DE2000005A1

DE2000005A1 - Device for measuring the form and position deviations of surfaces of rotation

Info

Publication number: DE2000005A1
Application number: DE19702000005
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dipl-Ing Bressel; Werner Prof Dr Lotze
Original assignee: Jenoptik Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1970-01-02
Filing date: 1970-01-02
Publication date: 1971-07-08

Description

Vorrichtung zur Messung der Form- und Lageabweichungen von Rotationsflächen Die Erfindllng betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Form- und Lageabweichungen von Rotationsflächen an Werkstücken. Device for measuring the shape and position deviations of surfaces of revolution The invention relates to a device for measuring deviations in shape and position of surfaces of rotation on workpieces.

Die Ermittlung der Form- und Lageabweichungen von Rotationsflächen an Prüflingen wird im allgemeinen mittels Zweipunkt-, Dreipunkt-, Meßring-, Rundlauf- oder Präzisionsspindel-Geräten durchgeführt, wobei angestrebt wird, an zlr Prüflingsachse senkrechten suerschnitten die Exzentrizität und die Abweiohungen von der Kreisform zu messen oder aufzuzeichnen. The determination of the form and position deviations of surfaces of revolution on test objects is generally carried out by means of two-point, three-point, measuring ring, concentricity or precision spindle devices, whereby the aim is to use zlr test object axis vertical intersections the eccentricity and the deviations from the circular shape measure or record.

Zweipunkt- bzw. Dreipunktgeräte, bei denen sich der auf einem bzw. zwei Punkten der Meßvorrichtung aufliegende Prüfling unter einem Meßtaster um die Prüflingsachse dreht, liefern keine direkten Aussagen über die ttsächlichenForm- und Lageabweichungen. Two-point or three-point devices, in which the two points of the measuring device resting test object under a probe around the Axis rotates, do not provide any direct information about the actual shape and positional deviations.

Zur Messung der Kreisformabweichung mittels Meßring wird ein geschlossener oder aufklappbarer Ring, dessen Innenfläche praktisch formfehlerfrei ist und dessen Durchmesser mit dem su messenden Prüfling über einstimmt und der an einer Stelle zur Diirchfdhrung eines die Formabweichungen aulnehmenden Tasters durch bohrt ist, auf den Prüfling aufgebracht, so daß er sioh an deren höchsten Erhebungen zentriert. Bei gegenseitiger Drehung werden vom Taster die Abweichungen vom Hüllkreis aufgenommen und mittels geeigneter Vorrichtungen angezeigt oder aufgeschrieben. A closed ring is used to measure the circularity deviation by means of a measuring ring or hinged ring, the inner surface of which is practically free from defects and whose Diameter coincides with the test item to be measured and that at one point is drilled through to guide a probe that detects the form deviations, applied to the test object so that he sioh at their highest elevations centered. With mutual rotation, the button detects the deviations from the enveloping circle recorded and displayed or written down using suitable devices.

Bei der Messung mittels Rundlaufmeßvorrichtung wird der Prüfling zwischen Spitzen aufgenommen und an der zu messenden Stelle während einer Prüflingsumdrehring um 3600 mit ortsfestem Meßtaster angetastet, und alls den Anzeigeänderungen der mit dem Dleßtaster verbundenen Anzeige- oder Registriereinrichtung werden die Form- und Lageabweichungen des gepriften Kreisquerschnittes ermittelt. Diese Meßergebnisse sind jedoch fehlerbehaftet, da sich die aus der Exzentrizität e des zu prüfenden Kreisquerscn'nittes, der einem Kegel mit den: halben Kegelwinkel angehören möge und aus den periodichten und stochastischen Verlagerungen der Werkstückachse, die sich durch die Querverschiebungen x1 und x2 der Unterstützungspunkte in der Meßebene sind die Axialverschiebung X3 der Achse beschreiben lassen, resultierenden Fehler der gesuchten Kreisformabweichung f(#) entsprechend der Gleichung {[e sin# + c1x1+c2x2] cosα + [x3+c3x1+c4x2] sinα} überlagern und als Summe die tatsächlich meßbaren Abweichungen xM(#) ergeben. When measuring with a concentricity measuring device, the test object recorded between tips and at the point to be measured during a test object rotating ring touched around 3600 with a stationary probe, and all the changes in the display of the the display or registration device connected to the measurement button, the form and positional deviations of the checked circular cross-section are determined. These measurement results are, however, prone to errors, since the eccentricity e of the to be tested Circular cross-section, which may belong to a cone with: half the cone angle and from the periodic and stochastic displacements of the workpiece axis, the through the transverse displacements x1 and x2 of the support points in the measuring plane are to describe the axial displacement X3 of the axis, resulting error the desired circular shape deviation f (#) according to the equation {[e sin # + c1x1 + c2x2] cosα + [x3 + c3x1 + c4x2] sinα} superimpose and as a sum the actual measurable deviations xM (#) result.

Diese Fehler werden von Rundheitsmeßgeräten mit Präzisionssi)indel derart vermieden, daß das Werkstück oder der die Radinsänderung aufnehmende Taster an einer Präzisionsspindel oder einem Präzisionsrundtisch befestigt sind, dessen Drehachse innerhalb so enger Grenzen (bis < 0,05 /um) eine definierte Lage einnimmt, daß die mit x1, x2, x3 bezeichneten Fehlerglieder der obigen Gleichung vernachlässigbar klein werden, so daß die periodischen und stochastischen en/ Verlagerung-der Prüflingsachse oder des Tasters auf ein Minimum beschränkt bleiben. Kreisformfehler und Exzentrizität der Rotationsflächen werden dann Praktisch fehlerfrei in dem durch die Drehachse definierten Koordinatensystem von dem Taster aufgenommen nnd einer Anzeige- oder Registriereinrichtung zugeführt.These errors are detected by roundness measuring devices with precision si) indel avoided in such a way that the workpiece or the Radin change picking up button are attached to a precision spindle or a precision rotary table, its The axis of rotation assumes a defined position within such narrow limits (up to <0.05 / um), that the error terms designated by x1, x2, x3 in the above equation are negligible become small, so that the periodic and stochastic s / displacement of the test object axis or the button to be kept to a minimum. Circular defects and eccentricity the surfaces of revolution are then practically free of defects in that caused by the axis of rotation defined coordinate system recorded by the button nnd a display or Registration device fed.

Die Lagerung der Präzisionsspindel oder des Präzisions-Rundtisches erfolgt in sehr präzisen iind dadurch ach sehr empfindlichen hydrodynamischen, hydrostatischen oder aerostatischen Lagern, die einen Teil der an den Lagerflächen noch vorhandenen Kreisformfehler ausgleichen. The storage of the precision spindle or the precision rotary table takes place in very precise and therefore very sensitive hydrodynamic, hydrostatic or aerostatic bearings, which cover part of what is still present on the bearing surfaces Compensate for circular shape errors.

Die kontrolle derartiger Lagerungen erfolgt durch die Messung eines meist als Kngel ausgebildeten Rundheitsnormales, dessen Fehler vernachlässigbar klein sind. Such bearings are checked by measuring a Normally roundness usually designed as a knuckle, the faults of which are negligible are small.

Zum Ausgleich der bei sämtlichen Messungen unvermeidlichen Exzentrizität sind die Geräte zum Teil mit einem Analogrechner gekoppelt, der während einer Umdrehung dadurch elektronische Integration die ersten zwei Fourierkoeffizienten berechnet und danach den Prüfling elektronisch über Regelkreise nachzentriert, den exzentrischen Ausgleichskreis in das Diagramm einzeichnet oder die Zentrierung des Diagramms elektronisch ausführt durch Subtraktion von Meßsignal und berechnetem Exzentrizitätssignal.To compensate for the unavoidable eccentricity in all measurements some of the devices are coupled to an analog computer that rotates during one revolution thereby electronic integration calculates the first two Fourier coefficients and then electronically re-centered the test item via control loops, the eccentric Draw the compensation circle in the diagram or the centering of the diagram electronically carried out by subtracting the measurement signal and the calculated eccentricity signal.

Die letztgenannten Prazisionsspindelgeräte mit Analogrechner für die elektronische Zentrierung stellen gegenwärtig die vollkommensten Geräte dar und sind verglichen mit den vorgenannten Zwei- und Dreipunktgeräten als einzige in der Luge, die tatsächliche Abweichung vom kreis zu messen. The latter precision spindle devices with analog computer for electronic centering represent the most perfect devices at present and are the only ones compared to the aforementioned two- and three-point devices in the Luge to measure the actual deviation from the circle.

Bei den bekannten Vorrichtungen zur Messung der Form- und Lageabweichungen von Rotationsflächen sind folgende Nachteile festzustellen: Für jeden Nenndurchmesser und für jede Toleranz ist ein spezieller Ring notwendig. Lageabweichungen sind nicht oder nur in beschränktem Umfang meßbar. In the known devices for measuring deviations in shape and position of surfaces of revolution, the following disadvantages can be observed: For every nominal diameter and a special ring is required for each tolerance. Positional deviations are not or only measurable to a limited extent.

Nachteil der Vorrichtungen mit wischen Spitzen gespanntem Werkstück und ortsfesten Meßtastern ist, daß die aus der einfachen Lagerung des Prüflings resultierenden Fehler sowie die Exzentrizität nicht korrigierbar sind. Disadvantage of the devices with wiping tips clamped workpiece and fixed probes is that those from simple storage of the test object resulting errors and the eccentricity cannot be corrected.

Die Rundheitsmeßgeräte mit Präzisionsspindel haben den Nachteil, daß sie eine sehr aufwendige, teure, empfindliche, erheblichen Wartungsaufwand erfordernde Präzisionslagerung erfordern, die zwei einander widersprechende Funktionen zu erfüllen hat. Diese Funktionen sind einmal die Aufnahme der an dem umlaufenden Teil angreifenden @räfte, wie Eigengewicht von Spindel, Tisch und Werkstück, Fliehkräfte, Meßkräfte und Antriebskra't bei Rundtisch-Geräten und das Eigengewicht von Spindel und Meßwertaufnehmer, Fliehkräfte, Mei3- und Antriebskraft bei Geraten mit umlaufendem Taster und zum anderen unter diesen, insbesondere bei Rundtisch-Geraten sehr stark wechselnden Bedingungen, eine Lazerung mit änßerst stabiler und genau definierter Drehachse. The roundness measuring devices with precision spindle have the disadvantage that they require a very complex, expensive, sensitive, considerable maintenance effort Precision bearings require the two contradicting functions to be fulfilled Has. These functions are, on the one hand, the inclusion of those acting on the rotating part Forces such as the dead weight of the spindle, table and workpiece, centrifugal forces, measuring forces and drive power for rotary table devices and the dead weight of the spindle and transducer, Centrifugal forces, Mei3 and driving force for devices with a rotating button and for others among these, especially in the case of rotary table devices, which vary greatly Conditions, a laceration with an extremely stable and precisely defined axis of rotation.

Ein weiterer und sehr wesentlicher Nachteil dieser Geräte ist, daß aiif Grund der unvermeidlichen Taumelfehler der Präzisionsspindel nur Werkstücke mit Längen kleiner oder gleich der Spindellänge meßbar sind. Another and very important disadvantage of these devices is that aiif the reason for the inevitable wobble of the precision spindle only workpieces can be measured with lengths less than or equal to the spindle length.

Zweck der Erfindung ist es, die dargestellten Nachteile der bisher bekannten Vorrichtungen zur Messung der Form- und Lageabweichung von Rotationsflächen zu beseitigen. The purpose of the invention is to address the disadvantages of the previously presented known devices for measurement the form and position deviation to eliminate surfaces of revolution.

Aufgabe der Erfindung ists Vorrichtungen zur Messung der Form- und Lageabweichungen von Rotationsflächen zu schaffen, die es gestatten, an beliebig großen Wer@stüchen unter Verzicht auf die Verwendung einer Präzisionsspindel für die Lagerung von Werkstück oder Taster die Form- und Lageabweichungen an Rotationsflächen mit hoher Präzision Du messen oder zu registrieren. The object of the invention is devices for measuring the shape and To create positional deviations of surfaces of revolution, which allow it to be arbitrarily large Wer @ stufen without the use of a precision spindle for the storage of the workpiece or button the shape and position deviations on surfaces of rotation with high precision you measure or register.

Erfindungsgemäß wird dieses Ziel dadurch erreicht, daß bei der Messung der Form- und Lageabweichungen von Rotationsflächen an feststehendem oder umlaufenden Prüfling durch gleichzeitige Antastung des Prüflings und eines oder mehrerer starr mit dem Prüfling verbundenen Normale die infolge der Lagerung auftretenden periodischen und stochastischen Bewegungen der Prüflingsachse oder des Tasters eliminiert werden. According to the invention, this goal is achieved in that during the measurement the shape and position deviations of surfaces of revolution on fixed or rotating DUT by simultaneously probing the DUT and one or more rigid the normals associated with the test specimen are the periodic ones that occur as a result of storage and stochastic movements of the specimen axis or the probe can be eliminated.

Bei derartigen Vorrichtungen rotieren an einer Haltevorrichtung relativ zum Prüfling und Normal um deren oder n@herungsweise um deren Achse ein Korre@turtaster zur Antastung des Prüflings nnd ein bis fünf Meßtaster zur Antastung des Normals, das vorzugsweise aus einer Planplatte und einer Kugel oder Teilen einer Kugel oder mehreren Kugeln oder mehreren Teilen oder aus Teilen des Prüflings selbst besteht, wobei die Differenz zwischen Form und Lage zwischen Prüfling und Normal, die beide räumlich zueinander justierbar sind, aus dem Meßsignal nnd den ein bis iünf Korrektursignalen mittels einer elektrisch, pneumatisch und oder mechanischen arbeitenden Korrekturvorrichtung bes timmbar ist. In such devices rotate relatively on a holding device For the test object and the standard around its axis or approximately around its axis, there is a correction probe for probing the test object and one to five Probe for probing of the standard, which preferably consists of a plane plate and a sphere or parts of a Ball or several balls or several parts or parts of the test object itself exists, whereby the difference between shape and position between test object and normal, which are both spatially adjustable to each other, from the measurement signal and the one to Five correction signals by means of an electrical, pneumatic and / or mechanical working correction device is bes timmbar.

Für die Messung der Form- und Lageabweichungen an wellenförmigen Prüflingen sind bei einer derartigen Vorrichtllng vorzugsweise an den Enden des drehbar gelagerten Prüflings Normale, vorzugsweise Kugeln, mittels räumlich justierbarer Vorrichtungen angebracht oder entsprechende als Normale dienende Teile angearbeitet, von @enen eines in Achsrichtung mittels eines Korrekturtasters und beide sowie der Prüfling in einer festen Meßebene von Meßtastern in entsprechender Richtung zur Drejiachse ange-@astet werden und die zur Differenzbildung mit einer Lorre@turv@irichtung verbunden ist, deren Ausgangssignal vorzugsweise auf einem Polardiagramm aufgezeichnet wird. For measuring the shape and position deviations on wave-shaped With such a device, test objects are preferably at the ends of the rotatably mounted test specimen normals, preferably spheres, by means of spatially adjustable Devices attached or corresponding parts that serve as standards worked on, from @en one in the axial direction using a correction button and both as well as the Test object in a fixed measuring plane of probes in the corresponding direction to The three-axis axis can be trimmed and the difference formation with a Lorre @ turv @ direction is connected, the output signal of which is preferably recorded on a polar diagram will.

Die Differenzbildung zwischen dem vom Normal antastenden Korrekturtastern aufgenommenen Korrektursignalen und dem vom Prüfling antastenden Meßtaster aufgenommene Meßsignal mit einer Korrekturvorrichtung ist nicht erforderlich, wenn die die Meßtaster tragende Haltevorrichtung in elektrisch oder pneumatisch arbeitenden Stellgliedern befestigt ist und Stellglieder und die das Normal antastenden Korrekturtaster über einen elektrisch oder pneumatisch arbeitenden Regler zu einem Folgeregelkreis zwecks Nachführung der Haltervorrichtung zusammengeschaltet sind. The formation of the difference between the correction buttons touching the normal recorded correction signals and the one touched by the test object Measuring signal recorded by a probe with a correction device is not required, if the holding device carrying the probes is electric or pneumatic working actuators is attached and actuators and the normal touching Correction button via an electrically or pneumatically operating controller to one Follower control circuit are interconnected for the purpose of tracking the holder device.

Die Erfindung soll nachstehend an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen: Fig. 1 eine Vorrichtung ziir Messung der Form-und Lageabweichungen an beliebig großen umlaufenden Prüflingen, Fig. 2 eine Vorrichtung ziir hsessung von Form- und Lageabweichungen von Rotationsflächen an beliebig geformten umlaufenden Prüflingen unter Verwendung eines Regelkreis es. The invention is to be described in more detail below on the basis of two exemplary embodiments explained. In the accompanying drawings: FIG. 1 shows a device for measuring the form and position deviations on rotating test objects of any size, 2 shows a device for measuring deviations in shape and position of surfaces of revolution on rotating test objects of any shape using a control circuit es.

In Fig. 1 ist ein beliebig einer, umlaufender Prüfling 2 mit den an beiden Enden befestigten, als Kugeln ausgebildeten Normalen 3, die das hoordinatensystem fdr die Messung definieren, in Aufnahme-Prismen 16 auf der Grundplatte 1 drehbar gelagert. Die Korrekturtaster für das Normal 3 in Radialrichtung 6 und Achsrichtung 7 und der Taster 5 , der den Prüfling 2 an der zu messenden Stelle antastet, sind in einem aif der Grundplatte 1 ruhenden Halt er 10 befestigt. Ein vorzugsweise mechanisch und/oder pneumatisch oder elektronisch arbeitender Differenzrechner 12 s an dem die Längenverhältnisse l/L und r/l sowie Meßrichtung α einstellbar sind, berechnet nach Funktion die Kreisformabweichung f(#) und kompensiert damit die in der Lagerung der Aufnahmeprismen 16 auftretenden Fehler.In Fig. 1, any one rotating test object 2 with the normals 3 fixed at both ends and designed as spheres, which define the coordinate system for the measurement, is rotatably mounted in receiving prisms 16 on the base plate 1. The correction buttons for the standard 3 in the radial direction 6 and axial direction 7 and the button 5, which touches the test object 2 at the point to be measured, are fastened in a holder 10 that is stationary on the base plate 1. A preferably mechanically and / or pneumatically or electronically operating differential computer 12 s on which the length ratios l / L and r / l and measuring direction α can be set, calculated according to the function the circular form deviation f (#) and thus compensates for the errors occurring in the mounting of the receiving prisms 16.

Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung zur Messung von Form- und Lageabweichungen der Rotationsflächen an beliebig geformten umlaufenden Prüflingen unter Verwendung eines Regelkreises. Der Prüfling 2 liegt auf dem in der Grundplatte 1 auf einem aiis Kugeln bestehenden Lager 4 drehbaren Tisch 17, auf dessen Unterseite das Normal 3 ausgebildet als Planplatte und krigel befestigt sind. Der den Taster für Prüfling 5 tragende Halter 10 ist mittels translatorischer Stellglieder 19, die von Reglern 18 entweder in der Meßebene oder räumlich so bewegbar sind, daß der Abstand zwischen dem als Planplatte und Kugel ausgebildeten Normal 3 sowie den vorzugsweise berührungsfrei antastenden Tastern für Prüfling 5 auch bei Lageänderung der Drehachse des Tisches 17 konstant bleibt, und die Fehler mechanich kompensiert werden. Fig. 2 shows a device for measuring deviations in shape and position of the surfaces of rotation on rotating test objects of any shape using of a control loop. The test item 2 lies on the one in the base plate 1 aiis balls existing bearing 4 rotatable table 17, on the underside of which the normal 3 designed as a flat plate and krigel are attached. The button for the test item 5 supporting holder 10 is by means of translational actuators 19, which of Regulators 18 are movable either in the measuring plane or spatially so that the distance between the normal 3, designed as a plane plate and sphere, and the preferably contact-free probing buttons for test item 5 even when the position of the axis of rotation of the table changes 17 remains constant, and the errors are mechanically compensated.

Der Pleßtaster 5 ist mit einem Meßwertvergrößerer 11 und einem Mei3wert-Registri er- oder Anzeigegerät 13 verbunden, das die tatsächliche Abweichung des Prüflings 2 von der Kreisform und die Exzentrizität zwischen Prüfling 2 und Normal 3 aufzeichnet und/oder anzeigt. The Pleßaster 5 is with a measured value magnifier 11 and a Mei3wert-Registri er or display device 13 connected that the actual deviation of the test object 2 of the circular shape and the eccentricity between test item 2 and standard 3 records and / or displays.

Claims

1. Device for closely related to deviations in shape and position of surfaces of revolution fixed or rotating test objects, characterized in that on a relative to the test item (2) and one or more rigidly connected form-ideal standards (3) holder (10) which can be rotated approximately around its axis and which probes the test object (2) Measuring probe (5) for generating one of the form and position deviations as well as the periodic one and stochastic displacements of the axis of rotation proportional measurement signal and a up to five test items and / or normal probing Sorrektiirtaster to generate the correction signals proportional to periodic and stochastic displacement of the axis of rotation are arranged with a mechanical, electrical, pneumatic and / or optical working correction device to eliminate the periodic and stochastic Proportions of the relative movement between test item (2) and standard (3) and the holder (10) are connected.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the normal (3) from a plane plate and a sphere or parts of a sphere or from several ning or several parts and / or parts of the test item consists, wherein the standard (3) or parts of the same are spatially adjustable to the test object (2).

3. Device according to Claims 1 and 2, characterized in that on a holder rotating around a fixed axis (10) in any direction to the axis of rotation inclined direction two pneumatically or electrically in summation or i) inference circuit working buttons (5, 6) are aligned, one of which is the normal (3) Serving form error-free axis or a ball attached to it and the second touches the test item.

4. Apparatus according to claim 1 to 3, characterized in that at the axle ends of the rotatably mounted test object (1) serving as normal balls (2) are attached, one of which in the axial direction by means of a correction button (7) and both as well as the test item (2) in a fixed plane of two additional correction buttons for normal in radial direction (6) as well as a probe arranged at any angle for sample (5) and a difference calculator to form the difference (12) is provided.

5. Apparatus according to claim 1 to 4, characterized in that the holding device (10) carrying the buttons (6; 7) to electrical or pneumatic working actuators (19) is attached and actuators (19) and the normal (3) probing button (6; 7) via an electrically or pneumatically operating one Controller (18) are interconnected to form a follow-up control circuit.