DE19507805A1 - Prüfkörper für Koordinatenmeßgeräte und Werkzeugmaschinen - Google Patents

Description

Kugel- und Lochplatten sind seit langem bekannt als hervorragend geeignete Prüfkörper sowohl um Koordinatenmeßgeräte (KMG) und Werkzeugmaschinen (WZM) pauschal zu beurteilen [1] als auch um deren Abweichungsparameter im einzelnen zu analysieren [2, 3]. Die Maßverkörperung besteht dabei aus einem Satz von in ihrer Lage zueinander unveränderlichen Antastformelementen (meist Kugeln, Ringe oder Zylinder), die in die Platte durch Klemmung, Verschraubung oder Verklebung eingesetzt sind und die mit ihren Mittelpunkten Punkte in einer Ebene verkörpern. Die Koordinaten dieser Mittelpunkte sind im allgemeinen durch vorherige Kalibrierung des Prüfkörpers bekannt.

Die weltweite industrielle Verbreitung dieser technisch optimalen Prüfkörper wurde bisher jedoch hauptsächlich durch ihren Preis verhindert. Ebenso verhinderte das Gewicht den Einsatz größerer Platten. Wesentlich zum Preis trug die bei allen Plattentypen erforderliche umfangreiche Feinbearbeitung bei, z. B. die Feinbearbeitung der Sitze um die Kugeln oder Ringe in den Plattengrundkörper thermisch einzuschrumpfen oder um Präzisions-Klemmungen für die Kugeln herzustellen. Ebenso erforderte das Plattenmaterial an sich eine Bearbeitung, da die Platten aus dickeren Rohlingen hergestellt wurden. Eine Verringerung des Gewichts bei herkömmlichen Platten geschah durch Erleichterungsbohrungen, womit aber die Plattenstabilität in bestimmten Richtungen verschlechtert wurde; insbesondere führen zeilen- und spaltenförmige Raster von Erleichterungsbohrungen zur Schwächung in Diagonalenrichtung. Bei neueren Plattendesigns sollen nichtdurchgängige, taschenförmige Ausfräsungen einen zu großen Stabilitätsverlust verhindern, dies allerdings unter Inkaufnahme höherer Herstellkosten. Bei großen Platten (etwa ab 0,8m × 0,8m) führt auch dies nicht zum gewünschten Erfolg, da die Platten sich dann auch aus der Plattenebene heraus unzulässig stark (um mehr als 0,3 mm) durchbiegen. Eine Handhabung ohne Kran durch eine einzige Person ist bei Platten über 0,5m × 0,5m bei keinem heutigen Design möglich.

Eine deutliche Verringerung der Herstellkosten ist nur durch Verwendung von Materialien und Designs möglich, die geringe Nacharbeit erfordern und weitestgehend auf Serienteile zurückgreifen. Eine Signifikante Verringerung des Gewichts erfordert den Einsatz von Methoden des Leichtbaus unter besonderer Berücksichtigung der Forderungen nach dimensioneller Langzeitstabilität.

Erfindungsgemäß werden die Probleme von Preis und Gewicht gleichzeitig dadurch gelöst, daß die Prüfkörper aus zwei oder mehr dünneren Platten bestehen (Bild 1). Vorzugsweise zwischen den Platten (2) befinden sich die Antastelemente in Form von Zylinderringen (1a), Ringen mit sphärischen Innenflächen wie in [4] beschrieben, abgeschliffenen Kugeln (1b), Voll-Zylindern, Voll-Kugeln (1c), Voll- Kegeln, Kegelbuchsen oder jeweils einem Paar von gegeneinander geneigten ebenen Plättchen (die Spurgerade der Plättchenebenen ist parallel zur Normalen auf die Bezugsebene d. h. Plattensymmetrieebene, der definierte Punkt ist der Schnittpunkt dieser Spurgeraden mit der Bezugsebene). Antastformelemente werden am besten symmetrisch zur neutralen Faser der Platte (Bezugsebene) angebracht. Die Verbindung der Platten zu einem ausreichend steifen Kastenprofil kann entsprechend Bild 1 kostengünstig über die Antastformelemente selbst hergestellt werden (z. B. durch Klebung, Klemmung oder Verschraubung). Ebenso können Versteifungsleisten an der Platte angebracht werden, die gleichzeitig zur Aufstellung der Platte im Meßvolumen des zu prüfenden Gerätes dienen (3). So ergibt sich wegen des Kastenprofils der Platten eine hohe Steifigkeit bei geringem Gewicht. Es entfällt jegliche Präzisionsbearbeitung an den Platten, da die erforderlichen Löcher (Detail 4) z. B. durch Stanzen oder andere billige Arbeitsgänge eingebracht werden können. Die Antastformelemente aus korrosionsbeständigem ausreichend hartem Material (z. B. Kugeln, Kugelbuchsen, ebene Plättchen, Kegel, Kegelbuchsen, Zylinder und Zylinderbuchsen mit einer Härte < HB60) sind als präzise kostengünstige Massenartikel zu beziehen.

Bild 2 zeigt einen besonders einfachen und kostengünstigen Montageprozeß: die Antastformelemente (Detail 1a), hier in Form von Ringen, werden während des Verklebens durch eine Matrix von Zentrierelementen, vorzugsweise Kugeln (Detail 5), und durch verteilte Belastungsgewichte (Detail 6) an die erste von zwei Platten (Detail 2a) angedrückt und in ihrer Sollposition (im allgemeinen auf 0,2 mm genau) gehalten. Diese Positionsgenauigkeit ist lediglich aus Gründen einer einfachen NC-Programmierung der KMGs erforderlich (Schleifenprogrammierung); metrologisch sind die Toleranzen wesentlich unkritischer (z. B. < 5 mm). Anschließend an die Verklebung mit der ersten Platte werden beim symmetrischen Plattendesign die zweite Platte (Detail 2b) und die Versteifungsleisten (Detail 7) aufgeklebt. Die Matrix von Zentrierelementen zur Positionierung der einzukle­ benden Ringe besteht vorzugsweise aus einer biegsamen dünnen Stahlplatte (Detail 8) mit einem präzise gefertigten Lochraster mit eingelassenen Kugeln.

Bild 3 zeigt eine kostengünstige, leichte, billige und universelle Aufstellvorrichtung für diesen Plattentyp. Die statisch bestimmte Aufstellung mit Federelementen (Details 9 und 10) garantiert hier, daß die Platte unverspannt ist und ihre Maße nicht verfälscht werden. Die Platte wird dabei dennoch lagestabil fixiert. Das dünne und elastische dreieckige Aluminiumblech in Bild 3 (Detail 10) zusammen mit dem an der gegenüberliegenden Plattenseite angebrachten starren Fuß (Detail 11) lassen die Platte in der vertikalen Stellung nicht nur spannungsarm aufstellen, sondern sogar spannungsarm festpratzen. Eine thermomechanische Ausdehnung ist so ungehindert möglich und kann durch Temperaturmessung sehr genau auf die Bezugstemperatur korrigiert werden. Für Platten in Leichtbauweise wie die erfindungsgemäße ist diese spannungsarme aber trotzdem stabile Aufstellung von entscheidender Bedeutung.

Das beschriebene Konzept erlaubt zum einen eine außerordentlich preisgünstige Massenfertigung von Prüfkörpern. Es ermöglicht andererseits, Prüfkörper praktisch beliebiger Abmessungen auf Anfrage auch als Einzelstücke wirtschaftlich zu fertigen. Hierin liegt der Vorteil gegenüber anderen Bauweisen, z. B. gegenüber gegossenen Prüfkörpern, die nur in größeren Stückzahlen wirtschaftlich herstellbar sind. Durch die erfindungsgemäße auch für kleine Stückzahlen kostengünstige Lösung ist es erstmals für Hersteller von KMG, Anwender von KMG und Dienstleister für KMG-Überprüfungen wirtschaftlich, zu jedem KMG eine an das KMG-Meßvolumen optimal angepaßte Prüfplatte vorrätig zu haben. Durch angepaßte Platten ergeben sich erheblich geringere Meßzeiten. Auch die Fertigung aus hochwertigen oder schwierig bearbeitbaren Werkstoffen (insbesondere aus solchen, die einen kleinen thermischen Ausdehnungs­ koeffizienten besitzen und damit besonders geringe Meßunsicherheiten und eine einfache Anwendung der Platten garantieren) wird durch das beschriebene Konzept erst möglich oder erst wirtschaftlich. Beide Eigenschaften sind insbesondere bei der Ermittlung von Abweichungsparametern für die numerische Korrektur wichtig. Es können so einfach Rohlinge in Form von dünnen Platten aus dem jeweiligen hochwertigen Material verwendet werden. Zu solchen Materialien gehören z. B. Invar, Kohlenstoffaser-Verbundwerkstoffe, Zerodur, Titan und Ceran. Dünne Platten aus Ceran sind für Kochplatten als sehr kostengünstiger Massenartikel erhältlich: es ergibt sich eine Kosteneinsparung um einen Faktor von mehr als zehn gegenüber massiven Platten aus Zerodur bei nahezu gleichen Eigenschaften (thermische Ausdehnung gegen null).

Bild 4 zeigt die konstruktive Ausführung einer Sandwichplatte mit einem Raster von 5 × 5 Zylinderbuchsen.

Literatur

[1] VDINDE 2617 Blatt 3 und Blatt 5
[2] E.Trapet, F.Wäldele: A Reference Object Based Method to Determine the Parametric Error Components of Coordinate Measuring Machines and Machine Tools, Measurement Vol 9 No 1, Jan-Mar 1991
[3] Koordinatenmeßgeräte rationell überwachen, QZ 37, (1992) 5
[4] Prüfkörper, Offenlegungsschrift DE 40 36 181 A1.

Claims (13)

1. Prüfkörper für Koordinatenmeßgeräte in Form einer Sandwich-Struktur aus mehreren parallel miteinander fest verbundenen Platten, an denen Antastformelemente angebracht sind. Die Antastformelemente repräsentieren durch ihre Oberfläche ausgezeichnete Punkte (z. B. Kugelmittelpunkte) in einer Ebene.

2. Prüfkörper nach Anspruch 1 mit Kugeln als Antastformelemente.

3. Prüfkörper nach Anspruch 1 mit Zylindern oder Kegeln als Antastformelemente (Außenzylinder, Außenkegel).

4. Prüfkörper nach Anspruch 1 mit innen sphärischen Buchsen als Antastformelemente.

5. Prüfkörper nach Anspruch 1 mit Zylinder- oder Kegelbuchsen als Antastformelemente (Innenzylinder, Innenkegel).

6. Prüfkörper nach Anspruch 1 mit Antastformelementen in Form von ebenen Flächensegmenten, die einen Raumpunkt oder eine Gerade im Raum festlegen.

7. Prüfkörper nach Anspruch 2, wobei die Kugeln zur einfacheren Verbindung mit den Platten an den Polen abgeflacht sind.

8. Prüfkörper nach Anspruch 1 mit den Antastformelementen zwischen den Platten in oder nahe der neutralen Faser (Symmetrieebene).

9. Prüfkörper nach Ansprüchen 1 bis 7 mit den Antastformelementen in definierten Abständen zur Plattensymmetrieebene, wobei eine Plattendurchbiegung rechnerisch bezüglich ihrer Auswirkungen auf die Koordinaten der Antastformelemente in einer frei wählbaren Bezugsebene korrigiert wird.

10. Prüfkörper nach Ansprüchen 1 bis 9 wobei die Antastformelemente selbst zur Verbindung der Platten dienen.

11. Prüfkörper nach Ansprüchen 1 bis 10, wobei nur eine Reihe von Antastformelementen ausgeführt ist.

12. Prüfkörper nach Ansprüchen 1 bis 11 mit spannungsarmer Vertikalaufstellvorrichtung in Form einer Federplatte auf der einen Plattenseite und einer festen Stütze auf der anderen Plattenseite.

13. Prüfkörper nach Ansprüchen 1 bis 12, wobei in der Fertigung die Positionierung der Antastformelemente durch eine biegsame Matrixplatte erfolgt, die mit Zentrierelementen in einem definierten Raster versehen ist und die mit verteilter Kraft an die Antastformelemente angedrückt wird.