DE19711500A1

DE19711500A1 - Meßsystem zur automatischen Feststellung und Korrektur von Positionsabweichungen von Bauteilen von Maschinen und/oder Geräten

Info

Publication number: DE19711500A1
Application number: DE1997111500
Authority: DE
Inventors: Lars Ritter; Bernward Dipl Ing Schaeckel
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1997-03-19
Filing date: 1997-03-19
Publication date: 1998-09-24
Anticipated expiration: 2017-03-20
Also published as: DE19711500C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Meßsystem zur automatischen Erfassung von Positio nen und zur Erzeugung von Korrektursignalen für Positionsabweichungen von Bestandteilen von Maschinen und/oder Geräten mit den Merkmalen der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Gattung.

In dem Stand der Technik werden heute Meßsysteme zur Bestimmung von Wegen und Abständen für in der Regel linear bewegte Bauteile und/oder Bau gruppen von Maschinen und/oder Geräten verwendet. Auftretende Abweichun gen von der Sollführung werden in der Regel nur bei der Maschinenabnahme bei auftretenden Qualitätsproblemen oder in bestimmten Intervallen überprüft. Die Qualität einer Führung von Bauteilen und/oder Baugruppen von Maschinen und/oder Geräten hängt jedoch stets von den jeweiligen sich ständig ändern den Bedingungen ab, die beispielsweise während des Bearbeitungsprozesses von Werkstücken durch die Maschinen entstehen können, wie beispielsweise Prozeßkräfte, thermische Belastungen, Verschleiß, Spiel der Führungen und andere sich ständig ändernde Bedingungen. In der Regel wird mit den gegen wärtigen Meßsystemen nur der Zustand zum Zeitpunkt der Prüfung erfaßt. Auf die Einhaltung von konstanten Winkeln der Bewegungsachsen, wie beispiels weise die Rechtwinkeligkeit zueinander, wird nur in einem Bruchteil der in der Praxis auftretenden Belastungen und Veränderungen überprüft. Eine Verände rung der Winkellage der Bewegungsachsen bzw. Bauteile und/oder Baugrup pen zueinander führt ebenfalls zu einer nicht erfaßten Änderung der Relativla ge der Bauteile zueinander. Durch die genannten Einflußfaktoren, wie Erwär mung, Spiel der Führungen, Prozeßkräfte, Verschleiß und so weiter, wird die Qualität der Maschinen und Geräte herabgesetzt und insbesondere lassen sich keine Produkte fertigen, die höchsten Qualitätsansprüchen zu entsprechen ha ben.

Um hohen Qualitätsanforderungen zu entsprechen, ist es beispielsweise bei einer Spitzendrehmaschine jedoch erforderlich ohne großen Aufwand eine Verbindungsgerade zwischen Spindel und Pinole zu errechnen, die der wahren Drehachse für das bearbeitete Werkstück durch die Maschine sehr genau ent spricht, wobei nach dem Stand der Technik bisher stets nur ein Bruchteil der erforderlichen Parameter bestimmt wurde, die erforderlich sind, um höchste Qualitätsanforderungen bei der Herstellung von Werkstücken mit entsprechen den Maschinen und/oder Geräten zu erreichen. Aus der DE-OS 43 09 294 ist ein Gegenstand vorbekannt, der eine in Echtzeit arbeitende Meß- und Korrek turvorrichtung für Fluchtabweichungen für Werkzeugmaschinen darstellt. Die Meß- und Korrekturvorrichtung tastet während der Bewegung des Werkzeuges entlang des Verfahrweges einen Bezugswert für die Geradlinigkeit ab, das Werkzeug wird dabei kontinuierlich verstellt, um die Bettfehler zu korrigieren, und um die exakte geradlinige Ausrichtung des Werkzeugs entlang seines Verfahrweges genau beizubehalten. Die Echtzeitfluchtfehlermeß- und Korrek turvorrichtung umfaßt ein von einem Fundament gestütztes Bett mit Führungs bahnen, auf denen sich ein verschiebbarer Werkzeugschlitten befindet. Von einem Ende des Bettisches zum anderen ist in Längsrichtung unter dem Schlitten hindurch ein Draht gespannt, der an seinen Enden durch Gewichte waagerecht gehalten wird. Der Draht wird anfänglich auf dem Bettisch genau parallel zum geradlinig verlaufenden Schlittenverfahrweg ausgerichtet, um zu gewährleisten, daß der Draht eine wahre Bezugslinie darstellt. Die Führungs bahnen sind ursprünglich so ausgelegt bzw. ausgerichtet, daß sie parallel zur Rotationsachse des Werkstückes liegen. Ein am Maschinenwerkzeugschlitten angebautes Lageanzeigegerät liest vom Bezugsdraht die durch die Führungs bahnenabweichung entstandene Schlittenabweichung ab. Ein computerge steuertes Positioniersystem für das Werkzeug, das auf der Basis der Aus gangsposition des Werkzeuges und der durch das Ablesen des Bezugsdrahtes vom Positioniersystem ermittelten Eingabedaten arbeitet, dient zur Überwa chung und Korrektur der Abweichungen in Echtzeit.

Um bei dem Gegenstand der DE-OS 43 09 294 den Draht als Bezugslinie für die geradlinige Ausrichtung in Echtzeit verwenden zu können, ist eine Bezugs wert-Registriervorrichtung am Schlitten montiert, so daß die Bezugswert-Re gistriervorrichtung zusammen mit dem Schlitten entlang der Führungsbah nen verschiebbar ist. Die Bezugswert-Registriervorrichtung ist um den Draht herum positioniert, so daß die Lage des Drahtes gegenüber dem Schlitten er faßt bzw. abgelesen werden kann. Die Signale der Bezugswert-Re gistriervorrichtung werden von einem Lesekopf abgelesen und einer elek tronischen Signalaufbereitungseinheit zugeführt.

Der Gegenstand der DE-OS 43 09 294 berücksichtigt nur einen Teil der Para meter, die für die Überwachung und Messung erforderlich sind, wenn das zu fertigende Werkstück höchsten Qualitätsansprüchen zu entsprechen hat, so fehlt beispielsweise jedwede Berücksichtigung der Veränderungen der Bauteile und/oder Bauteilgruppen der in der DE-OS 43 09 294 beschriebenen Maschine bzgl. einer Erwärmung und der daraus folgenden Ausdehnung bzw. Verände rung der Bauteile der Maschine. Die Meß- und Korrekturvorrichtung nach der DE-OS 43 09 294 ist infolge des parallel zum Schlittenverfahrweg vorgesehe nen Drahtes, der mittels Gewichten gespannt wird, auch nur bei einer eng be grenzten Anzahl von Maschinen und/oder Geräten anwendbar, es fehlt an ei nem einfachen und universell anwendbaren Meßverfahren, das für unter schiedlich ausgeführte Maschinen ohne großen Aufwand anwendbar ist.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein für die Massenfertigung geeignetes Meßsystem zu schaffen, das insbesondere höchste Qualität der von den Maschinen und/oder Geräten produzierten Werkstücke garantiert, das ferner durch thermische Einwirkungen hervorgerufene Veränderungen an Bauteilen und/oder Bauteilgruppen von Maschinen und/oder Geräten bei der Messung mit einbezieht, das die Berücksichtigung der Einflüsse und Verände rungen der Prozeßkräfte auf die Bauteile und/oder Bauteilgruppen von Maschi nen und Geräten ermöglicht, das es zuläßt, eine maximale Unabhängigkeit von der Qualität bzw. dem Spiel der Führungen der verfahrbaren Bauteile und/oder Bauteilgruppen von Maschinen und/oder Geräten zu erreichen und das schließlich universell auf unterschiedlichst ausgeführten Maschinen und/oder Geräte für kontinuierlich durchgeführte Messungen anwendbar ist.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbil dungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Merkmalen der Unteransprü che 2 bis 14 gekennzeichnet.

Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, daß eine Verbundmeß vorrichtung für alle ausgewählten Meßorte von maß- und/oder funktionsbe stimmenden Bauteilen und/oder Gruppen der Maschinen und/oder Geräte vor gesehen ist. Diese Meßorte unterliegen jeweils örtlichen und/oder winkelmäßi gen Lageveränderungen, die beispielsweise durch die Veränderung der Lage der Bauteile oder Bauteilgruppen, durch Verschleiß oder Wärme auf Seiten der Maschinen und/oder Geräte verursacht werden. Deshalb sind an allen ausge wählten Meßorten von maß- und/oder funktionsbestimmenden Bauteilen jeweils Abtasteinrichtungen angeordnet und zwar derart, daß die einzelnen Abtastein richtungen einerseits direkt oder andererseits indirekt über zusätzliche Maß- und Formverkörperungen ausschließlich einer ersten Maß- und Formverkörpe rung der Verbundmeßeinrichtung zugeordnet sind. Die Zuordnung aller Abta steinrichtungen bzw. weiterer zusätzlicher Maß- und/oder Formverkörperungen zu der ersten Maß- und Formverkörperung bewirkt daß sämtliche Meßwerte auf diese erste Form und Maßverkörperung zurückbezogen sind. Die Zuord nung bzw. Zurückbeziehung einer zweiten Maß- und Formverkörperung auf die erste Maß- oder Formverkörperung erfolgt dadurch, daß die zweite Maß- und Formverkörperung der ersten in einem definierten Winkel wie beispielsweise in einem 90-Grad Winkel, zugeordnet ist. Durch eine definierte Zuordnung der Abtasteinrichtungen bzw. weiterer Maß- und Formverkörperung zu der ersten Maß- und Formverkörperungen wird erreicht, daß die Messung der maßgeben den Strecken in x- und/oder z-Richtung unabhängig von der Qualität der Füh rungen ist, d. h., ob sich die Führungen verschoben haben infolge des Spiels, den die Führungen besitzen, oder ob durch Verschleiß oder durch bei der Be arbeitung ausgeübten Druck auf die Bauteile der Maschinen Lageveränderun gen der maß- und/oder funktionsbestimmenden Meßorte auf den Bauteilen oder Bauteilgruppen stattgefunden haben, dasselbe gilt für eine Winkellage veränderung der Bauteile an allen ausgewählten Meßorten. Durch die Kombi nation der definierten Lage und winkelmäßigen Zuordnung aller Abtasteinrich tungen bzw. weiterer Maß- und Formverkörperungen zu der ersten Maß und Formverkörperung mit der gleichzeitigen und kontinuierlichen Messung an al len vorgesehenen Meßorten ist es möglich, immer den Realzustand der zur ermittelten Strecken oder Winkel festzustellen und über Auswertungssignale einer Recheneinheit zur Regulierung der Steuerung der Maschinen und/oder Geräte zur Korrektur zuzuführen.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Meßsystem mit sei ner definierten Zuordnung aller ausgewählten Meßorte an maß- und/oder funk tionsbestimmenden Bauteilen zu der ersten Maß- und Formverkörperung sowie der zweiten Maß- und Formverkörperung zu der ersten Maß- und Formverkör perung besteht darin, daß die Befestigung jeder einzelnen Abtasteinrichtung an dem jeweiligen Meßort und auch die Befestigung der zweiten oder weiteren Maß- und Formverkörperung an der ersten Maß- und Formverkörperung je weils mit Hilfe eines eigenen thermisch neutralen Übertragungssystem erfolgt. Zu diesem Zweck ist das thermisch neutrale Übertragungssystem derart ausge legt, daß die an den Meßorten durch Wärme hervorgerufenen Änderungen an die an den Meßorten angebrachten Abtasteinrichtungen mittels des jeweils an dem Meßort befindlichen Übertragungssystems allein in Richtung der zu mes senden Werte einer Meßstrecke und/oder eines zu ermittelnden Meßwinkels durch Subtrahieren oder Addieren zu der zu messenden Strecke erfaßt wird und in dieser Form an die Abtasteinrichtung weiter gegeben wird. Das heißt daß durch die Anordnung von thermisch neutralen Übertragungssystemen zwi schen Abtasteinrichtung und der Befestigung am Meßort oder zwischen weite ren Maß- und Formverkörperungen und der ersten Maß- und Formverkörpe rung jeweils auch jeder Einfluß einer Temperaturausdehnung der Bauteile oder Oberflächen ausgeschaltet wird. Da auch zwischen der zweiten oder allen weiteren Maß- und Formverkörperungen und der ersten Maß- und Formverkör perung jeweils eine thermisch neutrale Übertragungseinrichtung bei der win kelmäßigen Zuordnung vorgesehen ist, werden auch die indirekt der ersten Maß- und Formverkörperung zugeordneten Abtasteinrichtungen für strecken und Winkel von thermischen Übertragungsfehlern befreit, so daß das gesamte Verbundmeßsystem unabhängig von Temperaturschwankungen und durch die Temperaturveränderungen hervorgerufenen Fehlern arbeiten kann.

Weitere Vorteile bestehen darin, daß die Zuordnung von maß- und funktions bestimmenden Meßorten zu der ersten Maß- und Formverkörperung sowie auch von weiteren Maß- und Formverkörperungen zu der ersten Maß- und Formverkörperung zwar definiert erfolgt, jedoch eine Auswahl der Meßorte prinzipiell beliebig ist, wobei der thermische Einfluß auf die Meßorte durch die Einschaltung von thermisch neutralen Übertragungssystemen zwischen Meßort und Abtasteinrichtung bzw. zwischen der ersten und weiteren Maß- und Form verkörperungen ausschaltbar gestaltet ist. Das bedeutet, daß das erfindungs gemäße Verbundmeßsystem mit der Zuordnung aller Meßwerte auf die erste Maß- und Formverkörperung universell einsetzbar ist, d. h. es können beliebig viele Meßorte an höchst unterschiedlich ausgeführten Maschinen und ver schiedenen Geräten angeordnet werden, wobei durch kontinuierliche Messung stets allen realen Veränderungen während der Bearbeitungs-, Meß- und ande rer Prozesse der Maschine an den Werkstücken durch die Ermittlung entspre chender Korrektursignale Rechnung getragen werden kann. Es lassen sich also Prozeßkräfte auf die Maschine und der Verschleiß jederzeit durch ent sprechende Auswahl der Meßorte bei der Bearbeitung von Werkstücken be rücksichtigen. Der Bearbeitungsprozeß von Werkstücken mit hoher Qualität ist damit von den Anforderungen an die mechanische und thermische Stabilität von Maschinen und/oder Geräten in hohem Umfange abgekoppelt. Damit läßt sich eine konstante Qualität bzw. eine bessere Qualität des Produktes bzw. Herstellungsprozesses durch das erfindungsgemäße Verbundmeßsystem er reichen. Aufgrund der gegenseitigen definierten Zuordnung der Maß- und Formverkörperungen mit den dazu gehörigen Abtasteinrichtungen lassen sich die Bezugstrecken und/oder Bezugspunkte in x- bzw. z-Richtung zwischen den Meßorten an den Bauteilen und/oder Baugruppen der Maschinen und/oder Ge räten frei auswählen, so daß ganz individuell auf die jeweiligen Meßbedürfnis se an den verschiedensten Maschinen eingegangen werden kann.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und von Zeichnungen noch näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine Prinzip- und Teildarstellung des erfindungsgemäßen Meßsy stems zur automatischen Erfassung von Positionen zur Erzeugung von Korrektursignalen für Positionsabweichungen von Bestandteilen von Ma schinen und/oder Geräten mit einer Verbundmeßeinrichtung für die vor gesehenen Meßorte und

Fig. 2 eine skizzenhafte Darstellung der den jeweiligen Maß- und Form verkörperungen zugeordneten einzelnen Abtasteinrichtungen und die damit ermittelbaren Meßgrößen.

Aus Fig. 1 ist ein Meßsystem zur automatischen Erfassung von Positionen und zur Erzeugung von Korrektursignalen für Positionsabweichungen von Be standteilen von Maschinen und/oder Geräten bekannt, das hier als Verbund meßeinrichtung 1 ausgeführt ist. Die Verbundmeßeinrichtung 1 verbindet alle ausgewählten Meßorte an den Oberflächen von maß- und/oder funktionsbe stimmenden Bauteilen und/oder Baugruppen der Maschinen und/oder Geräte, in die sie eingebaut ist zu einem gesamten Meßsystem, das über eine hier nicht dargestellte elektronische Auswertungseinrichtung Meßsignale erfaßt und einer Auswertung zuführt. Die Ausgangssignale werden dann einer Rechen einheit zur Regelung der Steuerung der Maschine und/oder Geräte zugeführt. In der Fig. 1 ist eine Maschine dargestellt, die als Werkzeugmaschine hier speziell als Drehbank und noch genauer als Spitzendrehbank ausgeführt ist, selbstverständlich können auch alle anderen Werkzeugmaschinen bzw. Dreh bänke sowie andere Geräte mit der Verbundmeßeinrichtung 1 versehen wer den, wenn es dabei um die Ermittlung von Positionsabweichungen von Be standteilen dieser Maschinen und/oder Geräte geht, die dann als Korrektursi gnale zum Erreichen der Sollwerte der zu ermittelnden Abstände und/oder Winkel der Bauteile der Maschinen und/oder Geräte dienen sollen. Die in Fig. 1 dargestellte Maschine bzw. Spitzendrehbank ist nur in einer Prinzip- und Teildarstellung hier offenbart. Es wird darauf hingewiesen, daß aus Gründen der Übersichtlichkeit in der Fig. 1 nur die für die Erfindung maßgeblichen Be standteile oder Teilfunktionen dargestellt sind. Nicht dargestellt sind unter an derem Antriebe für Hauptspindel, Reitstock, Werkzeughalter und weitere für den Betrieb erforderliche Antriebe. Darüberhinaus fehlt die Darstellung der elektronischen Recheneinheit zur Auswertung der von dem Verbundmeßsy stem ermittelten Meßwerte und die Darstellung der Regulierung der Steuerung der Maschinenbauteile und/oder Bauteilgruppen. Ein Bett 2 ist mit einem Längsschlitten 12 versehen, der in Bettführungen 3 läuft. Das Bett 2 trägt einen Spindelkasten 4, eine Spindel 5 mit Spindellagern 8 und mit einem Spannfutter 6, das die Zentrierspitze 7 hält. Dem Spindelkasten gegenüber liegt auf der Bettführung 3 ein Reitstock 9 mit Reitstocklagern 10, ferner einer Pinole 11, die wiederum eine Zentrierspitze 7 hält. Der Reitstock 9 ist verfahrbar auf den Bettführungen 3 des Bettes 2 ausgeführt. Ebenfalls verfahrbar in den Bettfüh rungen 3 des Bettes 2 ist ein Längsschlitten 12 ausgeführt, der selbst wieder eigene Führungen 13 für den Querschlitten 21 bzw. Werkzeughalter 22 trägt.

Die Bestandteile der Spitzendrehmaschine wie die Teile und/oder Baugruppen anderer Maschinen und/oder Geräte sind im Betrieb während der Bearbei tungs-, Meß- oder anderer Prozesse von Werkstücken, die in der Figur jedoch nicht dargestellt sind, den unterschiedlichsten Einflüssen und Belastungen ausgesetzt, wie beispielsweise den während der Bearbeitung des Werkstücks auf die Bauteile der Maschine ausgeübten Prozeßkräften, dem Verschleiß, der Veränderung der Lage der Bauteile in Folge des für den Verfahrprozeß erfor derlichen Spiels der Führungen, der Ausdehnung der Bauteile in Folge von Temperaturveränderungen. Die vorstehend ausgeführten während des Bear beitungsprozesses auftretenden Veränderungen der Arbeitsbedingungen füh ren zu einer Änderung der Relativlage von Bauteilen und/oder Bauteilgruppen der Maschine zueinander. Je nach den herrschenden und einer ständigen Ver änderung unterliegenden Arbeitsbedingungen fällt daher die Qualität der zu bearbeitenden Werkstücke in der Maschine unterschiedlich aus, was bei hohen Qualitätsanforderungen an das Produkt nicht akzeptiert werden kann. Um nicht nur einzelne Meßwerte zu ermitteln, sondern alle für den Produktionsvorgang wesentlichen Bedingungen gleichzeitig zu erfassen, ist es bei der erfindungs gemäßen Verbundmeßeinrichtung vorgesehen für alle relevanten und damit ausgewählten Meßorte von maßbestimmenden und/oder funktionswesentlichen Bauteilen und/oder Baugruppen der Maschine eine gleichzeitige Gesamtmes sung vorzunehmen. Die Zusammenführung aller Messungen an den ausge wählten Meßorten erfolgt über eine erste Maß- und Formverkörperung 14, die in ihren Bessel'schen Punkten mit dem Maschinenbett 2 derart verbunden ist, daß die erste Maß- und Formverkörperung parallel zu der Bettführung 3 liegt. Die erste Maß- und Formverkörperung 14 ist an ihrem einen Befestigungspunkt spindelseitig mit einem Festlager befestigt und mit ihrem anderen Befesti gungspunkt pinolenseitig als Loslager in z-Richtung ausgeführt, was jedoch nicht dargestellt ist. Die erste Maß- und Formverkörperung ist darüber hinaus aus einem temperaturunempfindlichen Material mit niedrigem Temperaturaus dehnungskoeffizienten, wie beispielsweise aus Zerodur, Invar hergestellt, sie ist beispielsweise als Maßstab ausgeführt und absolut oder inkremental ko diert. Die parallele Lage der ersten Maß- und Formverkörperung 14 zur Bett führung 3 bzw. Maschinenbett ist vorgesehen, da die Verfahrbewegungen des Reitstockes 9 bzw. seiner Bestandteile und des Längsschlittens 12 entlang der Bettführungen 3 des Bettes 2 erfolgt, so kann beispielsweise mit Hilfe der er sten Maß- und Formverkörperung 14 die parallel verlaufende Bearbeitungs strecke für Werkstücke zwischen Spindel und Reitstock bestimmt werden, wenn die Bauteile bzw. Bauteilgruppen linear entlang den Bettführungen 3 be wegt werden. Alle bei dieser Geradführung auftretenden Abweichungen wer den durch geeignete Anordnung von Abtasteinrichtungen erfaßt und über die zugeordneten Maß- und Formverkörperungen definiert vermessen. Die Maß- und Formverkörperungen sind dazu als Maßstab ausgeführt, der absolut oder inkremental kodiert ist. Um die erforderlichen Messungen durchführen zu kön nen sind an ausgewählten Meßorten an den Oberflächen von maß- und/oder formbestimmenden Bauteilen und/oder Baugruppe Abtasteinrichtungen befe stigt. Der ersten Maß- und Formverkörperung 14 sind dabei die nachfolgend aufgezählten Bestandteile der Verbundmeßeinrichtung direkt zugeordnet, näm lich eine erste Abtasteinrichtung 15, die an den Spindellagern 8 befestigt ist, ferner eine zweite Abtasteinrichtung 16, die an den Reitstocklagern 10 befe stigt ist, und schließlich eine dritte Abtasteinrichtung 17, die starr an einer zweiten Maß- und Formverkörperung 18 des Längsschlittens 12 befestigt ist.

Darüberhinaus ist eine vierte Abtasteinrichtung 19 vorgesehen, die starr mit dem Querschlitten 21 verbunden ist, und somit ist die vierte Abtasteinrichtung 19 der ersten Maß- und Formverkörperung 14 indirekt über die zweite Maß- und Formverkörperung 18 zugeordnet. Die zweite Maß- und Formverkörperung 18 ist in ihren Bessel'schen Punkten mit dem Längsschlitten 12 derart verbun den, daß die zweite Maß- und Formverkörperung 18 parallel zur den Führun gen 13 des Längsschlittens 12 liegt. Die zweite und eventuelle weitere hier in dem Ausführungsbeispiel jedoch nicht vorgesehene zusätzliche Maß- und Formverkörperungen sind mit der ersten Maß- und Formverkörperung 14 stets in einem definierten Winkel miteinander verbunden. Dieser Winkel beträgt bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 190° Grad. Die an den Meßorten ange brachten Abtasteinrichtungen arbeiten berührungslos mit den Maß- und Form verkörperungen zusammen, so daß Verschleiß bei der Abtastung vermieden wird. Die Abtasteinrichtungen messen die Weg- bzw. Ortskoordinaten und die dazugehörigen Winkelmaße aller Meßorte in Bezug auf die ihnen jeweils zuge ordnete Maß- und Formverkörperung. Die Ortskoordinaten in x- und z-Richtung werden ermittelt, so daß der Abstand zwischen der Maß- und Formverkörpe rung und der Abtasteinreichtung nicht konstant sein muß. Es kann sich also auch die absolute Position der ersten Maß- und Formverkörperung 14 als Fol ge von Verformungen und Verlagerungen des Maschinenbettes verändern, oh ne daß die Messungen zwischen den Meßorten und der Verbundmeßeinrich tung verfälscht werden, da alle Abtasteinrichtungen sowie die zweite und eventuelle weitere Maß- und Formverkörperungen auf die erste Maß und Formverkörperung 14 durch Zuordnung zurückbezogen sind.

Mit der ersten Abtasteinrichtung 15 wird also eine erste Position x₁, z₁ zur er sten Maß- und Formverkörperung 14 in x- und z-Richtung und der Winkel ϕ₁ zur ersten Maß- und Formverkörperung 14 in der xz-Ebene bestimmt. Mit Hilfe dieses Meßortes bzw. der dazugehörigen ersten Abtasteinrichtung 15 wird also die Verlagerung des Maschinenbettes und des Spindelkastens mit seiner Spin del erfaßt. Die zweite Abtasteinrichtung 16 erfaßt die Position des Reitstockes 9 mit der Pinole in einer zweiten Position x₂, z₂ in x- und z-Richtung und den Winkel ϕ₂ zur ersten Maß- und Formverkörperung 14 in der xz-Ebene. Die dritte Abtasteinrichtung 17 ermittelt in einer dritten Position x₃, z₃ in z- und x-Richtung die Stellung des Längsschlittens und dessen Winkels ϕ₃ zur ersten Maß- und Formverkörperung 14 in der xz-Ebene. Die vierte Abtasteinrichtung 19 erfaßt in einer vierten Position x₄, z₄ den Querschnitten 12 in Bezug zu der zweiten Maß- und Formverkörperung 18 in Maßstabslängsrichtung x und ge gebenenfalls die Höhe über der zweiten Maß- und Formverkörperung 18 in z-Rich tung und falls erforderlich auch den Winkel ϕ₄, siehe dazu Fig. 2. Die erste, zweite, dritte und vierte Abtasteinrichtung können beispielsweise als optoelektronische Meßkameras ausgebildet sein.

Das vorliegende Meßsystem mit einer Verbundmeßeinrichtung gemäß der Er findung ist durch den Rückbezug aller Abtasteinrichtungen auf eine einzige nämlich die erste Maß- und Formverkörperung 14 sowie auch aller weiteren Maß und Formverkörperungen auf die erste Maß- und Formverkörperung 14 gekennzeichnet, wobei die zusätzlichen Maß- und Formverkörperungen mit einem definierten Winkel zu der ersten Maß- und Formverkörperung ange bracht sind. Aufgrund der gegenseitigen Zuordnung der Maß- und Formverkör perungen mit den dazugehörigen Abtasteinrichtungen ausschließlich der auf eine einzige Maß- und Formverkörperung ist es möglich, die Bezugsstrecken und/oder Bezugspunkte in x-Richtung beziehungsweise in z-Richtung zwischen den Meßorten an den Bauteilen und/oder Baugruppen der Maschine und/oder Geräte frei auszuwählen. Die vorliegende Erfindung ist nicht nur durch die Rückbeziehung aller Abtasteinheiten und aller weiteren Maß und Formverkör perungen auf die erste Maß- und Formverkörperung 14 gekennzeichnet son dern auch durch die erfindungswesentliche Kombination mit der gleichzeitigen Messung aller Weg- und Ortskoordinaten und/oder Winkelmaße an den vorge sehenen Meßorten und schließlich noch durch die Korrektur aller durch Wärme verursachten Fehler, wie Ausdehnung und dgl. durch jeweils ein eigenes ther misch neutrales Übertragungssystem pro Abtasteinrichtung und Meßort und gleichzeitig auch durch den Ausgleich der Wärmefehler, d. h. durch Tempera tureinfluß verursachten Deformationen, bei der in einem definierten Winkel der zugeordneten zweiten oder weiteren Maß- und/oder Formverkörperung mittels jeweils eines thermisch neutralen Übertragungssystems zur ersten Maß- und Formverkörperung 14. Nur dieses kombinatorische Zusammenwirken der vor stehend genannten Merkmale führt zur korrekten Messung der Relativlage von Bauteilen und/oder Baugruppen der Maschinen und/oder Geräte zueinander ohne daß die Einflüsse von Prozeßkräften während des Bearbeitungsvorgan ges des Werkstücks auf die Maschinen und/oder Geräte, der Einfluß des Spiels der Führungen und der Verschleiß zu Fehlern bei der Messung und Steuerung der Bauteile bzw. Baugruppen der Maschine führen, so daß sich eine sehr hohe Qualität der im Produktionsprozeß mit dieser Maschine herge stellten Werkstücke erzielen läßt. Darüberhinaus erfolgt die Messung auch kontinuierlich, so daß eine ständige Korrektur der Stellung der Bauteile und/oder Baugruppen der Maschinen und/oder Geräte erzielt wird.

Den Einfluß von Erwärmung oder Abkühlung der Bauteile und/oder Bauteil gruppen der Maschinen und/oder Geräte an den ausgewählten Meßorten mit maß- und/oder funktionsbestimmenden Oberflächen der Bauteile für die Abta steinrichtungen wird bei der vorliegenden erfindungsgemäßen Verbund meßeinrichtung durch die Befestigung jeder einzelnen Abtasteinrichtung am jeweiligen Meßort und die Befestigung der zweiten oder weiteren Maß- und Formverkörperung an der ersten Maß- und Formverkörperung 14 jeweils mit Hilfe eines eigenen thermisch neutralen Übertragungssystem 20 ausgeschaltet. Zu diesem Zweck ist das thermisch neutrale Übertragungssystem 20 derart aus gelegt, daß die an den Meßorten durch Wärme hervorgerufenen Änderungen an die an den Meßorten angebrachten Abtasteinrichtungen 15, 16, 17 und 19 mittels des jeweiligen Übertragungssystem 20 allein in Richtung der zu ermit telnden Werte einer Meßstrecke und/oder eines Meßwinkels durch Substrahie ren oder Addieren erfaßt, d. h. berücksichtigt und an die Abtasteinrichtungen weitergegeben werden. Die Übertragungssysteme 20 sind derart ausgelegt, daß alle weiteren durch Wärmeeinflüße hervorgerufene Änderungen, d. h. Än derungen nicht in Richtung der zu messenden Meßstrecke und/oder Meßwin kels an den Meßorten der Bauteile und/oder Bauteilgruppen durch eine ent sprechende Ausbildung des Übertragungssystem 20 zwischen Meßort und Abtasteinrichtung beziehungsweise zwischen der zusätzlichen oder weiteren Maß- und Formverkörperungen ausgeschaltet werden. Durch die systemati sche Anordnung von thermisch neutralen Übertragungssystemen an jedem Meßort zur Abtasteinrichtung und an jedem Übergang von einer zweiten oder weiteren Maß- und Formverkörperung zur ersten Maß- und Formverkörperung wird erreicht, den Einfluß thermischer Veränderungen bezüglich der zu ermit telnden Meßstrecken oder Meßpunkte zu berücksichtigen und weitere Wärme veränderungen in anderen als der Meßrichtung, die das Meßergebnis verfäl schen könnten, aus der Messung herauszuhalten.

Durch die erste Abtasteinrichtung 15 und durch die zweite Abtasteinrichtung 16 ist die erste Position x₁, z₁, ϕ₁ der Hauptspindel und die zweite Position x₂ z₂, ϕ₂ der Pinole in der xz-Ebene zur ersten Maß- und Formverkörperung 14 be kannt. Es läßt sich damit ohne großen rechentechnischen Aufwand mit der elektronischen Recheneinheit eine Verbindungsgerade zwischen Spindel und Pinole errechnen, wobei die errechnete Verbindungsgerade der wahren Dreh achse des zwischen Spindel und Pinole eingespannten Werkstückes sehr ge nau entspricht. Auf diese errechnete Verbindungsgerade werden dann alle Maße in x-Richtung bezogen. Die Maße in z-Richtung können je nach den Er fordernissen der Praxis auf die Position der Hauptspindel oder auf die der Pino le des Reitstocks bezogen werden. Mittels der dritten Abtasteinrichtung 17 auf dem Längsschlitten 2 werden die Positionen von x₃, z₃, ϕ₃ der Lage der zweiten Maß- und Formverkörperung 18 auf dem Längsschlitten 2 in der xz-Ebene zur ersten Maß- und Formverkörperung 14 gemessen. Mit der vierten Abtastein richtung 19 und der vierten Position x₄, z₄, ϕ₄ wird die Position des Querschlit tens zur zweiten Maß- und Formverkörperung 18 gemessen, da dessen Lage zur ersten Maß- und Formverkörperung 14 bereits bekannt ist, liegt auch die Beziehung zur errechneten Verbindungsgeraden Spindel-Pinole als bekannt vor. Durch die Meßergebnisse der Abtasteinrichtungen an den Meßorten wird die ermittelte Lage der Abtasteinrichtungen und/oder Maß- und Formverkörpe rungen und damit die Position der mittels der Meßorte verbundenen Bauteile und/oder Baugruppen der Maschinen und/oder der Geräte in einer Rechenein heit errechnet, wobei die Ausgangssignale der Recheneinheit zur Regulierung der Steuerung der Bauteile und/oder Baugruppen der Maschinen oder Geräte dienen.

Bezugszeichenliste

1

Verbundmeßeinrichtung

2

Bett

3

Bettführungen

4

Spindelkasten

5

Spindel

6

Spannfutter

7

Zentrierspitze

8

Spindellager

9

Reitstock

10

Reitstocklager

11

Pinole

12

Längsschlitten

13

Führung

14

erste Maß- und Formverkörperung

15

erste Abtasteinrichtung

16

zweite Abtasteinrichtung

17

dritte Abtasteinrichtung

18

zweite Maß- und Formverkörperung

19

vierte Abtasteinrichtung

20

thermisch neutrales Übertragungssystem

21

Querschlitten

22

Werkzeughalter

Claims

1. Meßsystem zur automatischen Erfassung von Positionen und zur Erzeu gung von Korrektursignalen für Positionsabweichungen von Bestandtei len von Maschinen und/oder Geräten, die mit Führungen versehen sind, ferner auf den Führungen durch Antriebe verfahrbare Bestandteile der Maschinen und/oder Geräte vorgesehen sind, dabei sind die Abtastmit tel an den verfahrbaren und feststehenden Bestandteilen der Maschinen und/oder Geräte befestigt und die Abtasteinrichtungen arbeiten kontinu ierlich während der Bearbeitungs-, Meß- und anderer Prozesse der Ma schinen und/oder Geräte, wobei parallel zu den Führungen Maßmittel verlaufen, die mit auf die Maßmittel ausgerichteten Abtastmitteln zur Ermittlung von Meßwerten erfaßt werden und die Meßwerte einer Kor rektur zum Erreichen der Sollwerte der Maschinen und/oder Geräte un ter Mithilfe eines Rechners und einer Regeleinheit dienen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verbundmeßeinrichtung (1) für alle Meßorte von maß- und/oder funktionsbestimmenden Bauteilen und/oder Baugruppen der Maschinen und/oder Geräte vorgesehen ist, daß an je weils örtlichen oder winkelmäßigen Lageveränderungen unterliegenden mehreren Meßorten an den Bauteilen oder Bauteilgruppen von Maschi nen und/oder Geräten jeweils Abtasteinrichtungen (15, 16, 17, 19) an gebracht und der Verbundmeßvorrichtung derart zugeordnet sind, daß die einzelnen Abtasteinrichtungen einerseits direkt und/oder daß die einzelnen Abtasteinrichtungen andererseits indirekt über zusätzliche Maß- und Formverkörperungen (18) ausschließlich einer einzigen näm lich der ersten Maß- und Formverkörperung (14) der Verbundmeßein richtung zugeordnet und damit die Meßwerte auf die erste Maß- und Formverkörperung (14) zurückbeziehbar ausgeführt sind, daß zu der ersten Maß- und Formverkörperung (14) jede zusätzliche Maß und Formverkörperung (18) in einem definierten Winkel zu der ersten Maß- und Formverkörperung (14) angebracht ist und daß die Verbindung der Abtasteinrichtungen (15, 16, 17, 19) an den Meßorten und die Befesti gung der zweiten (18) oder weiteren Maß- und Formverkörperungen an der ersten Maß- und Formverkörperung (14) jeweils mit Hilfe eines eige nen thermisch neutralen Übertragungssystem (20) erfolgt.

2. Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu vermessenden Bauteile und/oder Baugruppen zu einer als Werkzeug maschine,-Drehbank und dgl. ausgeführten Maschine gehören.

3. Meßsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die als Drehbank ausgeführte Maschine als Spitzendrehbank ausgeführt ist.

4. Meßsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das thermisch neutrale Übertragungssystem (20) derart ausgelegt ist, daß die an den Meßorten durch Wärme hervorgeru fenen Änderungen an die an den Meßorten angebrachten Abtasteinrich tungen (15, 16, 17, 19) und zwischen den Maß- und Formverkörperun gen mittels des jeweiligen Übertragungssystems (20) allein in Richtung der zu ermittelnden Werte einer Meßstrecke und/oder eines Meßwinkels durch Subtrahieren oder Addieren erfaßt und an die Abtasteinrichtungen (15, 16, 17, 18) weitergegeben werden und daß alle weiteren durch Wärmeeinflüße hervorgerufenen Änderungen an den Meßorten der Bauteile und/oder Bauteilgruppen durch die Ausbildung des Übertra gungssystem zwischen Meßort und Abtasteinrichtung bzw. zwischen Maß- und Formverkörperungen ausgeschaltet werden.

5. Meßsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verbundmeßvorrichtung (1) die Wegkoor dinaten und/oder Winkelmaße aller Meßorte mittels der Abtasteinrich tungen (15, 16, 17, 19) in Bezug auf die jeweils zugeordneten Maß- und Formverkörperungen (14, 18) gleichzeitig gemessen und daß die ermit telten Werte einer elektronischen Recheneinheit zur Auswertung über mittelt werden, wobei die Ausgangssignale der Recheneinheit zur Regu lierung der Steuerung der Maschinen und/oder Geräte dienen.

6. Meßsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Maß- und Formverkörperung (14) in ih ren Bessel'schen Punkten mit den Führungen derart verbunden ist, daß die erste Maß- und Formverkörperung (14) parallel zur Bettführung (3) liegt und daß bei der ersten Maß- und Formverkörperung (14) ein erster Befestigungspunkt als Festlager und ein zweiter Befestigungspunkt als Loslager in z-Richtung ausgebildet sind.

7. Meßsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Maß- und Formverkörperung (18) in ih ren Bessel'schen Punkten mit dem Längsschlitten derart verbunden ist, daß die zweite Maß- und Formverkörperung (18) parallel zur Führung (13) des Längsschlitten (12) liegt.

8. Meßsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen der ersten Maß- und Form verkörperung (14) und der zweiten Maß- und Formverkörperung (18) 90 Grad beträgt.

9. Meßsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der ersten Maß- und Formverkörperung (14) fol gende Bestandteile der Verbundmeßvorrichtung (1) direkt zugeordnet sind, nämlich eine erste Abtasteinreichtung (15), die an den Spindella gern (8) befestigt ist, ferner eine zweite Abtasteinrichtung (16), die an den Reitstocklagern (10) befestigt ist und schließlich eine dritte Abta steinrichtung (17), die starr an der zweiten Maß- und Formverkörperung (18) des Längsschlittens (12) befestigt ist, und daß eine vierte Abta steinrichtung (19) vorgesehen ist, die starr mit den Querschlitten (21) verbunden ist, und somit die vierte Abtasteinrichtung (19) der ersten Maß- und Formverkörperung (14) indirekt über die zweite Maß- und Formverkörperung (18) zugeordnet ist.

10. Meßsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsstrecken und/oder Bezugspunkte in x- bzw. z-Richtung zwischen den Meßorten an den Bauteilen und/oder Baugruppen der Maschinen und/oder Geräte aufgrund der gegenseiti gen starren Zuordnung der Maß- und Formverkörperungen (14, 18) mit den dazu gehörigen Abtasteinrichtungen (15, 16, 17, 19) frei wählbar sind.

11. Meßsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, da durch gekennzeichnet, daß die Verfahrbewegungen der Bauteile und/oder Bauteilgruppen der Maschinen und/oder Geräte linear verlau fen.

12. Meßsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, da durch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtungen (15, 16, 17, 19) berührungslos arbeiten.

13. Meßsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, da durch gekennzeichnet, daß die Maß- und Formverkörperungen (14, 18) aus temperaturunempfindlichen Material mit niedrigem Temperaturaus dehnungskoeffizienten ausgeführt sind, daß sie als Maßstab ausgeführt und daß sie absolut oder inkremental kodiert sind.

14. Meßsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, da durch gekennzeichnet, daß die absolute Position der ersten Maß- und Formverkörperung (14) als Folge von Verformungen und Verlagerungen des Maschinenbettes (2) veränderbar ausgeführt ist.