.3A
Authority: DE
Inventors: Henrik von Lukowicz; Johannes Hartung; Matthias Beier; Stefan Risse
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Priority date: 2018-06-07
Filing date: 2018-06-07
Publication date: 2019-12-12
Anticipated expiration: 2038-06-08
Also published as: DE102018209017B4

Abstract

Die Halterung zur Fixierung und Referenzierung von mit einer Messvorrichtung an mehreren, nicht in einer gemeinsamen Ebene angeordneten Oberflächen in einer Einspannung zu vermessenden Bauteilen (1), ist mit einem äußeren Rahmenteil (3) und einem inneren Halteteil (4) für das jeweilige Bauteil (1) gebildet. Das Halteteil (4) ist am Rahmenteil (3) austauschbar befestigt. Das Rahmenteil (3) ist an mindestens drei in einem Abstand zueinander angeordneten Positionen mit jeweils gleichen konvex gewölbten Oberflächen (8) an einer Ober- und einer Unterseite des Rahmenteils (3) versehen und/oderam Rahmenteil (3) sind mindestens vier Anschlagsflächen (5.1) und mindestens ein partieller Rundlauf (5.2) an senkrecht zur Ober- und Unterseite des Rahmenteils (3) ausgerichteten äußeren Seitenund/oderan der Oberfläche der Ober- und Unterseite des Rahmenteils (3) sind mindestens vier planare und zueinander parallel ausgerichtete Oberflächenbereiche (6) vorhandenund/oderan der Ober- und der Unterseite des Rahmenteils sind Referenzstrukturen (7) mit definierter Oberflächengeometrie vorhanden, die zur Ausrichtung eines computer-generierten Hologramms ausgebildet sind. Mit diesen Mitteln und mittels mindestens eines Messsystems ist die Bestimmung eines Messkoordinatensystems für eine Vermessung des jeweiligen Bauteils (1) möglich.

Description

Die Erfindung betrifft eine Halterung zur Fixierung und Referenzierung von mit einer Messvorrichtung an mehreren, nicht in einer gemeinsamen Ebene angeordneten Oberflächen in einer Einspannung zu vermessenden Bauteilen.
Weist ein optisches oder anderes hochpräzises Bauteil mehrere zu vermessen Flächen auf, die sich auf Grund von geometrischen Randbedingungen nicht in einem Messschritt vermessen lassen (beispielsweise die Vorder- und Rückseite einer Linse oder eines Bauteils), ist ein absoluter Bezug dieser Flächen zueinander nicht ermittelbar. Zusätzlich lassen sich unterschiedliche Messverfahren (optische und taktile) typischerweise nicht in einem gemeinsamen Koordinatensystem durchführen, wodurch eine Kombination der erzeugten Werte (z.B. in unterschiedlichen Ortsfrequenzbereichen) nicht möglich ist. Das Hauptproblem bei der Vermessung solcher Bauteile ist es, diese geeignet aufzunehmen und den Zugang mit entsprechenden Messmitteln von Messsystemen zu ermöglichen ohne die Lage des Bauteils in Bezug zur Vorrichtung während der verschiedenen Messverfahren zu verändern.
Als Maschinenausführung und als Maschinenzubehör sind Rahmenelemente bereits verfügbar, die es gestatten optische Elemente von zwei Seiten zu vermessen. Diese sind jedoch nur für Profilometer-Messmaschinen verfügbar und gestatten es nicht, beide Seiten eines Bauteils zueinander absolut zu referenzieren. Eine andere Möglichkeit für optische oder hochpräzise Metallteile als Bauteile besteht theoretisch darin, dort Referenzstrukturen, z.B. durch Dreh- oder Fräsprozesse direkt anzuarbeiten. An hochpräzisen Elementen aus sprödharten Materialien (wie Glaslinsen) ist dies aber nicht möglich.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Messungen in Bezug zu spezifizierten Außenkonturen von Bauteilen, bevorzugt mit mehreren Messverfahren in einem einzigen gemeinsamen Messkoordinatensystem (MKS) zu bestimmen
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Halterung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Die erfindungsgemäße Halterung zur Fixierung und Referenzierung von mit einer Messvorrichtung an mehreren, nicht in einer gemeinsamen Ebene angeordneten Oberflächen in einer Einspannung zu vermessenden Bauteilen ist mit einem äußeren Rahmenteil und einem inneren Halteteil für das jeweilige Bauteil gebildet. Das Halteteil ist am Rahmenteil austauschbar befestigt.
Außerdem ist mindestens eine der nachfolgend genannten Alternativen 1. bis 4., mit denen mittels mindestens eines Messsystems die Bestimmung eines Messkoordinatensystems für eine Vermessung des jeweiligen Bauteils möglich ist, realisiert.

1. Am Rahmenteil sind an mindestens drei in einem Abstand zueinander angeordneten Positionen jeweils gleiche konvex gewölbte Oberflächen an einer Ober- und einer Unterseite des Rahmenteils vorhanden.
2. Am Rahmenteil sind mindestens vier Anschlagsflächen und mindestens ein partieller Rundlauf an senkrecht zur Ober- und Unterseite des Rahmenteils ausgerichteten äußeren Seiten vorhanden.
3. An der Oberfläche der Ober- und Unterseite des Rahmenteils sind mindestens vier planare und zueinander parallel ausgerichtete Oberflächenbereiche vorhanden.
4. An der Ober- und der Unterseite des Rahmenteils sind Referenzstrukturen mit definierter Randgeometrie vorhanden, die zur Ausrichtung eines Hologramms ausgebildet sind.

Als Messsystem kann ein Profilometer, ein Interferometer und/oder ein Drei-Koordinatenmesssystem sein.
Konvex gewölbte Oberflächen können vorteilhaft an kugelförmigen Elementen, die bevorzugt an den Außenbereichen am Halteteil fixiert sind, ausgebildet sein.
Die kugelförmigen Elemente sollten aus einem Werkstoff mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten kleiner oder gleich 8,5×10^-6 1/K, bevorzugt aus Rubin gebildet sein.
Mindestens die Oberflächenbereiche des Halteteils, die für eine Ausbildung von Anschlagflächen, Rundlauf, planaren und zueinander parallel ausgerichteten Oberflächenbereichen und/oder Referenzstrukturen genutzt werden, sollten mit einer zur spanenden Bearbeitung geeigneten und nach der Bearbeitung in optischer Qualität vorliegenden Beschichtung, beispielsweise einer Nickel-Phosphorschicht versehen sein.
Referenzstrukturen können bevorzugt rechteckig und jeweils zur Ausrichtung eines mittels computer-generierten Hologramms ausgebildet sein.
Für alle durchgeführten Messungen zur Bestimmung der Kontur und Abmaßen von Bauteilen kann ein gemeinsames MKS genutzt werden. Dies betrifft sowohl die Messungen mit unterschiedlichen Messverfahren und Messsystemen, als auch die Messung verschiedener Flächen des jeweiligen Bauteils.
Durch den Bezug auf eine Messvorrichtung spielen insbesondere die Materialien, aus denen die zu vermessenden Bauteile, wie insbesondere optische Elemente, gefertigt sind, eine untergeordnete Rolle im Messprozess. Um auch eine Vermessung der optischen Fläche mit Hilfe eines Interferometers zu ermöglichen, insbesondere für Asphären oder Freiformflächen kann es erforderlich sein, dass ein computer-generiertes Hologramm (CGH) in seiner Lage zur Messvorrichtung justiert werden kann. Dafür können unterschiedliche Referenzen vorhanden sein, die durch ihre Kombination eine Justage aller sechs Freiheitsgrade ermöglichen. Diese optischen Referenzen sollten eine hohe Oberflächengüte aufweisen und können im gleichen Bearbeitungsschritt, wie die taktilen Referenzen (Anschlagsflächen und mindestens ein partieller Rundlauf) mit Hilfe einer ultrapräzisen Dreh- oder Fräsbearbeitung durch spanende Bearbeitung ausgebildet werden.
Die Halterung wird im Wesentlichen mit zwei Teilen, dem Halteteil und dem Rahmenteil gebildet. Das äußere Rahmenteil enthält die erwähnten Kugelnormale mit den konvexe Oberflächen, sowie taktile und optische Referenzen (Anschlagsflächen, partiellen Rundlauf, Referenzstrukturen und planare und zueinander parallel ausgerichtete Oberflächenbereiche). Im Gegensatz dazu ist das innere Halteteil so konzipiert, dass es sich leicht austauschen lässt und für weitere Bauteilgeometrien adaptierbar ist. Dafür ist eine reine CNC-Bearbeitung ausreichend.
Im Detail sollte das Rahmenteil der Halterung wie folgt aufgebaut, sein. Es können insgesamt vier Referenzsysteme genutzt werden, um ein gemeinsames MKS zu generieren. Diese gliedern sich in

a. 4 Anschlagsflächen und partieller Rundlauf an den Seitenflächen des Rahmenteils zur Ausrichtung der gesamten Halterung inklusive dem jeweiligen Bauteil auf einer Drei-Koordinaten-Messmaschine.
b. mindestens 3 beidseitig antastbare Kugelnormale, die sowohl durch eine Drei-Koordinaten-Messmaschine, als auch durch ein Profilometer angemessen werden können. Durch die beidseitige Anmessbarkeit wird der Übertrag der beiden Seiten der Halterung zueinander geschaffen und damit kann das MKS festgelegt werden.
c. 4 Planflächen auf Ober- und Unterseite des Rahmenteils können zur Winkellagebestimmung des äußeren Rahmenteils mit Hilfe eines Interferometers genutzt werden.
d. 4 beidseitig rechteckig angeordnete konkave Referenzstrukturen zur Ausrichtung eines computer-generierten Hologramms zur Vermessung der zu messenden Oberflächen des Bauteils und Trennung von Form und Lagefehler. Wobei die planaren Referenzstrukturen zur Entkippung und die konkaven Referenzstrukturen für die azimutale und fokale Ausrichtung des computer-generierten Hologramms Verwendung finden können.

Um den Rauheits-Anforderungen insbesondere bei optischen Messungen Rechnung zu tragen, sollte eine ultrapräziese spanende Bearbeitung durchgeführt werden. Diese kann durch die Verwendung einer spanbaren Dickschicht (z.B. Nickel-Phosphor) für das äußere Rahmenteil der Halterung ermöglicht werden. Das Kernmaterial des Halteteils (z.B. ein Edelstahl) sollte dazu die Beschichtung ermöglichen und idealerweise eine hohe Steifigkeit aufweisen, um die Deformationen unter Messbedingungen zu reduzieren. Der innere Halteteil der Halterung kann aus Aluminium gefertigt sein, um eine leichte Fertigbarkeit zu gewährleisten. Das Halteteil kann Elemente zur Fixierung und Ausrichtung von Bauteilen aufweisen. Diese Elemente können austauschbar bzw. auch an unterschiedliche Dimensionen und Geometrien von Bauteilen anpassbar sein.
Die Halterung sollte in einer Messmaschine auf einer ebenen Fläche auf drei sphärischen Füßen und dadurch statisch bestimmt aufgesetzt sein, um eine Beschädigung der Bauteile auszuschließen und ein Verkippen der Anordnung während der Messung zu verhindern.
Die entwickelte Halterung ermöglicht Messungen an Bauteilen in Bezug zu spezifizierten Außenkonturen der Teile (sprödhart oder aus Metall) mit mehreren unterschiedlichen Messsystemen in einem einzigen gemeinsamen MKS durchzuführen und mehrere Seiten oder Oberflächen, die in unterschiedlichen Ebenen oder nicht parallel zueinander angeordnet sind, absolut zueinander zu referenzieren. Dabei sollen auch Bauteile unterschiedlicher Größen einfach vermessen werden können, was durch das innere, leicht austauschbare Halteteil ermöglicht werden kann. Die aufwendigen
Referenzstrukturen (Kugelnormale, Kalotten, ...) sind bevorzugt auf nach außen weisenden Oberflächen des Rahmenteils angeordnet und müssen im Idealfall nur einmal für eine große Palette an zu vermessenden Bauteilen gefertigt werden. Die Funktionsflächen des zu vermessenden Bauteils können dabei auch Freiformflächen sein.
Die Erfindung ermöglicht die Vermessung eines Bauteils mit mehreren hochpräzisen oder optischen Funktionsflächen in Bezug auf ein gemeinsames Koordinatensystem. Die Vermessung der Funktionsflächen kann optisch oder taktil mit unterschiedlichen Messverfahren bzw. Messsystemen erfolgen.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigt:

1 eine perspektivische Darstellung eines Beispiels einer erfindungsgemäßen Halterung.

Bei dem in 1 gezeigten Beispiel ist ein quadratisches Rahmenteil 3 mit einem Halteteil 4 verbunden. Am Halteteil 4 ist ein in Bauteil 1 mit Klemmelementen 9 befestigt. Das Halteteil 4 ist mit dem Rahmenteil 3 lösbar verbunden, was mit einer Schraub- oder Klemmverbindung (nicht dargestellt) erreicht werden kann.
An den äußeren Stirnseiten, die senkrecht zur Ober- und Unterseite des Rahmenteils 3 ausgerichtet sind, sind mehrere Anschlagflächen 5.1 und an den Ecken sind partielle Rundläufe 5.2 mittels spanender Bearbeitung, wie im allgemeinen Teil der Beschreibung erläutert, ausgebildet worden. Sie können für eine taktile Bestimmung oder Ausrichtung der Halterung 2 genutzt werden. Sie können auch für eine optische Positionsbestimmung mitgenutzt werden, wenn sie frei zugänglich angeordnet sind.
In mindestens drei Außenbereichen, bei dem gezeigten Beispiel vier Außenbereichen des Halteteils 3 sind jeweils Durchbrechungen, hier Durchgangsbohrungen vorhanden in denen jeweils ein kugelförmiges Element 8 fixiert ist, so dass konvex gekrümmte Oberflächenbereiche von der Ober- und der Unterseite des Halteteils 3 frei zugänglich sind.
An der Ober- und Unterseite des Halteteils 3 sind jeweils vier ebene planare und zueinander parallel ausgerichtete Oberflächenbereiche 6 ausgebildet, mit denen eine Winkellagebestimmung mit einem Interferometer durchgeführt werden kann.
Zusätzlich sind an Ober- und Unterseite des Halteteils jeweils vier in einem Abstand zueinander angeordnete konkave Referenzstrukturen 7 vorhanden, mit deren Hilfe jeweils ein computer-generiertes Hologramm zur Vermessung von zu bestimmenden Flächen des Bauteils 1 und eine Trennung von Form- und Positionsfehlern erreicht werden.
Mit Hilfe der so ausgeführten Halterung kann diese in eine an sich bekannte Messmaschine bevorzugt auf drei sphärischen Füßen eingesetzt werden und nach Bestimmung eines einzigen MKS die Bestimmung von Abmessungen des jeweiligen Bauteils mit mindestens einem Messsystem bzw. Messverfahren durchgeführt werden.

Claims

Halterung zur Fixierung und Referenzierung von mit einer Messvorrichtung an mehreren, nicht in einer gemeinsamen Ebene angeordneten Oberflächen in einer Einspannung zu vermessenden Bauteilen (1), bei denen die Halterung (2) mit einem äußeren Rahmenteil (3) und einem inneren Halteteil (4) für das jeweilige Bauteil (1) gebildet ist und das Halteteil (4) am Rahmenteil (3) austauschbar befestigt ist und das Rahmenteil (3) an mindestens drei in einem Abstand zueinander angeordneten Positionen jeweils gleiche konvex gewölbte Oberflächen (8) an einer Ober- und einer Unterseite des Rahmenteils (3) und/oder am Rahmenteil (3) mindestens vier Anschlagsflächen (5.1) und mindestens ein partieller Rundlauf (5.2) an senkrecht zur Ober- und Unterseite des Rahmenteils (3) ausgerichteten äußeren Seiten und/oder an der Oberfläche der Ober- und Unterseite des Rahmenteils (3) mindestens vier planare und zueinander parallel ausgerichtete Oberflächenbereiche (6) und/oder an der Ober- und der Unterseite des Rahmenteils Referenzstrukturen (7) mit definierter Oberflächengeometrie vorhanden sind, die zur Ausrichtung eines computer-generierten Hologramms ausgebildet sind, vorhanden sind, mit denen mittels mindestens eines Messsystems die Bestimmung eines Messkoordinatensystems für eine Vermessung des jeweiligen Bauteils (1) möglich ist.
Halterung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsystem ein Profilometer, ein Interferometer und/oder ein Drei-Koordinatenmesssystem ist.
Halterung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass konvex gewölbte Oberflächen an kugelförmigen Elementen (8), die bevorzugt an den Außenbereichen am Halteteil (3) fixiert sind, ausgebildet sind.
Halterung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die kugelförmigen Elemente (8) aus einem Werkstoff mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten kleiner oder gleich 8,5×10^-6 1/K, bevorzugt aus Rubin gebildet sind.
Halterung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung während einer Vermessung eines Bauteils (1) auf drei sphärischen Füßen, in einer Messvorrichtung auf einer ebenen Fläche aufgesetzt ist.
Halterung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Oberflächenbereiche des Halteteils (3) für eine Ausbildung von Anschlagflächen (5.1), Rundlauf (5.2), planaren und zueinander parallel ausgerichteten Oberflächenbereichen (6) und/oder Referenzstrukturen (7) mit einer zur spanenden Bearbeitung geeigneten und nach der Bearbeitung in optischer Qualität vorliegenden Beschichtung versehen sind.
Halterung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Nickel-Phosphorschicht ist.
Halterung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Referenzstrukturen planare und jeweils zur Entkippung eines mittels computer-generierten Hologramms ausgebildet sind.