DE112005002030T5

DE112005002030T5 - Vorrichtung und Verfahren zum Prüfen auf Fehler auf der Oberfläche von Werkstücken

Info

Publication number: DE112005002030T5
Application number: DE112005002030T
Authority: DE
Inventors: Makoto Komatsu Yamamoto; Akihiro Komatsu Yoshimoto
Original assignee: Komatsu Machinery Corp
Current assignee: Komatsu NTC Ltd
Priority date: 2004-09-03
Filing date: 2005-08-25
Publication date: 2007-10-18
Also published as: US7499813B2; JP2006071529A; JP4596863B2; WO2006025257A1; US20080033664A1

Abstract

Fehlerprüfvorrichtung (10), die die Oberfläche eines Werkstücks (16) auf das Vorhandensein eines Fehlers untersucht, mit
einer Oberflächenposition-Meßeinrichtung (20, 22, 48), die, während das Werkstück (16) um eine vorgegebene Rotationsachse (16C) gedreht wird, die Position der Oberfläche eines Untersuchungsgebiets (16A) auf dem Werkstück (16) in Richtung senkrecht zur Rotationsachse in Abhängigkeit vom Rotationswinkel mißt;
einer Oberflächenwellenform-Ermittlungseinrichtung (14), die das Ausgangssignal der Oberflächenposition-Meßeinrichtung (20, 22, 48) aufnimmt und Oberflächenwellenformdaten ermittelt, die die Oberflächenposition in Abhängigkeit vom Rotationswinkel angeben;
einer Hochfrequenz-Wellenform-Extraktionseinrichtung (14), die aus den Oberflächenwellenformdaten Hochfrequenz-Wellenformdaten, die. eine Frequenz aufweisen, die über einer vorgegebenen Frequenz liegt, oder Hochfrequenz-Wellenformdaten extrahiert, die eine Positionsänderung innerhalb eines Winkelbereichs angeben, der kleiner ist als ein vorgegebener Winkel; und mit
einer Fehlerfeststellungseinrichtung, die auf der Basis der extrahierten Hochfrequenz-Wellenformdaten über das Vorhandensein eines Fehlers im Untersuchungsgebiet entscheidet.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Prüfen auf das Vorhandensein von Fehlern auf der Oberfläche eines Werkstücks, und sie betrifft insbesondere zum Beispiel eine Vorrichtung und ein Verfahren, die bzw. das für das Prüfen auf Fehler auf der Oberfläche des Lagerzapfenabschnitts oder Kurbelzapfenabschnitts einer Kurbelwelle, auf der Oberfläche des Nockenabschnitts einer Nockenwelle und dergleichen geeignet ist.
STAND DER TECHNIK
Bei einem bearbeiteten Fertigungsprodukt wie einer Kurbelwelle oder einer Nockenwelle und dergleichen befinden sich manchmal an Stellen wie den Lagerzapfenabschnitten, den Kurbelzapfenabschnitten, den Nockenabschnitten und dergleichen, an denen mit hoher Genauigkeit eine Oberflächenbearbeitung erfolgt ist, konvexe Fehler, etwa die Spuren von Schlägen bei der Bearbeitung. Es ist erforderlich, durch Prüfen der Fertigungsprodukte zuverlässig diejenigen Produkte zu erfassen und auszusondern, die solche Fehler aufweisen. Im Stand der Technik wird daher an allen Produkten von Hand eine visuelle Untersuchung durchgeführt.
In der japanischen offengelegten Patentveröffentlichung Heisei 11-83413 ist eine Vorrichtung beschrieben, die automatisch den Durchmesser, die Rundheit, die Geradheit und dergleichen des Lagerzapfenabschnitts oder Kurbelzapfenabschnitts dadurch mißt, daß ein Kontaktelement, das in der Richtung vertikal zur Rotationsachse einer Kurbelwelle verschoben werden kann, mit konstanter Kraft gegen die äußere Umfangsfläche des Lagerzapfenabschnitts oder des Kurbelzapfenabschnitts der Kurbelwelle gedrückt wird, wobei die Aus lenkung dieses Kontaktelements in Abhängigkeit von der Winkelrotationsposition gemessen wird, während die Kurbelwelle gedreht wird.
ZUSAMMENFASSUNG
Die Untersuchung aller Produkte durch eine visuelle Inspektion von Hand stellt für das untersuchende Personal eine immer gleiche, mühevolle Arbeit dar, und sie erhöht außerdem die Fertigungskosten. Es ist daher wünschenswert, eine Technik zu entwickeln, mit der Fehler automatisch festgestellt werden können. Als Verfahren für eine solche automatische Erfassung kann in Betracht gezogen werden, den Außendurchmesser des Fertigungsprodukts unter Verwendung der in der japanischen offengelegten Patentveröffentlichung Heisei 11-83413 beschriebenen Meßeinrichtung zu messen. Da jedoch die Fehler, die erfaßt werden sollen, nur klein und nicht leicht zu entdecken sind, wozu in der Regel erfahrenes Untersuchungspersonal nötig ist, machen auch kleine Meßfehler im Ergebnis der Messung des Außendurchmessers die Erfassung von Fertigungsfehlern schwierig. Zum Beispiel ist es erforderlich, die folenden Meßfehler auszuschließen.

(1) Die Querschnittform des zu untersuchenden Bereichs auf dem Werkstück (wie zum Beispiel dem Lagerzapfenabschnitt oder dem Kurbelzapfenabschnitt einer Kurbelwelle oder dem Nockenabschnitt einer Nockenwelle und dergleichen) ist nicht notwendigerweise absolut perfekt kreisförmig und manchmal leicht verzerrt. Auf einen Nockenabschnitt trifft dies in besonderem Maße zu. Es ist eine Technik erforderlich, die Meßfehler aufgrund einer solchen Abweichung von einer perfekt kreisförmigen Querschnittform automatisch beseitigt.
(2) Die Oberfläche ist in dem zu untersuchenden Bereich nicht notwendigerweise zur Rotationsachse des Werkstücks perfekt senkrecht und manchmal leicht dazu geneigt. Es ist eine Technik erforderlich, die Meßfehler aufgrund einer solchen Neigung aus der Senkrechten automatisch beseitigt.
(3) Die Kontaktfläche des Detektors am Werkstück ist nicht notwendigerweise perfekt eben und weist manchmal kleine konkave oder konvexe Unebenheiten auf. Es ist eine Technik erforderlich, die Meßfehler aufgrund solcher konkaver und konvexer Unebenheiten automatisch beseitigt.
(4) Die Kontaktfläche des Detektors am Werkstück ist nicht notwendigerweise zur Rotationsachse des Werkstücks perfekt senkrecht und manchmal leicht dazu geneigt. Es ist eine Technik erforderlich, die Meßfehler aufgrund einer solchen Neigung aus der Senkrechten automatisch beseitigt.
(5) Zum Messen der Winkelposition des Werkstücks wird ein Encoder verwendet. Die Teilung eines solchen Encoders ist jedoch nicht notwendigerweise exakt konstant und enthält manchmal kleine Fehler. Es ist eine Technik erforderlich, die Meßfehler aufgrund solcher Teilungsfehler automatisch beseitigt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine automatische Prüfung der Oberfläche eines Werkstücks auf das Vorhandensein von kleinen Fehlern zu ermöglichen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Vorrichtung zum Prüfen auf Fehler, die die Oberfläche eines Werkstücks auf das Vorhandensein von Fehlern untersucht, folgendes: Eine Oberflächenposition-Meßeinrichtung, die, während das Werkstück um eine vorgegebene Rotationsachse gedreht wird, die Position der Oberfläche des Untersuchungsgebiets auf dem Werkstück in der Richtung senkrecht zur Rotationsachse in Abhängigkeit vom Rotationswinkel mißt; eine Oberflächenwellenform-Ermittlungseinrichtung, die das Ausgangssignal der Oberflächenposition-Meßeinrichtung aufnimmt und Oberflächenwellenformdaten ermittelt, die die Oberflächenposition mit Bezug zum Rotationswinkel angeben; eine Hochfrequenz-Wellenform-Extraktionseinrichtung, die aus den Oberflächenwellenformdaten Hochfrequenz-Wellenformdaten, deren Frequenz größer ist als eine vorgegebene Frequenz, oder Hochfrequenz-Wellenformdaten extrahiert, die eine Änderung der Position innerhalb eines Winkelbereichs angeben, der kleiner ist als ein vorgegebener Winkel; und eine Fehlerfeststellungseinrichtung, die auf der Basis der extrahierten Hochfrequenz-Wellenformdaten über das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines Fehlers im Untersuchungsgebiet entscheidet.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Oberflächenposition-Meßeinrichtung einen Tastkopf, der an der Oberfläche des Untersuchungsgebiets auf dem Werkstück anliegt. Da der Tastkopf in einer ersten Richtung senkrecht zur Rotationsachse des Werkstücks frei beweglich ist und in der Richtung zum Werkstück hin vorgespannt ist, steht er mit dem Untersuchungsgebiet auf dem Werkstück bei dessen Drehung kontinuierlich in Berührung. Durch Messen der Position des Tastkopfs in Abhängigkeit vom Rotationswinkel bei der Drehung des Werkstücks wird die Position der Oberfläche im Untersuchungsgebiet in Abhängigkeit von Rotationswinkel gemessen. Die Kontaktfläche des Tastkopfs im Untersuchungsgebiet weist senkrecht zur Bewegungsrichtung des Tastkopfs und zur Richtung der Rotationsachse des Werkstücks eine gewisse Länge auf, diese Länge ist größer oder gleich der Hublänge des Untersuchungsgebiets in dieser Richtung, wenn sich das Werkstück dreht. Dadurch liegt der Tastkopf immer im Untersuchungsgebiet des Werkstücks an, wenn sich das Werkstück dreht. Die Kontaktfläche des Tastkopfs ist im Untersuchungsgebiet eine Ebene, deren Genauigkeit gleich oder größer ist als die der Oberfläche des Untersuchungsgebiets des Werkstücks, und weist darüberhinaus in der Richtung der Rotationsachse eine Breite auf, die fast der Breite des Untersuchungsgebiets auf dem Werkstück in der gleichen Richtung entspricht. Durch einmaliges Drehen des Werkstücks kann so jeder Fehler auf der Oberfläche des Untersuchungsbiets erfaßt werden, da der Tastkopf mit der ganzen Oberfläche des Untersuchungsgebiets in Kontakt steht.
Die Kontaktfläche des Tastkopfs kann im Untersuchungsgebiet eine Breite haben, die nahezu der minimalen Breite von all den Breiten entspricht, die den geradlinigen Abschnitten der Untersuchungsgebiete in der Richtung der Rotationsachse entsprechen. Durch Verschieben des Tastkopfes um eine Strecke, die kleiner oder gleich der Breite dieser Kontaktfläche ist, in der Richtung der Rotationsachse jedesmal dann, wenn sich das Werkstück einmal gedreht hat, ist es möglich, Fehler in zylindrischen Oberflächen mit vielen verschiedenen Breiten mit einem einzigen Tastkopf mit einer festen Breite zu erfassen.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Tastkopf in einem vorgegebenen Winkelbereich um eine Rotationsachse als Mittelpunkt in einer Richtung schwingen, die senkrecht zur Richtung der Rotationsachse des Werkstücks und der Verschiebungsrichtung des Tastkopfes ist. Durch diese Schwingfunktion ist es möglich, die Kontaktfläche des Tastkopfes mit der Oberfläche des Untersuchungsgebiets unabhängig von Parallelfehlern der Kontaktfläche des Tastkopfs bezüglich der Oberfläche des Untersuchungsgebiets in Kontakt zu halten.
In einer bevorzugten Ausführungsform ermittelt die oben erwähnte Fehlerfeststellungseinrichtung auf der Basis der Hochfrequenz-Wellenformdaten die Änderungsrate (den Gradienten) in Abhängigkeit vom Rotationswinkel der Oberflächenposition des Untersuchungsgebiets und/oder die Höhe oder Breite und dergleichen von Bereichen, in denen sich die Oberflächenposition in Abhängigkeit vom Rotationswinkel ändert, und erfaßt die Fehler im Untersuchungsgebiet durch Vergleich dieser Größen mit einem vorab festgelegten Schwellenwert.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Anzahl von Konturmeßeinheiten vorgesehen, deren relative Positionen bezüglich des Werkstücks variabel sind, wobei diese Konturmeßeinheiten gleichzeitig und unabhängig die Oberflächenpositionen von verschiedenen Untersuchungsgebieten auf dem gleichen Werkstück messen. Dadurch ist es möglich, die Prüfung aller Untersuchungsgebiete in kurzer Zeit durchzuführen, und darüberhinaus ist es möglich, die Prüfung flexibel an verschie denen Werkstückarten auszuführen. Wenn zum Beispiel eine Vierzylinder-Kurbelwelle an insgesamt zehn Punkten zu prüfen ist, d.h. an vier Punkten auf den Kurbelzapfen, an fünf Punkten auf den Lagerzapfen und an einem Punkt auf einem Flansch, kann die Untersuchung dieser zehn Punkte erfolgen, während das Werkstück drei Mal gedreht wird, wenn vier Oberflächenpositions-Meßeinrichtungen verwendet werden. Dadurch wird es zum Beispiel möglich, eine Fertigungsstraßen-Zykluszeit von etwa 30 Sekunden zu erreichen.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Verfahren zum Prüfen auf Fehler, mit dem die Oberfläche eines Werkstücks auf das Vorhandensein von Fehlern untersucht wird, folgendes: Einen Schritt des Messens der Oberflächenposition in einem Untersuchungsgebiet des Werkstücks in der Richtung senkrecht zu einer vorgegebenen Rotationsachse in Abhängigkeit vom Rotationswinkel um die Rotationsachse; einen Schritt des Bestimmens von Oberflächenwellenformdaten, die die Wellenform der Oberflächenposition bezüglich des Rotationswinkels angeben, aus den Oberflächenpositionen für die Rotationswinkel; einen Schritt des Extrahierens von Hochfrequenz-Wellenformdaten, deren Frequenz größer ist als eine vorgegebene Frequenz, oder von Hochfrequenz-Wellenformdaten, die eine Änderung der Position innerhalb eines Winkelbereichs angeben, der kleiner ist als ein vorgegebener Winkel, aus den Oberflächenwellenformdaten; und einen Schritt des Entscheidens über das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines Fehlers im Untersuchungsgebiet auf der Basis der extrahierten Hochfrequenz-Wellenformdaten.
Erfindungsgemäß ist es möglich, automatisch eine Prüfung auf das Vorhandensein von kleinen Fehlern auf der Oberfläche eines Werkstücks durchzuführen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Aufsicht auf eine Prüfvorrichtung 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine Ansicht dieser Prüfvorrichtung 10, bei der eine Werkstückaufnahmeeinheit 20 auf einem Untergestell 18 durch Weglassen von Konturmeßeinheiten 22, 22 in der Zeichnung klarer dargestellt ist;
3 eine Ansicht längs der Linie A-A in der 1, die zwei Konturmeßeinheiten 22, 22 zeigt, die auf einer Seite der Werkstückaufnahmeeinheit 20 angeordnet sind;
4 eine seitliche Schnittansicht längs der Linie B-B in der 1, die zwei Konturmeßeinheiten 22, 22 zeigt, die auf den beiden Seiten der Werkstückaufnahmeeinheit 20 angeordnet sind;
5 eine Aufsicht auf einen Tastkopf 56 in einem Zustand, in dem er mit einem Kurbelzapfenabschnitt P einer Kurbelwelle 16 In Kontakt steht;
6A eine seitliche Schnittansicht des Tastkopfs 56 im gleichen Zustand, und 6B eine ebene Schnittansicht des Tastkopfs 56 längs der Linie C-C in der 6A;
7 eine Seitenansicht des Tastkopfes 56 in dem Zustand, in dem die Kurbelwelle 16 aus dem in den 5 und 6A gezeigten Zustand um 90 Grand gedreht wurde;
8 ein Flußdiagramm für die aufeinanderfolgenden Schritte im Datenverarbeitungsvorgang einer Steuervorrichtung 14 mit einer Mittelwertfilterung;
9 ein Flußdiagramm für die aufeinanderfolgenden Schritte im Datenverarbeitungsvorgang der Steuervorrichtung 14 mit einer Fourierentwicklung; und
10 eine Fortsetzung des Flußdiagramms der 9.
AUSFÜHRUNGSFORM
Im folgenden wird mit Bezug zu den Zeichnungen eine Ausführungsform der Vorrichtung zum Prüfen auf Fehler in einer Werkstückoberfläche erläutert. Die im folgenden beschriebene Ausführungsform ist eine Vorrichtung für eine Untersuchung auf das Vorhandensein von Fehlern in der Oberfläche eines Lagerzapfenabschnitts oder eines Kurbelzapfenabschnitts einer Kurbelwelle. Diese Beschreibung ist so zu verstehen, daß es für einen Fachmann leicht ist, auf der Basis der Erläuterung dieser Prüfvorrichtung für eine Kurbelwelle die vorliegende Erfindung als Prüfvorrichtung für eine Nockenwelle oder für verschiedene andere Arten von Werkstücken auszuführen.
Die 1 ist eine Aufsicht auf eine Prüfvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform. In der folgenden Erläuterung werden zum leichteren Verständnis die rechtwinkligen Achsen X, Y und Z virtuell so definiert, wie es in der Zeichnung gezeigt ist.
Wie in der 1 gezeigt, umfaßt die Prüfvorrichtung 10 eine Hauptvorrichtung 12 und eine Steuervorrichtung 14, die mit der Hauptvorrichtung 12 verbunden ist. Die Hauptvorrichtung 12 ist eine Maschine, die an einer derart angeordneten Kurbelwelle 16 (die das Werkstück ist), daß ihre Rotationsachse parallel zur X-Achse ist, während der Drehung der Kurbelwelle 16 um diese Rotationsachse in Abhängigkeit vom Rotationswinkel die Position der äußeren Umfangsfläche eines Lagerzapfenabschnitts oder eines Kurbelzapfenabschnitts der Kurbelwelle 16 (für diese Position kann die Rotationsachse als Ursprung genommen werden, sie wird im folgenden als Oberflächenposition bezeichnet) in Richtung der Y-Achse automatisch mißt und die Oberflächenpositionsdaten für jeden Rotationswinkel ausgibt. Die Steuervorrichtung 14 umfaßt einen PC, Eingabe- und Ausgabekarten, eine Kommunikations-Interfacekarte, einen Sequenzer und andere Steuereinrichtungen (in den Zeichnungen nicht gezeigt) und stellt, neben dem Steuern des Betriebs der Hauptvorrichtung 12 durch Software, die in den PC geladen wird, durch Einlesen, Aufzeichnen und Analysieren der oben erwähnten Oberflächenpositionsdaten aus der Hauptvorrichtung 12 automatisch das Vorhandensein von Fehlern auf der äußeren Umfangsfläche des Lagerzapfenabschnitts oder des Kurbelzapfenabschnitts der Kurbelwelle 16 fest, und gibt das Ergebnis dieser Feststellung aus.
Wie in der 1 gezeigt, umfaßt die Hauptvorrichtung 12 ein Untergestell 18. In einer zentralen Position ist auf diesem Untergestell 18 parallel zur X-Achse eine Werkstückaufnahmeeinheit 20 montiert. An den beiden Flanken dieser Werkstückaufnahmeeinheit 20 ist eine Anzahl (zum Beispiel vier) angeordnet. Zwei dieser Konturmeßeinheiten 22, 22 sind auf der einen Seite der Werkstückaufnahmeeinheit 20 angeordnet und die anderen zwei auf der anderen Seite der Werkstückaufnahmeeinheit 20. Diese vier Konturmeßeinheiten 22, 22, 22, 22 weisen gegenseitig eine linear symmetrische Positionsbeziehung, wie es in der Zeichnung gezeigt ist, und alle den gleichen Aufbau auf.
Die Werkstückaufnahmeeinheit 20 hält die Kurbelwelle 16 an deren beiden Enden derart, daß die Rotationsachse der Kurbelwelle 16 parallel zur X-Achse ist, und sie dreht die Kurbelwelle 16 mit konstanter Geschwindigkeit um diese Rotationsachse, und sie gibt darüberhinaus Encoderimpulse aus, die dem Rotationswinkel der Kurbelwelle 16 entsprechen. Die Berechnung des oben erwähnten Rotationswinkels erfolgt auf der Basis dieser Encoderimpulse. Jede der Konturmeßeinheiten 22, 22, 22, 22 gibt entsprechend der Position in Richtung der Y-Achse des äußeren Elements desjenigen Lagerzapfenabschnitts oder Kurbelzapfenabschnitts der sich in der Werkstückaufnahmeeinheit 20 drehenden Kurbelwelle 16, die der Untersuchungsgegenstand ist, Encoderimpulse aus. Auf der Basis dieser Encoderimpulse wird die Oberflächenposition des Lagerzapfenabschnitts oder Kurbelzapfenabschnitts berechnet, der Untersuchungsgegenstand ist (d.h. die Position der Außenseite davon in der Richtung der Y-Achse).
In den Zeichnungen ist das Innere des Untergestells 18 nicht gezeigt. Es enthält eine Stromversorgung für die Werkstückaufnahmeeinheit 20 und die Konturmeßeinheiten 22, 22, 22, 22, Treiberschaltungen zum Betreiben der Werkstückaufnahmeeinheit 20 und der Konturmeßeinheiten 22, 22, 22, 22 entsprechend den Steuerbefehlen von der Steuervorrichtung 14, eine Datenverarbeitungsschaltung (in der 2 das Bezugszeichen 48), die die Encoderimpulse von der Werkstückaufnah meeinheit 20 und den Konturmeßeinheiten 22, 22, 22, 22 aufnimmt und die Oberflächenpositionen in Abhängigkeit vom Rotationswinkel berechnet und sie zu der Steuervorrichtung 14 überträgt, und dergleichen.
Die 2 ist eine Ansicht der Prüfvorrichtung 10, sie zeigt die Werkstückaufnahmeeinheit 20 auf dem Untergestell 18 dadurch genauer, daß die Konturmeßeinheiten 22, 22 in dieser Zeichnung weggelassen wurden. Die 3 ist eine Ansicht längs der Linie A-A in der 1, sie zeigt die beiden Konturmeßeinheiten 22, 22, die sich auf einer Seite der Werkstückaufnahmeeinheit 20 befinden. Die 4 ist eine seitliche Schnittansicht längs der Linie B-B in der 1, sie zeigt die beiden Konturmeßeinheiten 22, 22, die auf beiden Seiten der Werkstückaufnahmeeinheit 20 angeordnet sind.
Im folgenden werden die Werkstückaufnahmeeinheit 20 und die Konturmeßeinheiten 22, 22, 22, 22 anhand der 1 bis 4 genauer erläutert.
Wie in den 1 und 2 gezeigt, umfaßt die Werkstückaufnahmeeinheit 20 eine Hauptwelleneinheit 24 und einen Reitstock 26. Der Reitstock 26 umfaßt einen Reitstockschlitten 28 zum Verändern seiner Position in der Richtung der X-Achse. Der Abstand zwischen der Hauptwelleneinheit 24 und dem Reitstock 26 kann mit diesem Reitstockschlitten 28 geeignet entsprechend der Länge der Kurbelwelle 16 eingestellt werden.
Die Hauptwelleneinheit 24 umfaßt ein Spannfutter 30 zum Ergreifen des einen Endes der Kurbelwelle 16. Dieses Spannfutter 30 kann durch einen luftdruckbetriebenen Spannfutterschließzylinder 32 geöffnet und geschlossen werden. Im Mittelpunkt des Spannfutters 30 befindet sich eine Spannfutterspitze 42. Der Reitstock 26 weist eine Reitstockspitze 34 zum Halten des anderen Endes der Kurbelwelle 16 auf. Diese Reitstockspitze 34 kann durch Betätigen eines luftdruckbetriebenen Reitstockzylinders 36 vorwärts und rückwärts bewegt werden. Die Reitstockspitze 34 ist über eine Feder (in den Zeichnungen nicht gezeigt) mit dem Reitstockzylinder 36 ver bunden, und durch die Wirkung dieser Feder ist es möglich, das Werkstück, d.h. die Kurbelwelle 16, mit einer konstanten Kraft derart gegen das Spannfutter 30 zu drücken, daß sich die Kurbelwelle 16 nicht durchbiegt. Es ist anzumerken, daß das Bezugszeichen 44 in der Zeichnung eine Abdeckung zum Verhindern des Eindringens von Staub und dergleichen bezeichnet, während das Bezugszeichen 46 für eine automatische Tür steht, die an einer Öffnung der Abdeckung 44 vorgesehen ist, um das Werkstück einzusetzen und herauszunehmen.
Nachdem die Kurbelwelle 16 auf eine zwischen dem Spannfutter 30 und der Reitstockspitze 34 angeordnete Hilfsstütze (nicht gezeigt) gesetzt wurde, wird die Reitstockspitze 34 vorwärts bewegt und wirkt dabei derart mit der Spannfutterspitze 42 zusammen, daß die Kurbelwelle 16 zentriert wird. Das Spannfutter 30 wird dann geschlossen, um das eine Ende der Kurbelwelle 16 zu ergreifen. Die Reitstockspitze 34 hält das andere Ende der Kurbelwelle 16 fest. Danach wird ein Hauptwellenrotationsmotor 38, der aus einem Schrittmotor oder einem Servomotor besteht und der an der Hauptwelleneinheit 14 angebracht ist, gestartet. Der Hauptwellenrotationsmotor 38 dreht das Spannfutter 30 mit konstanter Geschwindigkeit. Dadurch dreht sich die Kurbelwelle 16 mit konstanter Geschwindigkeit um ihre Rotationsachse. Ein an der Hauptwelleneinheit 24 angebrachter Präzisionsrotationsencoder 40 gibt in Schritten Encoderimpulse aus, die durch einen sehr kleinen Rotationswinkel getrennt sind (zum Beispiel in Schritten von 0,01 Grad). Durch Aufnehmen und Zählen dieser Encoderimpulse erfaßt die Datenverarbeitungseinheit 48 im Untergestell 10 den Rotationswinkel der Kurbelwelle 16 mit hoher Genauigkeit.
Wie in den 1, 3 und 4 gezeigt, umfaßt jede der Konturmeßeinheiten 22 einen Tischschlitten 50, einen Tastkopftisch 52, einen Tastkopfschlitten 54 und einen Tastkopf 56. Der Tischschlitten 50 ist ein Kugelspindelmechanismus, der drehbar auf der Schlittenbasis 58 angebracht ist und der von einem Tischverschiebemotor 60 angetrieben wird, der aus einem Schrittmotor oder einem Servomotor besteht. Der Tastkopftisch 52 ist auf dem Tischschlitten 50 angebracht. Durch den Betrieb des Tischschlittens 50 kann der Tastkopftisch 52 in der Richtung der X-Achse über einen festen Bereich verschoben werden. Die Position des Tastkopftisches 52 in der Richtung der X-Achse wird entsprechend der Position des Lagerzapfenabschnitts oder des Kurbelzapfenabschnitts der zu untersuchenden Kurbelwelle 16 variabel festgelegt. Die Position des Tastkopftisches 52 wird auf der Basis von Impulsen eines internen Encoders im Tischverschiebemotor 60 oder eines extern vorgesehenen Encoders erfaßt. Die Positionen der vier Konturmeßeinheiten 22, 22, 22, 22 in der Richtung der X-Achse können jeweils unabhängig voneinander festgelegt werden.
Der Tastkopfschlitten 54 ist auf dem Tastkopftisch 52 angebracht. Am Ende des Tastkopfschlittens 54 ist der Tastkopf 56 angebracht. Der Tastkopfschlitten 54 wird von einem Tastkopfverschiebemotor 66 angetrieben, der ein Schrittmotor oder ein Servomotor ist. Es ist damit möglich, den Tastkopf 56 in der Richtung der Y-Achse vor und zurück zu bewegen. Durch Bewegen des Tastkopfes 56 nach vorne kommt der Tastkopf 56 mit dem äußeren Umfang des Lagerzapfenabschnitts oder des Kurbelzapfenabschnitts der zu untersuchenden Kurbelwelle 16 in Kontakt. Die Annäherungsgeschwindigkeit des Tastkopfes 56 an die Kurbelwelle 16 ist unmittelbar vor dem Kontakt eine geringe Geschwindigkeit, die keine Fehler an der Kurbelwelle 16 hervorruft. In dem Zustand, in dem der Tastkopf 56 mit der Kurbelwelle 16 in Kontakt steht, wird der Tastkopfschlitten 54 durch einen Anker 62, der damit durch eine Schnur 64 verbunden ist, einer Druckkraft in der Vorwärtsrichtung (der Richtung des Andrückens an die Kurbelwelle 16) unterworfen, die an der unteren Grenze liegt, die zum Aufrechterhalten des Kontaktzustands zwischen dem Tastkopf 56 und der Kurbelwelle 16 erforderlich ist. Dadurch wird, während sich die Kurbelwelle 16 dreht, der Tastkopf 56 entsprechend der Güte der äußeren Diametralform der Kurbelwelle 16 in der Richtung der Y- Achse vor und zurück bewegt, während er im Kontaktzustand mit der Kurbelwelle 16 bleibt. Es wird außerdem verhindert, daß der Tastkopf 56 die Kurbelwelle 16 durchbiegt, und daß er darauf Fehler hervorruft.
Ein mit dem Tastkopfschlitten 54 verbundener linearer Präzisionsencoder 68 (siehe 4) gibt in sehr kleinen Verschiebungsschritten entsprechend der Verschiebung des Tastkopfes 56 in der Richtung der Y-Achse Encoderimpulse aus. Durch Aufnehmen und Zählen dieser Encoderimpulse berechnet die Datenverarbeitungseinheit 48 im Untergestell 10 die Position des Tastkopfes 56 in der Richtung der Y-Achse mit hoher Genauigkeit, mit anderen Worten berechnet sie die Position der Oberfläche des zu untersuchenden Lagerzapfenabschnitts oder Kurbelzapfenabschnitts, der der Untersuchungsgegenstand ist (d.h. die Position der Außenfläche davon in der Richtung der Y-Achse). Die so berechneten Oberflächenpositionsdaten werden von der Datenverarbeitungseinheit aufgezeichnet und zusammen mit den Rotationswinkeldaten, die gleichzeitig erfaßt wurden, zu der Steuervorrichtung 14 übertragen.
Die vier Konturmeßeinheiten 22, 22, 22, 22 messen gleichzeitig und unabhängig voneinander die Oberflächenpositionen von vier verschiedenen Lagerzapfenabschnitten oder Kurbelzapfenabschnitten der Kurbelwelle 16. Zum Beispiel erfolgt bei dem Beispiel der 1 eine gleichzeitige Messung der beiden Lagerzapfenabschnitte J2 und J4 und der beiden Kurbelzapfenabschnitte P1 und P3.
Die 5 ist eine Aufsicht auf den Tastkopf 56 in dem Zustand, in dem er mit einem Untersuchungsgebiet (einem Kurbelzapfenabschnitt oder einem Lagerzapfenabschnitt) der Kurbelwelle 16 in Kontakt steht (es ist dabei beispielhaft der Zustand gezeigt, in dem er an einem Kurbelzapfenabschnitt anliegt). Die 6A ist eine seitliche Schnittansicht des Tastkopfes 56 in diesem Zustand (6A) und die 6B eine Schnittansicht des Tastkopfes 56 längs der Linie C-C in der 6A von oben. Die 7 ist eine Seitenansicht des Tastkopfes 56 in einem Zustand, in dem die Kurbelwelle 16 aus dem in den 5 und 6A gezeigten Zustand um 90 Grad gedreht wurde.
Wie in den 5 bis 7 gezeigt, umfaßt der Tastkopf 56 ein Kopfhalteelement 70, das am Ende des Tastkopfschlittens 54 angebracht ist, Schwingarme 72, die derart in am Kopfhalteelement 70 angebrachte Lager eingesetzt sind, daß sie sich frei drehen können, und einen Kopf 74, der an den Enden der Schwingarme 72 angebracht ist.
Der Tastkopf 56 kann sich bei einer Betätigung des bereits beschriebenen Tastkopfschlittens 54 längs der Y-Achsen-Richtung vor und zurück bewegen und wird dabei einem Druck in der Richtung unterworfen, damit er gegen das Untersuchungsgebiet 16A (den Kurbelzapfenabschnitt oder den Lagerzapfenabschnitt) der Kurbelwelle 16 gedrückt wird. Das vordere Ende des Kopfes 74 des Tastkopfes 56 weist eine Kontaktfläche 74S auf, die an der Außenseite des Untersuchungsgebiets 16A (dem Kurbelzapfenabschnitt oder dem Lagerzapfenabschnitt) der Kurbelwelle 16 anliegt. Diese Kontaktfläche 74S des Kopfes 74 ist eine flache Ebene, die mit einer hohen Genauigkeit bearbeitet wurde, die gleich oder größer ist wie der der Außenseite des Untersuchungsgebiets 16A und die parallel zur Z-Achse ist. Wie aus den 6 und 7 zu ersehen ist, weist die Kontaktfläche 74S des Kopfes 74 in der Richtung der Z-Achse eine Länge L auf, die größer oder gleich der Hublänge S in der Z-Achsen-Richtung des Untersuchungsgebiets (insbesondere des Kurbelzapfenabschnitts) 16A ist, wenn sich die Kurbelwelle 16 dreht. Dadurch bleibt die Kontaktfläche 74S des Kopfes 74 bei der Drehung der Kurbelwelle 16 immer mit dem Untersuchungsgebiet 16A in Kontakt. Außerdem hat, wie in der 5 gezeigt, die Kontaktfläche 74S des Kopfes 74 in der Richtung der X-Achse eine Abmessung (d.h. Breite), die nahezu der Abmessung (d.h. Breite) des linearen Abschnitts der Außenseite des oben beschriebenen Untersuchungsgebiets in der Richtung der X-Achse entspricht (die genauer gesagt um ein kleines Maß geringer ist); so daß, wenn sich die Kurbelwelle 16 dreht, die Kontaktfläche mit der ganzen Fläche der Außenseite des Untersuchungsgebiets 16A in Kontakt kommt. Dadurch können bei einer Umdrehung der Kurbelwelle 16 konvexe Fehler entdeckt werden, die irgendwo auf der Außenseite des beschriebenen Untersuchungsgebiets liegen, ohne daß ein solcher Fehler übersehen wird.
In einer Variante ist es auch möglich, die Kontaktfläche 74S des Kopfes 74 so auszugestalten, daß ihre Breite nahezu der minimalen Breite unter den Breiten entspricht, die den linearen Abschnitten in der Richtung der X-Achse des Untersuchungsgebiets 16A entsprechen. Die Erfassung von Fehlern in Untersuchungsgebieten mit vielen Arten von Breiten kann mit einem Kopf 74 mit einer festen, geringen Breite dadurch erfolgen, daß jedesmal, wenn die Kurbelwelle 16 gedreht wird, die Tastkopf 56 in der Richtung der X-Achse um eine Strecke verschoben wird, die kleiner oder gleich der Breite der Kontaktfläche in der Richtung der Rotationsachse ist.
Die Schwingarme 72 des Tastkopfes 56 können in einem festen Winkelbereich um die Rotationsachse 72C in der Richtung der Z-Achse schwingen, wie es durch den Pfeil 80 in der 5 angezeigt wird, so daß der Kopf 74 im gleichen Bereich schwingen kann. Aufgrund dieser Schwingfunktion liegt die Kontaktfläche 74S des Kopfes 74 immer auf ihrer ganzen Breite an der Außenseite des Untersuchungsgebiets 16A an, unabhängig von Biegefehlern in der Kurbelwelle 16 und von Parallelfehlern an der Außenseite des Untersuchungsgebiets 16A bezüglich der Rotationsachse. Dadurch wird es möglich, Fehler mit hoher Genauigkeit zu erfassen.
Außerdem wird der Kopf 74 des Tastkopfes 56 durch eine Anzahl Federn 76 (zum Beispiel durch vier Federn), die in das vordere Ende des Kopfhalteelements 70 eingesetzt sind, elastisch nach vorne gedrückt, wodurch der Kopf 74 in seinem natürlichen Zustand, in dem er keinen äußeren Kräften unterliegt, seine Haltung beibehält, in der er exakt in die Rich tung der Y-Achse zeigt (in der mit anderen Worten seine Kontaktfläche 74S parallel zur X-Achse bleibt), wobei er nicht mehr als erforderlich flattert. Dadurch ist der Abstand zwischen den Wangenbereichen des Untersuchungsgebiets 16A auf beiden Seiten in der Breitenrichtung und dem Kopf 74 bei der Annäherung des Kopfes 74 an das Untersuchungsgebiet 16A nur klein, und der Kopf 74 kann das Untersuchungsgebiet 16A erreichen, ohne mit den Wangenbereichen in Berührung zu kommen.
Die Arbeitsweise der Prüfvorrichtung 10 mit dem oben beschriebenen Aufbau ist die folgende (siehe hauptsächlich die 1 und 2):

1) Die automatisch Tür 46 im oberen Bereich der Haupt vorrichtung 12 wird geöffnet, und es wird zum Beispiel durch einen Autolader eine Kurbelwelle 16, die das Werkstück ist, auf die Werkstück-Hilfsstütze (in den Zeichnungen nicht gezeigt) zwischen dem Spannfutter 30 der Werkstückaufnahmeeinheit 20 und den Reitstock 26 gelegt und dann die automatische Tür 46 geschlossen.
(2) Durch Betätigen des Reitstockzylinders 36 wird die Reitstockspitze 34 nach vorn bewegt und dadurch im Zusammenwirken mit der Spannfutterspitze 42 die Kurbelwelle 16 zentriert. Das Spannfutter 30 umgreift die Kurbelwelle 16 fest.
(3) Gleichzeitig mit dem Ergreifen durch das Spannfutter 30 werden die Positionen der Konturmeßeinheiten 22, 22, 22, 22 in der Richtung der X-Achse mittels ihrer Tischschlitten 50 derart eingestellt, daß sich der jeweilige Tastkopf 56 in der Richtung der X-Achse an der Position des entsprechenden einen der vier Untersuchungsgebiete der Kurbelwelle 16 befindet (d.h. in dem Beispiel der 1 an den Kurbelzapfenabschnitten P1 und P3 und den Lagerzapfenabschnitten J1 und J4).
(4) Danach wird jeder der Tastköpfe 56 der Konturmeßeinheiten 22, 22, 22, 22 so nach vorne geschoben, daß er an der Außenseite seines Untersuchungsgebiets anliegt (d.h. am jeweiligen Kurbelzapfenabschnitt oder Lagerzapfenabschnitt).
(5) Wenn alle Tastköpfe 56, 56, 56, 56 mit ihren jeweiligen Untersuchungsgebieten in Kontakt stehen, wird die Kurbelwelle 16 gedreht, und die Datenverarbeitungseinheit 48 nimmt die Encoderimpulse vom Rotationsencoder 40 und von den linearen Encodern 68 (4) auf und berechnet die Position jedes Tastkopfs 56 (die Oberflächenposition des jeweiligen Untersuchungsgebiets) für jeden Rotationswinkel, zum Beispiel für alle Rotationswinkel in einem Abstand von 0,01 Grad. Die Rotationswinkeldaten und die berechneten Oberflächenpositionsdaten werden zu der Steuervorrichtung 14 übertragen und aufgezeichnet.
(6) Nach Beendigung der Drehung der Kurbelwelle 16 werden alle Tastköpfe 56, 56, 56, 56 zurückgezogen. Dann werden mit den gleichen Schritte wie in (3) bis (5) oben mittels der vier Konturmeßeinheiten 22, 22, 22, 22 die Oberflächenpositionen von vier anderen Untersuchungsgebieten auf der Kurbelwelle 16 (zum Beispiel die Kurbelzapfenabschnitte P2 und P4 und die Lagerzapfenabschnitte J2 und J5) für jeden Rotationswinkel gemessen. Anschließend werden mit den gleichen Schritten mittels der vier Konturmeßeinheiten 22, 22, 22, 22 die Oberflächenpositionen der verbleibenden zwei Untersuchungsgebiete auf der Kurbelwelle 16 (zum Beispiel der Lagerzapfenabschnitt J3 und der Flanschabschnitt FG) gemessen. Im Falle dieser Kurbelwelle 16 für einen Vierzylindermotor, die beispielhaft in den 1 und 2 dargestellt ist, werden mit den drei genannten Umdrehungen die Messungen für die Oberflächenpositionen aller Untersuchungsgebiete P1 bis P4, J1 bis J5 und FG abgeschlossen. Wenn die Untersuchung auf diese Weise mit drei Umdrehungen abgeschlossen wird, kann eine Prozeß-Zykluszeit von etwa 30 Sekunden erreicht werden.
(7) Die Steuervorrichtung 14 analysiert die aufgezeichneten Oberflächenpositionsdaten der einzelnen Erfassungsorte für jeden Rotationswinkel, stellt fest, ob auf der Außenseite der einzelnen Erfassungsorte Fehler vorhanden sind, und gibt das Ergebnis dieser Feststellung aus.

Die Funktion und die Arbeitsweise der Steuervorrichtung 14 bei der Ausführung der Datenanalyse und der Entscheidung im Punkt (7) oben wird nun genauer erläutert.
Es wird berücksichtigt, daß neben den Fertigungsfehlerdaten, die der Gegenstand der Erfassung sind, in den Oberflächenpositionsdaten, die in einem Untersuchungsgebiet gemessen wurden, in denen ein Fertigungsfehler aufgetreten ist, die folgenden Fehler enthalten sein können:

(1) Formfehler aufgrund von Bearbeitungsfehlern durch die Bearbeitungsmaschine;
(2) Ebenheitsfehler in der Kontaktfläche 74S des Kopfes 74 des Tastkopfes 56;
(3) Geradheitsfehler in der Kontaktfläche 74S des Kopfes 74 des Tastkopfes 56 in der Richtung der X-Achse und der Richtung der Z-Achse;
(4) Fehler in der Ebenheit und der Geradheit in der Richtung der X-Achse an der Außenseite des Untersuchungsgebiets; und
(5) Fehler aufgrund einer Exzentrizität des Untersuchungsgebiets zur Rotationsachse.

Wenn die Wellenform betrachtet wird, die Änderungen in den Oberflächenpositionsdaten bezüglich des Rotationswinkel ausdrückt, liegen alle der Fehler (1) bis (4) im allgemeinen in den Wellenformkomponenten dieser Wellenform mit niedriger Frequenz. Unter Berücksichtigung dieser Tatsache extrahiert die Steuervorrichtung 14 die Wellenformkomponenten hoher Frequenz, die die Fertigungsfehlerdaten kennzeichnen, die in der Praxis der Gegenstand der Untersuchung sind, durch Eliminieren der genannten Wellenformkomponenten niedriger Frequenz, die die oben genannten Fehler enthalten, aus der Wellenform. Die Steuervorrichtung 14 entscheidet auf der Basis des Gradienten oder der Amplitude oder dergleichen der extrahierten Hochfrequenz-Wellenformkomponenten über das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Fertigungsfehlern.
Als Technik zum Beseitigen der niederfrequenten Komponenten kann die Steuervorrichtung eine der im folgenden beschriebenen Techniken (A) oder (B) anwenden.

(A) Aus den Oberflächenposition-Wellenformdaten, die die obigen Fehler (1) bis (4) enthalten und die aus den für jeden Rotationswinkel gemessenen Oberflächenpositionsdaten (im folgenden als "Originaldaten" bezeichnet) erhalten werden, werden die Niederfrequenz-Wellenformdaten durch Eliminieren der Hochfrequenzkomponenten durch Mittelwertfiltern extrahiert. Die Hochfrequenz-Wellenformdaten werden dann durch Subtrahieren dieser so durch Mittelwertfilterung erhaltenen Niederfrequenz-Wellenformdaten von den Originaldaten extrahiert.
(B) Die Originaldaten werden in Fourierreihen entwickelt und die Niederfrequenz-Wellenformdaten durch Extrahieren nur der Komponenten niedriger Ordnung aus diesen Fourierreihen erhalten. Die Hochfrequenz-Wellenformdaten werden dann durch Subtrahieren dieser Niederfrequenz-Wellenformdaten von den Originaldaten extrahiert.

Die 8 ist ein Flußdiagramm für die aufeinanderfolgenden Schritte eines Datenverarbeitungsvorgangs, bei dem die obige Mittelwertfilterung der Technik (A) angewendet wird.
Im Schritt S100 der 8 erzeugt die Steuervorrichtung 14 durch Anordnen der Oberflächenpositionsdaten für jeden Rotationswinkel einer Umdrehung, die in der Abfolge der Rotationswinkel gemessen wurden, die Originaldaten, die die Wellenformänderungen für die Oberflächenposition in Abhängigkeit vom Rotationswinkel zeigen, wie es im Block für den Schritt S100 in der Zeichnung gezeigt ist. An diese Stelle ist es möglich, um die Last der Datenverarbeitung zu verringern, eine Mittelwertbildung über einen Winkelbereich von 1 Grad an den für jeden Rotationswinkel in Schritten von zum Beispiel 0,01 Grad gemessenen Oberflächenpositionsdaten auszuführen, um diese Daten in Oberflächenpositionsdaten in Rotationswinkelschritten von 1 Grad umzuwandeln, und diese Daten als Originaldaten zu verwenden.
Im Schritt S102 werden die Originaldaten über einen konstanten Rotationswinkelbereich gemittelt, zum Beispiel über 30 Grad. Mit anderen Worten werden, wenn wie beschrieben zum Beispiel die Originaldaten aus einer Anordnung von Oberflächenpositionsdaten in Rotationswinkelschritten von 1 Grad bestehen, für jeden Rotationswinkel in Rotationswinkelschritten von 1 Grad die Oberflächenpositionsdatenpunkte über einen Bereich von 15 Grad nach links und rechts, d.h. über einen an diesem Rotationswinkel zentrierten Gesamtrotationswinkelbereich von 30 Grad (d.h. insgesamt 31 Oberflächenpositionsdatenpunkte) aus den Originaldaten ausgelesen, der Mittelwert dieser 31 Oberflächenpositionsdatenpunkte berechnet und der Oberflächenpositionsdatenpunkt an diesem Rotationswinkel durch den Mittelwert ersetzt. Das Ersetzen durch den Mittelwert der Daten über 30 Grad wird für jeden Oberflächenpositionsdatenpunkt über den Rotationswinkelbereich der Oberflächenpositionsdaten von 0 bis 359 Grad ausgeführt. Dadurch werden, wie im Block für den Schritt S102 gezeigt, durch Mitteln über den Bereich von 30 Grad gemittelte Datenwerte erhalten. Diese gemittelten Daten sind die Niederfrequenz-Wellenformdaten, die nur die niederfrequenten Komponenten enthalten, das heißt die Komponenten von Änderungen der Oberflächenposition über einen großen Winkelbereich, der größer gleich 30 Grad ist. Diese gemittelten Daten enthalten zwar Komponenten von den obigen Fehlern (1) bis (4), es wird jedoch angenommen, daß sie keine feinen Komponenten (d.h. keine Hochfrequenzkomponenten) von Oberflächenpositionsänderungen aufgrund von Fertigungsfehlern enthalten. Nach Experimenten, die von den vorliegenden Erfindern durchgeführt wurden, ist der oben beispielhaft angegebene Wert von 30 Grad für den Rotationswinkelbereich der Mittelung ein geeigneter Wert zum Beseitigen der Anteile aufgrund der obigen Fehler (1) bis (4).
Im Schritt S104 werden die gemittelten Daten von den Originaldaten subtrahiert. Dadurch werden, wie im Block für diesen Schritt S104 gezeigt, die Hochfrequenz-Wellenformdaten erhalten, die nur die hochfrequenten Komponenten enthalten, das heißt die Komponenten für Oberflächenpositionsänderungen innerhalb von kleinen Winkelbereichen von weniger als 30 Grad. In diesen Hochfrequenz-Wellenformdaten sind alle Komponenten für feine Oberflächenpositionsänderungen (d.h. alle hochfrequenten Komponenten) enthalten, die auf Fertigungsfehlern beruhen.
Im Schritt S106 wird auf der Basis des Gradienten oder der Amplitude und dergleichen der Hochfrequenz-Wellenformdaten über das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Fertigungsfehlern entschieden. Um es anders auszudrücken, werden auf der Basis der Hochfrequenz-Wellenformdaten die Höhe oder die Breite und dergleichen der Bereiche bestimmt, in denen sich die Änderungsrate der Oberflächenposition bezüglich des Rotationswinkels (d.h. der Gradient) und/oder die Oberflächenposition bezüglich des Rotationswinkels verändert. Durch Vergleich mit einem Schwellenwert, der vorab festgelegt wird, werden konvexe Fehler im Kurbelzapfenabschnitt oder im Lagerzapfenabschnitt erfaßt. Zum Beispiel kann 0,003 mm als Schwellenwert für das Ausmaß der Änderung der Oberflächenposition pro 1 Grad Rotationswinkelverschiebung (d.h. Gradient) festgelegt werden. Wenn festgestellt wird, daß in den Hochfrequenz-Wellenformdaten ein Gradient großer gleich diesem Schwellenwert enthalten ist, kann entschieden werden, daß in diesem Abschnitt ein Fehler vorhanden ist. Die Entscheidung kann auch mit einem Ausmaß der Änderung (d.h. Gradient) pro 0,1 Grad erfolgen, wodurch sich vielleicht eine höhere Genauigkeit bei der Erfassung erreichen läßt. Je nach Anforderung ist es auch möglich, die Bereiche, in denen sich die Oberflächenposition in Abhängigkeit vom Rotationswinkel ändert, auf der Basis von Spitzen oder Täler in den Hochfrequenz-Wellenformdaten zu berechnen und die Amplitude (die Höhe) oder die Breite davon mit einem vorgegebenen Schwellenwert zu vergleichen, um unter Verwendung des Vergleichsergebnisses als Ent scheidungsbasis über das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Fehlern zu entscheiden.
Die 9 und 10 sind Flußdiagramme für die aufeinanderfolgenden Schritte eines Datenverarbeitungsvorgangs, bei dem die Fourierentwicklung der Technik (B) angewendet wird.
Im Schritt S200 der 9 werden die Originaldaten wie bereits erläutert erhalten. Vom Schritt S202 der 9 bis zum Schritt S206 der 10 wird die Wellenform der Originaldaten in der Form von Fourierreihen entwickelt: F(t) = a₀/2 + a₁cos(t) + a₂cos(2t) + ... + a_ncos(nt) + ... + b₁sind(t) + b₁sind(2t) + ... + b_nsin(nt) + ... . Im darauffolgenden Schritt S208 werden, um die Niederfrequenz-Wellenformdaten zu erhalten, die Fourierkoeffizienten für den erforderlichen Bereich niedriger Ordnung erhalten. Zum Beispiel werden bei einem Bereich vom ersten Koeffizienten bis zum Koeffizienten der vierten Ordnung die Fourierkoeffienten a₀, a₁, a₂, a₃, a₄, b₀, b₁, b₂, b₃ und b₄ bestimmt. Wie in den Blöcken für die Schritte S202 bis S206 gezeigt, werden aus diesen Fourierkoeffienten a₀, a₁, a₂, a₃, a₄, b₀, b₁, b₂, b₃ und b₄ die Wellenformdaten für jede Ordnung in diesem Bereich niedriger Ordnung erhalten.
Im Schritt S208 werden die Wellenformdaten durch Addieren der Wellenformdaten bis zu dem obigen Bereich niedriger Ordnung erhalten, zum Beispiel von der ersten bis zur vierten Ordnung. Diese Wellenformdaten sind die Niederfrequenz-Wellenformdaten, die nur die niederfrequenten Komponenten der Originaldaten bis zur vierten Ordnung enthalten. Diese Niederfrequenz-Wellenformdaten enthalten zwar Komponenten von den obigen Fehlern (1) bis (4), es wird jedoch angenommen, daß sie keine feinen Komponenten (d.h. keine Hochfrequenzkomponenten) von Oberflächenpositionsänderungen aufgrund von Fertigungsfehlern enthalten. Nach Experimenten, die von den vorliegenden Erfindern durchgeführt wurden, ist der oben beispielhaft angegebene Bereich bis zur vierten Ordnung oder höchstens ein Bereich bis zur sechsten Ordnung als Bereich für die zu erhaltenden Niederfrequenzdaten ein geeigneter Bereich zum Beseitigen der Anteile aufgrund der obigen Fehler (1) bis (4).
Im Schritt S210 werden die Niederfrequenz-Wellenformdaten von den Originaldaten subtrahiert. Dadurch werden, wie im Block für diesen Schritt S210 gezeigt, die Hochfrequenz-Wellenformdaten erhalten, die nur die hochfrequenten Komponenten enthalten, das heißt die feinen Komponenten für Oberflächenpositionsänderungen der fünften Ordnung und darüber. In diesen Hochfrequenz-Wellenformdaten sind alle Komponenten für feine Oberflächenpositionsänderungen (d.h. alle hochfrequenten Komponenten) enthalten, die auf Fertigungsfehlern beruhen.
Im Schritt S212 wird auf der Basis des Gradienten oder der Amplitude und dergleichen der Hochfrequenz-Wellenformdaten über das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Fertigungsfehlern entschieden. Das Entscheidungsverfahren ist das gleiche wie im Schritt S106 der 8.
Die Datenverarbeitung in der beschriebenen 8 oder den 9 und 10 kann durch Software in einem Computer ausgeführt werden oder durch eine speziell dafür vorgesehene Hardware oder auch durch eine Kombination davon.
Vorstehend wurde eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Diese Ausführungsform wurde nur beispielhaft dargestellt, um die vorliegende Erfindung zu erläutern; der Umfang der vorliegenden Erfindung soll nicht auf diese Ausführungsform eingeschränkt werden. Die vorliegende Erfindung kann auch in verschiedenen anderen Arten und Moden ausgeführt werden, vorausgesetzt ihre Grundlage wird nicht verlassen.
Zusammenfassung
Eine Vorrichtung zum Prüfen auf kleine Fehler auf der Außenseite eines Lagerzapfen- oder Kurbelzapfenabschnitts einer Kurbelwelle umfaßt eine Hauptvorrichtung 12 und eine Steuervorrichtung 14. Die Hauptvorrichtung 12 bringt einen Tastkopf 56, der sich in der Richtung einer Y-Achse frei vor und zurück bewegen kann, mit einem Untersuchungsgebiet 16A auf der Kurbelwelle 16 in Kontakt, während die Kurbelwelle 16 um eine Rotationsachse 16C gedreht wird, mißt die Oberflächenposition des Untersuchungsgebiets 16A in Abhängigkeit vom Rotationswinkel und ermittelt entsprechend dem Rotationswinkel Oberflächenabschnittwellenformdaten. Der Tastkopf 56 weist eine Oszillationsfunktion auf und bleibt bei der Drehung immer mit dem Untersuchungsgebiet 16A in Kontakt. Die Steuervorrichtung 14 extrahiert aus den erhaltenen Wellenformdaten die hochfrequenten Wellenformkomponenten und stellt auf der Basis der hochfrequenten Wellenformkomponenten Fehler im Untersuchungsgebiet fest.

Claims

Fehlerprüfvorrichtung (10), die die Oberfläche eines Werkstücks (16) auf das Vorhandensein eines Fehlers untersucht, mit einer Oberflächenposition-Meßeinrichtung (20, 22, 48), die, während das Werkstück (16) um eine vorgegebene Rotationsachse (16C) gedreht wird, die Position der Oberfläche eines Untersuchungsgebiets (16A) auf dem Werkstück (16) in Richtung senkrecht zur Rotationsachse in Abhängigkeit vom Rotationswinkel mißt; einer Oberflächenwellenform-Ermittlungseinrichtung (14), die das Ausgangssignal der Oberflächenposition-Meßeinrichtung (20, 22, 48) aufnimmt und Oberflächenwellenformdaten ermittelt, die die Oberflächenposition in Abhängigkeit vom Rotationswinkel angeben; einer Hochfrequenz-Wellenform-Extraktionseinrichtung (14), die aus den Oberflächenwellenformdaten Hochfrequenz-Wellenformdaten, die. eine Frequenz aufweisen, die über einer vorgegebenen Frequenz liegt, oder Hochfrequenz-Wellenformdaten extrahiert, die eine Positionsänderung innerhalb eines Winkelbereichs angeben, der kleiner ist als ein vorgegebener Winkel; und mit einer Fehlerfeststellungseinrichtung, die auf der Basis der extrahierten Hochfrequenz-Wellenformdaten über das Vorhandensein eines Fehlers im Untersuchungsgebiet entscheidet.
Fehlerprüfvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Oberflächenposition-Meßeinrichtung (20, 22, 48) einen Tastkopf (56) umfaßt, der mit der Oberfläche des Untersuchungsgebiets auf dem Werkstück (16) in Kontakt steht, wobei der Tastkopf (56) sich nicht nur längs einer ersten, zur Rotationsachse (16C) des Werkstücks (16) senkrechten Richtung frei verschieben kann, sondern auch in der Richtung zum Werkstück (16) hin vorgespannt ist, um kontinuierlich mit dem Un tersuchungsgebiet auf dem Werkstück (16) in Kontakt zu stehen, während das Werkstück (16) gedreht wird; und wobei die Oberflächenposition-Meßeinrichtung (20, 22, 48) durch Messen der Position des Tastkopfes (56) in Abhängigkeit vom Rotationswinkel beim Drehen des Werkstücks (16) die Oberflächenposition des Untersuchungsgebiets in Abhängigkeit vom Rotationswinkel mißt.
Fehlerprüfvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Kontaktfläche des Tastkopfes (56) mit dem Untersuchungsgebiet in einer zweiten Richtung, die senkrecht zur Verschiebungsrichtung der Tastkopfes (56) und zur der Richtung der Rotationsachse (16C) des Werkstücks (16) ist, eine vorgegebene Länge (L) aufweist, wobei die vorgegebene Länge (L) gleich oder größer ist als die Hublänge (S) des Untersuchungsgebiets in der zweiten Richtung, wenn sich das Werkstück (16) dreht.
Fehlerprüfvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Kontaktfläche des Tastkopfes (56) mit dem Untersuchungsgebiet eine flache Ebene ist, die mit einer Genauigkeit bearbeitet wurde, die gleich oder größer ist als die für die Oberfläche des Untersuchungsgebiets, und wobei die Kontaktfläche in der Richtung der Rotationsachse (16C) eine Breite (W) hat, die nahezu der Breite des Untersuchungsgebiets in der Richtung der Rotationsachse (16C) entspricht.
Fehlerprüfvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Kontaktfläche des Tastkopfes (56) mit dem Untersuchungsgebiet in der Richtung der Rotationsachse (16C) eine Breite (W) hat, die von den Breiten von geradlinigen Abschnitten der Untersuchungsgebiete in der Richtung der Rotationsachse (16C) nahezu der minimalen Breite entspricht.
Fehlerprüfvorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Tastkopf (56) in einem vorgegebenen Winkelbereich um eine Rotati onsachse als Mittelpunkt in einer senkrechten Richtung schwingen kann, die zur der Richtung der Rotationsachse (16C) des Werkstücks (16) und zu der Verschiebungsrichtung des Tastkopfes (56) senkrecht verläuft.
Fehlerprüfvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Fehlerfeststellungseinrichtung (14) auf der Basis der Hochfrequenz-Wellenformdaten die Änderungsrate der Oberflächenposition des Untersuchungsgebiets in Abhängigkeit vom Rotationswinkel berechnet und durch einen Vergleich der berechneten Änderungsrate mit einem vorab festgelegten Schwellenwert einen Fehler im Untersuchungsgebiet feststellt.
Fehlerprüfvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Fehlerfeststellungseinrichtung (14) auf der Basis der Hochfrequenz-Wellenformdaten die Höhe oder Breite von Bereichen ermittelt, in denen sich die Oberflächenposition des Untersuchungsgebiets in Abhängigkeit vom Rotationswinkel ändert, und durch einen Vergleich der Höhe oder Breite mit einem vorab festgelegten Schwellenwert einen Fehler im Untersuchungsgebiet feststellt.
Fehlerprüfvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Oberflächenposition-Meßeinrichtung (20, 22, 48) eine Anzahl von Konturmeßeinheiten (22) umfaßt, deren relative Positionen bezüglich des Werkstücks (16) variabel sind, wobei die Konturmeßeinheiten (22) gleichzeitig und unabhängig die Oberflächenpositionen von verschiedenen Untersuchungsgebieten auf dem gleichen Werkstück (16) messen.
Fehlerprüfvorrichtung (10), die die Oberfläche eines Werkstücks (16) auf das Vorhandensein eines Fehlers untersucht, mit einer Oberflächenposition-Meßeinrichtung (20, 22, 48), die, während das Werkstück (16) um eine vorgegebene Rotati onsachse (16C) gedreht wird, die Position der Oberfläche eines Untersuchungsgebiets (16A) auf dem Werkstück (16) in Richtung senkrecht zur Rotationsachse in Abhängigkeit vom Rotationswinkel mißt; und mit einer Steuervorrichtung (14), die mit der Oberflächenposition-Meßeinrichtung (20, 22, 48) verbunden ist; wobei die Steuervorrichtung (14) das Ausgangssignal der Oberflächenposition-Meßeinrichtung (20, 22, 48) aufnimmt und Oberflächenwellenformdaten ermittelt, die die Oberflächenposition in Abhängigkeit vom Rotationswinkel angeben; aus den ermittelten Oberflächenwellenformdaten Hochfrequenz-Wellenformdaten, die eine Frequenz aufweisen, die über einer vorgegebenen Frequenz liegt, oder Hochfrequenz-Wellenformdaten extrahiert, die eine Positionsänderung innerhalb eines Winkelbereichs angeben, der kleiner ist als ein vorgegebener Winkel; und auf der Basis der extrahierten Hochfrequenz-Wellenformdaten über das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines Fehlers im Untersuchungsgebiet entscheidet.
Fehlerprüfverfahren, mit dem die Oberfläche eines Werkstücks (16) auf das Vorhandensein eines Fehlers untersucht wird, mit einem Schritt des Messens der Oberflächenposition eines Untersuchungsgebiets (16A) des Werkstücks (16) in Richtung senkrecht zu einer vorgegebenen Rotationsachse (16C) in Abhängigkeit vom Rotationswinkel um die Rotationsachse; einem Schritt (S100, S200) des Ermittelns, aus dem gemessenen Oberflächenpositionen für jeden der Rotationswinkel, von Oberflächenwellenformdaten, die die Oberflächenposition in Abhängigkeit vom Rotationswinkel angeben; einem Schritt (S102-S104, S202-S210) des Extrahierens, aus den Oberflächenwellenformdaten, von Hochfrequenz-Wellenformdaten, die eine Frequenz aufweisen, die über einer vorgegebenen Frequenz liegt, oder von Hochfrequenz-Wellenformdaten, die eine Positionsänderung innerhalb eines Winkelbe reichs angeben, der kleiner ist als ein vorgegebener Winkel; und mit einem Schritt (S106, S212) des Entscheidens über das Vorhandensein eines Fehlers im Untersuchungsgebiet auf der Basis der extrahierten Hochfrequenz-Wellenformdaten.