DE2341251A1

DE2341251A1 - Vorrichtung und verfahren zum messen einer wegdifferenz

Info

Publication number: DE2341251A1
Application number: DE19732341251
Authority: DE
Inventors: Horst Hoelzl; Max Rosskopf; Ulrich Stabernack
Original assignee: Hueller K GmbH; KARL HUELLER GmbH
Current assignee: Hoelzl Horst Ing(grad) 7140 Ludwigsburg De S
Priority date: 1973-08-16
Filing date: 1973-08-16
Publication date: 1975-02-27

Description

Karl Hüller Gesellschaft mit A 33 662

"beschränkter Haftung 15= Aua

714 Ludwigsburg

Schwieberdingerstr. 80

Vorrichtung und Verfahren zum iiessen einer Wegdifferenz

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen einer Wegdifferenz, mit zumindest einem aus einer Ruhestellung um die zu messende Wegdifferenz auslenkbaren Meß-· fühler und einem mit dem Meßfühler verbundenen elektromechanischen Wegaufnehmer, welcher die Auslenkung des Meßfühlers in ein proportionales elektrisches Signal umwandelt. Die Erfindung umfaßt ferner Verfahren zur Verwendung einer derartigen Vorrichtung.

Bei programmgesteuerten ( numerisch gesteuerten ) Werkzeug* maschinen werden bekanntlich die auszuführenden Arbeitsschritte durch eine Folge von gespeicherten Raumkoordinatenvcrten vorgegeben, welche sich auf einen gleichfalls in dem Steuerprograiiii« eingespeicherten Nullpunkt beziehen. Jeder Raumkoordinatenwert besitzt einen Anteil in X-, Y- und Z-Richtung, wobei jader Anteil auf ein entsprechendes Einstellor£.an der Werkzeugmaschine für die betreffende Koordinatenrichtung des Werkzeugs einwirkt. Da jedoch die Werkzeugmaschine und insbesondere die Einstollorgane ( Werkzeugschlitten, Spindeln ) bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen einem Temperaturgang unterliegen, ändert sich

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fortwährend die von dem Werkzeug bei gleichen Raumkoorclinatenwerten des Steuerprogracmis eingenommene Lage. Dieser Temperaturgang der Werkzeugmaschine führt zu unerwünschten Abweichungen der bearbeiteten Werkstücke, die insbesondere bei Präzisionswerkstücken häufig außerhalb der maximalen Toleranzgrenzen liegen.

Bei einer älteren Anmeldung ( P 22 39 850.i) werden die temperaturbedingten Lageabweichungen des Werkzeugs einer programmgesteuerten Werkzeugmaschine dadurch kompensiert, daß ein an dem Spindelgehäuse befestigter Meßstift zwei in X- bzw. Y- Richtung verschiebbare Meßfühler abtastet, die in unmittelbarer Nähe des Werkstücks auf dem Werkzeugtisch angeordnet sind. Die Werkzeugmaschine wird dabei auf die Koordinatenwerte X = 0; Y = 0 ihres Steuerprogramms gesteuert, wodurch der Meßstift mit den Meßfühlern in Berührung kommt und diese um den Betrag der Abweichung inder jeweiligen Koordinatenrichtung verschiebt. Die Verschiebung der Meßfühler wird mittels elektro-mechanisclier Wegaufnehmer in jeweils ein elektrisches Signal umgewandelt uni einer elektronischen Auswerteinrichtung zugeführt, welche in dem Steuerprogramm eine entsprechende Verschiebung des vorprogrammierten Koordnatennullpunktes auslöst.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Vorrichtung und das Verfahren nach der erwähnten älteren Anmeldung so weiterzubilden, daß eine Befestigung der Meßfühler auf dem Wer!.zeugtisch und die damit verbundene örtliche Be-

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schränkung der Messung auf einen bestimmten Bezugspunkt entfällt. Eine weitere Aufgabe besteht darin, über das bloße Temperaturkompensieren hinaus ein Verfahren anzugeben, welches unter Verwendung der erfindungsgeinäßen Vorrichtung jegliche Art von Lageunterschied zwischen einer vorprogrammierten Referenzlage fund der tatsächlichen Lage der Werkzeugmitte ermittelt und nach der Ermittlung weiterverarbeitet. Insbesondere sollen durch die Erfindung

Fehler am Meßwerkzeug, wie beispielsweise Verbiegungen des

eine Schräglage des Meßwerkzeuges, Meßwerkzeuges,/eine fehlerhafte exzentrische Aufnahme in der

Spindel sowie Penler im Rundlauf der Spindel und etwaige Fehler im Referenzdurchmesser einwandfrei eliminiert werden.

Die Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Ansprüchen 2 bis h gekennzeichnet.

Die Lösung der Aufgabe hinsichtlich eines Verfahrens zur Kompensation der temperaturbedingten Lageabweichungen erfolgt durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 5 oder durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs ό.

Die Lösung der Aufgabe hinsichtlich eines Verfahrens zur Ermittlung jediglicher Art von Lfigeunterschied zwischen einer lief erenzl'age und der tatsächlichen Lage der Verkzeuginitte erfolgt durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 7 oder durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 8.

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Weitere Verfahren zur Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind durch die Merkmale der Ansprüche 9 bis 12 gekennzeichnet.

Die Erfindung wird mit ihren Vorteilen anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert; es zeigt :

Fig. i einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Meßvorrichtung;

Fig. 2 ein elektrisches Prinzipschaltbild für die Umwandlung und Weiterleitung der von der Meßvorrichtung nach Fig. 1 ermittelten ¥eg.lifferenzen;

Fig. 3 eine Prr.nzipskizze für die räumliche Anordnung der in Fig. 2 verwendeten Endschalter;

Fig. k einen Querschnitt durch die in eine Referenzbohrung eingeführte Meßvorrichtung nach Fig. i, wobei der Durchmesser der Referenzbohrung kleiner ist als der Durchmesser des von den radialen Meßfühlern der Meßvorrichtung beschriebenen Hüllkreises;

Fig. 5 einen Querschnitt durch eine Referenzbohrung und die in zwei Stellungen eingezeichnete Meßvorrichtung nach Fig. i, wobei der Durchmesser der Referenzbohrung größer ist als der Durchmesser des von den radialen Meßfühlern dei~ Meßvorrichtung beschriebenen Hiillkreises;

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Pig. 6 einen Längsschnitt durch eine eine Referenzfläche

abtastende Meßvorrichtung nach Fig. i;

Fig. 7 einen Querschnitt wie in Pig. k, wobei jedoch die Längsachse der Meßvorrichtung mit der Längsachse der gezeigten. Bohrung zusammenfallt;

Fig. 8 einen Querschnitt wie in Fig. 5, wobei jedoch die beiden Stellungen der Meßvorrichtung spiegelsyrainetrisch zur Längsachse der "■ *.-;·,Bohrung dargestellt sind;

Fig. 9 einen Längsschnitt durch zwei Stellungen der Meßvorrichtung nach Fig. 1, welche die Ränder einer flachen Bohrung abtastet;

Fig. 10 einen Längsschnitt durch zwei Stellungen der Meßvorrichtung nach Fig. 1, welche ein in Z- Richtung abgestuftes Profil abtastet.

Die in Fig. 1 im Längsschnitt dargestellte Meßvorrichtung nach der Erfindung weist einen zylxnderförmigen Schaft 2 auf, dessen eine Hälfte 3 in eine entsprechende Ausnehmung der Arbeitsspindel k einer nicht dargestellten Werkzeugmasenine eingesteckt ist_o Zur Halterung der Meßvorrichtung i in üer Arbeitsspindel k weist der zylinderförmige Schaft 2 air axialen Ende der einen Hälfte 3 eine ringförmige Eiiidrehurg 5 und eine Nut 6 auf. Am anderen axialen Ende des Schaftos ist eine Meßsonde 7 mittels Schrauben 8 derart angeflanscht,

9
daß die Längsachse der Meßsonde 7 mit der Längsachse des. Schaftes 2 zusammenfällt. Die Meßsonde 7 enthält an ihrem

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— O —

freien axialen Ende drei Meßfühler 10, 11 und 12, wobei der erste τ zweite Meßfühler 10 bzw. 11 wie in Fig. 4 und J strichliert gezeichnet ein durchgehender Teil sind. Diese Meßfühler lo, 11 sind bezüglich der Längsachse 9 radial verschiebbar gelagert, wobei in der Ruhelage der Fühler 11 einen kleineren Hüllkreis als der .Fühler 10 beschreibt. Der dritte Meßfühler 12 kann einma]/in der in Fig. 1 mit ausgezogenen Linien dargestellten Lage und einmal in der mit strichlierten^Linien dargestellten schrägen Lage eingesetzt werden. In diesen Lagen kann er jeweils um einen Winkel ß verschwenkt werden. Die radiale Verschiebung der Meßfühler 10,11 sowie die bei der Verschwenkung des Meßfühlers 12 in axialer und radialer Richtung auftretende Ver Schiebungskomponente werden über geeignete elektro-mechanische Wegaufnehmer, z.B. Dehnungsmesstreifenaufnehmer, in elektrische Signale umgesetzt, deren Amplitude proportional der-entsprechenden Verschiebung ist. Diese elektrischen Signale werden mittels fdner im Inneren des Schaftes angeordneten elektronischen Einrichtung verstärkt und einer Trägerschwingung aufmoduliert, wobei die bekannten Modulationsarten (AM oder FM) gleichwertig nebeneinander angewandt werden können. Das modulierte Trägersignal wird einer Übertragungsspule 13 (Fig. 1) zugeführt, welche in einer ringförmigen Nut 14 am Außenmantel 15 eines Rings 16 gehaltert ist. Der Ring 16 ist auf den Schaft 2 aufgeschraubt oder in sonst geeigneter Weise befestigt, derart, daß im Falle einer Schraubbefestigung der Ring 16 gegen einen Anschlag 17 des Schaftes 2 verschraubt wird und auf diese Weise eine definierte Lage erhält. Die Ubertragungsspule 13 wirkt mit einer Eirpfangsspule 18 zusammen, welche in einer Nut eines Vorsprungs 19 des Spindelgehäuses 20 befestigt ist. Die ε.η die Empfangsspule übertr-agenen modulierten Trägersj.gnale

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werden von dort e'iner Auswerteinrichtung zugeführt, welche die modulierten Trägersignale demoduliert und die Demodulationssignale,welche den Verschiebungen der Meßfühler 10, 11, 12 proportional sind, in einer dem Einsatzzweck der Meßvorrichtung entsprechenden Weise verarbeitet.

An dem Ring 16 ist ferner ein die Oberkante des Rings überragender Vorsprung 21 angebracht, welcher als Schaltarm

ο *)

zur Betätigung von vier im Winkel von 90 versetzt angeordneten Endschaltern 22, 23, 2h, 25 ( die Endschalter 23, 25 sind in Fig. 1 nicht sichtbar ) dient. Die Funktionsweise des Vorspruiigs bzw. Schaltarms 21 ist in Fig. 3 anhand einer schematisierten axialen Draufsicht auf den Schaft 2 fpMfamenM^fim näher veranschaulicht. Bei einer Drehung des Schaftes 2 in der eingezeichneten Pfeilrichtung kommt der Schaltarn 21 B^3fffi*if^P^I| mit den Schaltkontakten der Endschalter 22 - 25 nacheinander in Berührung und schließt dabei den jeweiligen Endschalter. Die Endschalter 22 - 25 fallen dabei mit jeweils einer Koordinatenrichtung des in Fi^. 3 dargestellten X-Y-Koordinatensystems zusammen, d.h., wenn der Endschalter 22 geschlossen ist, zeigt der Schaltarta 21 in +X - Richtung, wenn der Endschalter 23 geschlossen j Kt, zeigt der Schaltarm 21 in -Y - Richtung usw.. Zur Durchführung der nachslohend erläuterten erfindungsgemäßcn Verfahren ist es erforderlich, daß einer der Meßfühler 10 oder 11 in Deckung mit dom Schaltarm 21 sich befindet. Venn daher der Endschalter 22 oder 2k durch den Schaltarn geschlossen \vird, so bedeutet dius, daß sieh uie

*) am Siiindelgcbause 20

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"beiden ersten Meßfühler 10, 11 in Deckung mit der X-Achse des in Fig. 3 dargestellten Koordinatensystems befinden, während beim Schließen der Endschalter 23 oder 25 die Meßfühler 10, 11 mit der Y-Achse deckungsgleich sind. Die

sowie c:3 u,24/
Endschalter 22 u. 25/sind parallelgeschaltet und befinden sich

wie aus dem Schaltbild nach Fig. 2 ersichtlich ist - in dem

Leitungszug zwischen dem Empfänger ... .· 18 und der Auswertet

einrichtung 26^/ Diese Anordnung der Endschalter 22 - 25 hat zur Folge, daß an die Auswerteinrichtung 26 nur dann ein von den Meßfühlern 10 - 12 erzeugtes Signal gelangt, wenn sich die beiden ersten Meßfühler 10, 11 in Deckung mit der X- oder der Y-Achse befinden. Bei allen anderen Stellunger, der Meßfühler 10, 11 werden die Schaltkontakte der Endschalter 22 - 25 durch den Schaltarm 21 nicht geschlossen, so daß die Signalverbindung zwischen der Empfangsspule 18 und der Auswerteinrichtung 26 unterbrochen ist, mit der Folge, daß die von den Meßfühlern 10 - 12 erzeugten Signale nicht an die Auswerteinrichtung 26 gelangen und somit unterdrückt werden.

Anhand von Fig. k soll nunmehr ein erstes Verfahren zur Kompensation der Lageabweichung·einer programmgesteuerten Werkzeugmaschine infolge von Temperaturschwankungen erläutert werden. Fig. k zeigt einen querschnitt durch eine in dem zu bearbeitenden Werkstück vorgesehene Referenzbohrung 27. In die Referenzbohrung 27 wird die Meßsonde 7 eingeführt, indem die Arbeitsspindel h der Werkzeugmaschine in die Lage X=0;Y=0;Z*0 ihres Steuerprogramms ge-

/ die aus zwei Speichern 26a, 26b und einem Rechenwerk 26c besteht.

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steuert wird. Da die Referenzbohrung so vorgesehen wird, daß ihre Längsachse ( in Fig. 4 senkrecht zur Bildebene ) durch den Ursprung des X-Y-Koordinatensystems geht, d.h., daß die Längsachse stets der Begingung X =0; Y =0 genügt, müßte die Längsachse 9 ( Fig; 1 ) der Meßsonde 7 mit der Längsachse der Reierenzbohrung zusammenfallen, sofern keine Lageabweichung der Werkzeugmaschine stattgefunden hat.

Infolge temperaturbedingter Lageänderung der Arbeitsspindel 4 fallen die Längsachse 9 der Meßsonde 7 und die Längsachse der Referenzbohrung 27 nicht zusammen, wodurch die Meßsonde 7 innerhalb der Referenzbohrung 27 eine exzentrische Lage ein-' nimmt.

Im Anschluß an das Einführen der Meßsonde 7 in die Referenzbohrung 27 wird die Meßsonde in Umdrehung versetzt, wodurch nunmehr der Meßfühler 10 die Wandung der Referenzbohrung abtastet und dabei bezüglich seiner Ruhelage unterschiedliche Auslenkungen erfährt. Diese in elektrische Signale umgewandelten Auslenkungen werden, v/ie vorstehend erläutert ist, nur dann der Auswerteinrichtung 26 (Fig. 2) zugeführt, wenn der Meßfühler 10 mit der X- oder der Y-Achse des Koordinatensystems des Steuerprogramms zusammenfällt oder achsenparallel orientiert ist. Bezeichnet man mit e den Abstand zwischen der Längsachse 9 der Meßsonde 7 und der Längsachse der Referenzbohrung 27 und mit a , a die jeweilige Projektion des Ab-Standes e auf die in der jeweiligen Stellung betrachtete Koordinatenachse, so gilt für a folgende Beziehung:

^ax -

und analog die gleiche Beziehung für a .

wobei f.. die Auslenkung des Meßfühlers 10 aus seiner Ruhelage in der betreffenden Stellung -x,

f_o die entsprechende Auslenkung des Meßfühlers 10 in der ^r~ Stellung +x ist, und

a die Projektion des Abstandes e auf die X- bzw. a,_r auf die Y-Achse ist.

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Die Ruhelage des Meßfühlers 10 ist in Pig. 4 durch einen mit gestrichelten linien eingezeichneten Kreis, den sog. HiDikreis 28 veranschaulicht, den der Meßfühler 10 hei einer Drehen· der Meßsonde 7 außerhalb der Referenzbohrung beschreibt.

Nachstehend wird die Weiterverarbeitung der Auslenkungen f.. u"-l ΐ~ Je nach Stellung der Meßsonde 7 beschrieben. DieÄutO enkung des Meßfühlers 10 erzeugt ein elektrisches Signal am Vf^- aufnehmer 29. Dieses Signal wird, wie eingangs beschrieben, auf eine Trägerfrequenz aufmoduliert und über den Sender 33 einer Übertragungsspule 13 zugeführt. Per Empfänger 34 mit seiner Übertragungsspule 18 übernimmt äas Signal und gibt es, je nach Lage des Taetfühlers 10, über lie Endschalter 22 und 25 bzw. 23, 24 in einen der Speicher ?6a oder ?6b. Der Schalter 22, gem. Fig. 2, schaltet, wenn 2ich-die Keßsonde 10 in der Stellung vgl. Fig. 3 +x befindet, während der Schalter ?3 in der Stellung -y (Fig. 3), eier Schalter 24 in der Stellung -x und der Schalter 25 in der Stellung kv (.Pig. 3) schaltet. Damit wird der Meßwert f.. (Fig. 4) in den Speicher 26b (Pig.2) gespeichert, während der Viert f_? (vgl. Pig.4) in den Speicher 26a gespeichert wird. Sobald die beiden Meßwerte f.., fp in den angegebenen Speichern vorliegen, werden diese über dnc; Rechenwerk 26c entsprechend der vorgenannten Formel susge- ■ v/ertet. Die vorbeschriebene Auswertung erfolgt dabei getrennt für χ und y.

Die Ergebnisse a bzw. a werden in digitaler Forio an die numerische Steuerung der Werkzeugmaschine weitergegeben, welche dann die entsprechende Korrekturverschiebung vornimmt. Bs genügen somit zwei Umdrehungen der Meßsonde'innerhalb der Ref erenzbohx^ung 27 des zu·bearbeitenden Werkstücks, um uie durch Temperatureinflüsse hervorgerufene lageverscliiebung der Einstellorgane der Werkzeugmaschine in X- und Y-Rjcht.\ii;g zu ermitteln und zu kompensieren.

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- ΛΑ -

Im Anschluß an die Kompensation der Lageverschiebung in Z- und Y-Richtung erfolgt bei dem vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren die Komepnsation in Z-Richtung (Pig. 6). Hierzu wird die Meßsonde 7 im eingeführten Zustand innerhalb der Referenzbohrung auf den Koordinatenwert Z = O des Steuerpr'ogrämms gesteuert, wodurch der Meßfühler 12 an der Spitze der Meßsonde 7 mit der Referenzfläche 27 in Berührung kommt. Bei fehlender Lageabweichung in Z-Riclitung wird der Meßfühler 12 nicht auegelenkt, sondern verbleibt in sejner Null-Lage, wobei in der Praxis der Meßfühler zur Ermittlung von Plus- und Minus-Abweichungen eine vorgespannte Null-Lage erhält. Dagegen wird bei einer Lageabweichung in Z-Richtung der Meßfühler 12 seitlich verschwenkt, wobei die Wegkomponente dieser Verschwenkung in axialer_> d.h. in Z-Richtung der Lageabweichung der Einstellorgane der Werkzeugmaschine in Z-Richtung entspricht.

Diese axiale Wegkomponente wird, v/ie aus Pig. 2 hervorgeht, mittels eines Wegaufnehmers 29 in ein proportionales Spannungssi-gnal umgewandelt, das dann auf dem schon anhand Pig. 2 beschriebenem Wege zur Auswertung 26 gelangt, wobei die Spindel keine Drehung ausführen muß.

Anstelle der Referenzfläche 27 kann auch jede andere ebene Pläche des Werkstücks durch, den Meßfühler 12 abgetastet werden, da es für die Ermittlung der Lagcabweichung in Z-Richtung gleichgültig ist, welche Lage dio Meßsonde bezüglich des X-Y-Koordinatensystems einnimmt.

Das vorstehend beschriebene verfahren ^⁸* nicht auf die Ermittlung der Lajjeabweichungen infolge von Temperatureinflüssen beschränkt. Es kann vielmehr jeder Lageunterschied zwischen einer "vom Steuerrechner vorgegebenen Referenzlage und der tatsächlichen Lage des Werkzeugs ermittelt werden. -

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Hierzu wird die Meßsonde 7 in das bei Steuerung des Werkzeugs in die Referenzlage hergestellte Bohrloch eingeführt, d.h., der Steuerrechner steuert die Meßsonde auf die Koordinaten X = x_Ref; ^Y =* y^ef '* ^{z = z}Ref * ^{Wie olme} wei^e^es ^er~ kennbar ist, entapricht dann das Bohrloch der Referenzbohrung 27 und die zu ermittelnde Sollwertabweichung in X- bzw. Y-R ichtung/crem mathematischen Ausdruck a bzw. a bei Messung in der betreffenden Koordinatenrichtung. Anschließend wird die Meßsonde 7 zur Ermittlung der Sollwertabweichung in Z-Richtung auf die Koordinate Z = z„ ~ gefahren, was der Steuerung der Meßsonde auf die Koordinate Z=O beim vorstehend beschriebenen Verfahren entspricht.

Eine weitsre Möglichkeit zur Anwendung der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung soll anhand von Pig.5 erläutert werden. Bei dem in Pig. 5 veranschaulichten Verfahren wird die Meßsonde 7 auf die Koordinatenwerte X = +A des Steuerprogramms gesteiiert; dabei ist unterstellt, daß Y=O ist, so daß die Heßsonde gegenüber dem programmierten Ursprung 0 des X-Y-KoordinatensyctemR um die Strecke A in positiver X-R.ich.tung versetzt in die Referenzbohrung 27 eingeführt wird. Anschließend wird, wie beim Verfahren nach Pig. 4, die Meßsonde 7 in Umdrehung versetzt, wo'cei der Meßfühler 10 mit der Wandung der Referenzbohrung 27 in Berührung kommt und dabei ein erstes Teilbogenstück ier Wandung abtastet. Der Heßfühler 10 wird daher in der parallel zur X-Achse orientierten Stellung um die Strecke f. aus seiner Ruhelage ausgelenkt.

Dieser 'v'ert f. wird gemäß der in Pig, 2 schon beschriebenen und üargestellten Anlage der Auswertung 26 zugeführt und dort gespeichert. Daran anschließend wird die Heßsonde 7 um den Betrag 2A in Richtung -X verfahren. In dieser Stellung wird der Abtastvorgang wiederholt und das ermittelte Ergebnis f^ in der bereits erwähnten Weise gem. der Einrichtung entsprechend Fig.

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wieder der Verarbeitung 26 zugeführt und gespeichert. Im Rechenwerk 26c werden dann die beiden Werte f,, f. entsprechend der Formel

ausgewertet. Dieser Wert b entspricht dann einer Kompensationsgröße in X-Richtung.

Der hier beschriebene Vorgang wird dann in Richtung der Y-Aohse wiederholt und so die Kompensationswerte in dieser Y-Riehtung festgestellt.

Die Darstellung in Fig. 7 soll lediglich erläutern, daß die Meßfühler 10, 11 unterschiedlich grtße Hüllkreise beschreiben, wobei - wie schon erwähnt - diese Fühler 10, 11 aus einen, einzigen Teil bestehen.

In Fig. 8 ist eine schematische Darstellung zur Ermittlung des Durchmessers einer Bohrung dargestellt. Bei diesem Verfahren steht die Meßsonde 7 still und dreht nicht. Dabei v/erden beide Meßfühler 10 und 11 zur Messung in der jeweiligen Stell\mg der Meßsonde benutzt. Die Meßfühler 10, 11 befinden sich in Richtung X, wobei wieder für Y der Wert Y=O unterstellt wird. Die Meßsonde 7 wird so eingefahren, daß der Meßfühler 10 bei -X unter einer vorgegebenen Vorspannung die Innenwandung der Bohrung abtautet. Der abgetastete Wert wird gem. Fig. 2 gespeichert. Dann wird die Meßsonde in die strichlierte Stellung gem. Fig. 8 in Richtung -i-X verstellt, und zwar um den Wert 2A. In dieser Stellung tastet der Meßfühler 11 die Bohrungsinnenwand ebenfalls unter einer gleich großen Vorspannung de=? Meßfühlers ab. Der· von ihm fcstgeote3.lt'.: i-'oßweri, wird wieder eingf.-'.neieliort. Das Rechenwerk 26c- ermittelt die Differenz nach der Form?-;!

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Vot'r-"!if.i«:ju.« U» I. 5 0 9 0 0 9/052 7 ^₀ ORIGINAL

Der ermittelte Wert Δ wird wieder an die Numere gegeben, die ihrerseits veranlaßt, daß die festgestellte Durchmesserkorrektur beim nächsten Schnitt berücksichtigt wird.

Eine weitere Möglichkeit zur Weglängenmessung mittels der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung ist in Fig. 9 veranschaulicht. Die Meßsonde 7 wird solange in positiver X-Richtung bewegt, bis der Meßfühler 12 mit der rechten Seitenwand der Bohrung 35 in Berührung kommt. Die dabei auftretende Verschiebungskomponente fq in radialer negativer X-Richtung wird an die Auswert einrichtung 26 weitergeleitet und dort gespeichert. Anschließend wird die Meßsonde 7 um ein von dem Steuerpr jgramrn vorgebbares Wegstück B in negativer X-Richtung bewegt, solange, bis die Meßsonde an die linke Seitenwand der bohrung 35 anstößt uno dabei um die Verschiebungskomponente f._Q in radialer, positiver X-Richtung ausgelenkt wird. Pas dabei an die Auswerteinrichtung 26 weitergeleitete Signal wxrd dort entsprechend der Beziehung

^d = ^B - ^f9 - ^fio

verarbeitet, wobei das resultierende Spannungssignal ( e?itsprcchend dem Ausdruck d ) dem Durchmesser der auszui.iessenden Bohrung entspricht. Anstelle einer Bohrung können ebensogut Absätze oder sonstige Ausnehmungen in den Werkstück ausgemessen werden.

Zur Ausmessung der Tiefe von liohrunren, Absätzen odtr sonstigen Ausnehmungen in den Werkstück kann («as in rig. Io veransehaulieh te Verfahren angewandt, werden. Dieses Verfahren ist im Prinzip dem Verfahren nach l-'i ^r. 9 μ L it ich; es vor d'.¹H"

-Vj-

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BAD ORIGINAL

hier die axialfen Komponenten der Verschiebung des Meßfühlers 12 ausgewertet und der Vorschub der Meßsonde erfolgt um die Wegstrecke D in Z- Richtung. Im Einzelnen wird wie folgt verfahren: Zunächst wird die an die Ausnehmung 35 angrenzende Fläche 36 angetastet, d.h. _r die Meßsonde wird solange in Z-Riehtung bewegt, bis der Meßfühler 12 infolge Berührung mit der Fläche 36 ausgelenkt wird. Die axiale Komponente dieser Auslenkung wird in ein elektrisches Signal umgewandelt und an die Auswerteinrichtung weitergeleitet, welche dieses Signal ( entsprechend der Auslenkung f.. ) speichert. Anschließend wird die Meßsonde um einen Betrag in positiver X- Richtung versetzt und um ein von dem Steuerprogramm vorgebbares Wegstück D in Z- Richtung bewegt, solange, bis der Meßfühler 12 an die Bodenfläche 37 der Ausnehmung 35 anstößt und dabei um die axiale Komponente f.„ ausgelenkt wird. Diese wird in ein elektrisches Signal umgewandelt und an die Auswerteinrichtung 26 wei*tergeleitet, wo eine Auswertung entsprechend der Beziehung

h = D +Cf₁₁ - f_i2)

erfolgt, wobei dad resultierende Summensignal ( entsprechend dem Ausdruck Ii ) der Tiefe der auszumessenden Ausnehmung entspricht.

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Claims

Karl Hüller Gesellschaft· ^t · A 32""652 '

beschränkter Haftung ,' . · · Γ«ς * 7l4o Ludwigsburg i^u>"^Aü!>

Schwieberdingerstr. 80

Ansprüche

1. Vorrichtung zum Messen einer Wegdifferenz, mit zumindest ^w einem aus einer Ruhestellung um die zu messende Wegdifferenz auslenkbaren Meßfühler und einem mit dem Meßfühler verbundenen elektromechanischen Wegaufnehmer, welcher die Auslenkung des Meßfühlers in ein proportionales elektrisches Signal umwandelt, gekennzeichnet durch folgende Merkmale :

a) ein im wesentlichen zylinderförmiger Schaft (2) ist an seinem einen axialen Ende zur Befestigung "an einer Welle, beispielsweise an der Arbeitsspindel (4) einer Werkzeugmaschine, ausgebildet

b) eine im wesentlichen zylinderförmige Meßsonde (7), welche an das andere axiale Ende des Schaftes (2) angeflanscht ist und im Bereich ihres freien axialen Endes drei Meßfühler (lo, 11, 12) aufweist, wobei die beiden ersten Meßfühler (lo, 11) diametral zueinander angeordnet und radial verschiebbar gelagert sind und wobei der dritte Meßfühler (12) an dem freien axialen Ende der Meßsonde (7) gelenkig befestigt ist, derart, daß dieser aus seiner Ruhestellung seitlich verschwenkbar ist und

C/ sine innerhalb der Meßsonde (7) und/oder dem Schaft (2; angeordnete Einrichtung zur drahtlosen Übertragung der der Auslenkung der Meßfühler (I0-I2) proportionalen elektrischen Signale an eine außerhalb der ^fleßvorrichtung (1) und der Welle (4) angeordnete Empfangseinrichtung.

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß auf dem Schaft (2) ein Ring (l6) befestigt ist, dessen-Außenmantel (15) mit einer ringförmigen Nut (1^) versehen ist, in welcher die Wicklungen einer Sendespule (13) der Übertragungseinrichtung angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (l6) gegen einen Anschlag (17) auf dem Außenmantel des Schaftes (2) verschraubbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Schaft (2) ein Schaltarm (21) zur mechanischen Betätigung von Endschaltern (22-25) befestigt ist, welche außerhalb der Meßvorrichtung (1), beispielsweise am Gehäuse (2o) der Arbeitsspindel um jeweils 9o° gegeneinander versetzt angebracht sind " und jeweils mit einer Koordinatenrichtung (+X, +Y, -X, -Y) zusammenfallen.

5. Verfahren zur Ermittlung und Kompensation der durch Temperaturschwankungen hervorgerufenen Lageabweichungen eines von einem Steuerrechner einstellbaren Werkzeugs einer programmgesteuerten Werkzeugmaschine, unter Verwendung der Meßvorrichtung nach Anspruch 1 bis k, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) an der Arbeitsspindel der Vierkzeugmaschine wird die Meßvorrichtung befestigt;

b) die Werkzeugmaschine wird auf die Werte Null der X- und Y- Koordinaten und einen von Null verschiedenen Z-Koordinatenwert ihres fiteuerprogramms eingestellt, wodurch die Meßsonde der Meßvorrichtung in eine Referenzbohrung des zu bearbeitenden Werkstücks eingefahren wird, wobei der Durchmesser der Referenzbohrung kleiner gewählt wird a3s der Durchmesser des in der Ruhestellung beschriebenen Hüllkreises des

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-3-

radial am weitesten vorstehenden Messfühlers (Ιο), -so daß er nach dem Einfahren der Meßsonde mit der Seitenwand der Referenzbohrung in Berührung kommt und dabei in radialer Richtung ausgelenkt wird, während ein anderer Meßfühler (12) durch entsprechende Wahl des Z-Koordinatenwertes die Referenz-r flächen nicht berührt;

c) die Meßvorrichtung wird in Umdrehung gesetzt, wodurch der Meßfühler (lo) entsprechend der Exzentrizität zwischen den Längsachsen der Meßsonde (7) und der Referenzbohrung weitere Bewegungen in radialer Richtung ausführen;

d) die der radialen Bewegungen des Meßfühlers (lo) entsprechenden elektrischen Signale werden entsprechend der Beziehung

f - f

¹I ^J2 ■

a =

zu einem Summensignal verarbeitet, wobei

T₁ die Auslenkung des Meßfühlers (lo) bei Stellung -X (-Y) fp die Auslenkung des Meßfühlers' (lo) bei Stellung +X (+Y) ist.

a die jeweilige Projektion (a-, a ) des Abstands

χ y

zwischen den Längsachsen der Meßsonde auf die Koordinaten ist;

e) die Einzelmesswerte werden nur dann an eine Auswerteinrichtung weitergeleitet, v?enn der Meßfühler (lo) bei seiner Drehung um die Längsachse der Meßsonde mit den entsprechenden Quadrantenpunk.ten (+x, -x; +y; -y) zur Deckung gelangt, wobei das bei Deckungsgleichheit mit den Quadrantenpunkten weitergeleitete Signal nach Auswertung als Lageabweichung der Werkzeugmarchine gegenüber dem programmierten Nu]Ipunkt in X- und Y-Richtung entspricht;

f)-die von der Auswerteinrichtung weitergeleiteten Summensignale für die Mullpunktabweichung werden in die numerische Steuerung eingegeben, wo sie eine Verschiebung des programmierten Nullpunktes in der betreffenden Koordinatenrichtung um einen entsprechenden Betrag auslösen; 509809/0527

g) die Werkzeugmaschine wird anschliessend auf den Wert Null der Z - Koordinate ihres Steuerprogramms eingestellt, wodurch der dritte Meßfühler (12) die Referenzfläche (27) berührt und dabei um einen Winkelbetrag seitlich verschwenkt wird, welcher in ein entsprechendes elektrisches Signal umgewandelt und an die Auswerfeinrichtung weitergeleitet wird;

h) das von der Auswerteinrichtung weitergeleitete Signal für die Nullpunktabweichung in Z- Richtung löst in gleicher Weise wie die Summen&ignale für die Nullpunktabweichungin X- und Y- Richtung eine Verschiebung des programmierten Nullpunktes in Z- Richtung um einen dem Abweichungssignal entsprechenden Betrag aus.

6. Verfahren zur Ermittlung und Kompensation der durch Tempera tür Schwankungen hervorgerufenen Lageabweichungen eines von einem Steuerrechner einstellbaren Werkzeugs einer programmgesteuerten Werkzeugmaschine, unter Verwendung der Meßνorrichtung nach Anspruch i bis 4, gekennzeichnet durch folgende Merkmale :

a) an der Arbeitsspindel der Werkzeugmaschine wird die Meßvorrichtung befestigt;

b) die Werkzeugmaschine wird auf die Werte X = +A; Y=O

und einen von Null verschiedenen

Z- Koordinatenwert ihres Steuerprogramms eingestellt, wodurch die Meßsonde der Meßvorrichtung in eine Refe-. renzbohrung des· zu bearbeitenden Werkstücks eingefahren wird, wobei der Durchmesser der Referenzbohrung größer gewählt wird als der Durchmesser des Meßfühlers (lo) in der Ruhestellung beschriebenen Hüllkreises, so daß nur einer der beiden ersten Meßfühler nach dem Einfahren der Meßsonde mit der Seitenwand der Referenzbohrung in Berührung korrmt und dabei in radialer Richtung ausgelenkt wird, während der dritte Meßfühler durch entsprechende · Wahl des Z- Koordinatenwertes den Boden der Referenzbohrung nicht berührt;

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c) die Meßvorrichtung wird in Umdrehung gesetzt, wodurch der Meßfühler (lo) abwechselnd ein erstes Teilbogenstück der Referenzbohrung abtastet und dabei jeweils die gleiche Bewegung in radialer Richtung ausführt;

d) die radiale Bewegung d3s Meßfühlers wird in ein entsprechendes elektrisches Signal umgewandelt und an eine Auswerteinrichtung weitergeleitet, jedoch nur dann, wenn der Meßfühler (lo) bei seiner Drehung um die Längsachse der Meßsonde mit der X- oder Y- Achse des Koordinatensystems zur Deckung gelangt;

e) die bei Deckungsgleichheit mit der X- und der Y- Achse jeweils an die Auswerteinrichtung weitergeleiteten Signale werden dort gespeichert;

f) die Arbeitsspindel wird von dem Steuerrechner aus der bisherigen Stellung in die Lage X = -A; Y=O verfahren, se daß der Meßfühler (lo) bei der anschließenden Umdrehung der Meßsonde ein zweites, dem ersten Teilbogenstück der Referenzbohrung gegenüberliegendes Teilbogenstück abtastet;

g) die bei dieser Abtastung erzeugte radiale Bewegung des Meßfühlers wird in gleicher Weise wie bei der Abtastung des ersten Teilbogenstücks in elektrische Signale umgewandelt, an die Auswerteinrichtung weitergeleitet und dort gespeichert.

h) die jeweils bei Deckungsgleichheit des Meßfühlers (lo) in den jeweiligen Quadrantenpunkten gewonnenen Signale aus der Abtastung der beiden Teilbogenstücke der Referenzbohrung werden entsprechend der Beziehung

f3j - f4

zu jeweils einem Summensignal verarbeitet, wobei f., die Auslenkung des Meßfühlers (lo) bei Abtastung des ersten Teilbogenstücks der Referenzbohrung, fj, die Auslenkung des Meßfühlers (lo) bei Abtastung des zweiten Teilbogenstücks der Referenrbohrung und b die jeweilige Projektion des Abstandes zwischen der Längsachse der Referenzbohrung und einer gedachten Achse in der Mitte zwischen den beiden Lagen der Meßsonden-

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Längsachse, bezogen auf die X- und Y-Achse.

i) die in der Auswerteinrichtung gebildeten Summensignale werden in den Steuerrechner der numerischen Steuerung eingegeben, wo sie eine Verschiebung des programmierten Nullpunktes in X- bzw. Y- Richtung um einen entsprechenden Betrag auslösen;

k) die Werkzeugmaschine wird anschliessend auf den Wert Null dor Z- Koordinate ihres Steuerprogramms eingestellt, wodurch der dritte Meßfühler (12) die Referenzfläche berührt und dabei um einen Winkelbetrag seitlich verschwenkt wird, welcher in ein entsprechendes elektrisches Signal umgewandelt und an die Auswerteinrichtung weitergeleitet wird;

1) das an die Auswerteinrichtung weitergeleitete Signal löst in gleicher Weise wie die Summensignale für die Nullpunktabweichung in X- und Y- Richtung eine Verschiebung des programmierten Nullpunktes in Z- Richtung um einen dem Abweichungssignal entsprechenden Betrag aus.

7. Verfahren zur Ermittlung des Lageunterschieds zwischen einer in einem Steuerrechner einer programmgesteuerten Werkzeugmaschine vorgegebenen Referenzlage und der tatsächlichen Lage des von dem Steuerrechner einstellbaren Werkzeugs der Werkzeugmaschine, unter Verwendung der Meßvorrichtung nach Anspruch 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß da'3 Verfahren gemäß Anspruch 5 mit der Maßgabe angewandt wird, da3

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a) die Werkzeugmaschine von dem Steuerrechner auf die Werte X = x_Ref; Y - y_Ref; Z = z_Ref verfahren wird, wobei x„ », jTp . und z_R » die Koordinaten der vorgegebenen Referenzlage sind, wodurch die Meßsonde

,anstatt in die lieferenzbohrung in die von der Arbeitsspindel nach Steuerung in die Referenzlage hergestellte tatsächliche eingeführt wird und

b) die ermittelte > Lageabweichung' der tatsächlichen Bohrung von der Referenzlage in X-, Y- und Z- Richtung zur Korrektur der programmierten Koordinatenwerte der Referenzlage verwendet werden.

8. Verfahren zur Ermittlung des Lageuniorsehieds zwischen einer in einem Steuerrechner einer programmgesteuerten Werkzeug-inaschine vorgegebenen Reforenzlage und der tatsächlichen Lage des von dem Steuerrechner einstellbaren Werkzeugs der Werkzeugmaschine, unter Verwendung der Meßvorrichtung nach Anspruch 1 bis ^, dadurch gekennzeichnet , daß das Verfahren gemäß Anspruch 6 mit der Maßgabe angewandt wird, daß

a) die Werkzeugmaschine zur Abtastung des ersten Teilbogenptücks von dem Steuerrechner auf die Werte X = ^x _Kef ^+A? ^Y = >^rRef' ^{Z = z}Jicf ^{Und zur Abtasti:ii}e ^dei\

zweiten Teilbogenstücks auf die Werte X = ^xH_ef~^A; ^{Y = y}Ref^{; Z = z}Ref ^{verfahrcn wird}> ^{wotei x}R_ef y„ ^ und z_TJ „ die Koordinaten der vorgegebenen Reie-^JRof Ref

renzlage sind, wodurch die Meßsonde anstatt in die

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Referenzbohrung in die von der Arbeitsspindel nach Steuerung in die Referenzlage hergestellte tatsächliche Bohrung eingeführt wird und

b) die ermittelte Lageabweicbung der tatsächlichen Bohrung von der Referenzlage in X-, Y- und Z- Richtung zur Korrektur der programmierten Koordinatenwerte der Referenzlage verwendet Airerden.

9. Verfahren zum Messen einer Wegdifferenz, insbesondere des Durchmessers einer Bohrung, unter Verwendung der Meßvorrichtung nach Anspruch 1 bis h, g e k e η η zeichnet durch folgende Merkmale :

a) an der Arbeitsspindel der Werkzeugmaschine wird die Meßvorricrtung befestigt;

b) die Werkzeugmaschine wird auf die dei" Längsachse der auszumessenden Bohrung entsprechenden X- und Y- Koordinatenwerte eingestellt und durch fortlaufende Vorgabe der Z- Koordinatenwerte die Meßsonde der

Meßvorrichtung in die auszumessende Bohrung eingefahren und um einen vom Bohrungsdurchmesser abhängigen Betrag "erfahren;
. c) die bei der Berührung der ersten und zweiten Meß- .

fühler (lo, 11, Fig. 8) der Feßsonde mit der Seitenwand der Bohrung auftretende radiale Verschiebung beider Keßfühler wird in jeweils ein entsprechendes elektrisches Signal umgewandelt und an eine Auswerteinrichtung wojterceleitet.

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lo. Verfahren zum Messen einer Wegdifferenz, insbesondere des Durchmessers einer Ausnehmung, unter Verwendung der Meßvorrichtung nach Anspruch 1 bis h, gekenn zeichnet durch folgende Merkmale :

a) an der Arbeitsspindel einer Werkzeugmaschine wird die Meßvorrichtung befestigt;

b) die Werkzeugmaschine wird auf die der Längsachse der auszumessenden Ausnehmung entsprechenden X- und Y-Koordinatenwerte eingestellt und anschließend die Meßsonde solange in positiver.X-Hichtung verfahren, bis der dritte Meßfühler infolge Berührung mit der Seitenwand der Ausnehmung in negativer X-Richtung

verschwenkt wird;

Komponente der

c) die radiale/Verschwenkung Tinter b) wird in ein entsprechendes elektrisches Signal umgewandelt , einer Auswerteinrichtung zugeleitet und dort gespeichert;

d) anschließend wird die Meßsonde um ein von dem Steuerprogramm vorgebbares Wegstück B in negativer X- Richtung verfahren, solange, bis der dritte Meßfühler ir Berührung mit der Seitenwand der Ausnehmung kommt und dadurch in positiver X- Richtung verschwenkt wird;

e) die radiale Komponente der Verschwenkung unter d) wird in ein entsprechendes elektrisches Signal umgcv:andc31, der Auswerteinrichtung zugeleitet und dort entsprechend der Beziehung

- β - I₉ - ί₁₀

verarbeitet, *

d der Durchmesser der auszuntessnnder* Ausnehmung,

fg die radiale Komponente der Verschwenkung unter b),

f^Q die radiale Komponente der Verschwenkung unter d) ist.

11. Verfahren zum Messen einer V.'egdifferonz, insbesondere der Tiefe einer Ausnehmung, unter Verwendung der Meßvorrichtung nach Anspruch 1 bic; k, gekenn zeichnet durch folgende Merkmale :

a) an der Arbeitsspindel einer Werkzeugmaschine wird die Meßvorrichtung befestigt;

b) die Meßsonde der Meßvorrichtung wird solange in Z-Itiehtung bewegt, bis der dritte Meßfühler an die die ausz'itaessende Ausnehmung angrenzende Fläche anstößt und dabei verschwenkt wird;

c) die axiale Komponente der V_erschwenkung unter b) wird in ein entsprechendes elektrisches Signal umgewandelt, einer Auswerteinrichtung zugeleitet und dort gespeichert:

d) anschließend wird die Meßsonde um einen Betrag in X- Richtung versetzt, so daß die Meßsonde über der auszuiuessenden Ausnehmung steht;

e) die Meßsonde wird um ein von dem Steuerprogramm vorgebbares Wegstück I) in Z- Richtung verfahren, solange, bis der dritte Meßfühler 3 2 in Berührung mit der Boden-fläche der Ausnehmung kommt und daäurcn yej.-schwenkt

. wird;

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f) die axiale Komponente der Verschwenkung unter e) wird in ein elektrisches Signal umgewandelt, der Ausv;t-rt~ einrichtung zugeleitet und dort entsprccliend der Heziehung

h = D ₊if_1JL - f₁₂)

verarbeitet, wobei

h die Tiefe der auszumeösimdeii Ausnehmung,

f..· die axialo Koniponente der Verschwenkung ;nitcr b),

f. ρ die axiale komponente der Versoh^enkujig inior <·) ist.

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Leerse ite