DE19613175A1

DE19613175A1 - Verfahren zur komplexen Messung von Gewindekenngrößen an Außen- und Innengewinden und zugehörige Vorrichtung

Info

Publication number: DE19613175A1
Application number: DE1996113175
Authority: DE
Inventors: Christian Dr Ing Beck
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-04-02
Filing date: 1996-04-02
Publication date: 1997-10-09
Anticipated expiration: 2016-04-03
Also published as: DE19613175C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur komplexen Messung von Gewindekenngrößen an Außen- und Innengewinden und eine zugehörige Vorrichtung nach dem Oberbegriff des ersten Patentanspruches. Gewindemessungen nehmen in der Fertigungsmeßtechnik eine Sonderstellung ein. Präzisions gewindemessungen können gegenwärtig noch immer nur mit erheblichem Meßaufwand durchgeführt werden. Methoden der mechanischen Messung der Gewindekenngrößen sind u. a. die Dreidrahtmethode und das Tastschnittverfahren mit Profilmeßgeräten. Bei der Dreidrahtmethode wird der Gewindeflankendurchmesser über in die Gewindeflanken eingelegte Meßdrähte bestimmt, nach dem vorher mit einem anderen Verfahren der Flankenwinkel und die Steigung gemessen wurden. Beim Tastschnittverfahren mit Profilmeßgeräten tastet man das Gewindeprofil mechanisch ab und ermittelt anschließend die Gewindemeßgrößen am Bild des einseitigen Gewindeprofils. Mit einer Auswerte software können dabei an dem gemessenen Gewindeprofil unter anderem die Dreieckshöhe, die Flanken- bzw. Teilflankenwinkel, der Radius am Gewindegrund und die Gewindesteigung bestimmt werden. Entscheidender Nachteil dieses an sich sehr präzisen Meßverfahrens ist, daß der Ist- Flankendurchmesser nicht gemessen werden kann, weil nur eine Gewindeseite bei der Messung abgetastet und erfaßt wird.

In EP 93202363.3 und in der Dokumentation "Der IAC Schrauben-Scanner ein Durchbruch in der Gewindemeßtechnik", AC meßtechnisches Engineering, GmbH, Galestien, R,; wird eine spezielle Einrichtung beschrieben, welche auf dem gleichzeitigen Abtasten von zwei diametral gegenüberliegenden Gewindeprofilen nach dem Prinzip des Tastschnittverfahrens beruht. Mit dieser Einrichtung wird der komplette Gewindequerschnitt erfaßt. Somit ist es möglich, den Flankendurchmesser und andere Gewindekenngrößen zu bestimmen, die mit dem herkömmlichen Tastschittverfahren nicht ermittelbar sind. Die geräte technische Lösung ist jedoch sehr aufwendig und als Sonderleistung sehr kostenintensiv.

In DD 2 15 158 wird eine fotoelektrische Meßeinrichtung und in DE 34 32 057 A1 eine Anordnung zur optischen Gewindemessung beschrieben. Optoelektronische Gewindemeß verfahren haben generell den Nachteil, daß zur Bestimmung des Flankendurchmessers im Achsenschnitt des Gewindes entweder der Prüfling oder das Meßmikroskop um den mittleren Steigungswinkel geschwenkt werden müssen bzw. daß, wie in DE 34 32 057 A1 bzw. wie in "Optoelek tronische Meßtechnik im Fertigungsprozeß, Drei Augen sehen mehr als zwei", Kontrolle 1993, April, 58-61 (Dipl.-Ing. Lutz Liebers) eine Verstellung der Z-Position des Meßmikroskopes erforderlich ist, der Mikroskopstrah lengang beeinflußt werden muß oder die Rückrechnung der Meßwerte auf den Achsenschnitt mittels Korrekturverfahren erfolgt. Des weiteren haben diese Lösungen den Nachteil, daß sich die Einflüsse von Lichtreflexion und -beugung negativ auf das Meßergebnis auswirken.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur komplexen Messung von Gewindekenngrößen an Außen- und Innengewinden und eine zugehörige Vorrichtung zu schaffen, mit welchem erstmalig, insbesondere mit dem Tastschnittverfahren bei Antastung nur eines Gewindeprofiles, der Ist-Flankendurchmesser und die Flankendurchmesserabweichung bestimmbar sind und welches zusätzlich die Erfassung der Koaxialität zwischen Gewindeachse und der Achse des Außendurchmessers bzw. des Innendurchmessers des Prüf lings ermöglicht.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des ersten und sechsten Patentanspruchs und den weiteren Merkmalen in deren Unteransprüchen gelöst.

Dabei wird bei dem Verfahren zur Messung von Gewinde kenngrößen an Außen- und Innengewinden in bekannter Weise das Gewindeprofil einseitig mechanisch im Tastschnitt verfahren erfaßt.

Erfindungsgemäß wird eine Symmetrielinie gebildet und diese anschließend um den für die jeweilige Gewindeart charakteristischen Abstand A*, welcher dem halben Soll-Flankendurchmesser entspricht, im Achsenschnitt parallel zur Gewindeachse in das Gewindeprofil verschoben. Dabei wird mindestens ein Abstand B (Gewindedicke) zwischen den Schnittpunkten der Symmetrielinie mit dem Gewindeprofil gemessen. Weiterhin wird die Ist-Dreieckshöhe H_ist bestimmt und daraus die Lage des Ist-Flankendurchmessers d_2ist, der halbe Ist-Flankenwinkel α_ist/2 sowie die Ist-Steigung P_ist ermittelt. Aus den Meßwerten von P_ist, α_ist/2 und B_ist wird die Flankendurchmesserabweichung A_d₂ bestimmt. Vorteilhafter Weise wird die Symmetrielinie ausgehend von der Mantellinie im Achsenschnitt des das Gewinde umhüllenden Zylinders und einer zur Gewindeachse parallelen, den angrenzenden Zylinder tangierende Vor richtungsebene gebildet. Bei einer mittigen Aufnahme des Prüflings in den Zentrierungen zwischen zwei Spitzen eines Spitzenbockes wird die Symmetrielinie vorteilhafter Weise durch die gemeinsame Achse der Spitzen gebildet. Dazu ist jedoch eine zusätzliche Bestimmung des Gewinde- Ist-Durchmessers erforderlich.

Bei Auflage des Gewindes auf die Vorrichtungsebene wird diese und die gegenüberliegende Kopflinie des Gewinde profils mit mehreren Meßpunkten erfaßt und aus diesen Meßwerten die Symmetrielinie ermittelt.

Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, auf die Vor richtungsebene eine Maßverkörperung aufzulegen und aus gehend von der Differenz der Höhe der Maßverkörperung und den höchsten Punkten des Gewindeprofils gegenüber der Vorrichtungsebene die Symmetrielinie zu berechnen.

Die Vorrichtung zur Messung der Gewindekenngrößen nach dem vorgenannt beschriebenen Verfahren unter Anwendung des bekannten Tastschnittverfahrens verfügt bekannter weise über eine, zur Gewindeachse annähernd parallel verschiebbare Tasteinheit und eine Meßschaltung zur Auswertung der Meßwerte. Erfindungsgemäß bildet eine Vorrichtungsebene die Meßbasis. Die Vorrichtungsebene wird durch die Art der Aufnahme des Prüflings bestimmt und kann bei Außengewinde

- durch die Meßfläche und Auflagefläche einer ebenen Aufnahme
- zwei Auflageflächen eines Prismas oder
- durch die Achsen der Zentrierspitzen eines Spitzenbockes

und bei Innengewinde

- ebenfalls durch die Meß- und Auflagefläche einer ebenen Aufnahme oder
- durch die Achse eines Aufnahmedorns

gebildet werden.

Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens und der zugehörigen Vorrichtung liegt darin begründet, daß erstmalig bei Anwendung des Tastschnittverfahrens die Ermittlung des Ist-Flankendurchmessers bzw. der Flanken durchmesserabweichung bei nur einseitiger Abtastung des Gewindeprofiles möglich ist. Gleichzeitig können auch alle anderen Gewindekenngrößen in der gleichen Meß stellung mit der zugehörigen Meßschaltung zuverlässig ermittelt werden.

Analog zu der vorgenannt beschriebenen Ermittlung der Symmetrielinie bei Gewindeaußenkonturen ist es erstmalig auch möglich, über die einseitige Messung des Gewinde profiles den Flankendurchmesser mit dem Tastschnitt verfahren bei Innengewinden zu ermitteln. Dazu wird der Prüfling von einer geeigneten Aufnahme aufgenommen und ausgehend von der Art der Aufnahme die Vorrichtungsebene bestimmt. Ausgehend von der Vorrichtungsebene und dem Innendurchmesser des Innengewindes wird die Symmetrieachse gebildet. Diese Symmetrieachse wird ebenfalls im Achsenschnitt um den charakteristischen Abstand, der dem halben Soll-Flankendurchmesser darstellt, in das Gewinde profil verschoben. Die Kontur des Innengewindes wird im bekannten Tastschnittverfahren abgetastet und ausgehend von der Symmetrielinie im Gewindeprofil werden unter Zuhilfenahme des ermittelten Flankenwinkels α_ist die weiteren Gewindekenngrößen mit Hilfe der Meßschaltung ermittelt.

Die erfindungsgemäße Art und Weise der Ermittlung der Gewindekenngrößen ist neben der Anwendung beim Tast schnittverfahren auch bei anderen Gewindemeßverfahren, z. B. bei der einseitigen optoelektronischen Messung des Gewindeprofils von Außengewinde im Achsenschnitt des Gewindes anwendbar.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Darstellung der Gewindemessung nach dem Tastschnittverfahren (Außengewinde) mit einer ebenen Aufnahme,

Fig. 2 Darstellung der Gewindemessung unter An wendung einer Maßverkörperung,

Fig. 3 Darstellung der Gewindemessung unter Anwendung einer Aufnahme in Form von Aufnahmespitzen,

Fig. 4 Messung eines Innengewindes,

Fig. 5 Bestimmung der Koaxialität.

Bei der Messung eines Außengewindes ist eine Möglichkeit, den Prüfling 1 in Form eines Gewindebolzens gemäß Fig. 1. auf eine ebene Aufnahme 3 aufzulegen. Die Auflagefläche der ebenen Aufnahme 3 bildet dabei die Vorrichtungsebene 2. Mit einem Meßtaster 4, der an eine Tasteinheit 5 ange schlossen ist, wird die Vorrichtungsebene 2 und das im Achsenschnitt gegenüberliegende Gewindeprofil 1.G mit mehreren Meßpunkten erfaßt.

Aus der Differenz der Meßwerte der Vorrichtungsebene 2 und den Meßwerten an den der Vorrichtungsebene 2 gegenüberliegenden höchsten Punkten des Gewindeprofiles 1.G, die das Maß X = Ist-Gewindeaußendurchmesser D_ist darstellt, wird die Symmetrielinie S des Prüflings 1 ermittelt (S = X/2 = D_ist/2). Die Symmetrielinie S wird nachfolgend um den Abstand A* in das Gewindeprofil 1.G verschoben, welche der Vorrichtungsebene 2 im Achsen schnitt gegenüberliegt. Der Abstand A* entspricht dabei dem halben für das jeweilige Gewinde des Prüflings 1 geltenden Soll-Flankendurchmesser (A* = /2). Anschließend wird mindestens ein Abstand B_ist gemessen, wobei der Abstand B_ist die Gewindedicke darstellt und durch die Schnittpunkte Z der Symmetrielinie S mit den Flanken eines Gewindezahnes im Achsenschnitt gebildet wird. Weiterhin werden die Ist-Steigung P_ist, der Ist-Flankenwinkel α_ist oder der Ist-Teilflankenwinkel α_ist/2 sowie die Ist-Dreieckshöhe H_ist in bekannter Weise mit dem Tastschnittverfahren bestimmt. Im weiteren wird davon ausgegangen, daß die halbe Ist-Dreieckshöhe H_ist/2 die Lage des Ist-Flankendurchmessers /2 im Gewindeprofil festlegt. Dabei bestimmt die ermittelte Lage des Ist-Flanken durchmessers /2 die Ist-Steigung P_ist und die Lage des Soll-Flankendurchmessers bestimmt die Ist-Gewindedicke B_ist.

Daraus ergibt sich folgende Ausgangsgleichung für die Flankendurchmesserabweichung A_d₂/2:

Dabei ist C der Abstand zwischen der in das Gewindeprofil 1.G verschobenen Symmetrielinie S bis zum äußersten Punkt der Ist-Dreieckshöhe H_ist im Achsenschnitt.

Aus den Meßwerten von B_ist, P_ist und dem Ist-Flankenwinkel α_ist bzw. dem Ist-Teilflankenwinkel α_ist/2 wird die Flankendurchmesserabweichung A_d2 = d_2ist-d_2soll aus der weiter Ableitung o. g. Formel wie folgt bestimmt:

Somit kann erstmalig in einfacher Art und Weise die Flankendurchmesserabweichung A_d2 mit dem Tastschnittver fahren bei einseitiger Antastung des Gewindeprofiles ermittelt werden.

In Fig. 2 wird die Gewindemessung unter Anwendung einer Maßverkörperung 6 in Form eines Parallelendmaßes dargestellt. Dabei wird die Maßverkörperung 6 auf die Vorrichtungsebene 2 aufgelegt. Es werden nachfolgend einige Meßpunkte der Höhe h der Maßverkörperung 6 und der Sprung X_M zu den höchsten Punkten des Gewindeprofiles 1.G des Prüflings 1 in Form des Gewindebolzens, welche den Ist-Außendurchmesser D_ist des Prüflings 1 charakteri sieren, im Achsenschnitt erfaßt. Aus diesen Werten wird die Symmetrielinie S nach der folgenden Gleichung errechnet:

S = (h + X_M) : 2

Diese Symmetrielinie S wird wie vorgenannt bereits beschrieben um den Abstand A*, welcher dem halben Soll-Flanken durchmesser entspricht, in das Gewinde profil 1.G im Achsenschnitt verschoben.

In der gleichen Art und Weise wie vorgenannt bereits beschrieben, werden die Gewindekenngrößen B_ist, P_ist, H_ist und α_ist bzw. α_ist/2 erfaßt und daraus die Flankendurchmesserabweichung A_d₂ errechnet. In Fig. 3 wird die Messung eines Prüflings 1 mit Außengewinde unter Anwendung des erfindungsgemäßen Meßverfahrens gezeigt, wobei der Prüfling 1 mit seinen Zentrierungen 7 zwischen Zentrierspitzen 8 eines Spitzenbockes aufgenommen wird. Die Vorrichtungsebene 2 wird dabei durch die Achse der Zentrierspitzen 8 gebildet. Bei bekanntem Spitzendurchmesser wird die Symmetrielinie aus der Differenz des Maßes X vom Außendurchmesser der Spitze bis zum Außendurchmesser des Gewindes ermittelt.

Mit dem erfindungsgemäßen Meßverfahren besteht erstmalig auch bei Innengewinden die Möglichkeit, durch eine einseitige Gewindemessung die Flankendurchmesserab weichung A_d₂ bzw. die Lage des Ist-Flankendurchmessers im Gewindeprofil 1.G zu bestimmen siehe Fig. 4. Der Prüfling 1 wird hierbei von einem Aufnahmedorn 9 in Form eines zentrierenden Gewindedorns aufgenommen. Nachfolgend werden im Achsenschnitt einige Punkte des Gewindeprofiles 1.G bestimmt, die dem halben Ist-Innendurchmesser d_ist/2 des Gewindes im Achsenschnitt entsprechen. Die Achse des Aufnahmedorns 9 bildet die Symmetrielinie S, die vorab ermittelt werden kann und um den halben Soll-Flanken durchmesser (A*) in das Gewindeprofil 1.G verschoben wird. Im Tastschnittverfahren werden nachfolgend B_ist, H_ist, P_ist und α_ist bzw. α_ist/2 bestimmt. Die Flankendurchmesserabweichung A_d₂ wird nach der bereits beschriebenen Formel für das Außengewinde errechnet. Der Prüfling 1 mit Innengewinde kann auch auf eine ebene Aufnahme 3 aufgelegt werden, wobei deren Auflagefläche die Vorrichtungsebene 2 bildet. Die Symmetrielinie S ist dann die Hälfte der Höhe des Prüflings 1 im Achsenschnitt.

Neben der Ermittlung der Flankendurchmesserabweichung A_d₂ ist mit dem erfindungsgemäßen Meßverfahren und der zugehörigen Meßvorrichtung kann auch die Koaxialität zwischen Gewindeachse und der Achse des Außendurchmessers bzw. Innendurchmessers des Prüflings 1 erfaßt werden, siehe Fig. 5. Durch die Bestimmung der Koaxialität e wird es möglich, eine eventuelle Abweichung von der Koaxialität e bei der Bestimmung der Symmetrielinie S zu berücksichtigen, wodurch die Lage der Symmetrielinie S exakt bestimmbar ist.

Bei einer Koaxialität e, d. h. Gewindeachse G_A und Achse D_A des Ist-Gewindeinnendurchmessers fallen um das Maß e auseinander, ändert sich die Ist-Dreieckshöhe H_ist mit dem Sinus über dem Umfang. Die Koaxialität e kann somit als Änderung der Ist-Dreieckshöhe H_ist über 2π ermittelt werden. Um die Koaxialitätsabweichung e bei der exakten Bestimmung der Symmetrielinie S aus zu schließen, sind der Außendurchmesser D_ist und die Dreieckshöhe an zwei um 180° versetzten Positionen zu bestimmen (siehe Fig. 6). Die Koaxialitätsabweichung e errechnet sich wie folgt:

Es wird zuerst die Dreieckshöhe H_q0° bei 0° und dann die Dreieckshöhe H_q180° ermittelt. Ausgehend von diesen Dreieckshöhen wird kann die aktuelle Gewindeachse errechnet werden.

Bezugszeichenliste

1 Prüfling
1.G Gewindeprofil
2 Vorrichtungsebene
3 Aufnahme
4 Meßtaster
5 Tasteinheit
6 Maßverkörperung
7 Zentrierungen
8 Zentrierspitzen
9 Aufnahmedorn
A* charakteristischer Abstand
A_d₂ Flankendurchmesserabweichung
AZ Achse zwischen Zentrierspitzen
B_ist Ist-Gewindedicke
C Abstand zwischen Symmetrielinie bis äußersten Punkt der Ist-Dreieckshöhe
D_A Achse des Gewindeinnendurchmessers
D_ist Ist-Gewindeaußendurchmesser
F_d₂ Fehler des Flankendurchmessers
G_A Gewindeachse
H_ist Ist-Dreieckshöhe
H_ist/2 halbe Ist-Dreieckshöhe
Dreieckshöhe bei 0°
Dreieckshöhe bei 180°
P_ist Ist-Steigung
S Symmetrielinie
X Maß von 2 bis zum gegenüberl. Ist-Außendurchmesser
X_M Sprung von Maßverkörperung bis zu den höchsten Punkten der Gewindekontur
Z Schnittpunkt der Symmetrielinie mit den Flanken eines Gewindezahnes
d₂ Flankendurchmesser
Soll-Flankendurchmesser
Ist-Flankendurchmesser
Ist-Gewindeinnendurchmesser
e Koaxialität
α_ist Ist-Flankenwinkel
α_ist/2 Ist-Teilflankenwinkel

Claims

1. Verfahren zur komplexen Messung von Gewindekenngrößen an Außen- und Innengewinden, wobei in bekannter Weise das Gewindeprofil mechanisch im Tastschnittverfahren einsei tig erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Symmetrielinie (S) des Außen- oder Innengewindes des Prüflings (1) gebildet wird und diese anschließend um den für die jeweilige Gewindeart charakteristischen Abstand (A*), welcher dem halben Soll-Flankendurchmesser () entspricht, im Achsenschnitt in die Gewinde kontur (1.G) des Prüflings (1) verschoben wird, daß mindestens ein Maß der Ist-Gewindedicke (B_ist) zwischen den Schnittpunkten (Z) der Symmetrielinie (S) mit der Gewindekontur (1.G) gemessen wird, daß weiterhin die Ist-Steigung (P_ist) sowie der Ist-Flankenwinkel (α_ist) oder der Ist-Teilflankenwinkel (α_ist/2) ermittelt werden und daß ausgehend davon, daß die halbe Ist-Dreieckshöhe (H_ist/2) die Lage des Ist-Flankendurchmessers bestimmt, die Flankendurchmesserabweichung A_d₂ = aus den Meßwerten (B_ist), (P_ist) und (α_ist) oder (α_ist/2) nach der Formel berechnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Symmetrielinie (S) ausgehend von einer Vorrichtungs ebene (2) und der Mantellinie im Achsenschnitt des das Gewinde des Prüflings (1) umhüllenden Zylinders bei Außengewinden und des das Gewinde einhüllenden Zylinders bei Innengewinden gebildet wird, wobei die Vorrichtungs ebene (2) durch die Art der Aufnahme des Prüflings (1) bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß bei einer Vorrichtungsebene (2) in Form der Auflagefläche einer ebenen Aufnahme (3) diese und die gegenüberliegende Gewindekontur (1.G) des Prüflings (1) mit Außengewinde an ihren äußersten Punkten mit mehreren Meßpunkten erfaßt wird, und aus der Differenz (X) der Meßwerte die Symmetrielinie (S) nach S = X/2 errechnet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Vorrichtungsebene (2) der ebenen Aufnahme (3) eine Maßverkörperung (6) aufgelegt wird und die Symmetrielinie (S) aus der Höhe (h) der Maßverkörperung (6) und dem Maß (X_M) gebildet wird, wobei daß Maß (X_M) der Differenz zwischen Maßverkörperung (6) und dem Außendurchmesser (D_ist) im Achsenschnitt entspricht, wobei S = (h + X_M) : 2 ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Symmetrielinie (S) aus dem halben vorher gemessenen Außendurchmesser (D_ist) bzw. dem halben gemessenen Innendurchmesser (d_ist) gebildet wird.

6. Vorrichtung zur Messung von Gewindekenngrößen unter Anwendung des an sich bekannten Tastschnittverfahrens mit einer zur Gewindeachse annähernd parallel verschiebbaren Tasteinheit und einer Meßschaltung, dadurch gekennzeich net, daß eine Vorrichtungsebene (2) die Meßbasis bildet und daß die Gewindekontur (1.G) die Vorrichtungsebene (2) berührt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungsebene bei Außengewinde

- durch die Meßfläche und Auflagefläche einer ebenen Aufnahme (3) oder
- zwei Auflageflächen eines Prismas oder
- durch die Achsen der Zentrierspitzen (7) eines Spitzenbockes

und bei Innengewinde

- ebenfalls durch die Meß- und Auflagefläche einer ebenen Aufnahme (3) oder
- durch die Achse eines Aufnahmedorns (9)

gebildet wird.