DE2432671A1

DE2432671A1 - Vorrichtung zum messen und bearbeiten von werkstuecken

Info

Publication number: DE2432671A1
Application number: DE19742432671
Authority: DE
Inventors: Werner Krieg
Original assignee: Jenoptik Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1973-10-29
Filing date: 1974-07-08
Publication date: 1975-04-30
Also published as: DD109197A1; FR2248909A1

Description

JENA 18, 9. 1973

Vorrichtung zum Messen und Bearbeiten von Werkstücken

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen und Bearbeiten von Werkstücken, bei der ein Werkzeughalter relativ zu einer Meßeinrichtung in wenigstens zwei Koordinatenrichtungen bewegbar und die Bewegung mit Hilfe der Meßeinrichtung meßbar ist,

wobei die Lagefixierung des Werkzeughalters durch die Meßeinrichtung mit Hilfe optischer Strahlen und lichtelektrischer Empfänger erfolgt.

Es sind bereits Meß= oder Einstellsysteme bekannt, bei denen die Verschiebung mindestens eines Schlittens mit Hilfe optisch-elektronischer Mittel in wenigstens einer Koordinatenrichtung gemessen wird. Infolge von fertigungsbedingten Ungenauigkeiten der Schlittenführungen führt der Schlitten eine mehr oder weniger große Schlingerbewegung aus, deren fehlerverursachender Einfluß auf die Messung durch weitere optischelektronische Ausgleichsmittel kompensiert wird« Diese Ausgleichsmittel sind jedoch nicht geeignet zur Kompensation von Fehlern, die aus der Ablage der Verschiebungsrichtung von der Sollkoordinatenrichtung herrührenβ Hierzu müßten besondere Kompensationssysteme* vorgesehen sein,» Außerdem sind die bekannten Meß- oder Einstellsysteme zur genauen Messung und Einstellung in drei Koordinatenrichtungen wenig geeignet, weil, die optisch=mechanische Anordnung in den aufeinanderfolgenden Koordinatenrichtungen keine feste Lage des Meßstrahlenbündels im Raum gewährleistet. Darüber hinaus geben die bekannten Meß- oder Einstellsysteme keinen Hin-

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weis auf eine Ausbildung, die gleichzeitig die Bearbeitung und die Messung an Werkstücken gestattet. Auf Grund der erheblich höheren Belastungen, deao^eine Bearbeitungsmaschine ausgesetzt ist, hat man wohl bisher von ihrer Kombination mit einer Meßeinrichtung Abstand genommen. Ein Wechsel des Werkstücks von der Bearbeitungsmaschine zum Meßgerät ist aber nicht nur mit einem höheren Arbeitsaufwand, sondern auch mit einem Genauigkeitsverlust verbunden, der insbesondere bei sehr genau herzustellenden Werkstücken störend und.kanm auszugleichen ist.

Die aufgezeigten Mangel sollen durch die Erfindung vermieden werden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der die Bearbeitung und die Vermessung von Werkstücken ohne Umrüsten bei gleichzeitiger Erhöhung der Zuverlässigkeit und Meßgenauigkeit im Bearbeitungs- und Meßvorgang gewährleistet ist.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die lichtelektrischen Empfänger an einem am Werkzeughalter befindlichen Meßkopf angeordnet sind, daß die Meßeinrichtung die optischen Strahlen ablenkende Glieder besitzt, die der Relativbewegung des Werkzeughalters zur Meßeinrichtung folgen, daß die Meßeinrichtung Führungen für die optischen Glieder aufweist, die von den Führungen für den Werkzeughalter getrennt sind, und daß die Meßeinrichtung mit dem Träger der Werkstücke starr verbunden ist. Abgesehen von einer Verringerung des Arbeitsaufwandes und einer Steigerung der Genauigkeit wird die Anwendung von besonderen, ohnehin nicht in jedem Fall in den automatischen Bearbeitungsablauf

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einfügbaren Zentriermikroskopen und -projektoren vermieden. Damit der Meßkopf auch ohne Beziehungen zum Werkzeug nur zu Meßzwecken verwendbar ist, ist er am Werkzeughalter lösbar angeordnet. In diesem Fell wird, er lediglich auf den Führungen des Werkzeughalters bewegt, ohne hierzu in einer festen Meßbeziehung zu stehen. Damit die Positionierung und Messung der Lage des Werkzeughalters nicht durch die Umkehrspanne der Antriebsmittel beeinträchtigt wird, und die Stellmotoren in einem dynamisch günstigen Bereich genutzt werden können, schließen die Bewegungsrichtungen des Werkzeughalters und die entsprechenden Bewegungsrichtungen der optischen Glieder einen definierten spitzen Winkel miteinander ein. Vorteilhaft ist die Meßeinrichtung mit den dazugehörigen Führungen von einem Gehäuse umgeben, das zum Schutz gegen Verunreinigungen ebenso wie zur Klimatisierung und Belüftung dient. Zum Ausgleich von fehlerverursachenden Verlagerungen der optischen Glieder quer, zu ihren Verschiebungsrichtungen ist ihnen mindestens ein lichtelektrischer Empfänger und jedem optischen Glied ein strahlenversetzendes optisches Mittel zugeordnet.

Eine mit dem Grundgedanken der Erfindung übereinstimmende Lösung ergibt sich, wenn die lichtelektrischen Empfänger an der Meßeinrichtung und die die optischen Strahlen liefernde Lichtquelle am Meßkopf angeordnet ist. Die Erfindung ist überall im Werkzeugmaschinen- und Meßgerätebau anwendbar, wo es um die Bearbeitung und/oder Messung von V/erkstücken geht; sie ist auch bei Außenrund schleifmaschinen verwendbar»

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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der schematisehen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Kombination einer Meßeinrichtung mit einer WerIk zeugmaschine in perspektivischer Darstellung;

Pig. 2 einen Teil eines Arms der Meßeinrichtung in Draufsicht;

Pig. 3 einen Schnitt entlang der Linie 3-3 in Pig. 2;

Pig. 4 die Anordnung des Meßkopfs am Werkzeughalter in Ansicht;

Pig. 5 die Anordnung des Meßkopfs am WerkzeughaIter in Draufsicht.

In Pig. 1 sind auf einem Fundament 1 eine Meßeinrichtung mit einer Säule 3 und zwei Armen 4; 5 sowie ein Werktisch für das nicht dargestellte zu bearbeitende Werkstück befestigt. Der Arm 4 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nur teilweise dargestellt. An der Säule 3 und an jedem Arm 4; 5 ist eine mit einem Maßstab versehene Pührung befestigt, von denen die Führungen 7; 8 mit den Maßstäben 9; 10 teilweise sichtbar sind und auf denen optische Glieder gleiten, von denen das dem Arm 4 zugeordnete optische Glied 11 sichtbar ist. An der Meßeinrichtung 2 sind ferner eine Lichtquelle 12 und ein Teilerprisma 13 vorgesehen, das ein von der Lichtquelle 12 gesendetes parallelstrahliges Lichtbündel 14 in drei Teillichtbündel 15; 16; 17 zu den optischen Gliedern aufteilt, die im wesentlichen parallel zu"den Führungen in der Säule 3 und den Armen 4; 5 verlaufen. Die Meßeinrichtung 2 ist

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yon einem Gehäuse 18 umgeben, das der Form der Meßeinrichtung entspricht und an der Säule 3 bzw. an den Armen 4; 5 parallel zu diesen verlaufende Öffnungen besitzt, die durch mit den optischen Gliedern verbundene Jalousien verschließbar sind. In der Zeichnung ist das Gehäuse 18 aus Gründen der Übersichtlichkeit aufgerissen dargestellt; demzufolge sind nur die Öffnungen 19; 20 in den die Säule 3 und den Arm 5 umgebenden Gehäuseteilen mit den zugehörigen, Schlitze 21; 22 freilassenden, zweiteiligen Jalousien 23; 24 sichtbar. Durch die Schlitze werden die an den optischen Gliedern reflektierten Teillichtbündel 15; 16; 17 nach außen abgelenkt. Die Jalousien 23; 24 sind an Stellen 25; 26 mit den in den entsprechenden Gehäuseteilen entlang der Führungen bewegbaren optischen Gliedern in einer Weise verbunden, wie dies in den Fig. 2 und 3 näher erläutert ist.

Auf oder neben dem Fundament 1 ist eine Führung 27 für einen Schlitten 28 einer Bearbeitungsmaschine angeordnet, der einen Ständer 29 mit Führungen 30; 31 für ein Kreuzschlittensystem 32; 33 trägt. Der Schlitten 33 dient als Werkzeughalter und ist mit einer Spindel 34 versehen, an der das Werkzeug 35 befestigt ist. Außerdem ist am Werkzeughalter 33 eine FUhrung 36 für einen Stab an einem Meßkopf 37 angeordnet, der mit drei Differenzfotoempfängern, von denen nur der Differenzfotoempfanger 38 sichtbar ist, und fünf Fühlern 39 bis 43 ausgestattet ist. Die Differenzfotoempfänger am Meßkopf 37 dienen dem Empfang der von den optischen Gliedern durch den Schlitz der

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Jalousie nach außen gelenkten Lichtbündel 15; 16; 17. Die optischen Glieder werden über mit den Differenzfotoempfängern verbundene, der Einfachheit halber nicht dargestellte. Regelkreise entlang der Führungen an der Säule 3 und den Armen 4; 5 in Lagen bewegt,-die der Stellung des Meßkopfes 37 bezüglich der drei durch diese Führungen vorgegebenen Koordinatenrichtungen entsprechen.

Die Führungen an der Säule 3 und den Armen 4; 5 der Meßeinrichtung 2 schließen mit den Führungen 27; 30; 31 kleine Winkel ein, die groß genug sind, um Umkehrspannen der nicht dargestellten Antriebselemente der Bearbeitungsmaschine und der optischen Glieder nicht wirksam werden zu lassen. Beispielsweise kann der Winkel zwischen den Führungen der Meßeinrichtung und den Führungen der Bearbeitungsmaschinen 5° betragen. Die Spindel 34 am Werkzeughalter 33 ist jedoch parallel zur entsprechenden Führung am Arm 4 gerichtet. ·

Der näheren Erläuterung der Anordnung der optischen Glieder und der weiteren Ausgestaltung dieser Anordnung dienen die Fig. 2 und 3, wobei teilweise auf die Fig. 1 zurückgegriffen wird. Im teilweise aufgerissenen Gehäuse 18 ist der Arm 4 mit einer Führung 45 für einen Schlitten 46 zu erkennen, mit dem ein mit einer Spindel 47 im Eingriff stehendes Mutterstück 48 fest verbunden ist. Die Spindel 47 dient zusammen mit einem nicht dargestellten Stellmotor der Verstellung des Schlittens 46 entlang der Führung 45. Die Verstellung ist an einem Maßstab 49 ablesbar. Eine Jalousie 50 dient zur

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Abdeckung einer Öffnung 51 im Gehäuse 18. Die Jalousie ist mit Ösen 52 versehen, die zur Herstellung eines Lichtschlitzes über die Haken 53 am Schlitten 46 geführt und mit diesem verbunden werden können. Auf dem Schlitten 46 ist ein Träger 57 um eine zur Führung 45 parallele Achse schwenkbar gelagert-. Auf dem Träger 57 befinden sich eine um eine zum Träger rechtwinklige Achse schwenkbar gelagerte planparallele Glasplatte 54 mit Stelleinrichtung 69, das optische Glied 11, ein teildurchlässiger Spiegel 55 und ein Differenzfotoempfänger 56. Ein am Schlitten 46 befestigtes Bauteil 58 umfaßt das Lager für den Träger 57 sowie die Mittel zur Erzeugung der Schwenkbewegungen des Trägers 57. Ein weiteres am Schlitten befestigtes Bauteil 59 beinhaltet die Ablesemittel für die Ablesung des Maßstabes 49. Die schwenkbare Lagerung von Glasplatte 54 und Träger 57 dient der Justierung des optischen Gliedes relativ zum Lichtbündel 16. Im G_ehäuse 18 ist ferner ein mit einem Lufteintrittsstutzen 60 und Lauftaustrittsöffnungen 61 versehener Luftkanal 62 fest angeordnet, in deal genau temperierte Luft durch den Lufteintrittsstutzen 60 eingeblasen wird. Die durch die Luf taustritt soff nungen 61 entweichende temperierte Luft gestattet die Reinhaltung und Temperierung des hochgenauen Meßsystems bzw. seines dargestellten Teils.

Das Lichtbündel 16 wird vom optischen Glied 11 rechtwinklig durch den Spiegel 55 zum Meßkopf 37 abgelenkt. Von diesem Lichtbündel wird am Spiegel 55 ein Teillichtbündel 16·

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zum Differenzfotoempfänger 56 abgezweigt, der bei Verlagerungen des optischen Gliedes 11 rechtwinklig zur Führung 45 und parallel zur Ebene des Trägers 57 anspricht, über einen nicht dargestellten Regelkreis die Glasplatte 54 schwenkt und so das Teillichtbündel 16^! gegenüber dem Differenzfotoempfänger 56 in Abgleichstellung zurückführt. Ba das optische Glied 11 als Pentaprisma ausgebildet ist, ist es gegen Kippungen um eine Achse parallel zur Schwenkachse der Glasplatte 54 unempfindlich.

Die gleichen E_rläuterungen, wie sie auf Grund der Fig. 2 und 3 zum Arm 4 mit dem optischen Glied 11 gegeben v/orden sind, gelten entsprechend auch für die Säule 3 und den Arm 5 mit den zugehörigen optischen Gliedern.

In den Fig. 4 und 5 ist ein Teil des Werkzeughalters 33 (Fig. 1) mit der Führung 36 und dem Meßkopf 37 dargestellt, der mit den Differenzfotoempfängern 38; 63; 64 versehen ist. Am Stab 44 des Meßkopfs 37 befindet sich eine läse 65, die mit einem am Werkzeughalter 33 angeordneten Riegel 66 und einem an der Führung 36 befindlichen Anschlag 67 zur genauen Verriegelung des Meßkopfs 37 zusammenwirkt. In der nicht dargestellten verriegelten Stellung nimmt der Meßkopf 37 eine exakt definierte Lage zum Werkzeughalter 33 und damit zum Werkzeug 35 ein. In dieser Lage kann gleichzeitig gearbeitet und gemessen werden. In der dargestellten entriegelten Stellung kann der Meßkopf nach Verschieben in der Führung 36 mit Hilfe einer Klemmschraube 68 in jeder gewünschten Lage gegenüber dem Werkzeughalter geklemmt und ausschließlich zur Vermessung bereits

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hergestellter Werkstücke benutzt werden.

Die Punktion der bisher im einzelnen beschriebenen Vorrichtung ist folgende. Zunächst werden die optischen Glieder 11 durch Verschieben der Schlitten 46 gegenüber den Maßstäben 9; 10; 49 in eine gewünschte Lage gebracht. Danach wird der in die Anschlagstellung zurückgezogene Meßkopf 37 durch Verschiebung der Schlitten 28; 32; 33 entlang der Führungen 27; 30; 31 in eine exakt definierte Lage gebracht, in der die Strahlen 15; 16; 17 in Abgleichstellung auf die Differenzfotoempfanger 63; 38; 64 treffen. Zur Bearbeitung eines nichtdargestellten Werkstücks auf dem Werktisch 6 ändert der vom Meßkopf 37 geführte Werkzeughalter 33 und mit ihm das Werkzeug 35 seine Lage gegenüber dem Werktisch 6. Diese Lageänderung wird durch der Einfachheit halber nicht dargestellte Antriebsmittel über die Bewegung der Schlitten 28; 32; 33 entlang ihrer Führungen 27; 30; 31 erreicht. In den Differenzfotoempfängern werden dabei Fotoströme erzeugt, die über nicht dargestellte Regelkreise eine nachführung der Schlitten 28; 32; 33; entlang der Führungen 27; 30; 31 bewirken. Dabei messen die Baueinheiten 59 in den einzelnen Koordinatenrichtungen die Beträge der Sachführungen. Mit der Bewegung der Schlitten 46 wird zugleich die Lageänderung der Schlitze 21; 22 in allen Koordinatenrichtungen vorgenommen, in denen die Bewegung erfolgte. Der Meßkopf 37 kommt zum Stillstand, wenn die Baueinheiten an den Maßstäben 9; 49; 10 die für den Endstand der Bearbeitung des Werkstücks erforderlichen Werte angeben.

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•Die Erfindung ist nicht auf die angegebenen Ausführungsformen beschränkt. Beispielsweise könnten anstelle der querverschiebungsempfindlichen optischen Glieder 11 solche verwendet v/erden, die gegen "Verschiebungen und Kippungen unempfindlich sind. Anstatt der Maßstäbe 9; 49; 10 könnten Laserinterferometer Verwendung finden. Die lichtquelle 12 für alle Koordinatenrichtungen kann durch eine Lichtquelle für jeweils eine Koordinatenrichtung ersetzt werden. Der für die Bearbeitung des Werkstücks erforderliche spitze Winkel zwischen den Führungen 7; 45; 8 der optischen Glieder 11 bzw. ihrer Schlitten 46 und den Führungen 27; 30; 31 der Schlitten 28; 32; 33 kann auch mit Hilfe eines Rechners simuliert werden.

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Claims

- 11 Patentansprüche

I 1, Vorrichtung zum Messen und Bearbeiten von Werkstücken, bei der ein Werkzeughalter relativ zu einer Meßeinrichtung in wenigstens zwei Koordinatenrichtungen bewegbar und die Bewegung mit Hilfe der Meßeinrichtung meßbar ist, wobei die Lagefixierung des Werkzeughalters durch die Meßeinrichtung mit Hilfe optischer Strahlen und lichtelektrischer Empfänger erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtelektrischen Empfänger an einem am Werkzeughalter befindlichen Meßkopf angeordnet sind, daß die Meßeinrichtung die optischen Strahlen ablenkende Glieder besitzt, die der Relativbewegung des Werkzeughalters zur Meßeinrichtung folgen, daß die Meßeinrichtung Führungen für die optischen Glieder aufweist, die von den Führungen für den Werkzeughalter getrennt sind, und daß die Meßeinrichtung mit dem Träger der Werkstücke starr verbunden ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkopf am Werkzeughalter lösbar angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungsrichtungen des Werkzeughalters und die entsprechenden Bewegungerichtungen der optischen Glieder einen definierten spitzen Winkel miteinander einschließen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch ein die Meßeinrichtung einschließlich ihrer Führungen umgebendes Gehäuse.

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5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch' mindestens einen v/eiteren, den optischen Gliedern zugeordneten lichtelektrischen Empfänger und ein jedem optischen Glied zugeordnetes strahlenversetzendes Mittel.

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