DE2333507A1

DE2333507A1 - Vorrichtung zur abtastung der position eines werkstuecks zwecks erzeugung von positionssignalen

Info

Publication number: DE2333507A1
Application number: DE19732333507
Authority: DE
Inventors: David Gluck
Original assignee: Ferranti Packard Ltd
Current assignee: Ferranti Packard Ltd
Priority date: 1972-07-05
Filing date: 1973-07-02
Publication date: 1974-01-24
Also published as: GB1388527A; US3798779A; JPS4945755A; CA991846A; FR2191097A1

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. R Weickm^nn,

DiPL.-InG. R. Wj=ICKMAIIN, DiPL.-PhYS. Dr. K. FlNCKE

Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

XPR

8 MÖNCHEN «6, DEN 2333507

POSTFACH 860820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22

Ferranti-Packard Limited
121 Industry Street,"
Toronto, Ontario, Kanada

Vorrichtung zur Abtastung der Position eines Werkstücks zwecks Erzeugung von Positionssignalen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abtastung der Position eines Werkstücks zwecks Erzeugung von Positionssignalen, mit mindestens einer relativ zum Werkstück an einer Halterung bewegbaren Sonde. Eine derartige Vorrichtung ermöglicht beispielsweise die Lokalisierung einer Öffnung oder andersartig geformter Teile eines Werkstücks oder eines sonstigen Körpers in bis zu drei Dimensionen. Eine derartige Lokalisierung kann auch für eine Mehrzahl solcher Öffnungen oder andersartig geformter Teile eines einzelnen Werkstücks nahezu gleichzeitig durchgeführt werden.

Die Vorrichtung ist erfindungsgemäß derart ausgebildet, daß die Halterung in einer vorbestimmten Richtung bewegbar ist und an ihrer in dieser Richtung liegenden Seite ' eine quer zu der vorbestimmten Richtung verschiebbare Kopplungsanordnung trägt, an der die Sonde quer zur vorbestimmten Richtung und unter einem Winkel zur erstgenannten Verschiebung verschiebbar gehalten ist, und daß eine Anord-

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nung zur Messung der Verschiebung zwischen Halterung und Kopplungsanordnung und der Verschiebung zwischen Kopplungsanordnung und Sonde vorgesehen ist.

Für jede festzustellende Position kann jeweils eine Sonde vorgesehen sein. Die Sonden werden auf das Werkstück oder einen sonstigen Körper in der vorbestimmten Richtung zu bewegt. Die Sonde kann in dieser Richtung relativ zu dem auszuwertenden Körper so geformt sein, daß eine fehlerhafte Positionierung des Körpers relativ zur Sonde innerhalb eines vorbestimmten Toleranzbereichs bei Berührung der Sonde auf diese eine seitliche Kraftwirkung ausübt, wodurch sie in eine vorbestimmte Ausrichtung gegenüber dem zu lokalisierenden Körper gebracht wird. Die Sonde ist an einer Halterung so angeordnet, daß sie in zwei Richtungen verschoben werden kann, die unter einem Winkel zueinander angeordnet sind und jeweils eine Komponente quer zu der vorbestimmten Bewegungsrichtung aufweisen. Vorzugsweise liegen diese beiden Komponenten senkrecht zu der Bewegungsrichtung, so daß eine Messung der seitlichen Verschiebung der Sonde durch die auf sie einwirkenden Kräfte ein Maß für eine Position des ausgewerteten Objekts in zwei Dimensionen quer zu der Vorschubrichtung der Sonde ergibt. Der Betrag des Vorschubs der Sonde ergibt die Position des Objekts in einer Dimension senkrecht zu den ersten beiden Dimensionen, falls dies erwünscht ist. Die Position des Objekts in der dritten Dimension kann auch als bekannt angenommen werden, so daß der Vorschub der Sonde in der vorbestimmten Sichtung ein anderes Maß angibt, beispielsweise den Durchmesser einer öffnung oder die Querschnittsmaße eines Vorsprungs.

Die Form einer Sonde zur Ausübung seitlicher Kräfte durch das Objekt ist am besten dem häufigsten Anwendungszweck angepaßt. Wenn die zu lokalisierenden Objekte Aussparungen in ,den Werkstücken sind, so ist die Sonde in Richtung ihrer Vorschubbewegung konisch ausgebildet, wobei ihr Durchmesser

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von einem gegenüber der jeweiligen Aussparung größeren Wert zu einem gegenüber der Aussparung kleineren Wert übergeht.

Wenn eine derart geformte Sonde ausreichend nahe der Mitte der Aussparung gebracht wird, so daß eine abgeschrägte Seite die Aussparung trifft, so verursacht ihre weitere Vorschubbewegung Kräfte quer zur Bewegungsrichtung, wodurch die Sonde in der Aussparung zentriert wird. Andererseits kann ein zylindrischer Vorsprung durch eine Sonde lokalisiert werden, die mit einer inneren Bohrung versehen ist, welche entgegengesetzt zur Sondenvorschubrichtung konisch verläuft. Für viele zu lokalisierende Objekte kann demnach eine geeignete Sondenform bestimmt werden, durch die die jeweils erforderlichen seitlichen Verschiebungskräfte erzeugt werden.

Die Erfindung kann auch für solche Werkstücke eingesetzt werden, bei denen eine große Anzahl von Objekten oder Aussparungen zu lokalisieren ist. Bei diesem Verfahren ist ' eine Anordnung mehrerer Sondenelemente vorstehend beschriebener Art vorgesehen, die so positionierbar sind, daß sie insgesamt praktisch gleichzeitig in Kontakt mit den Objekten gebracht werden. Die Sonden werden dann quer zu ihrer Vorschubrichtung in zwei Dimensionen durch die auszuwertenden Objekte abgelenkt, wobei der jeweilige Verschiebungsbetrag mittels geeigneter Wandler ausgewertet werden kann. Jede Ablenkung einer Sonde kann dann schnell abgelesen werden. So kann beispielsweise ein Kraftfahrzeugrahmen, der eine große Anzahl öffnungen aufweist, schnell durch praktisch gleichzeitige Einwirkung der Sonden für jede öffnung überprüft werden. Jede Sonde kann dabei einen Wert für zwei oder drei Dimensionen liefern. Eine Überprüfung von Kraftfahrzeugrahmen kann auf diese Weise schneller und wirksamer als bisher durchgeführt werden.

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Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 die Seitenansicht einer Vorrichtung nach der Erfin~

dung, ν
Fig. 2 die teilweise geschnittene Seitenansicht in einer

Blickrichtung senkrecht zu der in Fig. 1 gezeigten

Blickrichtung,

Fig. 3 einen Querschnitt 3-3 aus Fig. 2, Fig· 4- den Schnitt 4—4· aus Fig. 1 und Fig. 5 eine Anordnung von Vorrichtungen nach der Erfindung

zur Überprüfung eines Kraftfahrzeugrahmens.

nachträg'ioh
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In Fig. 1 ist ein Halteelement 10 dargestellt, das an einem noch zu beschreibenden Körper befestigt ist. Es hält einen hydraulischen Zylinder 12, dessen Längsachse, dessen Kolben 14 und dessen Kolbenstange 16 so angeordnet sind_} daß eine Wechselbewegung des Kolbens 14· und der Kolbenstange 16 in der Vorschubrichtung für eine Sonde durch hydraulische oder pneumatische Kräfte möglich ist. Der Kolben 14- ist über seine Kolbenstange 16 an deren außen liegendem Ende mit einer Halterung 18 versehen, diese trägt einen Stab 20, der parallel zur Bewegungsrichtung des Kolbens 14- neben dem Zylinder 12 angeordnet ist. Auf dem Stab 20 ist ein Kern 22 befestigt. Der Zylinder 12 hält eine Wandlerspule ^""di so angeordnet und bemessen ist, daß sie den Kern

umgibt und dessen unterschiedliche Stellungen bei einer Verschiebung der Halterung 18 relativ zum Zylinder 12 an eine Auswertevorrichtung weiterleitet. Eine solche.Wandleranordnung wird im folgenden noch in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben. Dieses Verfahren zur Messung einer Verschiebung, das schematisch dargestellt ist, kann auch durch andere Anordnungen ersetzt werden, die beispielsweise nach elektronischem, elektrischem, optischem oder anderweitigem Prinzip arbeiten und die Verschiebung der

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Halterung 18 relativ zum Zylinder 12 messen. Diese Verschiebung wird im folgenden auch als z-Verschiebung bezeichnet.

Die Halterung 18 hält ferner eine Schiene 24, die neben dem Zylinder 12 angeordnet ist und in der in Fig. 4 gezeigten Art zwischen Rollen 25 läuft, wenn die Verschiebung der Halterung 18 durch Wechselbewegung des Kolbens 14- erfolgt. Die Rollen 25 führen die Schiene 24 und verhindern eine Drehung der Halterung 18 relativ zum Zylinder 12, so daß ein Schutz des Wandlers und des Stabes 20 gewährleistet ist. Mehrere Bohrungen, im dargestellten Falle drei, sind in der Halterung 18 senkrecht zur Schieberichtung der Kolbenstange 16 vorgesehen. Durch sie sind Stäbe 26 geführt, die mit jedem Ende an den Flanschen eines Kopplungselements 28 befestigt sind. Die Flansche 29 liegen über jeweils einer Seite der Halterung 18. Das Kopplungselement 28 kann daher relativ zur Halterung 18 senkrecht zur Bewegungsrichtung der Kolbenstange 16 verschoben werden. Druckfedern 30 umgeben jedes Ende eines jeden äußeren Stabes 26 und liegen jeweils mit einem Ende an der Seitenwand der Halterung 18 und mit dem anderen Ende an der gegenüberliegenden Wand eines Flansches 29 des Kopplungselements 28 an. Sie spannen somit das Kopplungselement 28 zentrisch relativ zur Halterung 18. Die zentrale Bohrung in der Halterung 18 ist vergrößert, der mittlere Stab 26 ist mit einem ferromagnetisehen Kern 32 versehen, der mit ihm in einer Wandlerspule 34- verschiebbar ist, welche schematisch dargestellt ist. Die Spule 34 wird durch eine nicht dargestellte Vorrichtung mit einem Speiseström beschaltet und ist mit einer Anordnung zur Auswertung der Änderung ihrer Impedanz bei Bewegung des Wandlerkerns 32 relativ zu ihr verbunden. Diese Anordnung entspricht bekannten Verfahren, bei denen aus der Jinderung einer Impedanz eine Anzeige einer entsprechenden linearen Bewegung des Kerns in einer Wicklung ausgewertet

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wird. Ein solcher Wandler, mit dem über eine Impedanzänderung eine Linearbewegung angezeigt wird, ist beispielsweise unter der Bezeichnung MHR von Schaevitz Engineering, Pennsanken, N.J.,¹ U.S.A., erhältlich. Alternativ kann der Wandler auch ein andersartiger mechanischer, elektrischer, elektronischer oder optischer Wandler sein, der die gewünschte Position kennzeichnet.

Eine Sonde 36 ist mit zwei Flanschen 38 an Jeder Seite des Kopplungselements 28 befestigt. Die Flansche 38 "sind relativ zu den Flanschen 29 des Kopplungselements 28 quer angeordnet. Mehrere (im dargestellten Falle drei) Stäbe 40 sind zwischen den Flanschen 38 vorgesehen und verlaufen durch entsprechende Bohrungen des Kopplungselements 28, so daß die Sonde 36 an diesem verschiebbar gehalten ist. Druckfedern 41 umgeben jedes Ende des jeweils äußeren Stabes 40, wobei jede Feder mit einem Ende an der Seitenwand 43 des Kopplungselements 28 und mit dem anderen Ende an der gegenüberliegenden Wand eines Flansches 38 anliegt. Ein Wandler ähnlich wie der in Fig. 3 gezeigte oder auch ein anderer elektrischer, elektronischer, optischer oder mechanischer Wandler ist zur Messung der Verlagerung der Sonde 36 in der durch die Stäbe 40 bestimmten Richtung vorgesehen, d.h. senkrecht zu der Bewegungsrichtung der Kolbenstange 16 und unter einem Winkel zur Bewegungsrichtung des Kopplungselements 28 längs der Stäbe 26.

Die Erfindung kann auf Bewegungen der Sonde 36 relativ zu dem Kopplungselement 28 und des Kopplungselements 28 relativ zur Halterung 18 angewendet werden. Die beiden Bewegungen haben Richtungen, die einen Winkel zueinander bilden und für sich jeweils senkrecht zur Richtung der Kolbenbewegung angeordnet sind. In der Praxis werden die beiden Verlagerungsrichtungen üblicherweise senkrecht zueinander liegen, so daß

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diese beiden Verschiebungen als x- und y-Verschiebungen zu bezeichnen sind. Palis erforderlich oder erwünscht, kann die Verschiebung der Kolbenstange 16 gemessen und als z-Verschiebung bezeichnet werden. Somit können Verschiebungen in drei Koordinatenrichtungen ausgewertet werden.

Die durch die Stäbe und die Bohrungen hervorgerufenen Schiebebewegungen können in gleicher Weise auch durch andere mechanische Elemente verwirklicht werden, die eine genaue Schiebebewegung ermöglichen. . ■

Da für die Auswertung eine erhöhte Genauigkeit zu fordern ist, sollen die Schiebekopplungen, die die Bewegung der Sonde 36 relativ zum Kopplungselement 28 und"des Kopplungselements 28 relativ zur Halterung 18 bestimmen, möglichst genau ausgeführt sein (wobei jegliches Spiel zwischen den Elementen innerhalb zulässiger Meßtoleranzen liegt), gleichzeitig soll ein leichtes Schieben möglich sein. Obwohl einfache Schiebeanordnungen dargestellt sind, können selbstverständlich auch kompliziertere Rollenlager und andere Befestigungsarten vorgesehen sein. Wie bereits ausgeführt, ist die Sonde 36 relativ zu der Vorschubrichtung und relativ zu dem zu lokalisierenden Objekt abgeschrägt bzw. konisch ausgeführt, so daß das Objekt, falls es nicht auf die vorgeschobene Sonde ausgerichtet ist, seitliche Beanspruchungen auf die Sonde 36 ausübt und damit eine Bewegung der Sonde 36 in zwei Schieberichtungen verursacht. In den beschriebenen Wandlern werden daher Signale erzeugt, die eine Messung der Position des Objekts ermöglichen. In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die zu lokalisierenden Objekte kreisrunde Aussparungen, so daß dazu die Sonde 36 in Richtung ihrer Vorschubbewegung konisch ausgebildet ist. Sie geht dabei von einem Durchmesser, der größer als die zu lokalisierende Aussparung ist, in einen Durchmesser über, der kleiner als die zu lokalisierende Aussparung ist (vor-

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zugsweise endet sie, v/ie dargeste3.lt, mit einer punktförmigen Spitze).

Wenn die Sonde 36' zur Position einer Öffnung durch Betätigung . des Kolbens 14 vorgeschoben wird, so befindet sich die Sondenspitze an irgendeiner Stelle innerhalb der Öffnung. Die Seitenfläche der Öffnung übt dann eine seitliche Kraft auf die Sonde aus, wenn diese weiter vorwärts bewegt wird. Eine solche Kraft zentriert die Sonde in der öffnung. Dabei wird eine Verschiebung der Sonde in x- und y-Hichtung' erzeugt, die durch die Wandler gemessen werden kann. Vorzugsweise werden die Wandlerniessungen so durchgeführt, daß die Sonde zunächst in einer richtig lokalisierten Öffnung angeordnet wird und die von den Wandlern gelieferten x-, y— und z-Signa-Ie auf den Wert Null eingestellt werden. Die Sonde wird dann auf die zu lokalisierende Öffnung gebracht und die Differenz der Signale in Längeneinheiten oder anderen Größen geeicht.

Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, daß die Federn 30 und 41, die das Kopplungselement 28 relativ zur Halterung 18 und die Sonde 36 relativ zum Kopp lungs element 28 zentrieren, nicht sehr genau sein müssen. Sie müssen lediglich eine solche Spannwirkung erzeugen, daß zumindest die Spitze der Sonde 36 in die jeweils auszuwertende öffnung geleitet wird.

Der Vorschub der Kolbenstange 16 relativ zu einer festgelegten Nullstellung kann zur Messung der Position der Ränder der öffnung verwendet werden. Dies ist die allgemeinste Art der Auswertung der Signale des Wandlers 2Jf. Die Sonde 36 ist hierzu so ausgebildet, daß sie eine relativ stumpfe konische Form hat. Der Öffnungswinkel des Konus beträgt vorzugsweise 52°, jedoch muß dieser Wert nicht unbedingt eingehalten werden. Dadurch wird ein Korrekturfaktor für diametrale öffnungsänderungen möglich, wenn der Vorschubfehler

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geändert

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des Konus gleich dem Fehler bei der Messung einer öffnung ist. Wenn der Konus mehr zugespitzt ist und die Lage der Öffnungsränder in z-Richtung bekannt ist, so kann er, obwohl dies weniger oft erforderlich sein wird, zur Messung des öffnungsdurchmes^sers angewendet werden, so daß der Vorschub in z-Richtung in Durchmessereinheiten geeicht werden kann.

Die Vorrichtung wird am häufigsten in Produktionsmaschinen eingesetzt, wenn beispielsweise Bohrungen 45 zu überprüfen sind, die gemäß Pig. 5 in einem dort schematisch dargestellten Automobilrahmen vorgesehen sind. Eine Anordnung aus Kolben 14 und Kolbenstangen 16 ist an einer Platte 11 befestigt und entspricht mehreren Bohrungen, die in einer vorbestimmten Richtung angeordnet sind. Solche Bohrungen sind beispielsweise gruppenförmig zusammengefaßt und mit 45S, 4-5E und 45U bezeichnet. Entsprechende Trägerplatten 11 oder andere Halterungen können zur Leitung von Sonden 36 beschriebener Art zu den Bohrungen 45 an den jeweiligen Stellen und Orientierungen vorgesehen sein. Im allgemeinsten Anwendungsfall der Erfindung zur überprüfung eines normalen Automobilrahmens wird zunächst ein solcher Rahmen, in dem die öffnungen genau lokalisiert sind, in vorgegebener Weise relativ zu den Sonden angeordnet, und durch eine Steuermaschine werden die Sonden (üblicherweise mehrere gleichzeitig oder manchmal auch einzeln) in die Bohrungen 45 dieses Musterrahmens eingeführt. Die x-, y- und z-Wandler werden dann vorzugsweise jeweils auf den Signalwert Null eingestellt (dies kann jedoch auch ein anderer vorgegebener Signalwert sein), dann werden die Sonden aus den Bohrungen herausgeführt. Ein zu überprüfender Rahmen wird dann zwischen den Sonden angeordnet, diese werden vorgeschoben, und die ihnen zugeordneten Wandler werden hinsichtlich der Verschiebungen in x-, y- und z-Richtung abgelesen.

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Die Ablesungen der χ- und y-VerSchiebung geben ein Maß des Fehlers der Lokalisierung der jeweiligen Bohrung an. Die z-Verschiebung (im allgemeinsten Fall für die Bohrungsgröße vorgesehen) gibt 'die Lokalisierung in z-Eichtung für die die Bohrung umfasseride Kante an. Wenn die überprüfte Bohrung nicht vorhanden oder so schlecht positioniert ist, daß die Sonde sie nicht auswerten kann, so werden natürlich die x- und y—Ablesungen bedeutungslos, jedoch zeigt eine Differenz der z-Ablesung das Fehlen einer Bohrung an.

Die Meßwerte einer beliebigen Anzahl Sonden können schnell durch automatische Verfahren ausgewertet werden, so daß die Überprüfungszeit beispielsweise für Kraftfahrzeugrahmen wesentlich verkürzt wird.

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Claims

Patentansprüche

1.J Vorrichtung 'zur Abtastung der Position eines Werkstücks Zwecks Erzeugung voii Positionssignalen, mit mindestens einer relativ zum Werkstück an einer Halterung bewegbaren Sonde, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (18) in einer vorbestimmten Richtung bewegbar ist und an ihrer in dieser Richtung liegenden Seite eine quer zu der vorbestimmten Richtung verschiebbare Kopplungsanordnung (28) trägt, an"der die Sonde (36) quer zur vorbestimmten Richtung und unter einem Winkel zur erstgenannten Verschiebung verschiebbar gehalten ist, und daß eine Anordnung (32, 34-) zur Messung der Verschiebung zwischen Halterung (18) und Kopplungsanordnung (28) und der Verschiebung zwischen Kopplungsanordnung (28) und Sonde (36) vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (18) mit einer Antriebsvorrichtung (12, 14, 16) zur Bewegung in der vorbestimmten Richtung verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abtastung von kreisrunden Aussparungen im Werkstück die Sonde (36) in der vorbestimmten Richtung konisch ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsvorrichtung eine hydraulisch oder pneumatisch betätigbare Zylinder-Kolbenanordnung (12, 14) ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebungsrichtung zwischen Halterung (18) und Kopplungsanordnung (28) und die

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Verschiebungsrichtung zwischen Kopplungsanordnung (28) und Sonde (36) senkrecht zueinander angeordnet sind.

6. Vorrichtung'nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichne 1s, daß elastische Elemente (30, 4-1) für das Kopplungselement (28) und die Sonde (36) vorgesehen sind, die einerseits das Kopplungselement (28) in der Verschiebungsrichtung zwischen ihm und der Halterung (18), andererseits die Sonde (36) in der Verschiebungsrichtung zwischen ihr und dem Kopplungselement (28) zentriert in einer Ruhestellung halten.

7. Verfahren zur Abtastung der Positionen mehrerer öffnungen vorbestimmten Durchmessers in einem Werkstück unter Anwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Anzahl abzutastender Öffnungen entsprechende Anzahl von Vorrichtungen auf die für die öffnungen vorgegebenen Positionen voreingestellt wird und daß die Vorrichtungen danach in jeweils vorbestimmter Richtung auf die ihnen zugeordneten öffnungen des Werkstücks zu bewegt werden.

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ORIGINAL INSPECTED

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