DE19801764C2 - Verfahren zum Bestimmen und Korrigieren der Zentrizitäts- bzw. der Lageabweichungen von Werkstücken sowie Vorrichtung zur Durchführung desselben - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren der im Ober­ begriff des Anspruches 1 genannten Art sowie eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruches 9 genannten Art.

Bei der Bearbeitung von Werkstücken ist es häufig erforder­ lich, diese mehrmals nacheinander neu auf Werkzeugmaschinen aufzuspannen, beispielsweise um vorbearbeitete Flächen nach­ zubearbeiten. Dabei ist es ganz wesentlich, daß das Werkstück bezüglich der Werkzeugspindel der jeweiligen Maschine exakt positioniert und ausgerichtet wird.

Es sind bereits in die Werkzeugspindel einspannbare Tast­ geräte bekannt, mit denen eine Exzentrizität von Zylinderflä­ chen (Bohrungen, Zapfen usw.) bzw. eine Lageabweichung einer Planfläche gegenüber der Werkzeugspindel bestimmt werden kön­ nen. Bei herkömmlichen Zentriergeräten bzw. Plantastgeräten werden die Abweichungen von dem umlaufenden Taster erfaßt; die Tasterauslenkungen werden mechanisch auf eine drehfeste Zeigeruhr übertragen und dort als Zeigerausschläge sichtbar gemacht. Die Bedienungsperson kann aus der Größe der Zeigerausschläge und der jeweiligen Spindelstellung, bei der die extremen Zeigerausschläge auftreten, auf die Größe und Richtung der Abweichung schließen und entsprechende Korrektu­ ren durchführen. Im Falle einer vorhandenen Exzentrizität werden Werkstück und Werkzeugspindel im allgemeinen in zwei zur Spindelachse senkrecht stehenden Maschinenachsenrichtun­ gen relativ zueinander verstellt; eine Lageabweichung wird im allgemeinen durch Verschwenken des Werkstückes bzw. der Werk­ zeugspindel um zwei senkrecht zur Spindelachse stehende Ach­ sen korrigiert.

Das bekannte Verfahren verlangt von der Bedienungsperson er­ hebliche Fertigkeiten und kann im allgemeinen nur von geübten Personen durchgeführt werden, da die Zeigerausschläge inter­ pretiert und daraus die richtigen Korrekturmaßnahmen abgelei­ tet werden müssen.

Die bekannten mechanischen Zentner- und Plantastgeräte sind zudem baulich sehr aufwendig, da die Auslenkungen des mit der Spindel umlaufenden Meßtasters auf eine drehfest angeordnete Zeigeruhr übertragen werden müssen. Schon geringe Toleranzen auf dem Übertragungsweg können sich zu einem Meßfehler sum­ mieren, welcher eine genaue Messung unmöglich macht. Ein wei­ terer Nachteil bekannter mechanischer Geräte wird auch darin gesehen, daß im allgemeinen höchstens zwei unterschiedliche Meßbereiche vorgesehen sind, die durch eine Grob- und eine Feinanzeige in Form von zwei Zeigern und zwei Skalen verwirk­ licht sind. Weitere Meßbereiche sind im allgemeinen nicht vorgesehen, da diese den Aufbau der Geräte weiter verkompli­ zieren würden.

Durch die DE 41 22 896.0 ist auch bereits ein Verfahren und ein Gerät der eingangs genannten Art bekannt, bei welchem der Zeigerausschlag herkömmlicher mechanischer Geräte elektrisch nachgebildet wird. Dabei sind an der Außen­ seite eines zylindrischen Gerätegehäuses in Achsenrichtung hintereinander eine Reihe von Signallampenanordnungen vorge­ sehen, die entsprechend dem Tasterausschlag aktiviert werden. Ausgehend von einer einer mittleren Tasterstellung entspre­ chenden mittleren Signallampenanordnung werden mit zunehmen­ der Tasterauslenkung weiter außen liegende Signallampenanord­ nungen aktiviert.

Die bekannte Vorrichtung unterscheidet sich hinsichtlich des Anwendungsverfahrens nicht von den mechanischen Geräten, so daß die Handhabung im allgemeinen nur geübten Personen mög­ lich ist.

Um die Notwendigkeit, die Anzeigeeinrichtung drehfest anzu­ ordnen, zu umgehen, sind bei der bekannten Vorrichtung die Signallampenanordnungen als das Gerätegehäuse ringförmig um­ gebende Lampenringe ausgebildet, die aus einer Vielzahl von einzelnen Lampen bestehen. Dadurch wird eine Ablesung bei je­ der Winkelstellung der Werkzeugspindel ermöglicht. Im be­ schriebenen Ausführungsbeispiel besteht jeder einzelne der 21 Anzeigeringe aus etwa 23 LCD-Elementen; insgesamt erfordert die gesamte Anzeigevorrichtung annähernd 500 LCD-Elemente, die in Ebenen montiert und auf jeder Ebene parallel verbunden sein müssen. Der für eine solche Verschaltung notwendige Auf­ wand ist beträchtlich. Jede Ebene erfordert eine ringförmige "gedruckte Schaltung", und alle 21 Ebenen müssen mit einer zentralen Leiterplatte verbunden sein, die ihrerseits die Ebenen ansteuert.

Um einen Batteriebetrieb zu ermöglichen, sind die Anzeigelam­ pen in stromsparender LCD-Technik ausgeführt. Bei höherer Drehzahl der Meßvorrichtung bewirkt die Einschaltträgheit der LCD-Elemente jedoch, daß der gewünschte Auf- und Ablauf der Anzeigeelemente nicht mehr als Verschiebung eines einzelnen Ringes sichtbar wird. Vielmehr werden die während der Messung am häufigsten angesteuerten LCD-Elemente im Bereich des mitt­ leren Ringes fast dauernd eingeschaltet erscheinen, während die Ringe, die die Spitzenwerte der Abweichung anzeigen sollen, kaum noch sichtbar sind, da sie nur kurzfristig auf­ leuchten. Eine Ausführung der Anzeige mit fast trägheitslosen Leuchtdioden (LEDs) verbietet sich aufgrund des Strombedarfes dieser Elemente. Ein weiterer Nachteil der hier unumgängli­ chen LCD-Technik ist, daß die erwähnten "andersfarbigen" LCD- Elemente nur als teure Sonderfertigungen erhältlich sind, da sich LCD-Elemente üblicher Bauart kaum in ihrer Farbe unter­ scheiden.

Ein anderes Problem liegt in der Umschaltung der Meßbereiche. Bei der bekannten Vorrichtung muß die Umschaltung der Berei­ che während einer Unterbrechung des Meßumlaufes vorgenommen werden. Auch für die erforderliche Nulleinstellung der Zähl­ schaltung muß offensichtlich der Meßumlauf unterbrochen und anschließend neu gestartet werden, was die Handhabung der Vorrichtung erschwert.

Die DE 40 31 559 A1 offenbart ein Verfahren zum Zentrieren von rotationssymmetrischen Teilen, demnach in einem Umlauf gemessene Lageabweichungen mit einem gespeicherten Wert verglichen werden. Das Vergleichsergebnis wird daraufhin auf einen Bildschirm mit Angabe der Änderungsrichtung dargestellt. Der gespeicherte Wert wird dabei vom Ergebnis einer Vermessung des Teils mit einem Koordinatenmeßgerät abgeleitet.

Die DE 34 26 304 A1 offenbart ein Verfahren zur automatischen Tasterjustierung in Verbindung mit dem Zentrieren eines Werkstücks. Auch nach diesem Verfahren wird die in einem Umlauf gemessene Lageabweichung mit einem gespeicherten Wert verglichen. Bei dem gespeicherten Wert handelt es sich um den berechneten Mittelwert der aus dem in einem ersten Umlauf der Werkzeugspindel gemessenen Lagewerte und die Anzeige wird von der Differenz aus diesem Mittelwert und den in weiteren Umläufen ermittelten Lagewerten abgeleitet.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art zu schaf­ fen, welches diesen gegenüber einfacher und auch von ungeüb­ ten Personen leicht durchzuführen ist, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, welche baulich und in der Handhabung einfacher ist.

Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist, daß der Be­ dienungsperson eigentlich nur angezeigt werden muß, ob sie beim Korrigieren einer vorhandenen Abweichung in die richtige Richtung (Abweichung kleiner) oder in die falsche Richtung (Abweichung größer) korrigiert. Eine Korrektur in der richti­ gen Richtung wird beispielsweise so lange fortgesetzt, bis die Anzeige umschlägt, womit für diese Korrekturbewegung die minimale Abweichung erreicht ist. Bei einer in zwei Achsen erforderlichen Korrekturbewegung wird zunächst in einer Ach­ senrichtung bis zum Erreichen einer minimalen Abweichung und sodann in der zweiten Achsenrichtung bis zum Abweichungsmini­ mum korrigiert. Damit ist die Korrektur abgeschlossen. Da die Bedienungsperson jeweils lediglich nur eine qualitative Anzeige zu beachten hat, ist die Handhabung der Vorrichtung äußerst einfach und auch von ungeübten Personen leicht durch­ führbar.

Das zur Lösung der oben genannten Aufgabe vorgesehene erfin­ dungsgemäße Verfahren sieht folgende Verfahrensschritte vor:

• a) bei jedem Umlauf des Meßtasters wird aus den Tasterauslen­ kungen die Absolutgröße der Abweichung bestimmt und für einen Vergleich gespeichert;
• b) die Abweichungen zweier aufeinanderfolgender Umläufe wer­ den verglichen;
• c) die Richtung einer von einem Umlauf zum anderen erfolgten Korrekturbewegung (Abweichung größer; Abweichung kleiner) wird bestimmt;
• d) es wird ein die jeweilige Richtung der Korrekturbewegung kennzeichnendes Richtungssignal erzeugt und ausgegeben;
• e) es wird eine Korrekturbewegung in Richtung "Abweichung kleiner" durchgeführt, bis diese Anzeige beispielsweise in "Abweichung größer" umschlägt. Die beim Umschlag erreichte Stellung ist die Stellung geringster Abweichung für die durchgeführte Korrekturbewegung.

Bei Vorliegen einer Abweichung in mehreren Maschinenachsrich­ tungen, im allgemeinen in Richtung der zur Spindelachse senk­ rechten X-Achse und Y-Achse, werden nacheinander Korrekturbe­ wegungen in jeder der Maschinenachsrichtungen bis zu einem Abweichungsminimum, d. h. bis zum Umschlag des Richtungs­ signals, durchgeführt. Damit ist innerhalb der Grenze der Meßgenauigkeit die Abweichung korrigiert.

Um der Bedienungsperson eine zusätzliche Orientierung über den Stand des Korrekturvorganges zu geben, ist in einer Aus­ gestaltung der Erfindung zusätzlich vorgesehen, daß für be­ stimmte Abweichungsgrößen und/oder Abweichungsgrößenbereiche jeweils ein diese kennzeichnendes Abweichungssignal erzeugt und ausgegeben wird. Diese Option ermöglicht es der Bedie­ nungsperson beispielsweise, bei einer großen Abweichung zunächst schnellere Korrekturbewegungen durchzuführen, und diese bei Annäherung an das Abweichungsminimum zu verlang­ samen.

In einer einfachen, für den manuellen Betrieb vorgesehenen Ausgestaltung werden die Richtungssignale und/oder die Abwei­ chungssignale als optische Signale ausgegeben, und die Kor­ rekturbewegungen werden manuell durchgeführt.

Das Verfahren sieht jedoch auch vor, daß zumindest die Rich­ tungssignale als NC-kompatible Signale für eine Eingabe in eine NC-Steuerung der Werkzeugmaschine ausgegeben werden, und daß die Korrekturbewegungen dann durch die NC-Steuerung durchgeführt werden.

Wie anhand eines Ausführungsbeispieles noch näher erläutert wird, ist es aus meßtechnischen Gründen günstig, wenn der Taster für einen Meßvorgang so an die Werkstückfläche ange­ legt wird, daß er etwa um die Hälfte seines möglichen Ausleg­ weges vorausgelenkt ist, und daß diese Vorauslenkung als Null-Auslenkung definiert wird. In diesem Fall ist in weite­ rer Ausgestaltung erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Zustand der Vorauslenkung um die Hälfte des möglichen Auslenkweges des Meßtasters optisch angezeigt wird. Damit diese Vorauslen­ kung für die Bedienungsperson einfach zu erzielen ist, gilt hier keine Schwelle, sondern ein konstruktiv festgelegter Toleranzbereich für diese Mittelstellung.

Für die Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens ist eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 9 vor­ gesehen, mit einer mit dem Meßtaster verbundenen elektrischen Meßanordnung, die umfaßt:

• a) eine Einrichtung zum Ermitteln der Größe einer vorhandenen Abweichung bei jedem Tasterumlauf;
• b) eine Einrichtung zum Speichern der Abweichungsgröße;
• c) eine Einrichtung zum Vergleichen zweier bei aufeinander­ folgenden Tasterumläufen berechneter Abweichungsgrößen sowie zum Ermitteln der Richtung einer von einem Tasterum­ lauf zum nachfolgenden Tasterumlauf erfolgten Korrektur (Abweichung größer; Abweichung kleiner);
• d) eine Einrichtung zum Ausgeben von die Richtung der Korrek­ tur kennzeichnenden Richtungssignalen.

Die unter a) bis d) beschriebenen Einrichtungen sind vorzugs­ weise in einer zentralen Verarbeitungseinheit zusammengefaßt, die beispielsweise als Mikroprozessor oder Mikrocontroller aufgebaut ist; die innerhalb dieser Verarbeitungseinheit lie­ genden Funktionsblöcke sind nicht alle als physikalische Bau­ teile vorhanden, sondern werden vom Arbeitsprogramm der Ver­ arbeitungseinheit nachgebildet.

Wie weiter vorne bereits beschrieben wurde, ermittelt die zentrale Verarbeitungseinheit aus der Tasterauslenkung eines Tasterumlaufes die Absolutgröße der vorhandenen Abweichung, . vergleicht diese mit einer beim nachfolgenden Tasterumlauf ermittelten Abweichungsgröße und stellt fest, ob zwischen den beiden Tasterumläufen die Abweichung größer oder kleiner wurde. Dieses Ergebnis wird der Bedienungsperson in Form eines die Richtung der Korrektur kennzeichnenden Richtungs­ signals angezeigt. Mit diesem Signal ist sie in der Lage, die Abweichung zu korrigieren, wie weiter vorne beschrieben wurde.

Mit Hilfe der zentralen Verarbeitungseinheit ist es auch in einfacher Weise möglich, unterschiedliche Meßbereiche oder Meßempfindlichkeiten einzustellen.

Für die Anzeige der die Richtung einer Korrektur kennzeich­ nenden Richtungssignale sind erfindungsgemäß zwei Signallam­ pen unterschiedlicher Farbe vorgesehen. Diese sind vorzugs­ weise grün für eine richtige Korrekturbewegung und rot für eine falsche Korrekturbewegung.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Einrichtung zum Ausgeben jeweils eines bestimmte Abweichungsgrößen und/oder bestimmte Abweichungsgrößenbereiche kennzeichnenden Abweichungssignals vorgesehen. Die die Abweichungsgrößenbe­ reiche kennzeichnenden Abweichungssignale geben der Bedie­ nungsperson eine leicht zu interpretierende Information über den Stand des Korrekturvorganges. Die bestimmte Abweichungs­ größen kennzeichnenden Abweichungssignale dienen vorzugsweise dazu, bestimmte voreingestellte Werte der Abweichung zu kenn­ zeichnen, z. B. einen bestimmten zulässigen Toleranzwert für die Abweichung, wie anhand des Ausführungsbeispieles noch ge­ nauer beschrieben wird.

Die die Abweichungsgrößenbereiche kennzeichnenden Abwei­ chungssignale werden vorzugsweise durch Signallampen mit un­ terschiedlichen Taktfrequenzen dargestellt, wobei die Takt­ frequenz sich etwa bei einer Annäherung an ein Abweichungsmi­ nimum von einer niedrigen Frequenz zu einer höheren Frequenz ändert.

Für die Anzeige der bestimmte Abweichungsgrößen kennzeichnen­ den Abweichungssignale sind vorzugsweise Signallampen unter­ schiedlicher Farben vorgesehen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung werden die Signallampen für die Anzeige der Richtungssignale zusätzlich für die An­ zeige von Abweichungsgrößenbereichen getaktet. Auf diese Weise kann die Anzahl der vorhandenen und durch die Bedie­ nungsperson zu beobachtenden Signallampen reduziert und leichter erfaßbar gemacht werden.

Um die erfindungsgemäße Vorrichtung auch für eine automati­ sche Korrektur von Abweichungen einsetzen zu können, ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß die Meß­ anordnung eine Einrichtung zum Umwandeln der Richtungssignale bzw. gegebenenfalls der Abweichungssignale in NC-kompatible Steuersignale für die Eingabe in eine NC-Steuerung aufweist.

Um die Auswertung und Anzeige räumlich von dem Meßort trennen zu können, ist in weiterer Ausgestaltung vorgesehen, daß die Meßanordnung zwei Funktionsblöcke umfaßt, deren erster einen mit dem Meßtaster verbundenen elektrischen Meßwertgeber und deren zweiter eine Auswerteeinheit aufweist, die mit einer NC-Steuerung und gegebenenfalls mit einer Anzeigeeinheit ver­ bindbar ist, wobei die beiden Funktionsblöcke über eine drahtlose Signalübertragungsstrecke (z. B. Funk, Ultraschall, Infrarot) miteinander verbindbar sind.

Der mit dem Meßtaster verbundene elektrische Meßwertgeber wird erfindungsgemäß vorzugsweise durch einen Dehnungsmeß­ streifen gebildet, welcher auf einer einseitig eingespannten Blattfeder angeordnet ist; die Blattfeder wird vom Meßtaster - ausgehend von einer gestreckten Mittelstellung - in zwei entgegengesetzte Richtungen ausgelenkt, so daß der Dehnungs­ meßstreifen entweder gedehnt oder gestaucht wird.

In weiterer Ausgestaltung sind der Blattfeder zwei Zusatz­ federn zugeordnet, deren eine in einer Auslenkrichtung und deren andere in der anderen Auslenkrichtung vorgespannt ist. Auf diese Weise ist auch in der Neutrallage der Blattfeder bereits eine definierte, von Null verschiedene Auslenkkraft erforderlich, so daß ein indifferenter Zustand vermieden wird.

Die Signallampen sind vorzugsweise in einer der Drehachse der Vorrichtung nahen Position unter einer gemeinsamen Abdeckung aus einem mattierten durchscheinenden Material angeordnet. Das Licht der Signallampe wird von dieser Abdeckung gleich­ mäßig in alle Richtungen gestreut, so daß auch bei einer Dre­ hung der Vorrichtung im wesentlichen kein durch die Drehung verursachter nachteiliger Effekt auftritt.

Als Signallampen können lichtstarke, in vielen Farben zur Verfügung stehende Leuchtdioden (LED) verwendet werden, wobei wegen der geringen Zahl erforderlicher Leuchtdioden und damit wegen eines geringen Strombedarfes ein Batteriebetrieb ohne weiters möglich ist.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und der Zeichnung, auf die bezüg­ lich der Offenbarung aller nicht im Text beschriebenen Ein­ zelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Seitenansicht einer erfindungsge­ mäßen Vorrichtung, die als Zentriergerät und als Plantastgerät verwendbar ist;

Fig. 2 in vergrößerter teilweise geschnittener Darstellung eine Draufsicht auf die Anzeigelampen und deren Ab­ deckung;

Fig. 3 schematisch eine Schaltungsanordnung für die Vor­ richtung der Fig. 1;

Fig. 4 schematisch eine andere Ausgestaltung einer Schal­ tungsanordnung für die Vorrichtung gemäß Fig. 1.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung kann als Zentriergerät und als Plantastgerät eingesetzt werden. Sie umfaßt ein all­ gemein mit 2 bezeichnetes Gehäuse, welches im wesentlichen aus einem oberen Gehäuseteil 4 und einem unteren Gehäuseteil 6 besteht. Der obere Gehäuseteil 4 weist an seiner Oberseite einen Einspannzapfen 8 auf, welcher in die Werkzeugaufnahme einer Werkzeugmaschinenspindel eingespannt werden kann. Zwi­ schen einem oberen Flanschabschnitt 10 und einem unteren Flanschabschnitt 12 ist ein hohlzylindrischer Mittelabschnitt 14 angeordnet. Im Inneren des Mittelabschnittes befindet sich eine allgemein mit 16 bezeichnete Anzeigeeinrichtung, die weiter unten genauer erläutert wird.

Der untere Gehäuseteil 6 nimmt eine platinenartige, elektro­ nische Verarbeitungseinheit 18 sowie eine Batterieanordnung 20 zur elektrischen Versorgung der Vorrichtung auf. Die Verarbeitungseinheit 18 ist über Verbindungsleitungen 22 mit der Anzeigeeinrichtung 16 verbunden.

An der Unterseite des unteren Gehäuseteils 6 ist über nicht näher dargestellte Führungen ein Schlitten 24 in Richtung des Doppelpfeiles radial verschiebbar gelagert, an welchem der Meßtaster 28 angeordnet ist. Durch Verschieben des Schlittens 24 kann der Meßtaster 28 an eine zur Werkzeugspindelachse 30 im wesentlichen koaxiale Zylinderinnenfläche bzw. Zylinder­ außenfläche angelegt werden, wie an sich bekannt ist.

Im Inneren des Schlittens 24 ist in einem Spannblock 32 eine elastische Blattfeder 34 einseitig eingespannt. Auf einer Seite der Blattfeder 34 ist ein Dehnungsmeßstreifen 36 befe­ stigt, beispielsweise aufgeklebt, welcher über eine flexible Verbindungsleitung 38 mit der Verarbeitungseinheit 18 verbun­ den ist. Das freie Ende der Blattfeder 34 greift über zwei reibungsvermindernde Rollenkörper 40 in eine Gabel 42 ein, die im Schlitten 24 um eine quer zur Werkzeugspindelachse 30 stehende Schwenkachse 44 in Richtung des Doppelpfeiles 46 schwenkbar gelagert ist. Der Meßtaster 28 ist über eine nicht näher dargestellte Reibschlußverbindung mit der Gabel 42 ver­ bunden, so daß die Auslenkungen des Meßtasters 28 auf die Ga­ bel 42 übertragen werden. Die Schwenkbewegung der Gabel 42 und damit deren mechanischer Meßbereich ist durch zwei An­ schläge 48, 50 begrenzt. Wenn sich die Gabel 42 an einen der Anschläge 48, 50 anlegt, führt eine weitere Auslenkung des Meßtasters 28 dazu, daß sich dieser unter Überwindung der Reibschlußverbindung gegenüber der Gabel 42 verstellt.

Der Schlitten 24 kann in jeder Verschiebestellung durch eine Feststelleinrichtung 52 arretiert werden.

Der Blattfeder 34 sind zwei Zusatzfedern 37, 39 zugeordnet, die auch als Blattfedern ausgebildet sind. Die Zusatzfeder 37 ist in der Auslenkrichtung nach unten, die Zusatzfeder 39 in der Auslenkrichtung nach oben vorgespannt, so daß auch im Neutralzustand der Blattfeder 34 die Anfangskraft bei einer Auslenkung nicht Null sondern durch die Federkraft der jewei­ ligen Zusatzfeder definiert ist.

Die Stromversorgung der Vorrichtung durch die Batterieanord­ nung 20 kann durch einen Hauptschalter 54 ein- bzw. ausge­ schaltet werden.

Fig. 2 zeigt die Anzeigeeinrichtung 16 in einer Schnittdar­ stellung entsprechend der Schnittlinie II-II in Fig. 1. Sie besteht im dargestellten Ausführungbeispiel im wesentlichen aus drei Anzeigelampen 56a, 56b und 56c. Die beiden Anzeige­ lampen 56a und 56b dienen zur Ausgabe eines Richtungssignals, während die Anzeigelampe 56c ein Abweichungssignal abgibt. Die Anzeigelampe 56a hat beispielsweise eine grüne Farbe und zeigt an, daß in der richtigen Richtung (Abweichung kleiner) korrigiert wird. Die Anzeigelampe 56b hat beispielsweise eine rote Farbe und zeigt an, daß in der falschen Richtung (Abweichung größer) korrigiert wird. Die Anzeigelampe 56c hat beispielsweise eine gelbe Farbe und zeigt an, daß eine be­ stimmte, vorgegebene Abweichungsgröße unterschritten worden ist.

Wie weiter vorne bereits beschrieben wurde, erhalten die Signallampen 56a und 56b zusätzlich die Funktion, Abwei­ chungssignale auszugeben. Sie werden zu diesem Zweck mit un­ terschiedlichen Blinkfrequenzen getaktet, wobei die Blinkfre­ quenz z. B. höher wird, je geringer die Abweichung ist, wie noch näher erläutert werden wird.

Die Signallampen 56a bis 56c sind unter einer Abdeckung 58 aus einem durchscheinenden, matten Material angeordnet. Diese Abdeckung bewirkt, daß das Licht der jeweils leuchtenden Signallampe gleichmäßig in alle Richtungen gestreut wird, so daß ein nachteiliger Effekt infolge der Drehung um die Werk­ zeugspindelachse 30 nicht gegeben ist.

Die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird im fol­ genden anhand der Fig. 1 beschrieben, die die Vorrichtung in der Konfiguration als Zentriergerät zeigt. Nach dem Einschal­ ten zeigt die Anzeigeeinrichtung 16 zunächst mit "Dauerlicht rot" die Betriebsbereitschaft an. Um beispielsweise eine ge­ genüber der Werkzeugspindelachse exzentrische Bohrung zu zen­ trieren, wird der Schlitten 24 radial nach außen verschoben, bis der Meßtaster 28 an der Bohrungswand anliegt. Sodann wird der Schlitten 24 weiter verschoben, bis der Meßtaster 28 auf die Hälfte seines maximalen Auslenkweges vorgespannt ist. Die Elektronik der Vorrichtung zeigt diesen Status mit "Dauerlicht grün" an. Damit diese Voreinstellung für die Be­ dienungsperson leicht gefunden werden kann, gilt hier kein Schwellenwert sondern ein vorgegebener Abweichungsgrößenbe­ reich. Wenn dieser Zustand der halben Meßtasterauslenkung für eine gewisse Zeit (z. B. 2 Sekunden) beibehalten worden ist, schaltet die Elektronik in den Meßzyklus um und die Spindel kann anlaufen.

Während der Drehung der Vorrichtung mit der Werkzeugspindel liegt der Meßtaster an der zylindrischen Innenfläche des Werkstückes an und ermittelt nach jeder vollständigen 360°- Drehung die Absolutgröße der Abweichung. Dieser Betrag wird von der Auswerteeinheit für einen Vergleich mit der Abwei­ chung bei der nächsten Drehung gespeichert. Der kontinuierli­ che Vergleich zweier aufeinanderfolgender Meßwerte liefert die Grundlage für die Farb- und Blinkfrequenz der Anzeige­ lampen.

Bei einer Korrektur in der "richtigen" Richtung leuchtet die grüne Anzeigelampe 56a, und zwar mit einer Blinkfrequenz, die ein Maß für die noch vorhandene Exzentrizität ist. Durch die Auswahl geeigneter, leicht unterscheidbarer Blinkfrequenzen, etwa 1 Hz, 2 Hz, 4 Hz, 8 Hz, 16 Hz usw. können ohne konstruk­ tiven Aufwand mehrere Bereiche für den aktuellen Zentriersta­ tus geschaffen werden. Um die vom Auge empfundene Intensität des Blinkens bei allen Frequenzen aneinander anzugleichen, führt die Steuerungslogik der erfindungsgemäßen Vorrichtung zusätzlich eine Puls/Pausenveränderung durch.

Mit geringer werdender Abweichung nimmt die Blinkfrequenz zu, bis sie schließlich bei optimalem Abgleich "Dauerlicht grün" anzeigt. Bei einer weiteren Korrekturbewegung in der gleichen Richtung schlägt die Anzeige in schnellblinkendes rot um.

Häufig besteht nicht der Wunsch, eine Zentrierung der Werk­ zeugspindel bis zum Maximum an erreichbarer Genauigkeit durchzuführen, sondern nur eine Exzentrizität unterhalb eines Toleranzwertes von beispielsweise weniger als 20 Mikron sicherzustellen. Eine solche vorgegebene Abweichungsgröße wird im dargestellten Ausführungsbeispiel durch die gelbe Signallampe 56c angezeigt, die bei Erreichen dieses Wertes ein Dauerlicht abgibt. Die Bedienungsperson korrigiert bei­ spielsweise die Exzentrizität, bis statt einer bestimmten grünen Blinkfrequenz Dauerlicht gelb aufleuchtet, womit ange­ zeigt wird, daß die Exzentrizität im zulässigen Toleranzbe­ reich liegt. Wird dennoch eine höhere Genauigkeit gewünscht, führt eine weitere Korrektur in der richtigen Richtung zu schnellerem Blinken "grün" und schließlich zum Optimum, näm­ lich Dauerlicht "grün".

Um das Gerät als Plantastgerät einzusetzen, wird der Meßta­ ster gegen die Reibkraft um die Schwenkachse 44 in eine im wesentlichen waagerechte Stellung verstellt, so daß er auf eine zur Werkzeugspindelachse 30 querstehende, zu messende Planfläche aufgelegt werden kann.

Fig. 3 zeigt eine Schaltungsanordnung für die Vorrichtung der Fig. 1. Über die Kabelverbindung 60 erreicht das niederpege­ lige Exzentrizitätssignal aus einer Brückenanordnung 62, von der wenigstens ein Element durch den Dehnungsmeßstreifen 36 gebildet wird, einen Verstärker 64, dem ein analoger Tiefpaß 66 zur Ausfilterung von audiofrequentem Rauschen und HF-Stö­ rungen nachgeschaltet ist. Danach wird das auf einen Pegel im Voltbereich angehobene Signal im Analog-Digital-Wandler 68 in binäre Form umgesetzt. Über einen Datenbus 79 gelangt es zur zentralen Verarbeitungseinheit 72. Diese besteht hardware­ seitig aus einem in bekannter Art als Mikroprozessor oder Mikrocontroller aufgebauten zentralen Verarbeitungs- und Steuerungsteil 74 mit RAM- und ROM-Speicher und einer Viel­ zahl von peripheren Anschlüssen, sowie einem Arbeitsprogramm für diesen Steuerungsteil. Die innerhalb dieser Verarbei­ tungseinheit 72 liegenden Funktionsblöcke sind nicht alle physikalisch vorhanden, sondern werden vom Arbeitsprogramm des Steuerungsteils nachgebildet; der Steuerungsteil 74 kon­ trolliert den A/D-Wandler 68 über Steuerleitungen 76 und emp­ fängt über den Datenbus 70 die binär-gewandelten Informatio­ nen über einen digitalen Tiefpaß 78 vom A/D-Wandler. Aufgabe dieses Tiefpaß 78 ist die Befreiung des Nutzsignals von allen Frequenzanteilen, die oberhalb eines erwünschten Frequenzban­ des liegen, sowie die Integration von zu schnellen Signal­ wechseln, wie sie beispielsweise durch die Oberflächenrauhig­ keit des Werkstückes oder auch durch mechanische Störungen, etwa kurze Stöße, entstehen. Weiterhin erhält die Elektronik durch die software-generierte Filterfunktion hohe Immunität gegen elektrische Spannungsspitzen aus der Arbeitsumgebung, z. B. Schaltflanken anlaufender Motoren oder Streufelder der Drosseln von Leuchtstofflampen.

Das bandbegrenzte Signal aus dem Tiefpaß 78 wird zwei Funk­ tionsblöcken 80, 82 zugeführt, wobei der Funktionsblock 80 während jedes Meßumlaufes der Vorrichtung den Maximalwert des gemessenen Signals, der Funktionsblock 82 den Minimalwert er­ mittelt und speichert.

Bei völliger Deckung der Werkzeugspindelachse und der Achse der zu zentrierenden Fläche wird von den beiden Funktions­ blöcken ein identischer Zahlenwert geliefert. Der an­ schließende Verarbeitungs- und Steuerungsteil 74, welcher die Differenz der Maximal- und Minimalwerte einer vollständigen Messung bildet, zeigt in diesem Fall den Fehlerwert "Null"; bei vorhandener Exzentrizität steht am Ausgang des Verarbei­ tungs- und Steuerungsteils 20 nach jedem Meßumlauf die abso­ lute Fehlergröße zur Verfügung. Sie gelangt zu einer Bewer­ tungs- und Fehleranzeigeeinheit 84, in der auch der Fehler­ wert des vorhergehenden Umlaufes gespeichert ist. Je nach der Veränderung des neuen Fehlers gegenüber diesem vorherigen Fehler erfährt das Signal hier die Klassifizierung nach rich­ tig oder falsch für die jeweilige Korrekturrichtung in einer der Maschinenachsen, sowie die Verknüpfung mit einer Blink­ frequenz aus dem Taktgenerator 26, falls eine untere Abwei­ chungsschwelle überschritten ist.

Über Treiberschaltungen 88 erreichen die resultierenden Mel­ designale die Anzeigelampen 56a bis 56c.

Um Störungen der extrem niederpegeligen Analogsignale zu ver­ meiden, wird der gesamte Digitalteil der Vorrichtung, das sind die Baugruppen 68, 72 sowie der Spannungskonverter 90, mit einem einzigen Taktsignal betrieben. Dieses liefert der Taktgenerator 92. Der zentrale Takt ist zugleich auch die Zeitreferenz für alle zeitgesteuerten Aktivitäten des zentra­ len Verarbeitungs- und Steuerungsteils 74, beispielsweise die digitale Filterung.

Aus dem Spannungskonverter 90 erhalten die Baugruppen 64, 66 und 68 die erforderliche negative Betriebsspannung über die Leitungen 94, während über die Leitungen 96 die positive Be­ triebsspannung zugeführt wird. Da sowohl die Meßbrücke 62 als auch die Referenzspannung für den Analog-Digital-Wandler 68 mit derselben positiven Betriebsspannung versorgt werden, ar­ beitet die Vorrichtung insgesamt in einem gewissen Bereich ratiometrisch, d. h. mit gleichbleibender (auch absoluter) Auflösung, wenn die Betriebsspannung bei Batteriebetrieb all­ mählich absinkt.

Fig. 4 ist eine andere Ausgestaltung einer Schaltungsanord­ nung. Diese Ausgestaltung ermöglicht es, die Messung der Abweichung einerseits und die Verarbeitung andererseits räum­ lich getrennt voneinander unterzubringen. Eine derartige Va­ riante ist insbesondere für den Fall vorgesehen, daß die Kor­ rektur der Abweichung automatisiert, d. h. durch die Maschine selbst gesteuert werden soll. Die Abweichung wird nicht mehr ausschließlich einer Bedienungsperson mittels optischen Steu­ ersignalen übermittelt, nach denen sie das Fehlersignal mini­ miert, sondern die Steuerung der Maschinenachsen kann direkt durch Einleitung des in der Bewertungs- und Fehleranzeigeein­ heit berechneten Korrektursignals an die NC-Steuerung der Ma­ schine erfolgen.

Die Vorrichtung wird dazu in einen in der Werkzeugspindel eingespannten Funktionsblock A und einen stationären Funkti­ onsblock B aufgeteilt. Die Bauelemente 62, 64 und 66 des Funktionsblockes A entsprechen den gleichnamigen Bauelementen der Fig. 3. Das den Tiefpaß 66 verlassende Meßsignal wird in an sich bekannter Weise in einer Sendeeinheit 98 moduliert und drahtlos an eine Empfangs- und Dekodiereinheit 100 über­ mittelt, die Bestandteil des Funktionsblockes B ist und vom Funktionsblock A räumlich getrennt sein kann.

Die der Empfangs- und Dekodiereinheit 100 nachgeordneten Bau­ elemente des Funktionsblockes B entsprechen wiederum den gleichnamigen Bauelementen der Fig. 3.

Für die Verarbeitung in einer NC-Steuerung besitzt die zen­ trale Verarbeitungseinheit 72 einen nachgeschalteten Pegel­ konverter 102, der die Weitergabe von Steuerpegeln oder Steuerimpulsen an die entsprechenden Eingänge der NC-Steue­ rung ermöglicht.

Wie Fig. 4 erkennen läßt, können auch bei einer direkten Ma­ schinensteuerung die Signallampen 56a bis 56c zur optischen Kontrolle erhalten bleiben.

Eine Ausgestaltung der gesamten Vorrichtung in zwei Funkti­ onsblöcke A und B kann auch dann sinnvoll sein, wenn keine direkte NC-Steuerung möglich oder gewünscht ist. Der Benutzer kann in diesem Fall den Funktionsblock B räumlich getrennt vom Funktionsblock A anordnen, beispielsweise in einem zen­ tralen Maschinenhaus oder im Bereich einer Schalttafel für die Maschine.

Claims (23)

1. Verfahren zum Korrigieren der Lageabweichungen einer rotationssymmetrischen Werkstückfläche bezüglich der Werkzeugspindelachse einer Werkzeugmaschine, wobei die Werkstückfläche mittels eines radial auslenkbaren Meßtasters eines in die Werkzeugspindel eingespannten und mit dieser umlaufenden Gerätekörpers abgetastet wird und die Tasterauslenkungen als Meßgrößen ausgegeben werden, und wobei durch eine relative Verstellung der Werkzeugspindel und des Werkstückes gegeneinander eine Korrekturbewegung derart erfolgt, daß die Lageabweichung minimiert wird, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

• a) bei jedem Umlauf des Meßtasters wird aus den Tasteraus­ lenkungen die Absolutgröße der Lageabweichung bestimmt und für einen Vergleich gespeichert;
• b) die Absolutgrößen der Lageabweichungen zweier aufeinanderfolgender Umläufe werden verglichen;
• c) die Änderungsrichtung der Absolutwerte der Lageabweichungen einer von einem Umlauf zum anderen erfolgten Korrekturbewegung ("Abweichung größer" bzw. "Abweichung kleiner") wird bestimmt;
• d) es wird ein die jeweilige Änderungsrichtung kennzeichnendes Richtungssignal erzeugt und ausgegeben;
• e) es wird eine weitere Korrekturbewegung in der Richtung durchgeführt, für die das Richtungssignal eine Verringerung der Lageabweichung anzeigt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorliegen einer Lageabweichung in mehreren Maschinenachsrichtungen nacheinander Korrekturbewegungen in jeder der Maschinenachsrichtungen bis zu einem jeweiligen Lageabweichungsminimum, d. h. bis zum Umschlag des Richtungssignals durchgeführt werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß für bestimmte Lageabweichungsbereiche jeweils ein diese kennzeichnendes Lageabweichungssignal erzeugt und ausgegeben wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Richtungssignale und/oder die Lageabweichungssignale als optische Signale ausgegeben und die Korrekturbewegungen manuell durchgeführt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zumindest die Richtungssignale als NC- kompatible Signale zur Eingabe in eine NC-Steuerung der Werkzeugmaschine ausgegeben und die Korrekturbewegungen durch die NC-Steuerung durchgeführt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß für einen Meßvorgang der Meßtaster so an die Werkstückfläche angelegt wird, daß er etwa um die Hälfte seines möglichen Auslenkweges vorausgelenkt ist, und daß diese Vorauslenkung als Null-Auslenkung definiert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Zustand der Vorauslenkung um die Hälfte seines möglichen Auslenkweges optisch angezeigt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Vorauslenkung einen Auslenkungsbe­ reich umfaßt.

9. Vorrichtung zum Korrigieren der Lageabweichungen einer rotationssymmetrischen Werkstückfläche bezüglich der Werkzeugspindelachse einer Werkzeugmaschine, umfassend einen in die Werkzeugspindel einspannbaren Gerätekörper mit einem daran angeordneten, an die Werkstückfläche anlegbaren, radial auslenkbaren Meßtaster und eine mit dem Meßtaster verbundene elektrische Meßanordnung, welche die Auslenkungen des Meßtasters in elektrische Meßgrößen um­ wandelt und aus den Meßgrößen abgeleitete elektrische Signale ausgibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßanord­ nung umfaßt:

• a) eine Einrichtung zum Ermitteln der Absolutgröße einer vorhandenen Lageabweichung bei jedem Meßtasterumlauf;
• b) eine Einrichtung zum Speichern der Absolutgröße der Lageabweichung;
• c) eine Einrichtung zum Vergleichen zweier bei aufeinan­ derfolgenden Meßtasterumläufen berechneter Absolutgrößen der Lageabweichung sowie zum Ermitteln der Richtung einer von einem Meßtasterumlauf zum nachfolgenden Meßtasterumlauf erfolgten Korrekturbewegung ("Abweichung größer" bzw. "Abweichung kleiner");
• d) eine Einrichtung zum Erzeugen und Ausgeben von die jeweilige Änderungsrichtung kennzeichnenden Richtungssignalen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß für die Anzeige der die Änderungsrichtung kennzeichnenden Richtungssignale ("Abweichung größer" bzw. "Abweichung kleiner") zwei Signallampen unterschiedlicher Farbe vorgesehen sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeich­ net, daß eine Einrichtung zum Ausgeben jeweils eines bestimmte Absolutgrößen der Lageabweichung und/oder bestimmte Bereiche der Absolutgrößen des die Lageabweichung kennzeichnenden Lageabweichungssignals vorgesehen ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß für die Anzeige der bestimmten Absolutgrößen der Lageabweichung kennzeichnenden Lageabweichungssignale Signallampen vorgesehen sind, die mit unterschiedlichen Taktfrequenzen getaktet werden.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß für die Anzeige der bestimmten Absolutgrößen der Lageabweichung kennzeichnenden Lageabweichungssignale Signallampen unterschiedlicher Farben vorgesehen sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Signallampen für die Anzeige der Rich­ tungssignale zusätzlich für die Anzeige von Bereichen der Absolutgrößen der Lageabweichung getaktet werden.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 und 10 bzw. 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßanordnung eine Einrichtung zum Umwandeln der Richtungssignale bzw. gege­ benenfalls der Lageabweichungssignale in NC-kompatible Steuersignale für die Eingabe in eine NC-Steuerung aufweist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßanordnung zwei Funktionsblöcke umfaßt, deren erster einen mit dem Meßtaster verbundenen elektrischen Meßwertgeber und deren zweiter eine Auswer­ teeinheit aufweist, und daß die beiden Funktionsblöcke über eine drahtlose Signalübertragungsstrecke miteinander verbindbar sind.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßanordnung einen mit dem Meßta­ ster verbundenen elektrischen Meßwertgeber umfaßt, wel­ cher durch einen Dehnungsmeßstreifen gebildet wird.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßtaster mit dem freien Ende einer einseitig einge­ spannten Blattfeder gekoppelt ist, und daß der Dehnungs­ meßstreifen auf einer Seite der Blattfeder angeordnet ist, und daß die Blattfeder - ausgehend von einer einer Mittelstellung des Meßtasters entsprechenden gestreckten Stellung in beiden Richtung auslenkbar ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Blattfeder zwei Zusatzfedern zugeordnet sind, deren eine in einer Auslenkrichtung und dessen andere in der anderen Auslenkrichtung der Blattfeder vorgespannt ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Signallampen in einer der Dreh­ achse der Vorrichtung (Spindelachse) nahen Position unter einer gemeinsamen Abdeckung aus einem mattierten durch­ scheinenden Material angeordnet sind.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßtaster über eine reibschlüs­ sige Verbindung mit einer Betätigungsklaue verbunden ist, in die die Blattfeder eingreift, und daß Anschlage für die Begrenzung der Schwenkbewegung der Betätigungsklaue vorgesehen sind.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßtaster an einem am Gerätege­ häuse radial zur Drehachse (Spindelachse) verstellbaren und arretierbaren Schlitten angeordnet ist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lageabweichungssignale durch Leuchtbalken-Anzeigen dargestellt werden, wobei eine größere Anzahl leuchtender Balken einer größeren Lageabweichung entspricht.