DE10319947A1

DE10319947A1 - Einrichtung zur Messung der Umfangsgestalt rotationssymmetrischer Werkstücke

Info

Publication number: DE10319947A1
Application number: DE10319947A
Authority: DE
Inventors: August Binninger
Original assignee: Hommelwerke GmbH
Current assignee: Jenoptik Industrial Metrology Germany GmbH
Priority date: 2003-05-02
Filing date: 2003-05-02
Publication date: 2004-11-18
Anticipated expiration: 2023-05-03
Also published as: DE10319947B4

Abstract

Einrichtung zur Messung der Umfangsgestalt rotationssymmetrischer Werkstücke, mit einem optischen Meßsystem, das eine Lichtquelle (11) zur Erzeugung eines auf das Werkstück gerichteten Lichtbündels (13) und einen auf der der Lichtquelle (11) gegenüberliegenden Seite des Werkstücks angeordneten optischen Sensor (17) zur Erzeugung eines elektrischen Signals entsprechend dem Schattenbild des zwischen Lichtquelle (11) und Sensor (17) gebrachten Werkstücks aufweist. Die Lichtquelle (11) und der Sensor (17) sind sich gegenüberliegend zu beiden Seiten einer in einem Meßkörper (10) angeordneten, einseitig offenen Ausnehmung zur relativen Aufnahme des zu messenden Werkstücks angeordnet. Der Meßkörper (10) weist außerdem einen mechanisch-elektrischen Meßtaster mit einem Stößel auf, der in einer Richtung senkrecht zu der Richtung des Lichtbündels (13) bewegbar geführt ist. Mit dieser Einrichtung kann in einfacher Weise und sogar gleichzeitig die Umfangsgestalt eines rotationssymmetrischen Werkstücks sowohl opto-elektronisch als auch mechanisch-elektrisch abgetastet und gemessen werden. Die Vorteile der beiden Meßsysteme werden miteinander verbunden, nämlich die Erfassung kleiner geometrischer Strukturen mit der opto-elektronischen Einrichtung und die hohe Genauigkeit der mechanisch-elektrischen Abtastung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zur Messung der Umfangsgestalt rotationssymmetrischer Werkstücke.
Durch die Firmendruckschrift "Offen für Vielfalt" der Firma Hommelwerke GmbH, Alte Tuttlinger Str. 20, D-78056 VS-Schwenningen, ist eine Einrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art bekannt. Dabei handelt es sich um eine Kurbel- und Nockenwellenmeßmaschine, bei der die Kurbel- oder Nockenwelle vertikal zwischen zwei Spitzen eingespannt und gedreht wird. Von einer Lichtquelle wird ein Lichtbündel erzeugt und auf die zu messende Stelle der Kurbel- oder Nockenwelle gerichtet. Auf der der Lichtquelle gegenüberliegenden Seite des Werkstücks ist ein optischer Sensor zur Erzeugung eines elektrischen Signals entsprechend dem Schattenbild des in das Lichtbündel gebrachten Werkstücks angeordnet. Als Sensor dient ein Liniensensor. Aus den elektrischen Signalen des Sensors wird der Verlauf der Schattenkante des Werkstücks im Bereich der Meßstelle während der Drehung und damit die Umfangsgestalt, beispielsweise die Rundheit, ermittelt. Der Vorteil dieser bekannten Einrichtung besteht darin, daß sie in der Lage ist, kleine geometrische Struktu ren, beispielsweise im Bereich von Kanten zwischen einer zylindrischen Lagerfläche und einer Lagerflanke zu erfassen. Ein Nachteil dieser bekannten Einrichtung besteht darin, daß ihre Genauigkeit häufig geringer ist als die sogenannter taktiler Systeme, bei denen ein mechanisch-elektrischer Wandler mit einem Stößel die zu messende Oberfläche bei der Drehung abtastet und ein entsprechendes elektrisches Meßsignal erzeugt. Wegen der endlichen Größe des Abtastelements, das in der Regel einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, ist eine Messung im Bereich kleiner geometrischer Strukturen eines Werkstücks nicht möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zu schaffen, mit der sowohl eine Messung im Bereich kleiner geometrischer Strukturen eines Werkstücks als auch eine Messung mit höherer Genauigkeit möglich ist.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebene Lehre gelöst.
Der Grundgedanke dieser Lehre besteht darin, ein optisches System mit einem taktilen System in einem gemeinsamen Meßkörper zu vereinigen. Zu diesem Zweck ist in dem Meßkörper eine einseitig offene Ausnehmung vorgesehen, die vorzugsweise gabelförmig ausgebildet sein kann. Die Lichtquelle und der Sensor sind sich gegenüberliegend zu beiden Seiten der einseitig offenen Ausnehmung angeordnet. Zur Messung kann dann in die offene Ausnehmung, also in den Bereich des Lichtbündels, ein Werkstück gebracht oder der Meßkörper so verfahren werden, daß das Lichtbündel in den Bereich des Werkstücks gelangt. Zusätzlich weist der Meßkörper einen mechanisch-elektrischen Meßtaster mit einem Stößel auf, der in einer Richtung senkrecht zu der Richtung des Lichtbündels bewegbar geführt ist. Dabei kann sich der Stößel so weit in Richtung auf das Lichtbündel erstrecken, daß bei der optischen Messung gleichzeitig die taktile Messung erfolgen kann. Der Stößel des mechanisch-elektrischen Meßtasters tastet dann die Umfangsgestalt des rotationssymmetrischen Werkstücks mit hoher Genauigkeit ab, während gleichzeitig das optische Meßsystem kleine geometrische Strukturen erfaßt. Zwar ist die Genauigkeit des optischen Meßsystems in diesem Bereich geringer als die des taktilen Systems, jedoch liefert es Meßwerte in Bereichen, die von dem taktilen System nicht erfaßt werden können. Entscheidend ist der Vorteil, daß beide Messungen gleichzeitig oder fast gleichzeitig erfolgen können, da beide Meßsysteme in ein und demselben Meßkörper angeordnet sind.
Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß der Meßkörper an einem Schlitten angeordnet ist, der zwischen zwei Positionen verfahrbar ist, wobei sich in der einen Position das optische Meßsystem und in der anderen Position der mechanisch-elektrische Meßtaster in einer Meßstellung befindet. Auf diese Weise kann die optische Messung getrennt von der taktilen Messung durchgeführt werden.
Eine andere Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß der Schlitten an einem weiteren Schlitten gehalten ist, der in einer Richtung senkrecht zu der Richtung des Lichtbündels in einer Führung beweglich gehalten ist. Auf diese Weise kann der Meßkörper so verfahren werden, daß unterschiedliche Stellen der Umfangsgestalt des Werkstücks abgetastet und vermessen werden.
Eine zweckmäßige Weiterbildung dieser Ausführungsform besteht darin, daß von der Führung für den weite ren Schlitten ein Reitstock mit einer Spitze gehalten ist, der gegenüber eine weitere Spitze an einem Tisch oder Maschinenbett angeordnet ist, von dem sich die Führung für den weiteren Schlitten senkrecht erstreckt, wobei die gedachte Verbindungslinie zwischen den beiden Spitzen senkrecht sowohl zu dem Lichtbündel als auch zur Bewegungsrichtung des Stößels des mechanisch-elektrischen Meßtasters verläuft. Natürlich sind in der üblichen Weise zusätzliche Mittel zur Drehung des rotationssymmetrischen Werkstücks um seine Rotationsachse vorgesehen, so daß entsprechend der gesamte Umfang des Werkstücks abgetastet werden kann.
Schließlich besteht eine Weiterbildung der Ausführungsform der Erfindung, bei der der Meßkörper zwischen zwei Meßpositionen verfahrbar ist, darin, daß Mittel vorgesehen sind, die nach Start einer Messung den Schlitten mit dem Meßkörper zunächst in die eine Position verfahren, in der sich das Werkstück im Bereich des Lichtbündels befindet. Es ist ein Speicher zur Speicherung der von dem optischen Sensor erzeugten elektrischen Daten vorgesehen sowie eine Steuereinrichtung, die in Abhängigkeit von diesen Daten den Schlitten mit dem Meßkörper in die andere Position verfährt. Auf diese Weise ist es z. B. möglich, den mechanischelektrischen Meßtaster mit seinem Stößel nur an den Stellen gegen das Werkstück zu fahren, an denen eine Messung erfolgen kann, also beispielsweise nur an den Stellen der zylindrischen Lagerfläche für die Lagerung einer Kurbelwelle.
Die Erfindung schließt auch eine Ausführungsform ein, bei der der Meßkopf parallel zur Drehachse des Werkstücks verfahrbar ist. Damit ist es möglich, die Umfangsgestalt des Werkstücks an verschiedenen axialen Stellen oder die Oberflächenkontur in Achsrichtung zu messen.
Anhand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden.
1 dient zur Erläuterung der eingeschränkten Möglichkeiten einer Messung mit einem mechanisch-elektrischen Wandler,
2 ist ein Schattenbild eines Meßbereichs eines optischen Meßsystems,
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Meßkörpers gemäß der Erfindung, teilweise im Schnitt,
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Einrichtung gemäß der Erfindung von der Seite mit einem Meßkopf gemäß 3 und
5 ist eine Draufsicht auf 4.
1 ist ein Teilschnitt durch eine Lagerstelle einer Welle 1, die durch eine zylindrische Fläche 2 gebildet ist, welche durch eine Nut 3 von einer Lagerflanke 4 geometrisch getrennt ist. Ein teilweise dargestellter Stößel eines nicht dargestellten mechanischelektrischen Wandlers weist an seinem Ende ein zylindrisches oder kugelförmiges Tastelement 5 auf, das sowohl an der zylindrischen Fläche 2 als auch an der Lagerflanke 4 anliegt. Es ist ersichtlich, daß wegen der Größenverhältnisse mit dem Tastelement 5 die kleine geometrische Struktur der Nut 3 nicht erfaßt werden kann. Allerdings ist eine genaue Messung der zylindrischen Fläche 2 möglich.
2 zeigt ein mit einem opto-elektronischen Meßsystem aufgenommenes Schattenbild 6 der kleinen geometrischen Struktur im Bereich der Nut 3 gemäß 1. Eine Schattenkontur 7 korrespondiert mit der Mantelli nie der zylindrischen Fläche 2, eine Schattenkontur 8 mit der Kontur der Nut 3, die Schattenkontur 9 mit der Lagerflanke 4. Anhand des Schattenbildes 6 ist eine meßtechnische Bewertung möglich, wenn auch in einer geringeren Genauigkeit als die mit dem Tastelement 5 eines mechanisch-elektrischen Wandlers erreichbare Genauigkeit.
3 zeigt teilweise geschnitten ein Ausführungsbeispiel eines Meßkörpers einer Einrichtung gemäß der Erfindung zur Messung der Umfangsgestalt rotationssymmetrischer Werkstücke. Ein gabelförmiger Meßkörper 10 weist, wie das aus dem geschnittenen Teil des gehäuseförmigen Meßkörpers 10 ersichtlich ist, ein opto-elektronisches Meßssystem mit einer Lichtquelle 11 und einer Optik 12 auf, die ein Lichtbündel 13 erzeugt, das mittels eines Prismas 14 zu der Welle 1 gelenkt wird, die in 1 als Teilschnitt gezeigt ist. Das Lichtbündel 13 wird entsprechend der Kontur der Welle 1 abgeschattet und über ein Prisma 15 und eine Optik 16 auf einem Sensor 17 abgebildet. Das so erzeugte Bild kann in bekannter Weise mit einem Rechner meßtechnisch ausgewertet und so die reale Geometrie berechnet werden.
Im Grunde der zwischen den beiden Zinken des gabelförmigen Meßkörpers 10 gebildeten, einseitig offenen Ausnehmung erstreckt sich in Richtung auf das Lichtbündel 13 im Bereich der Ausnehmung ein Stößel mit einem Tastelement 37, das, wenn die Welle 1 in Richtung auf das Tastelement 37 oder der Meßkörper 10 in Richtung auf die Welle 1 bewegt wird, an der zylindrischen Fläche 2 zur Anlage kommt, so daß bei Drehen der zylindrischen Fläche 2 deren Umfangsgestalt abgetastet wird. Da die Abschattung des Lichtbündels 13 durch die Welle 1 auf der dem Tastelement 37 abgewandten Seite ausge nutzt wird, kann bei entsprechender Anordnung das Tastelement 37 die opto-elektronische Messung nicht beeinflussen, wenn es gleichzeitig an der zylindrischen Fläche 2 anliegt. Somit kann sowohl die opto-elektronische Messung als auch die taktile Messung durch das Tastelement 37 gleichzeitig erfolgen.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Messung von Wellen unter Verwendung eines Meßkörpers gemäß 3. Senkrecht auf einem Maschinenbett 18 steht eine Säule 19 mit Führungsschienen 20, auf denen verstellbar ein Reitstock 21 angeordnet ist, so daß zwischen einer Spitze 22 und einer Spitze 23 die zu messende Welle 1 zentrisch zu ihrer Drehachse 26 einspannbar ist. Eine Antriebseinrichtung 24 dient zur Drehung der Spitze 23 in Richtung eines Pfeiles 25 und damit zur Drehung der Welle 1.
Auf den Führungsschienen 20 ist ein Schlitten 27 verstellbar gehalten, dessen definierte Position sich über ein Positionsmeßsystem bestehend aus einer linearen Maßverkörperung 28 und einen Meßkopf 29 ableiten läßt. Die Bewegung des Schlittens 27 in Richtung eines Pfeiles 30 verläuft parallel zur Drehachse 26 der Welle 1.
Auf dem Schlitten 27 befinden sich Führungen 31 zur verschieblichen Halterung des Meßkörpers 10 in Richtung eines Pfeiles 33, wobei die Verschieberichtung gemäß Pfeil 33 senkrecht zur Drehachse 26 der Welle 1 verläuft. Die Position des Meßkörpers 10 wird mit Hilfe eines Positionsmeßsystems abgeleitet, das sich aus einer linearen Maßverkörperung 34 und einem Meßkopf 35 zusammensetzt.
5 zeigt die Einrichtung gemäß 4 in der Draufsicht mit seinen wesentlichen Teilen. Der Meßkörper 10 befindet sich, anders als in 3, in einer Lage, in der nicht das Lichtbündel 13 auf die zylindrische Fläche 2 der Welle 1 trifft, vielmehr das Tastelement 37 an der zylindrischen Fläche anliegt und so die Oberflächengestalt der zylindrischen Fläche 2 abtastet. Das Tastelement 37 befindet sich an dem Stößel eines in dem Meßkörper 10 angeordneten und in der Zeichnung nicht dargestellten mechanisch-elektrischen Wandlers, dessen elektrisches Ausgangssignal der Oberflächenkontur der zylindrischen Fläche 2 entspricht.
Bei Verwendung der Einrichtung gemäß 4 und 5 wird zunächst der Reitstock 21 nach oben verschoben, wonach die Welle 1 mit ihrer Drehachse 26 mit den Spitzen 22 und 23 zum Fluchten gebracht und der Reitstock 21 nach unten verschoben und so die Welle 1 eingespannt wird. Danach wird mittels der Antriebseinrichtung 24 die Welle 1 in Richtung eines Pfeiles 25 in Drehung versetzt und der Meßkörper 10 zunächst in eine Position gemäß 3 gefahren, so daß die Abschattung des Lichtbündels 13 durch die Welle 1 erfolgt und in bekannter Weise die Oberflächenkontur auf der Grundlage des so erzeugten Schattenbildes bestimmt und gemessen werden kann.
Danach wird der Meßkörper 10 in die in 5 gezeigte Position gefahren, so daß das Tastelement 37 an der zylindrischen Fläche 2 zur Anlage kommt und so mechanisch die zylindrische Oberfläche 2 abgetastet wird. Der nicht dargestellte mechanisch-elektrische Wandler erzeugt dann ein elektrisches Signal entsprechend der Oberflächenkontur der zylindrischen Fläche 2.

Claims

Einrichtung zur Messung der Umfangsgestalt rotationssymmetrischer Werkstücke, – mit einem optischen System, das eine Lichtquelle (11) zur Erzeugung eines auf das Werkstück gerichteten Lichtbündels (13) und einen auf der der Lichtquelle (11) gegenüberliegenden Seite des Werkstücks angeordneten optischen Sensor (17) zur Erzeugung eines elektrischen Signals entsprechend dem Schattenbild eines zwischen Lichtquelle (11) und Sensor (17) gebrachten Werkstücks aufweist, dadurch gekennzeichnet, – daß die Lichtquelle (11) und der Sensor (17) sich gegenüberliegend zu beiden Seiten einer in einem Meßkörper (10) angeordneten, einseitig offenen Ausnehmung zur Aufnahme des zu messenden Werkstücks angeordnet sind und – daß der Meßkörper (10) einen mechanisch-elektrischen Meßtaster mit einem Stößel aufweist, der in einer Richtung senkrecht zu der Richtung des Lichtbündel (13) bewegbar geführt ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkörper (10) gabelförmig ausgebildet ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkörper (10) an Führungen (31) zwischen zwei Positionen verfahrbar ist, wobei sich in der einen Position das optische Meßsystem und in der anderen Position der mechanisch-elektrische Meßtaster in einer Meßstellung befindet.
Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungen (31) an einem Schlitten (27) angeordnet sind, der in einer Richtung senkrecht zu den Führungen (31) und zu der Richtung des Lichtbündels (13) in Führungsschienen (20) bewegbar gehalten ist.
Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, – daß von den Führungsschienen (20) ein Reitstock (21) mit einer Spitze (22) gehalten ist, – daß gegenüber der Spitze (22) eine weitere Spitze (23) angeordnet ist, die sich an einem Maschinenbett (18) befindet, von dem sich eine Säule (19) mit den Führungsschienen (20) für den Schlitten (27) senkrecht erstreckt, – wobei die gedachte Verbindungslinie zwischen den beiden Spitzen (22, 23) senkrecht sowohl zu dem Lichtbündel (13) als auch zur Bewegungsrichtung des Stößels des mechanisch-elektrischen Meßtasters verläuft.
Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, – daß Mittel vorgesehen sind, die nach Start einer Messung den Meßkörper (10) zunächst in die eine Position verfahren, in der sich das Werkstück im Bereich des Lichtbündels (13) befindet, – daß ein Speicher zur Speicherung der von dem optischen Sensor erzeugten elektrischen Daten vorgesehen ist, und – daß eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, die in Abhängigkeit von diesen Daten den Meßkörper (10) in die andere Position verfährt.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkörper (10) parallel zur Drehachse (26) des Werkstücks verfahrbar ist.