DE2707278A1

DE2707278A1 - Verfahren zum ueberpruefen der abmessungen eines in einer werkzeugmaschine bearbeiteten werkstueckes

Info

Publication number: DE2707278A1
Application number: DE19772707278
Authority: DE
Inventors: Bernt Larsson
Original assignee: Saab Scania AB
Current assignee: Saab AB
Priority date: 1976-02-23
Filing date: 1977-02-19
Publication date: 1977-08-25
Also published as: SE7602072L; FR2341399A1; SE393313B; FR2341399B3

Description

Verfahren zum Überprüfen der Abmessungen eines in einer Werkzeugmaschine bearbeiteten Werkstückes

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überprüfen der Abmessungen eines in einer Werkzeugmaschine bearbeiteten und noch in der Bearbeitungsstellung befindlichen Werkstückes. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf allgemein bekannte Verfahren für numerisch gesteuerte (NC) Werkzeugmaschinen, in denen die werkzeugtragende Spindel gegenüber dem Werkstück in zwei senkrecht zur Spindelachse verlaufenden Koordinatenrichtungen nach einem Programm bewegbar ist, welches eine Mehrzahl durch Koordinaten in den genannten Koordinatenrichtungen definierte Nennpunkte festlegt, die in den bearbeiteten Oberflächen des Werkstückes liegen sollen. Bei diesem Werkstück-Prüfrerfahren wird anstelle des Werkzeuges an der Spindel eine sich entlang der Spindelachse erstreckende Meßsonde mit einem kreisförmigen Taster so befestigt, daß dessen geometrische Mitte mit der Spindelachse zusammenfällt, wobei die seitlich gerichteten Umfangsflächen des sich in einer radialen

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Ebene erstreckenden Tasters bei Berührung einer Werkstückoberfläche den Taster nachgiebig so verschieben könneryiaß dessen geometrische Mitte eine exzentrische Lage gegenüber der Meßsondenachse einnimmt und dabei ein elektrisches Signal erzeugt, welches darüber Auskunft gibt, wie weit die geometrische Mitte des Tasters aus einer "O"-Stellung verschoben wurde, in der der Taster eine zuvor festgelegte Exzentrizität gegenüber der Spindelachse hat.

Aus der US-PS 3 673 695 ist für solche Prüfarbeiten eine Meßsonde bekanntgeworden, mit der eine Oberfläche dadurch vermessen wird, daß man die Sonde in programmierter Bewegung relativ zum Werkstück in Richtung zur Werkstückoberfläche vorbewegt, bis der Taster der Meßsonde zur Auflage kommt. Von der Meßsonde wird ein von der durch Werkstückberührung bewirkten Querbewegung des Tasters abhängiges elektrisches Signal erzeugt. Da die "NuIl"-Position der Meßsonde (d.h. die Lage, bei der das erzeugte elektrische Signal zu Null wird) und die auf die "NuIl"-Position bezogene Relation zwischen Signalgröße und Radialbewegung des Tasters sehr genau bestimmt werden kann, eignet sich dieses Prüfverfahren für numerisch gesteuerte Werkzeugmaschinen, um zu überprüfen, ob in der Maschine ein Werkstück, beispielsweise das erste einer Reihe von Werkstücken, genau entsprechend dem Programm bearbeitet wurde.

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Gegenüber konventionellen Kontrollen mit Spezial-Meßmaschinen oder Meßbänken, mit denen manuell gearbeitet wird, bietet das vorstehend beschriebene Prüfverfahren verschiedene Vorteile, u.a. den Portfall des zeitraubenden Herausnehmens des Werkstückes aus der Werkzeugmaschine und - sofern das Werkstück noch weiter bearbeitet werden muß - sein genaues Wiedereinsetzen. Dieser Zeitverlust entfällt, da die Bedienungsperson mit Hilfe des Meßfühlers und des voreingestellten Meßprogramms die Abmessungen des Werkstückes oder die Abmessungen bestimmter Werkstückoberflächen unmittelbar nach der Bearbeitung überprüfen kann, um dann mit der Weiterbearbeitung des gleichen Werkstückes oder der Bearbeitung des nachfolgenden Werkstückes einer Serie fortzufahren.

Wie in der vorerwähnten US-PS beschrieben, ermöglicht die dort vorgeschlagene Meßsonde Messungen in axialer oder radialer Richtung, obwohl bezüglich der letzterwähnten Meßrichtung in der Beschreibung nicht offenbart ist, wie man solche Messungen in der Praxis ausführen kann. Ganz offensichtlich ist der nach unten ragende konische Taststift nur in der Lage, nach oben gerichtete Oberflächen zu beaufschlagen, die sich quer zur Maschinenspindel erstrecken. Wie an anderer Stelle der US-PS vorgeschlagen, soll für radiale Meßwertüberprüfungen ein Taster mit plattenförmigen! Ende verwendet werden,

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dessen seitlich gerichtete, vorzugsweise kreisförmige Umfangsfläche selbst dann gegen die Werkstückoberfläche bewegbar ist, wenn das Werkstück einen überkragenden Rand hat oder gegenüber dem darunter befindlichen Maschinentisch einen spitzen Winkel bildet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das vorerwähnte Verfahren für radiales Überprüfen von Abmessungen so auszubilden, daß man es unabhängig davon anwenden kann, wie die zu messende Oberfläche bezüglich der Spindelachse und bezüglich der Achse des Koordinatensystems der Maschine ausgerichtet ist. In diesem Zusammenhange ist es von besonderer Bedeutung, daß man in radialer Richtung auch die Lage von gekrümmten Flächen bestimmen kann, wobei es bezüglich dieser Flächen besonders wünschenswert ist, mit Hilfe eines programmierbaren PrüfVorganges unmittelbar eine lesbare Information darüber zu gewinnen, ob die bearbeitete Fläche eine korrekte Lage hat, d.h. die Koordinaten aufweist, die in dem Bearbeitungsprogramm festgelegt sind, oder falls dies nicht der Fall ist, wie groß die winklig zur Oberfläche gemessenen Abweichungen sind. Wenn sich bei dieser Prüfung herausstellt, daß die Oberfläche zu "hoch" ist, erfährt die Bedienungsperson sehr schnell die noch erforderliche Korrektur der Oberfläche und kann dann sofort auf die korrekte Schnittiefe steuern, ohne daß zuvor zeitraubende Nachberechnungen der Meßdaten erforderlich werden.

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Das vorstehend beschriebene Problem wird gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß für jeden auf einer bearbeiteten Werkstückoberfläche zu überprüfenden Nennpunkt auf der Basis von Bearbeitungsprogramm-Koordinaten als erstes die radiale Richtung der auf der Oberfläche senkrecht stehenden Normalen bestimmt wird, dann als zweites auf dieser Normalen ein innerer Koordinatenpunkt so festgelegt wird, daß bei in diesem Punktstehender Spindelachse und korrekt programmgemäß bearbeiteter Oberfläche der Umfang des Tasters die Oberfläche am Nennpunkt berührt und die geometrische Mitte des Tasters auf der Normalen in die "Null"-Position verschoben ist, und dann als drittes auf dieser Normalen ein äußerer Koordinatenpunkt festgelegt wird, in welchem der Umfang des Tasters eindeutig von der Oberfläche abgehoben ist, daß ein Prüfprogramm zusammengestellt wird, nach welchem das Steuersystem der Werkzeugmaschine die Spindel und die daran befindliche Meßsonde relativ zu den Nennpunkten so führt, daß für jeden Nennpunkt die Spindel - vorzugsweise mit höherer Vorschubgeschwindigkeit - sich zunächst von einer Startposition zum äußeren Koordinatenpunkt und dann - vorzugsweise mit geringerer

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Vorschubgeschwindigkeit zum inneren Koordinatenpunkt - in Richtung der Normalen bewegt, welche von dem Punkt ausgeht, an dem der Umfang des Tasters die Oberfläche berührt, worauf dann Spindel und Meßsonde wieder von der Oberfläche abgehoben werden, indem man sie vorzugsweise in Richtung der Normalen zum äußeren Koordinatenpunkt und von dort zur Startposition zurückbewegt, und daß ferner, wenn die Achs· der Spindel den inneren Koordinatenpunkt erreicht, das von der Meßsonde erzeugte Signal angezeigt und/oder - vorzugsweise in digitaler Form aufgezeichnet wird, so daß man für jeden überprüften Nennpunkt eine Meßabweichung der Oberfläche in Richtung der Normalen erhält.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen

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Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, in denen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beispielsweise veranschaulicht ist.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer numerisch gesteuerten Fräsmaschine mit einem Kontrollgerät zum Prüfen der Abmessung eines Werkstückes nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,

Fig. 2 eine perspektivische Teilansicht

eines zu Überprüfenden Werkstückes und des Meßsondentasters mit Angabe der Tasterbewegung bei Durchführung des erfindungsgemäßen Kontrollverfahrens und

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Fig. 3 eine schematische Draufsicht zu Fig. 2.

Zu der in Fig. 1 dargestellten Fräsmaschine 1 gehören eine das Werkzeug tragende Spindel 2 und ein Maschinentisch 3, welcher in einer horizontalen Ebene entsprechend der Koordinaten X,Y und auch senkrecht dazu entsprechend der Koordinate Z bewegbar ist. In konventioneller Weise ist mit nicht näher dargestellten Klemm- und Aufspannvorrichtungen ein Werkstück 4 in einer vorbestimmten Lage auf dem Maschinentisch 3 befestigt, um dann dort mit einem Fräser oder einem sonstigen von der Maschinenspindel 2 getragenen Schneidwerkzeug bearbeitet zu werden. Der das Werkstück tragende Maschinentisch 3 wird entsprechend einem eingegebenen Programm mit einem numerischen Steuersystem 5 bewegt. Das Programm basiert u.a. auf Konstruktionsinformationen, welche auf die fertigen Oberflächen und deren Relativlagen in dem X-Y-Z-Koordinatensystem bezug nehmen. Die Information für Jeden einzelnen Arbeitsgang des Programmes kann in Form einer Reihe von Koordinatenpunkten vorliegen, von denen jeder Punkt eine Position für die geometrische Achse der Spindel 2 offenbart.

Von der in Fig. 2 gezeigten Oberfläche 6 ist angenommen, daß sie entsprechend bestimmten Konstruktionsdaten bearbeitet worden ist, und daß ihre Abmessungen Überprüft werden sollen, während sich das Werkstück 4 noch

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auf dem Tisch 3 in der gleichen Relativlage befindet, in der es vor Beginn der Bearbeitung aufgespannt war. Die Bedienungsperson der Maschine entfernt aus der Maschinenspindel 2 das Schneidwerkzeug und ersetzt es durch eine Meßsonde 7, die im wesentlichen so ausgebildet sein kann, wie es in der zuvor beschriebenen US-PS beschrieben wurde. Da im dargestellten Falle die Messung in radialer Richtung erfolgen muß, ist die Meßsonde 7 Jedoch mit einem Taster 8 versehen, der an seinem unteren Rand eine Scheibe 9 trägt, deren kreisförmiger Umfang exakt konzentrisch zur geometrischen Mitte 10 des Tasters 8 verläuft. In der Ruhestellung ist die Mitte 10 koaxial zur geometrischen Achse der Spindel 2 ausgerichtet.

Damit man mit der Meßsonde optimal unabhängig von der Gestalt des Werkstückes und auch an schräg nach unten zum Tisch 3 zeigenden Flächen und überhängenden Werkstückteilen messen kann, sollte eine Serie von Tasterscheiben mit abgestuften Durchmessern vorgesehen sein, so daß man bei bekannter Konstruktion und Ausrichtung des auf dem Tisch befindlichen Werkstückes die Möglichkeit hat, einen geeigneten vorbekannten Scheibendurchmesser für den Taster 8 auszuwählen.

Die Bedienungsperson verfügt auch über verschiedene auswählbare, u.a. auch auf die Durchmesserauswahl

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Bezug nehmende Meßprogramme, welche im Steuersystem 5 gespeichert sind, so daß nach Abschluß der Bearbeitungen an der Oberfläche 6 die Bedienungsperson jederzeit in der Lage ist, ein entsprechendes Meßprogramm zu starten. Mit Hilfe eines solchen Programmes kann das Steuersystem im Prinzip in gleicher Weise wie bei der Maschinenbearbeitung die Spindel 2 gegenüber dem Tisch und dem dort aufgespannten Werkstück 4 positionieren, so daß die geometrische Achse der Spindel bei der dargestellten Ausführungsform in irgendeiner gewünschten Stellung vor die Oberfläche 6 gebracht wird, wenn man eine entsprechende Bewegung beispielsweise in einer ausgewählten XY-Ebene durchgeführt hat.

Schließlich gehört zur Meßeinrichtung ein Registriergerät 11, welches über ein Kabel 12 den Signalausgang der Meßsonde 7 empfängt. Das Registriergerät 11 läßt sich auch elektrisch mit dem Steuersystem 5 verbinden, so daß sich die Aufzeichnung von Meßdaten mit dem Ablauf des Kontrollmeßprogrammes synchronisieren läßt.

Der Aufbau des Kontrollmeßprogrammes basiert auf den gleichen Daten, die. auch der Bearbeitung des Werkstückes zugrunde liegen. Die zu überprüfenden Koordinatenpunkte, nachfolgend Nennpunkte genannt, sind aus den vorerwähnten Daten ausgewählt. Nachfolgend werden für jeden einzelnen

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Nennpunkt (13 in Fig. 3) bezogen auf die durch diesen Nennpunkt verlaufende XY-Ebene die Richtung der in diesem Punkt senkrecht auf der Oberfläche stehenden Normalen und zwei Spindelpositionen 15 und 16 auf dieser Normalen 14 bestimmt. Die äußere Spindelposition 15, bei der es sich um einen Schnittpunkt zwischen der Normalen 14 und der Richtung 17 einer Schnellvorschubbewegung handelt, wird in Abhängigkeit von der vorerwähnten Scheibendur chmesserauswahl so bestimmt, daß, wenn die Mitte 10 des Tasters in dieser Position 15 liegt, der Umfang der Scheibe 9 eindeutig frei von der Oberfläche 6 ist oder gegenüber dieser einen Luftspalt von einigen Millimetern definiert.

Die innere Spindelposition 16, welche die Spindelachse in der Koordinatenebene XY einnehmen soll, wenn das Registriergerät 11 eine Aufzeichnung durchzuführen hat, basiert auf einem vom Nennpunkt 13 in Richtung der Normalen 14 gemessenen Abstand, welcher gleich dem Radius der ausgewählten Scheibe des Tasters 8 minus einem auf die Meßsonde bezogenen Maß "e" ist. Dieses Maß "eⁿ verkörpert die "0"-Position der Meßsonde, d.h. legt den geometrischen Ort solcher Punkte fest, an denen das von der Meßsonde 7 kommende elektrische Signal zu Null wird, wenn man die geometrische Mitte 10 des Tasters 8 quer zu dem mit der Spindel 2 verbundenen

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Meßsondengehäuse verschiebt. Dieser geometrische Ort ist der Kreis 18 der Fig. 3, denn das Maß ⁿe^w gilt für alle radialen Richtungen des Tasters.

Wenn nun angenommen wird, daß der Taster 8 der Meßsonde 7 die Oberfläche 6 des Werkstückes beaufschlagt, daß die geometrische Mitte 10 des Tasters 8 auf der Normalen 14 liegt und daß durch den überlauf die geometrische Achse der Spindel 2 der Oberfläche 6 soweit angenähert ist, daß die Spindelachse auf dem inneren Koordinatenpunkt 16 der Normalen 14 liegt, offenbart das Signal der Meßsonde 7 eindeutig, ob die Koordinaten des Berührungspunktes exakt mit den Koordinaten des Nennpunktes 13 der Konstruktionszeichnung zusammenfallen, oder welche Maßabweichung vorhanden ist. Im Falle einer solchen Maßabweichung gibt das Meßsignal aufgrund seiner Polarität die Fehlerrichtungen an, d.h. ob das Werkstück am Meßpunkt zu "hoch" oder zu "niedrig" ist. Der numerische Wert des Signals ist eine Information über die Abweichungsgröße zwischen Nennpunkt und tatsächlichem Berührungspunkt in Richtung

einer auf der Oberfläche senkrecht stehenden Normalen. Ausgedrückt in den kleinsten inkrementalen Einheiten des Systems läßt sich das Ergebnis in digitaler Form auf einem Band 19 (Fig. 1) speichern, welches vom Registriergerät 11 in Übereinstimmung mit dem Meßprogramm vorgeschoben wird.

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In die_einzelnen in der vorbeschriebenen Weise festgelegten Kontroll- oder Prüfpositionen wird die Spindel 2 Über den Maschinentisch 3 bewegt, und zwar zunächst mit einer ausgewählten höheren Vorschubgeschwindigkeit von einem geeigneten Startpunkt 20 zu der äußeren Position 15. Die anschließende Bewegung von Position 15 zur inneren Position 16 sollte mit geringerer Vorschubgeschwindigkeit erfolgen, damit die Massenkräfte der beweglichen Teile der Meßsonde nicht das Meßergebnis verfälschen können. Sobald die Spindel eine Meßposition 16 erreicht hat, läßt man sie zurückkehren, wobei diese Rückbewegung zunächst in Richtung der Normalen 14 bis zur äußeren Position 15 und dann weiter in Richtung 17 erfolgt. Im Kontroll- oder Prüfprogramm kann auch in an sich bekannter Weise ein fester Bezugspunkt des Maschinentisches festgelegt sein. Diesen Bezugspunkt kann man dann auch bei der Bearbeitung des Werkstückes als Ausgangspunkt für alle Positionsbewegungen verwenden. Für das erfindungsgemäße Kontroll- und Prüfverfahren ist es zweckmäßig, als Bezugspunkt eine Bohrung 21 des Maschinentisches 3 zu verwenden, deren Durchmesser so gewählt ist, daß der scheibenförmige Teil 9 des Tasters 8 von der Bohrung aufgenommen werden kann. So läßt sich das System dadurch auf null: stellen, daß der Scheibenumfang 9 des Tasters 8 die Wandungen der Bohrung abtastet. Mit Hilfe des Bezugspunktes kann man während der Durchführung des Meßprogrammes feststellen, ob

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sich während der programmierten Bewegungen Fehler addiert haben, was dann bedeutet, daß das System für jeden neuen Nennpunkt 13 eine zugehörige innere Meßposition 16 sucht, die genau den gleichen Überlaufweg e hat.

Je nachdem welche Positionsabweichungen bei dem Kontroll- und PrüfVorgang angezeigt werden, kann die Bedienungsperson unmittelbar nach Durchführung des Pregrammes die erforderlichen Korrekturen vornehmen oder weitere Werkstücke bearbeiten, falls die Inspektion zeigte, daß die in den Konstruktionsunterlagen angegebenen Toleranzen eingehalten wurden. Wenn die Abweichungen kostant und alle gemessenen Oberflächen zu hoch liegen, erkennt man hieraus, daß das Schneidwerkzeug in radialer Richtung verschlissen ist. Da gemäß der vorliegenden Erfindung Lageabweichungen in radialer Richtung ermittelt werden, kann die Bedienungsperson mit Hilfe der auf dem Band 19 gespeicherten Werte bestimmen, welche radialen Kompensationen in die Steuerung eingegeben werden müssen, damit diese wieder in an sich bekannter Weise arbeitet, wenn das Werkzeug in die Spindel zurückgesetzt wird und wieder weiterarbeitet.

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Claims

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Patentanspruch

In Verbindung mit numerisch gesteuerten (NC) Fräs- oder dergl. Werkzeugmaschinen, in denen die werkzeugtragende Spindel gegenüber dem Werkstück in zwei senkrecht zur Spindelachse verlaufenden Koordinatenrichtungen nach einem Programm bewegbar ist, welches eine Mehrzahl durch Koordinaten in den genannten Koordinatenrichtungen definierte Nennpunkte festlegt, die in den bearbeiteten Oberflächen des Werkstückes liegen sollen, ein Verfahren zum Überprüfen der Abmessungen eines in einer Werkzeugmaschine bearbeiteten und noch in der Bearbeitungsstellung befindlichen Werkstückes, wobei anstelle des Werkzeuges an der Spindel eine sich entlang der Spindelachse erstreckende Meßsonde mit einem kreisförmigen Taster so befestigt wird, daß dessen geometrische Mitte mit der Spindelachse zusammenfällt, und wobei die seitlich gerichteten Umfangsflächen des sich in einer radialen Ebene erstreckenden Tasters bei Berührung einer Werkstückoberfläche den Taster nachgiebig so verschieben können, daß dessen geometrische Mitte eine exzentrische Lage gegenüber der Meßsondenachse einnimmt und dabei ein elektrisches Signal erzeugt, welches darüber Auskunft gibt, wie weit die geometrische Mitte des Tasters aus einer "O"-Stellung verschoben wurde, in der der Taster eine zuvor festgelegte Exzentrizität gegenüber der Spindelachse hat, dadurch gekennzeichnet, daß für Jeden

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ORIGINAL INSPECTED

auf einer bearbeiteten Werkstückoberfläche (6) zu überprüfenden Nennpunkt (13) auf der Basis von Bearbeitungsprogramm-Koordinaten als erstes die radiale Richtung der auf der Oberfläche (6) senkrecht stehenden Normalen bestimmt wird, dann als zweites auf dieser Normalen (14) ein innerer Koordinatenpunkt (16) so festgelegt wird,

daß bei in diesem Punkt stehender Spindelachse und korrekt programmgemäß bearbeiteter Oberfläche (6) der Umfang des Tasters (8) die Oberfläche (6) am Nennpunkt (13) berührt und die geometrische Mitte (10) des Tasters (8) auf der Normalen (14) in die "Null"-Position verschoben ist, und dann als drittes auf dieser Normalen (14) ein äußerer Koordinatenpunkt (15) festgelegt wird, in welchem der Umfang des Tasters (8) eindeutig von der Oberfläche (6) abgehoben ist, daß ein Prüfprogramm zusammengestellt wird, nach welchem das Steuersystem der Werkzeugmaschine die Spindel (2) und die daran befindliche Meßsonde (7) relativ zu den Nennpunkten (13) so führt, daß für jeden Nennpunkt (13) die Spindel (2) - vorzugsweise mit höherer Vorschubgeschwindigkeit - sich zunächst von einer Startposition (20) zum äußeren Koordinatenpunkt (15) und dann - vorzugsweise mit geringerer Vorschubgeschwindigkeit zum inneren Koordinatenpunkt (16) in Richtung der Normalen (14) bewegt, welche von dem Punkt ausgeht, an dem der Umfang des Tasters (8) die Oberfläche (6) berührt, worauf dann Spindel (2) und Meßsonde (7) wieder von der Oberfläche

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(6) abgehoben werden, Indem man sie vorzugsweise in Richtung der Normalen (14) zum äußeren Koordinatenpunkt (15) und von dort zur Startposition (20) zurückbewegt, und daß ferner, wenn die Achse der Spindel (2) den inneren Koordinatenpunkt (16) erreicht, das von der Meßsonde (7) erzeugte Signal angezeigt und/oder - vorzugsweise in digitaler Form - aufgezeichnet wird, so daß man für Jeden überprüften Nennpunkt (13) eine Meßabweichung der Oberfläche (6) in Richtung der Normalen (14) erhält.

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