DE102023105683A1

DE102023105683A1 - Verfahren zur Ermittlung eines Positionsfehlers in einem Gerät, Gerät zur Durchführung des Verfahrens sowie Computerprogrammprodukt

Info

Publication number: DE102023105683A1
Application number: DE102023105683.2A
Authority: DE
Inventors: Burkhard Söhne; Markus Diedrich
Original assignee: Carl Mahr Holding GmbH
Current assignee: Carl Mahr Holding GmbH
Priority date: 2023-03-08
Filing date: 2023-03-08
Publication date: 2024-09-12
Also published as: WO2024184187A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines Positionsfehlers in einem Gerät (20), insbesondere einem Messgerät (21), das einen Stator (23), einen Läufer (24) und eine dazwischen angeordnete Wälzlagereinheit (25) aufweist. Zur Kalibrierung wird ein Normal (30) am Läufer (24) angeordnet und in eine Bewegungsrichtung (B) bewegt, beispielsweise um eine Drehachse (D) gedreht. Mittels eines ersten Sensors (31) werden Messwerte des Normals (30) bei unterschiedlichen Positionen des Normals (30) in Bewegungsrichtung (B) gemessen. Ein zweiter Sensor (37) misst wenigstens eine Position der Wälzlagereinheit (25) in Bewegungsrichtung (B). Basierend auf dieser gemessenen Wälzlagerposition wird jedem Messwert für jede Position des Normals (30) in Bewegungsrichtung (B) eine Wälzlagerposition zugeordnet, basierend darauf wird der Positionsfehler (F) und optional eine Korrekturvorschrift (K) ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines Maschinenfehlers in einem Gerät aufweisend einen Stator, einen Läufer und eine Wälzlagereinheit, mit der sich der Läufer am Stator abstützt. Das Verfahren und das Gerät sind dazu eingerichtet, einen Positionsfehler zu ermitteln, der durch die Wälzlagereinheit hervorgerufen oder zumindest maßgeblich beeinflusst wird. Dieser Positionsfehler ist der Maschinenfehler oder zumindest ein Anteil davon.
Bei einem idealen Gerät, insbesondere einem Messgerät mit einem ersten Sensor zur Erfassung eines Messwertes an einem Prüfling, sorgen im Idealfall fehlerfreie Maschinenachsen für eine ideale (beispielsweise geradlinige oder rotatorische) Relativbewegung zwischen einem ersten Sensor und einem Prüfling (bewegter erster Sensor und/oder bewegter Prüfling). Der Prüfling ist typischerweise ein Werkstück oder ein Normal. Der erste Sensor kann taktil oder berührungslos Messwerte erfassen. Der Messwert kann beispielsweise ein Abstand zwischen einem Befestigungs- oder Referenzpunkt des ersten Sensors und der angetasteten Oberflächenstelle am Prüfling sein. An einem idealen und ausgerichteten Prüfling misst der erste Sensor während einer Achsbewegung (Messung) einen dem wahren Wert (hier gleich dem Sollwert) des Prüflings entsprechenden Messwert, d.h. die gemessene Dimension des Prüflings weist keine Soll-Ist-Abweichung auf. Eine Auswertung solcher Messwerte zur Bestimmung eines Kennwertes die Form des Prüflings betreffend , z.B. einer Rundheit, würde eine Abweichung von Null ergeben. Ist der Prüfling oder das Werkstück aber fehlerbehaftet, nimmt der erste Sensor diesen Prüflingsfehler auf. Ist zusätzlich die für die Messung verwendete wenigstens eine Maschinenachse des Geräts nicht ideal und weist einen Maschinenfehler auf, erfasst der erste Sensor einen Messwert, der folglich die Summe von Maschinen- und Prüflingsfehler beinhaltet. Eine Trennung beider ist nicht immer einfach möglich. Der Maschinenfehler kann beispielsweise einen Positionsfehler enthalten, der in der Maschinenachse durch eine Wälzlagereinheit verursacht wird.
Eine Korrekturvorschrift kann den vom ersten Sensor erfassten Maschinenfehler korrigieren, so dass nur der Prüflingsfehler als auswertbares oder/und ausgewertetes Sensorsignal übrig bleibt.
DE 11 2015 000 690 T5 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kompensation einer Lagerunwucht in einem Gelenkarm-Koordinatenmessgerät. Dort wird der Drehbereich einer Welle auf Winkelbereiche begrenzt, für die Lager Kalibrierdaten ermittelt wurden, so dass während des Betriebs die Lagerkalibrierdaten zur Korrektur verwendet werden können. Überschreitet der Drehbereich den kalibrierten Winkelbereich, wird eine Warnmeldung an den Benutzer ausgegeben. Bei diesem Verfahren wird das Koordinatenmessgerät abhängig von der Messaufgabe derart kalibriert werden, dass sämtliche Drehstellungen der Welle in einem kalibrierten Winkelbereich liegen. Außerdem ist es erforderlich, den Kalibriervorgang für jede Messaufgabe bzw. Anwendung zu wiederholen, wenn sich die Last auf die Welle ändert, da dann auch das Verhalten der die Welle lagernden Lagereinheit verändert wird. Insbesondere kann auch durch Schlupf der Wälzlagereinheit innerhalb des Lagers die Winkelausrichtung zwischen der Wälzlagereinheit und dem Außenring des Lagers und dem damit fest verbundenem Stator und/oder dem Innenring des Lagers und der damit fest verbundenen Welle (Rotor) bei größerer Last verändert werden, so dass der kalibrierte Zustand verlassen wird.
US 6,138,367 A offenbart eine Totalstation, die dazu eingerichtet ist, eine Neigung einer drehbaren Alhidade vorherzusagen. Dabei wird angenommen, dass sich der Fehler reproduziert. Dies ist allerdings bei Geräten mit wechselnder Last und variierenden Ausrichtungen bei unterschiedlichen Anwendungen nicht zwangsläufig vorauszusetzen.
JP H07-103815 A beschreibt eine Messvorrichtung zur Bestimmung der nicht wiederholbaren Rotationsgenauigkeit eines Rotors. Hierzu werden Vibrationsmessungen vorgenommen basierend auf denen für jeden Drehwinkel eine Vorhersage gemacht werden kann.
DE 35 20 683 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Schlagmessung an zusammengebauten Kugellagern. Dadurch soll die Laufgenauigkeit an Präzisionskugellagern getrennt für den Innenring und den Außenring hochgenau gemessen werden.
Die aus DE 10 2015 219 167 A1 bekannte Wälzlageranordnung weist eine Winkelmesseinrichtung auf mit einer Sensoranordnung und einer Maßverkörperung auf, die über einen Messspalt voneinander getrennt sind. Über diese in das Wälzlager integrierte Winkelmesseinrichtung soll die Rundlaufgenauigkeit des Wälzlagers erfasst werden.
US 5,882,122 A betrifft ein Wälzlager und eine Spindeleinrichtung. Die Anzahl der Wälzkörper wird abhängig von Frequenzanteilen der geometrischen Fehler der Wälzkörperlaufflächen gewählt.
Das aus DE 10 2018 116 731 A1 bekannte Verfahren dient zur Ermittlung einer Radlast durch das Zählen der Umdrehungen einer Wälzkörpereinheit in einem Wälzlager eines Radlagers.
In Jang, G.H.et al.: „Characterization of NRRO in a HDD spindle system due to ball bearing excitation", IEEE Transaction on Magnetics, VOL.37, Nr. 2, März 2001, Seiten 815-819 werden Untersuchungen zum Phänomen des nicht wiederholbaren Wälzlagerschlages (non-repeatable runout (NRRO)) beschrieben. Es wird unter anderem vorgeschlagen, viskoelastisches Dämpfungsmaterial in den Übertragungspfad des Wälzlagerschlages einzubringen, wo die Materialdehnung hoch ist.
Chen, G. et al.: „Effect of raceway roundness and roller diameter errors on clearance and runout of cylindrical roller bearing". Proc. IMechE PartJ: J Engineering Tribology 227(3), 2012, Seiten 275-285 offenbart Modelle zur Beschreibung der Wälzlagerfehler, die durch unrunde Wälzlagerbahnen und Durchmesserabweichungen der Wälzkörper hervorgerufen werden.
Li, J. et al.: „Forecast for radial runout of outer ring in cylindrical roller bearing", Procedia CIRP 62, 2017, Seiten 375-379 offenbart eine Vorhersagemethode, um Wälzlagerfehler zu beschreiben.
Ausgehend vom Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein Gerät mit einer Wälzlagereinheit zu schaffen, um einen durch die Wälzlagereinheit verursachten Positionsfehler zu ermitteln und die Möglichkeit zu schaffen, eine Korrekturvorschrift zu berechnen, mittels der der Positionsfehler zumindest teilweise kompensiert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1, ein Gerät, insbesondere Messgerät, mit den Merkmalen des Patentanspruches 14, sowie ein Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen des Patentanspruches 15 gelöst.
Ein Messgerät kann eine Relativbewegung zwischen einem ersten Sensor und einem Prüfling (bewegter erster Sensor und/oder bewegter Prüfling) durchführen. Der erste Sensor kann taktil oder berührungslos Messwerte erfassen. Ein Messwert kann beispielsweise ein Abstand zwischen einem Referenzpunkt des ersten Sensors und einem Messort auf der angetasteten Oberfläche am Prüfling sein oder/und Koordinatenwerte eines angetasteten Messortes im Maschinenkoordinatensystem beschreiben. Der erste Sensor kann pro Messort in einer jeweiligen Läuferposition und/oder Wälzlagerposition einen Messwert erfassen. Der erste Sensor kann taktil oder berührungslos Messwerte erfassen. Der erste Sensor kann den Messort bei einem Ausführungsbeispiel punkt-, linien- oder flächenförmig (z.B. mittels einer Matrixkamera) antasten.
Die Erfindung kann prinzipiell bei allen Geräten verwendet werden (nicht nur bei Messgeräten), bei denen ein Läufer mittels einer Wälzlagereinheit an einem Stator gelagert ist und ein Positionsfehler des Läufers ermittelt werden soll, insbesondere um Positionsfehler bzw. Maschinenfehler eines vom Läufer getragenen Körpers zu ermitteln und gegebenenfalls zumindest teilweise zu kompensieren, beispielsweise in Bearbeitungsmaschinen. Der Positionsfehler des Läufers ist zumindest ein Anteil des eingangs genannten Maschinenfehlers. Die Erfindung ist insbesondere auch für Messverfahren und Messgeräte geeignet und eingerichtet, bei denen Abweichungen der Position eines Prüflings aufgrund eines Positionsfehlers zu einem Messfehler führen. Die Kenntnis über den Positionsfehler, der durch die Wälzlagereinheit hervorgerufen oder maßgeblich beeinflusst wird, ist von Bedeutung, um den Messfehler zumindest verringern oder eliminieren zu können.
Wie erläutert, weist das Gerät einen Stator, einen Läufer und eine Wälzlagereinheit auf, mittels der der Läufer am Stator gelagert ist. Der Läufer ist zum Anordnen eines Prüflings eingerichtet und kann hierfür bei entsprechender Anwendung eine geeignete Halteeinrichtung aufweisen. Ein erster Sensor ist zur Erfassung eines Messwertes am oder relativ zum Prüfling eingerichtet. Der erste Sensor kann ein taktiler Sensor sein oder alternativ berührungslos den Messwert erfassen, beispielsweise optisch.
Beispielsweise kann der Prüfling rotationssymmetrisch bezüglich einer Mittelachse sein, z.B. ein zylinderförmiger Prüfling, wobei der Prüfling mit Hilfe einer Halteeinrichtung derart am Läufer angeordnet werden kann, dass die Mittelachse des Prüflings deckungsgleich mit der Rotationsachse des Läufers ist.
Das Gerät weist außerdem einen zweiten Sensor auf, der zur Erfassung wenigstens einer Position der Wälzlagereinheit eingerichtet ist. Vorzugsweise arbeitet der zweite Sensor berührungslos mit der Wälzlagereinheit zusammen. Beispielsweise kann die Erfassung optisch, magnetisch, elektromagnetisch oder auf andere geeignete Weise berührungslos erfolgen. Die Position kann beispielsweise eine Relativposition der Wälzlagereinheit gegenüber dem Stator und/oder dem Läufer sein. Da der Läufer mittels der Wälzlagereinheit am Stator abgestützt ist, findet eine zeitgleiche Bewegung des Läufers und der Wälzlagereinheit relativ zum Stator und in der Regel auch des Läufers relativ zur Wälzlagereinheit statt. Je nach Ausführungsform von Stator, Wälzlagereinheit und Läufer können die gleichzeitig zurückgelegten Wege bzw. Drehwinkelbereiche des Läufers und der Wälzlagereinheit unterschiedlich sein, wobei diese in einem Verhältnis zueinander stehen, das mit einem Übersetzungsverhältnis beschrieben werden kann. Das Übersetzungsverhältnis kann sich durch wechselnde Belastungen leicht verändern. Abhängig vom Übersetzungsverhältnis kann der Bewegungsbereich der Wälzlagereinheit beispielsweise genau einmal bei mehr als einer vollständigen Läuferumdrehungen durchlaufen werden. Bei einem Ausführungsbeispiel führt die Wälzlagereinheit ungefähr fünf Umdrehungen bei elf Umdrehungen des Läufers durch, so dass sich ein Übersetzungsverhältnis von etwa fünf zu elf ergibt.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann das Übersetzungsverhältnis im Gerät abrufbar sein. Beispielsweise ist das Übersetzungsverhältnis aus konstruktiven Angaben des Gerätes (z.B. Innendurchmesser Stator, Außendurchmesser Läufer, Durchmesser Wälzkörper etc.) berechnet und als ein Näherungswert abgespeichert.
Die Position des Läufers gegenüber dem Stator kann daher basierend auf der mittels des zweiten Sensors erfassten Position der Wälzlagereinheit und dem Übersetzungsverhältnis berechnet werden. Alternativ dazu kann die Position des Läufers mit einem dritten Sensor erfasst werden, beispielsweise die Position des Läufers relativ zum Stator und/oder relativ zum ersten Sensor und/oder relativ zur Wälzlagereinheit.
Sind mehrere Wälzlagereinheiten vorhanden, ist vorzugsweise jeder der Wälzlagereinheiten ein zweiter Sensor zugeordnet, wenn die Wälzlagereinheiten nicht mechanisch miteinander bewegungsgekoppelt sind. Für mehrere mechanisch miteinander bewegungsgekoppelte Wälzlagereinheiten ist ein einziger zugeordneter zweiter Sensor ausreichend.
Eine Bewegungsrichtung, in die sich der Läufer relativ zum Stator bewegen kann, kann linear oder rotatorisch sein. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann der Läufer durch einen Rotor gebildet sein, der drehbar um eine Drehachse über die Wälzlagereinheit am Stator gelagert ist. Die Drehbewegung des Läufers bzw. Rotors um die Drehachse kann auf einen Drehwinkelbereich begrenzt sein, der auch mehr als eine vollständige Umdrehung umfassen kann. Alternativ dazu kann die Drehbewegung des Läufers bzw. Rotors um die Drehachse unbegrenzt sein, so dass sich der Rotor beliebig oft vollständig um 360° um die Drehachse drehen kann. Insbesondere ist der Läufer bei allen Ausführungsformen in Bewegungsrichtung vor und zurück bewegbar.
Vorteilhafterweise ist der Drehwinkelbereich der Wälzlagereinheit unbegrenzt. Die Wälzlagereinheit kann unbegrenzt zwischen Rotor und Stator rotieren, auch wenn der Rotor einen eingeschränkten Drehbereich aufweist.
Zur Bestimmung des Positionsfehlers wird als Prüfling ein Normal fest am Läufer angeordnet, dessen Eigenschaften, insbesondere Dimensionen und Formmerkmale, beispielsweise Rundheiten, sehr genau bekannt sind. Anschließend wird der Läufer kontinuierlich oder intermittierend in Bewegungsrichtung bewegt, so dass sich das Normal gemeinsam mit dem Läufer in Bewegungsrichtung bewegt. Mittels des ersten Sensors wird zumindest ein Messwert am Normal erfasst welcher zumindest einer bekannten Eigenschaft des Normals zugeordnet werden kann. Insbesondere wird für das Normal mittels des ersten Sensors jeweils ein Messwert in mehreren unterschiedlichen Positionen des Normals, und somit auch des Läufers, in Bewegungsrichtung aufgenommen bzw. erfasst. Das Messen der Messwerte an dem Normal kann kontinuierlich oder zeitdiskret erfolgen.
Wann ein Messwert aufgenommen wird, kann insbesondere an die Bewegung des Läufers in Bewegungsrichtung angepasst werden. Bei einer intermittierenden Bewegung des Läufers kann es beispielsweise genügen, wenn nach jedem Bewegungsschritt des Läufers ein Messwert am Normal in dieser Position aufgenommen wird. Bei einer kontinuierlichen Bewegung kann zeitkontinuierlich oder zeitdiskret gemessen werden.
Zusätzlich zum Erfassen der Messwerte am Normal in den unterschiedlichen Positionen in Bewegungsrichtung kann vorzugsweise bei jeder Messung oder zumindest wiederholt spätestens nach einigen Messungen wenigstens eine Position der Wälzlagereinheit während der Bewegung des Läufers und mithin der Wälzlagereinheit mittels des zweiten Sensors gemessen werden. Das Messen der Position der Wälzlagereinheit wird zumindest einmal durchgeführt, wenn sich der Läufer und/oder die Wälzlagereinheit vollständig entlang eines vorgegebenen Bewegungsbereichs des Läufers bewegt. Der Bewegungsbereich des Läufers kann um eine Drehachse unbegrenzt sein (eine oder mehrere vollständige Umdrehungen um eine Drehachse) oder er kann begrenzt sein. Je nach Ausgestaltung des Stators, Läufers und der Wälzlagereinheit kann zwischen dem Läufer und der Wälzlagereinheit der gleichzeitig zurückgelegte Drehwinkelbereich verschieden sein deren Zusammenhang mit dem Übersetzungsverhältnis beschrieben wird. Durch Schlupf oder durch zwischen den Komponenten stattfindende langsame Drift kann ein Versatz (Offset) in den zurückgelegten Drehwinkelbereichen auftreten und somit ein Versatz gegenüber dem zu erwartenden Übersetzungsverhältnis. Insbesondere wird zumindest einmal pro vollständiger Umdrehung der Wälzlagereinheit ein Messwert für die Position der Wälzlagereinheit aufgenommen und ein möglicher Versatz damit erkannt und eliminiert (auf Null gesetzt). Dadurch ist sichergestellt, dass die exakte Position der Wälzlagereinheit mit ausreichender Häufigkeit gemessen wird. Beispielsweise können eine oder mehrere Referenzmarken an der Wälzlagereinheit vorhanden sein, die mittels des zweiten Sensors erfasst werden können. Bei einem Vorbeibewegen einer Referenzmarke am zweiten Sensor wird dann die Position der Wälzlagereinheit durch Messung ermittelt. Alternativ kann auch eine kontinuierliche oder quasikontinuierliche Messung der Position der Wälzlagereinheit mittels des zweiten Sensors erfolgen, beispielsweise wenn an der Wälzlagereinheit eine Maßverkörperung angeordnet ist, die sich entlang des gesamten möglichen Wälzlagerbewegungsbereichs der Wälzlagereinheit in Bewegungsrichtung erstreckt.
Wenn nur einzelne diskrete Messwerte für die Position der Wälzlagereinheit vorliegen, können weitere Positionswerte der Wälzlagereinheit zwischen den gemessenen Positionen der Wälzlagereinheit interpoliert und/oder extrapoliert werden. Je häufiger eine messtechnische Erfassung der Position der Wälzlagereinheit erfolgt, desto genauer lassen sich dazwischen liegende Positionen der Wälzlagereinheit rechnerisch ermitteln. Es ist auch möglich, die Wälzlagerposition bezogen auf eine erfasste oder noch zu erfassende Referenzposition zu bestimmen, insbesondere mittels des Übersetzungsverhältnisses und einer zusätzlichen kontinuierlichen Positionserfassung des Läufers oder mittels einer Zeitmessung (z.B. Taktzeit des Geräts) und der Bewegungsgeschwindigkeit des Läufers.
Basierend auf der bekannten Position der Wälzlagereinheit und anhand der erfassten Messwerte am Normal kann ein Positionsfehler ermittelt werden. Der Positionsfehler beschreibt einen Fehler, der, gemessen am ersten Sensor, den Unterschied zwischen einer idealen und einer nicht idealen Wälzlagereinheit darstellt. Insbesondere kann der Positionsfehler als ein Versatz bzw. Offset im Maschinenkoordinatensystem des gemessenen Messortes am Normal gegenüber dem zu erwartenden Messort, der sich aus der bekannten Form des Normals ergibt, dargestellt werden.
Durch das Messen der Position der Wälzlagereinheit kann der den Messwert des ersten Sensors beeinflussende Positionsfehler, der durch die Wälzlagereinheit hervorgerufen oder zumindest beeinflusst wird, mit einer hohen Genauigkeit für jeden mit dem ersten Sensor erfassten Messwert ermittelt werden. Abweichungen beim Betrieb des Geräts, insbesondere des Messgeräts, die durch unterschiedliche Anwendungen und Lasten hervorgerufen werden, können reduziert oder eliminiert werden. Der zweite Sensor ist Bestandteil des Geräts, insbesondere Messgeräts und dient auch nach der Kalibrierung bei der Messung von anderen Prüflingen (Werkstück anstelle des Normals) zur Messung von wenigstens einer Position der Wälzlagereinheit. Die Messung der Position der Wälzlagereinheit erfolgt zumindest einmal bei einer vollständigen Bewegung der Wälzlagereinheit entlang eines vorgegebenen Bewegungsbereichs des Läufers (z.B. eine 360°-Umdrehung) in Bewegungsrichtung. Es ist bevorzugt, wenn die Messung der Position der Wälzlagereinheit zumindest einmal bei einer vollständigen Bewegung des Läufers entlang eines vorgegebenen Bewegungsbereichs des Läufers (z.B. eine 360°-Umdrehung) in Bewegungsrichtung erfolgt. Somit kann die Position der Wälzlagereinheit unabhängig von Lasten und einem möglicherweise auftretenden Schlupf zwischen der Wälzlagereinheit und dem Stator und/oder dem Läufer zumindest wiederholt - oder alternativ auch kontinuierlich - gemessen werden und ist ausreichend genau bekannt. Zunehmende Ungenauigkeiten bei der Bestimmung des Positionsfehlers lassen sich vermeiden.
Bevorzugt wird basierend auf dem Positionsfehler eine Korrekturvorschrift ermittelt. Die Korrekturvorschrift kann in dem Gerät abgespeichert werden. Sie dient dazu, den wenigstens einen mittels des ersten Sensors erfassten Messwert eines Prüflings abhängig von der ermittelten Position der Wälzlagereinheit zu korrigieren und den korrigierten Messwert und/oder den korrigierten Kennwert des Prüflings anzugeben. Wie erläutert, ist es dabei vorteilhaft, dass die Position der Wälzlagereinheit kontinuierlich oder zeitdiskret mittels des zweiten Sensors gemessen wird, so dass deren Position zu jedem Zeitpunkt unabhängig von der konkreten Anwendung des Geräts mit ausreichender Genauigkeit bekannt ist.
Bei einer Ausführungsform kann die Position der Wälzlagereinheit kontinuierlich oder quasikontinuierlich mittels des zweiten Sensors gemessen werden. Dabei wird jede Positionsänderung der Wälzlagereinheit gemessen, die zumindest der Mindestauflösung des zweiten Sensors entspricht.
Alternativ zur kontinuierlichen oder quasikontinuierlichen Messung kann der zweite Sensor vorzugsweise nur eine oder mehrere individuelle Referenzpositionen der Wälzlagereinheit messen. Hierzu kann an der Wälzlagereinheit beispielsweise eine Referenzmarke oder es können mehrere in Bewegungsrichtung mit Abstand zueinander angeordnete und zueinander unterscheidbare Referenzmarken vorhanden sein, die mittels des zweiten Sensors detektierbar sind. Diese Ausgestaltung ermöglicht einen einfachen Aufbau. Die Anzahl und der Abstand der Referenzmarken werden dabei so gewählt, dass eine ausreichende Häufigkeit der Positionsmessung der Wälzlagereinheit erfolgt, beispielsweise auch dann, wenn der Läufer in einem begrenzten Bewegungsbereich hin und her bewegt wird. Dabei können nicht gemessene Positionen der Wälzlagereinheit berechnet werden, beispielsweise durch Interpolation und/oder Extrapolation. Auf diese Weise ist es möglich, für alle an unterschiedlichen Läuferpositionen erfassten Messwerte am Prüfling einen zugehörigen Positionswert der Wälzlagereinheit bereitzustellen, um die mittels des ersten Sensors erfassten Messwerte des Prüflings abhängig von der jeweils zugeordneten Position der Wälzlagereinheit korrigieren zu können.
Es ist bevorzugt, wenn das Gerät über einen dritten Sensor verfügt, der dazu eingerichtet ist, die Position des Läufers zu messen. Der Positionsfehler kann dann zusätzlich mithilfe der Position des Läufers ermittelt werden. Das Messen der Position des Läufers kann analog zum Messen der Position der Wälzlagereinheit kontinuierlich oder quasikontinuierlich oder zeitdiskret erfolgen. Wird die Position des Läufers nicht sensorisch gemessen, kann auch ein Sollwert für die Position des Läufers aus einer Steuereinrichtung verwendet werden, um basierend darauf den Positionsfehler zu berechnen. Dabei wird sozusagen unterstellt, dass der Sollwert dem Istwert der Position des Läufers entspricht.
Bei einem Ausführungsbeispiel wird das Normal mittels des Läufers in Bewegungsrichtung mehrmals entlang eines vorgegebenen Bewegungsbereichs des Läufers bewegt. Für eine Mehrzahl oder jede Position des Läufers wird dann aus den an dieser Position des Läufers (Messort am Normal) erfassten Messwerten des Normals jeweils ein läuferpositionsabhängiger Mittelwert ermittelt. Jeder läuferpositionsabhängige Mittelwert kann von den erfassten Messwerten der zugehörigen jeweiligen Läuferposition subtrahiert werden. Aus dieser Differenz kann dann ein durch die Wälzlagereinheit verursachter Restfehler ermittelt werden, der dem zu bestimmenden Positionsfehler entspricht.
Es ist weiter vorteilhaft, wenn aus diesen Restfehlern für jede Position der Wälzlagereinheit ein wälzlagerpositionsabhängiger Mittelwert bestimmt wird. Dieser wälzlagerpositionsabhängige Mittelwert beschreibt den Positionsfehler entlang des Bewegungsbereichs der Wälzlagereinheit.
Weiterhin kann es besonders vorteilhaft sein den Positionsfehler in Abhängigkeit der Wälzlagerposition und zusätzlich der Läuferposition in einer Korrekturvorschrift zu verwenden. Zusätzlich kann der Positionsfehler für mehrere oder jede Läufer- und Wälzlagerposition mehrmalig erfasst und gemittelt werden.
Wenn bei einem Ausführungsbeispiel der Läufer als Rotor ausgebildet ist und einen Bewegungsbereich von kleiner als 360° aufweist, kann es vorteilhaft sein, dass der Abstand von zwei unmittelbar in Bewegungsrichtung aufeinanderfolgenden erfassbaren Referenzpositionen an jeder Stelle der Wälzlagereinheit kleiner ist als der Bewegungsbereich des Läufers. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass beim Betrieb des Geräts, also der Bewegung des Läufers im Bewegungsbereich, mindestens eine Referenzmarke und mithin mindestens eine Referenzposition der Wälzlagereinheit durch Messung mittels des zweiten Sensors erfasst werden kann. Insbesondere basiert der Abstand der erfassbaren Referenzmarken oder Referenzpositionen auf dem Übersetzungsverhältnis, so dass wenigstens eine Referenzposition gemessen wird wenn der Rotor einmal entlang seines Bewegungsbereichs bewegt wird.
Bei allen Ausführungsbeispielen ist es ausreichend, wiederholt die Referenzposition zu erfassen, aber nicht notwendigerweise bei jeder Messung. Wenn die Position der Wälzlagereinheit nach dem Einschalten des Messgeräts einmal mittels des zweiten Sensors erfasst wurde, kann die aktuelle Position der Wälzlagereinheit extrapoliert werden, bis eine erneute Erfassung der Position der Wälzlagereinheit mittels des zweiten Sensors erfolgt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen im Einzelnen erläutert. Es zeigen:

1 eine stark schematisierte, blockschaltbildähnliche Darstellung eines Messgeräts aufweisend eine rotatorische Achse mit einer Wälzlagereinheit, z.B. einem Kugelkäfig,
2 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer rotatorischen Achse eines Geräts, insbesondere eines Messgeräts,
3 die rotatorische Achse aus 2 in einem Längsschnitt entlang der Drehachse,
4 eine schematische Darstellung einer Maßverkörperung zur Erfassung einer Position einer Wälzlagereinheit der rotatorischen Achse,
5 eine schematische Darstellung von wenigstens einer Referenzmarke an der Wälzlagereinheit der rotatorischen Achse,
6 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Ermittlung eines Positionsfehlers,
7 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Korrektur von gemessenen Messwerten beim Messen eines Prüflings,
8 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Ermittlung eines Positionsfehlers basierend auf den erfassten Messwerten des Verfahrens aus 6,
9 eine beispielhafte polare Darstellung einer Kreismessung beim Messen eines Prüflings mit der rotatorischen Achse aus den 1-3, wobei ein durch einen Schließfehler dominierter Rundheitsfehler erkennbar ist,
10 eine beispielhafte Darstellung aus mehreren Messwertverläufen (z.B. elf kontinuierlich wiederholten Kreismessungen) aus jeweils mehreren Messwerten beim Messen eines Prüflings mit der rotatorischen Achse aus den 1-3, wobei eine Abweichung zwischen den einzelnen Kreismessungen erkennbar ist,
11 eine aus den wiederholten Kreismessungen gemäß 10 gemittelter Messwertverlauf, wobei die läuferpositionsabhängigen Mittelwerte über den Bewegungsbereich des Läufers (beispielhaft 360°) dargestellt sind,
12 Restfehler, welche durch die Differenz von den Messwertverläufen aus 10 und dem gemittelten Messwertverlauf aus 11 entstanden sind. Der Verlauf des Restfehlers kann mehreren Umdrehungen der Wälzlagereinheit (beispielhaft fünf Perioden) zugeordnet werden,
13 einen Positionsfehler der Wälzlagereinheit (hier: Kugelkäfig), welcher abhängig von der Position der Wälzlagereinheit (hier: Drehposition des Kugelkäfigs bzw. Käfigwinkel) ist. Dieser Verlauf der wälzlagerpositionsabhängigen Mittelwerte wurden aus fünf wiederholten Drehungen der Wälzlagereinheit ermittelt,
14 zeigt die Rundheitsmessung aus 9 welche mit einer auf den Positionsfehler F aus 13 basierend Korrekturvorschrift bestimmt worden ist.

In 1 ist stark schematisiert und vereinfacht ein Gerät 20 veranschaulicht, das beispielsgemäß als Messgerät 21 ausgeführt ist. Das Messgerät 21 hat eine Maschinenachse und beispielsgemäß eine rotatorische Maschinenachse 22. Allgemein weist eine Maschinenachse einen Stator 23, einen relativ zum Stator 23 in einer Bewegungsrichtung B bewegbaren Läufer 24 sowie eine Wälzlagereinheit 25 auf, die den Läufer 24 am Stator 23 lagert. Bei der hier veranschaulichten rotatorischen Maschinenachse 22 ist der Läufer 24 als Rotor 26 ausgebildet und die Bewegungsrichtung B entspricht einer Bewegung des Rotors 26 um eine Drehachse D. Der vom Rotor 26 gebildete Läufer 24 ist beispielsgemäß konzentrisch zur Drehachse D angeordnet. Als Wälzlagereinheit 25 dient hier ein Kugelkäfig.
Am Rotor 26 ist eine Halteeinrichtung 27 drehfest angeordnet, die dazu eingerichtet ist, einen Prüfling 28 zu halten bzw. zu tragen. Der Prüfling 28 kann durch ein zu messendes Werkstück 29 oder ein zur Kalibrierung verwendbares Normal 30 gebildet sein. Die Halteeinrichtung kann dazu eingerichtet sein, anhand translatorischer und rotatorischer Bewegungen des darauf befindlichen Werkstücks die Werkstückachse parallel und deckungsgleich zur Drehachse auszurichten.
Abweichend von der hier dargestellten Ausführungsform kann die Maschinenachse 22 auch zur Ausführung einer linearen Bewegung des Läufers 24 relativ zum Stator 23 eingerichtet sein. Nachfolgend wird die Erfindung basierend auf einer rotatorischen Maschinenachse 22 erläutert und es wird nochmals darauf hingewiesen, dass die Erfindung auch bei linearen Maschinenachsen eingesetzt werden kann.
Das Messgerät 21 weist einen ersten Sensor 34 zur Erfassung von Messwerten auf. Der erste Sensor 34 kann den Abstand eines Messortes O auf der Oberfläche des Prüflings 28 zu seinem Befestigungspunkt messen.
Der erste Sensor 34 kann ebenso an einer Stapelung von Positionier- und oder Bewegungsachsen angeordnet sein. Da der Befestigungspunkt des ersten Sensors 34 durch die Achspositionen der darunterliegenden Achsen bestimmt wird, können durch die Addition der Achspositionen mit dem Messwert des ersten Sensors 34 Koordinatenwerte der jeweiligen Messorte O im Maschinenkoordinatensystem bestimmt werden.
Aus den Messwerten kann ein Kennwert oder/und können mehrere Kennwerte des Prüflings 28 ermittelt werden. Der erste Sensor 34 ist beim Ausführungsbeispiel des Messgeräts 21 aus 1 dazu eingerichtet, Messwerte zu erfassen, anhand derer beispielsweise Kennwerte wie etwa die Rundheit eines Prüflings 28 bzw. der Radius des Prüflings 28 bestimmt werden können.
Der erste Sensor 34 erzeugt ein erstes Sensorsignal S1, das den jeweils erfassten Messwert beschreibt. Das erste Sensorsignal S1 wird einer Steuereinrichtung 35 des Geräts 20 und beispielsgemäß des Messgeräts 21 übermittelt. Die Steuereinrichtung 35 ist dazu eingerichtet, die Maschinenachse und beispielsgemäß die rotatorische Achse 22 anzusteuern. Die Steuereinrichtung 35 kann einen Elektromotor, insbesondere einen Servomotor 36 ansteuern, der eine Bewegung des Läufers 24 und beispielsgemäß eine Drehung des Rotors 26 um die Drehachse D bewirken kann.
Das Gerät 20 und beispielsgemäß das Messgerät 21 weist außerdem einen zweiten Sensor 37 auf, der ein zweites Sensorsignal S2 erzeugt und an die Steuereinrichtung 35 übermittelt. Der zweite Sensor 37 ist dazu eingerichtet, die wenigstens eine Position der Wälzlagereinheit 25 in Bewegungsrichtung B zu erfassen. Beispielsgemäß ist der zweite Sensor 37 dazu eingerichtet, wenigstens eine Referenzposition bzw. Referenzdrehlage um die Drehachse D zu erfassen bzw. zu erkennen und ein entsprechendes zweites Sensorsignal S2 zu erzeugen. Alternativ ist es auch möglich, dass der zweite Sensor 37 und die Wälzlagereinheit 25 dazu eingerichtet sind, dass mehrere Referenzpositionen bzw. Referenzdrehlagen um die Drehachse D erfassbar sind oder eine kontinuierliche bzw. quasikontinuierliche Messung der Position der Wälzlagereinheit 25 in Bewegungsrichtung B möglich ist.
Optional kann ein dritter Sensor 38 vorhanden sein, der ein drittes Sensorsignal S3 erzeugt und an die Steuereinrichtung 35 übermittelt. Das dritte Sensorsignal S3 kann charakteristisch sein für die Position des Läufers 24 und beispielsgemäß des Rotors 26 in Bewegungsrichtung B. Der dritte Sensor 38 kann bei einem abgewandelten Ausführungsbeispiel auch entfallen.
Die Wälzlagereinheit 25 weist eine Mehrzahl von Wälzkörpern 40 auf und beim Ausführungsbeispiel Kugeln. Die Wälzkörper 40 sind in einem gemeinsamen Käfig 41 angeordnet, so dass die Relativposition der Wälzkörper 40 zueinander durch den Käfig 41 im Wesentlichen aufrechterhalten wird. Die Wälzkörper 40 und der Käfig 41 bilden eine gemeinsame Baueinheit. Die Position der Wälzlagereinheit 25 in Bewegungsrichtung B und beispielsgemäß die Drehstellung der Wälzlagereinheit 25 um die Drehachse D führt aufgrund von Toleranzen und unterschiedlichen Dimensionen der Wälzkörper 40 der Wälzlagereinheit 25 zu Abweichungen in der Position und Orientierung des Rotors 26 gegenüber dem Stator 23. Bei der Messung eines Prüflings 28 können dadurch Messfehler hervorgerufen werden. Deswegen ist erfindungsgemäß vorgesehen, den Positionsfehler F, der zumindest auch durch die Wälzlagereinheit 25 hervorgerufen wird, zu bestimmen. Basierend auf diesem Positionsfehler F kann eine Korrekturvorschrift K ermittelt werden, so dass bei einer Messung eines Prüflings 28 korrigierte Messwerte zur Verfügung gestellt werden können und die Genauigkeit der Messung verbessert werden kann. Zusätzlich zum Positionsfehler F können für das Ermitteln der Korrekturvorschrift K auch weitere Parameter des Prüflings und/oder Maschinenparameter des Messgeräts 21 berücksichtigt werden.
Um den Positionsfehler F zu bestimmen, wird erfindungsgemäß die Position der Wälzlagereinheit 25 in Bewegungsrichtung B und beispielsgemäß deren Position um die Drehachse D ermittelt. Eine rein rechnerische Ermittlung ausgehend von einer einmaligen Kalibrierung ist nicht ausreichend. Aus diesem Grund verfügt das Messgerät 21 über den zweiten Sensor 37, der zeitdiskret wenigstens eine Position der Wälzlagereinheit 25 oder kontinuierlich oder quasikontinuierlich die Position der Wälzlagereinheit 25 bei seiner Drehung um die Drehachse D erfasst.
Bei der in den 2 und 3 veranschaulichten Ausführungsform der rotatorischen Achse 22 ist der Wälzlagereinheit 25 ein zweiter Sensor 37 zugeordnet, der wenigstens eine Referenzposition der Wälzlagereinheit 25 erfasst, vorzugsweise berührungslos. Der zweite Sensor 37 kann beispielsweise als Hall-Sensor ausgebildet sein. Auch andere berührungslose Erfassungsverfahren können verwendet werden, beispielsweise eine optische Positionserfassung. Der zweite Sensor 37 kann in einem Boden 42 angeordnet sein, der mit dem Stator 23 fest verbunden sein kann. Alternativ zu dieser veranschaulichten Ausführungsform ist es auch möglich, mehrere zweite Sensoren 37 mit Abstand zueinander in Bewegungsrichtung B anzuordnen, beispielsweise gleichmäßig verteilt um die Drehachse D.
An dem Käfig 41 der Wälzlagereinheit 25 ist beim Ausführungsbeispiel wenigstens eine Referenzmarke 43 vorhanden (5). Sobald die Referenzmarke 43 bei einer Bewegung der Wälzlagereinheit 25 um die Drehachse D in den Erfassungsbereich des zweiten Sensors 37 gelangt, kann der zweite Sensor 37 die Position der Wälzlagereinheit 25 um die Drehachse D messen und über das zweite Sensorsignal S2 anzeigen, dass die Wälzlagereinheit 25 eine bestimmte Referenzposition um die Drehachse D einnimmt. Eine einzige Referenzmarke 43 am Käfig 41 ist hierfür ausreichend. Es kann auch vorteilhaft sein, mehrere verschiedene Referenzpositionen zu erfassen, wozu am Käfig 41 der Wälzlagereinheit 25 vorzugsweise mehrere in Bewegungsrichtung B mit Abstand zueinander angeordnete Referenzmarken 43 vorhanden sind, die beispielsweise gleichmäßig verteilt um die Drehachse D angeordnet sein können, was in 5 durch die punktiert dargestellten zusätzlichen Referenzmarken 43 veranschaulicht ist. Es ist dabei vorteilhaft, wenn der zweite Sensor 37 dazu eingerichtet ist, zu unterscheiden, welche der mehreren Referenzmarken 43 sich in seinem Erfassungsbereich befindet. Hierzu kann beispielsweise die vom zweiten Sensor 37 erfasste physikalische Größe der unterschiedlichen Referenzmarken 43 voneinander verschieden ausgestaltet sein.
In 4 ist alternativ die Möglichkeit veranschaulicht, an der Wälzlagereinheit 25 eine Maßverkörperung 44 anzuordnen, beispielsweise einen vollständig geschlossenen Ring, der sich um die Drehachse D erstreckt. Basierend auf dieser Maßverkörperung 44 besteht die Möglichkeit, die aktuelle Position der Wälzlagereinheit 25 kontinuierlich bzw. quasikontinuierlich zu erfassen und jede Positionsänderung, die zumindest der Auflösungsfähigkeit des zweiten Sensors 37 entspricht, zu messen. Eine solche kontinuierliche bzw. quasikontinuierliche Messung der Position der Wälzlagereinheit 25 ist nicht zwingend erforderlich.
Anhand des Verfahrens, das in den 6 und 8 veranschaulicht ist und basierend auf den 9-14 wird beispielhaft für die rotatorische Maschinenachse 22 des Messgeräts 21 erläutert, wie ein Positionsfehler F und basierend darauf eine Korrekturvorschrift K ermittelt werden kann. Abweichend von diesem Verfahrensablauf sind aber auch komplexere Korrekturen möglich.
In 9 zeigt beispielhaft ein Kreisprofil, das mittels des ersten Sensors 34 an einem Werkstück 29 gemessen wurde. Abhängig vom Übersetzungsverhältnis zwischen der Bewegung des Rotors 26 und der Bewegung der Wälzlagereinheit 25 um die Drehachse D macht die Wälzlagereinheit 25 bei jeder vollständigen Umdrehung des Rotors 26 lediglich eine Drehung in einem Winkelbereich, der kleiner ist als 360° und beim Ausführungsbeispiel zwischen 160° und 170° beträgt. Bei einer schlupffreien Bewegung der Wälzlagereinheit 25 kann durch Messungen das Übersetzungsverhältnis zwischen der Drehung des Rotors 26 und der Drehung der Wälzlagereinheit 25 ermittelt werden. Ist die Wälzlagereinheit 25 nicht ideal symmetrisch um die Drehachse D aufgebaut, entsteht ein Positionsfehler F bei der Positionierung des Prüflings 28, der durch die Wälzlagereinheit 25 verursacht wird. Bei der beispielhaft in 9 dargestellten Kreismessung ist ein offensichtlicher Schließfehler vorhanden, der sich bei folgenden Auswertungen zur Ermittlung eines Kennwertes des Werkstücks 29 (z.B. Rundheit) auswirken kann. Dieser Schließfehler kann durch die Erfindung korrigiert werden, wie es nachfolgend veranschaulicht wird.
An dieser Stelle wird nochmals explizit darauf hingewiesen, dass ein Schließfehler nur eine Art eines Fehlers ist, der mittels der Erfindung korrigiert werden kann.
Bezugnehmend auf 6 wird zur Ermittlung des Positionsfehlers F zunächst ein Normal 30 als Prüfling 28 an der Halteeinrichtung 27 angeordnet, so dass sich das Normal 30 gemeinsam mit dem Läufer 24 bewegt und beispielsgemäß gemeinsam mit dem Rotor 26 um die Drehachse D dreht (erster Schritt 50 in 6). Im Anschluss daran wird in einem zweiten Schritt 51 der Läufer 24 und beispielsgemäß der Rotor 26 gedreht und während der Drehung des Rotors 26 ein Messwertverlauf mit mehreren Messwerten für das Normal 30 erfasst, beispielsgemäß der Radius R des Normals 30, also der Abstand einer Außenfläche des Normals von der Drehachse D.
Allgemein können basierend auf dieser Messwerterfassung wenigstens ein Kennwert wie Rundheit, Parallelität, Durchmesser, etc. ausgewertet bzw. ermittelt werden.
Während der Drehung des Rotors 26 wird beispielsgemäß kontinuierlich mittels des ersten Sensors 34 gemessen, so dass für jeden gemessenen Messort O des Normals 30 ein Messwert (beispielsgemäß Radiusmesswert) in Abhängigkeit der Drehwinkellage α des Rotors 26 um die Drehachse D vorliegt. Jeder Messwert wird durch ein entsprechendes erstes Sensorsignal S1 charakterisiert.
Durch die Drehung des Rotors 26 dreht sich auch die Wälzlagereinheit 25 um die Drehachse D. Mittels des zweiten Sensors 37 wird zumindest eine Referenzposition, also eine bestimmte Drehwinkellage β der Wälzlagereinheit 25 um die Drehachse D wiederholt bei jeder vollen Umdrehung der Wälzlagereinheit 25 um die Drehachse D erfasst (Schritt 52). Die Schritte 51 und 52 können unabhängig voneinander sequentiell und/oder zeitlich parallel ausgeführt werden. Zumindest muss zur Durchführung des Schrittes 52 mindestens eine Position der Wälzlagereinheit 25 erfasst worden sein.
In einem vierten Schritt 53 kann anschließend basierend auf den Messwerten und der zugeordneten Position (Drehwinkellage β) der Wälzlagereinheit 25 um die Drehachse D ein Positionsfehler F ermittelt werden, wobei die Vorgehensweise nachfolgend anhand des Flussdiagramms in 8 unter Bezugnahme auf die 9-14 näher erläutert wird.
Schließlich kann basierend auf den ermittelten Positionsfehler F eine Korrekturvorschrift K ermittelt werden (fünfter Schritt 54).
In dem Flussdiagramm gemäß 8 wird das Ermitteln des Positionsfehlers F im Schritt 53 genauer erläutert.
In den Schritten 51, 52 des Verfahrens wurde der Rotor 26 und mithin das Normal 30 beispielsgemäß mehrfach vollständig um die Drehachse D gedreht, um die Messwerte und beispielsgemäß die Radiusmesswerte für den Radius R des Normals 30 zu detektieren und gleichzeitig die Position der Wälzlagereinheit 25 basierend auf den Messwerten des zweiten Sensors 37 zu ermitteln. Da beim Ausführungsbeispiel der zweite Sensor 37 nicht kontinuierlich misst, sondern lediglich eine einzige Referenzmarke 43 an der Wälzlagereinheit 25 vorhanden ist, die durch den zweiten Sensor 37 erfassbar ist, wird die Position der Wälzlagereinheit 25 wiederholt genau einmal bei jeder vollständigen Umdrehung durch den zweiten Sensor 37 gemessen und die Positionen zwischen aufeinanderfolgenden, gemessenen Referenzlagen wird interpoliert. Auf diese Weise kann jedem erfassten Messwert (beispielsgemäß Radiusmesswert) des Normals 30 eine Position der Wälzlagereinheit 25 um die Drehachse D zugeordnet werden.
In 10 sind beispielhaft die erfassten Messwerte für den Radius R in Abhängigkeit der Läuferposition und der Anzahl NR der ersten elf Umdrehungen des Rotors 26 um die Drehachse D dargestellt, wobei hier die zeitlich langsameren Einwirkungen durch Umgebungseinflüsse vernachlässigbar klein sind.
Zur Bestimmung des Positionsfehlers F wird beim Verfahren gemäß 8 in einem ersten Subschritt 60 für jede Position des Läufers jeweils ein Mittelwert aus den erfassten Messwerten ermittelt. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird für jede Drehwinkellage α des Rotors 26 um die Drehachse D ein Radiusmittelwert RM aus der Mehrzahl von erfassten Radiusmesswerten ermittelt ( 11).
In einem darauffolgenden zweiten Subschritt 61 wird der Restfehler für jede Position des Läufers bestimmt. Hierbei werden von den Messwerten am Normal 30 der jeweils zugehörige Mittelwert für die betreffende Position des Läufers 24 abgezogen. Beim Ausführungsbeispiel wird von den Messwerten des Radius R (10) für jede Läuferposition jeder Umdrehung der jeweilige Radiusmittelwert RM entsprechend 11 subtrahiert, wodurch sich ein Restfehler entsprechend der Darstellung gemäß 12 ergibt. Dort ist der restfehlerbehaftete Wert RR analog zu 10 über die ersten elf vollständigen Umdrehungen des Rotors 26 veranschaulicht.
Die über elf kontinuierliche Drehungen des Läufers 24 ermittelten Restfehler RR in 12 können beim Ausführungsbeispiel etwa fünf kontinuierlichen Drehungen der Wälzlagereinheit 25 zugeordnet werden. Die Zuordnung der Position (Drehlage β) der Wälzlagereinheit 25 zum jeweiligen Restfehler RR erfolgt im dritten Subschritt 62. Eine entsprechende Darstellung entspräche der 12, nur mit fünf statt elf Unterteilungen auf der Abszisse.
Anschließend kann im Schritt 63 der Positionsfehler F in Abhängigkeit der Position β der Wälzlagereinheit 25 bestimmt werden. Dazu werden die Restfehler aus 12 entsprechend ihrer Position β der Wälzlagereinheit 25 (hier über fünf Werte) gemittelt. Die Darstellung entspricht der 13.
Mit der Ermittlung des Positionsfehlers F im vierten Subschritt 63, endet das Verfahren gemäß 8.
Der ermittelte Positionsfehler F kann als Basis zur Ermittlung einer Korrekturvorschrift K bzw. zur Korrektur von Messwerten anhand einer Korrekturvorschrift K verwendet werden. Abhängig von der Drehlage β der Wälzlagereinheit 25 kann anhand des Positionsfehlers ein durch die Korrekturvorschrift K bestimmter Korrekturwert mit dem erfassten Messwert zu einem korrigierten Messwert verrechnet werden. Die korrigierten Messwerte können zur Auswertung von korrigierten Kennwerten wie Durchmesser, Rundheit, etc. verwendet werden.
Wendet man die Korrekturvorschrift K auf die Rundheitsmessung gemäß 9 an, erhält man die korrigierte Rundheitsmessung eines Prüflings 28, wie sie in 14 beispielhaft veranschaulicht ist. Beim Ausführungsbeispiel konnte der Schließfehler eliminiert werden.
Nach dem Ermitteln des Positionsfehlers F und/oder der Korrekturvorschrift K können diese Erkenntnisse in der Steuereinrichtung 35 abgelegt und beim Betrieb des Geräts 20 bzw. des Messgeräts 21 verwendet werden (Verfahren nach 7). Nach dem Positionieren eines zu messenden Werkstücks 29 als Prüfling 28 an der Halteeinrichtung 27 können die entsprechenden Messwerte mittels des ersten Sensors 34 erfasst werden (erster Verfahrensschritt 70). Anschließend können in einem zweiten Verfahrensschritt 71 die Messwerte mittels der Korrekturvorschrift K korrigiert und schließlich die korrigierten Messwerte in einem dritten Verfahrensschritt 72 ausgegeben werden.
Während in den 6 und 8 beispielhaft ein Verfahren zum Ermitteln des Positionsfehlers F bzw. der Korrekturvorschrift K erläutert ist, dass einmalig mit Hilfe eines Normals 30 als Prüfling 28 durchgeführt wird, zeigt 7 einen beispielhaften Verfahrensablauf, der anschließend nach dem einmaligen Kalibrieren bei jeder Messung an einem Werkstück 29 als Prüfling 28 wiederholt werden kann. Auch während einer oder mehrerer solcher Messungen wird über den zweiten Sensor 37 - zumindest in zeitlichem Abstand wiederholt - eine genaue Position der Wälzlagereinheit 25 erfasst. Dadurch wird sichergestellt, dass Abweichungen vom kalibrierten Zustand beim Betrieb des Geräts 20 bzw. des Messgeräts 21 erkannt werden, die beispielsweise aufgrund von Schlupf zwischen der Wälzlagereinheit 25 einerseits und dem Stator 23 und/oder dem Läufer 24 andererseits auftreten können. Außerdem können sich Abweichungen aufgrund einer unterschiedlichen Kraft auf die Wälzlagereinheit 25 ergeben, wenn die Last beim Betrieb des Geräts 20 bzw. des Messgeräts 21 verändert ist gegenüber dem Kalibrieren unter Verwendung des Normals 30.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines Positionsfehlers in einem Gerät 20, insbesondere einem Messgerät 21, das einen Stator 23, einen Läufer 24 und eine dazwischen angeordnete Wälzlagereinheit 25 aufweist. Zur Kalibrierung wird ein Normal 30 am Läufer 24 angeordnet und in eine Bewegungsrichtung B bewegt, beispielsweise um eine Drehachse D gedreht. Mittels eines ersten Sensors 31 werden Messwerte des Normals 30 bei unterschiedlichen Positionen des Normals 30 in Bewegungsrichtung B gemessen. Ein zweiter Sensor 37 erfasst wenigstens eine Position der Wälzlagereinheit 25 in Bewegungsrichtung B. Basierend auf dieser erfassten Wälzlagerposition wird jedem Messwert für jede Position des Normals 30 in Bewegungsrichtung B eine Wälzlagerposition zugeordnet, basierend darauf wird der Positionsfehler F und optional eine Korrekturvorschrift K ermittelt.
Bezugszeichenliste:

20: Gerät
21: Messgerät
22: rotatorische Maschinenachse
23: Stator
24: Läufer
25: Wälzlagereinheit
26: Rotor
27: Halteeinrichtung
28: Prüfling
29: Werkstück
30: Normal
34: erster Sensor
35: Steuereinrichtung
36: Servomotor
37: zweiter Sensor
38: dritter Sensor
40: Wälzkörper
41: Käfig
42: Boden
43: Referenzmarke
44: Maßverkörperung
50: erster Schritt
51: zweiter Schritt
52: dritter Schritt
53: vierter Schritt
54: fünfter Schritt
60: erster Subschritt
61: zweiter Subschritt
62: dritter Subschritt
63: vierter Subschritt
64: fünfter Subschritt
70: erster Verfahrensschritt
71: zweiter Messschritt
72: dritter Messschritt
α: Drehwinkellage des Rotors
β: Drehwinkellage der Wälzlagereinheit
B: Bewegungsrichtung
D: Drehachse
F: Positionsfehler
NR: Anzahl der Umdrehungen des Rotors
O: Messort
R: Radius des Prüflings
RM: läuferpositionsabhängiger Mittelwert
RR: Restfehler
S1: erstes Sensorsignal
S2: zweites Sensorsignal
S3: drittes Sensorsignal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 112015000690 T5 [0004]
US 6138367 A [0005]
JP H07103815 A [0006]
DE 3520683 A1 [0007]
DE 102015219167 A1 [0008]
US 5882122 A [0009]
DE 102018116731 A1 [0010]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Jang, G.H.et al.: „Characterization of NRRO in a HDD spindle system due to ball bearing excitation“, IEEE Transaction on Magnetics, VOL.37, Nr. 2, März 2001, Seiten 815-819 [0011]
Chen, G. et al.: „Effect of raceway roundness and roller diameter errors on clearance and runout of cylindrical roller bearing“. Proc. IMechE PartJ: J Engineering Tribology 227(3), 2012, Seiten 275-285 [0012]
Li, J. et al.: „Forecast for radial runout of outer ring in cylindrical roller bearing“, Procedia CIRP 62, 2017, Seiten 375-379 [0013]

Claims

Verfahren zur Ermittlung eines Positionsfehlers (F) in einem Gerät (20) aufweisend einen Stator (23), einen relativ zum Stator (23) in einer Bewegungsrichtung (B) bewegbaren Läufer (24), der zum Anordnen eines Prüflings (28) eingerichtet ist, eine relativ zum Stator (34) und zum Läufer (24) bewegbare Wälzlagereinheit (25), mittels der der Läufer (24) am Stator (23) gelagert ist, einen ersten Sensor (34), der zur Erfassung eines Messwertes des Prüflings (28) eingerichtet ist, und einen zweiten Sensor (37), der zur Erfassung wenigstens einer Position der Wälzlagereinheit (25) in Bewegungsrichtung (B) eingerichtet ist, umfassend folgende Schritte: - Anordnen eines Normals (30) als Prüfling am Läufer (24), - kontinuierliches oder intermittierendes Bewegen des Läufers (24) in Bewegungsrichtung (B), - Erfassen eines Messwertes für jeden Messort (O) an dem Normal (30) in mehreren unterschiedlichen Positionen (α) des Normals (30) in Bewegungsrichtung (B) mittels des ersten Sensors (31), - kontinuierliches oder wiederholtes Erfassen wenigstens einer Position (β) der Wälzlagereinheit (25), die die Wälzlagereinheit (25) aufgrund der Bewegung des Läufers (24) in Bewegungsrichtung (B) einnimmt, mittels des zweiten Sensors (37), - Bestimmen der Position der Wälzlagereinheit (25) für wenigstens einen mittels des ersten Sensors (34) erfassten Messwert basierend auf der wenigstens einen mittels des zweiten Sensors (37) erfassten Position (β) der Wälzlagereinheit (25), - Ermitteln eines Positionsfehlers (F), der einen Fehler des Messwerts einer jeweiligen Position (α) des Normals (30) in Bewegungsrichtung (B) abhängig von der Position (β) der Wälzlagereinheit (25) in Bewegungsrichtung (B) beschreibt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei basierend auf dem ermittelten Positionsfehler eine Korrekturvorschrift (K) ermittelt wird, die dazu verwendet wird, wenigstens einen mittels des ersten Sensors (34) erfassten Messwert und/oder einen aus dem wenigstens einen Messwert ermittelten Kennwert eines Prüflings (28) abhängig von der ermittelten Position der Wälzlagereinheit (25) zu korrigieren und den korrigierten Messwert und/oder Kennwert des Prüflings (28) anzugeben.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei jede Positionsänderung der Wälzlagereinheit (25), die zumindest der Mindestauflösung des zweiten Sensors (37) entspricht, kontinuierlich mittels des zweiten Sensors (37) gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei während einer Positionsänderung der Wälzlagereinheit (25) nur eine einzige oder mehrere individuelle Referenzpositionen der Wälzlagereinheit (25) mittels des zweiten Sensors (37) gemessen werden.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Position (β) der Wälzlagereinheit (25) in einem Positionsbereich zwischen zwei gemessenen Referenzpositionen interpoliert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein dritter Sensor (38) dazu eingerichtet ist, die Position (α) des Läufers (24) zu messen und wobei der Positionsfehler (F) zusätzlich basierend auf der Position (α) des Läufers (24) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Normal (30) mittels des Läufers (24) in Bewegungsrichtung mehrmals entlang eines vorgegebenen Bewegungsbereichs des Läufers (24) bewegt wird und wobei für wenigstens eine Position des Läufers (24) aus den Messwerten für die wenigstens eine Position ein läuferpositionsabhängiger Mittelwert (RM) der Messwerte ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der läuferpositionsabhängige Mittelwert (RM) des Normals (30) von den erfassten Messwerten des Normals (30) subtrahiert wird, wodurch wenigstens ein Restfehler (RR) erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei aus den Restfehlern (RR) für jede Position (β) der Wälzlagereinheit (25) ein Positionsfehler (F) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Läufer (24) dazu eingerichtet ist, eine Drehbewegung um eine Drehachse (D) auszuführen.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der vorgegebene Bewegungsbereich des Läufers (24) kleiner ist 360 Grad.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Abstand zweier in Bewegungsrichtung (B) aufeinanderfolgender erfassbarer Referenzpositionen auf einem Übersetzungsverhältnis zwischen der Bewegung des Läufers (24) und der Bewegung der Wälzlagereinheit (25) und dem vorgegebene Bewegungsbereich des Läufers (24) basiert.
Gerät (20), insbesondere Messgerät (21), aufweisend: einen Stator (23), einen relativ zum Stator (23) in einer Bewegungsrichtung (B) bewegbaren Läufer (24), der zum Anordnen eines Prüflings (28) eingerichtet ist, eine Wälzlagereinheit (25), mittels der der Läufer (24) am Stator (23) gelagert ist, einen ersten Sensor (34), der zur Erfassung wenigstens eines Messwertes des Prüflings (28) eingerichtet ist, einen zweiten Sensor (37), der zur Erfassung wenigstens einer Position (β) der Wälzlagereinheit (25) in Bewegungsrichtung (B) eingerichtet ist, und eine Steuereinrichtung (35), die dazu eingerichtet ist, das folgendes Verfahren auszuführen: - kontinuierliches oder intermittierendes Bewegen des Läufers (24), an dem ein Normal (30) angeordnet ist, in Bewegungsrichtung (B), - Erfassen wenigstens eines Messwertes des Normals (30) in mehreren unterschiedlichen Positionen (α) des Normals (30) in Bewegungsrichtung (B) mittels des ersten Sensors (34), - kontinuierliches oder wiederholtes Erfassen wenigstens einer Position (β) der Wälzlagereinheit (25), die die Wälzlagereinheit (25) aufgrund der Bewegung des Läufers (24) in Bewegungsrichtung (B) einnimmt, mittels des zweiten Sensors (37), - Bestimmen der Position (β) der Wälzlagereinheit (25) für wenigstens einen mittels des ersten Sensors (34) erfassten Messwert des Normals (30) basierend auf der wenigstens einen mittels des zweiten Sensors (37) erfassten Position (β) der Wälzlagereinheit (25), - Ermitteln eines Positionsfehlers (F), der einen Fehler des Messwerts in der jeweiligen Position (α) des Normals (30) abhängig von der Position (β) der Wälzlagereinheit (25) in Bewegungsrichtung (B) beschreibt.
Gerät nach Anspruch 13, wobei die Steuereinrichtung (35), außerdem dazu eingerichtet ist, basierend auf dem ermittelten Positionsfehler (F) eine Korrekturvorschrift (K) zu ermitteln und für nachfolgende Messungen von Prüflingen (28) zu verwenden.
Computerprogrammprodukt aufweisend ein Speichermedium und auf dem Speichermedium gespeicherte Befehle, die bei einer Ausführung durch eine Steuereinrichtung (35) eines Gerätes (20) nach Anspruch 13 oder 14 die Steuereinrichtung (35) veranlassen, folgende Schritte auszuführen: - in Bewegungsrichtung (B) kontinuierliches oder intermittierendes Bewegen eines Läufers (24), an dem ein Normal (30) oder Werkstück (29) angeordnet ist, - Erfassen wenigstens eines Messwertes des Normals (30) oder Werkstück (29) in mehreren unterschiedlichen Positionen (α) des Läufers (24) in Bewegungsrichtung (B) mittels eines ersten Sensors (34) des Gerätes (35), - kontinuierliches oder wiederholtes Erfassen wenigstens einer Position (β) einer Wälzlagereinheit (25), die die Wälzlagereinheit (25) aufgrund der Bewegung des Läufers (24) in Bewegungsrichtung (B) einnimmt, mittels eines zweiten Sensors (37) des Gerätes (35), - Bestimmen der Position (β) der Wälzlagereinheit (25) für wenigstens einen mittels des ersten Sensors (34) erfassten Messwert des Normals (30) oder Werkstück (29) basierend auf der wenigstens einen mittels des zweiten Sensors (37) erfassten Position (β) der Wälzlagereinheit (25), - Anwenden einer Korrekturvorschrift (K) auf den wenigstens einen mittels des ersten Sensors (34) erfassten Messwert des Normals (3) oder Werkstücks (29) basierend auf den bestimmten Positionen (β) der Wälzlagereinheit (25).