DE4004237A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der masshaltigkeit von werkstueckoberflaechen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichung zum Bestimmen der Maßhaltigkeit einer Werkstückoberfläche, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 9.

Insbesondere bei der Herstellung von hochpräzisen, zylindri­ schen Werkstückflächen, die regelmäßig mittels leistungsfähi­ ger und damit verhältnismäßig teurer Werkzeuge hergestellt werden, werden von den dabei eingesetzten Werkzeugen extrem hohe Standzeiten gefordert. Die erwünschten Standzeiten sind nur dann erzielbar, wenn auch die Qualität der Bearbeitung in ausreichendem Maße überwacht wird. Man hat deshalb bereits versucht, in ein Bearbeitungszentrum Meßgeräte zu integrie­ ren, die an Ort und Stelle die schon bearbeitete Werkstücko­ berfläche punktförmig abtasten, so daß ihre Maßsignale in die Fertigung einfließen können. Zu diesem Zweck wird beispiels­ weise ein durch eine integrierte Spannungsquelle autarkes Meßzeug mit einem Spannkonus ausgestattet, über den die An­ kopplung über eine Werkzeugsystem-Grundaufnahme erfolgt.

Gegenüber einer Qualitätssicherung, bei der das bearbeitete Werkstück entweder manuell oder mittels einer Handhabungsein­ richtung, wie z. B. einem Industrieroboter, an eine gesonderte Maßstelle transportiert werden mußte, hat diese Methode den Vorteil, daß auch die Positionsgenauigkeit der bearbeiteten Werkstückoberfläche im Raum mit relativ einfachen Mitteln und gleichzeitig mit hoher Präzision überwacht werden kann. Es hat sich allerdings als schwierig erwiesen, mit bekannten Sy­ stemen den Meßvorgang an einem soeben bearbeiteten Werkstück befriedigend durchzuführen. Insbesondere hat es sich als nachteilig erwiesen, daß die bearbeitete Werkstückoberfläche nur punktförmig bei stillstehendem Werkstück vermessen werden kann, weil die Taster zu schnell abgeschliffen würden, wenn sich das Werkstück dreht. Weiterhin muß besonders bei großem Spananfall häufig eine Reinigung der Werkstückoberfläche vor der Tasterberührung vorgenommen werden. Dieses und andere Vorkehrungen haben zur Folge, daß der Meßvorgang lange dauert und daß das Werkstück zwischen den Meßpunkten nicht vermessen wird. Eine Integration des Meßvorgangs in den laufenden Fer­ tigungsprozeß war daher bislang nicht möglich.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfah­ ren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Maßhaltigkeit ei­ ner bearbeiteten, im wesentlichen rotationssymmetrischen, beispielsweise von einer exakt zylindrischen Form nicht oder nur wenig abweichenden Werkstückoberfläche sowie von sich daran anschließenden Werkstückoberflächen zu schaffen, mit dem bzw. mit der eine problemlose Integration des Meßvorgangs in den Bearbeitungsprozeß gelingt, indem die soeben fertigge­ stellte Werkstückoberfläche ohne vorhergehenden Zwischen­ schritt in kürzester Zeit und mit einem hohen Maß an Reprodu­ zierbarkeit vermessen wird.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Ver­ fahrensschritte und hinsichtlich der Vorrichtung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 9 angegebenen Merk­ male gelöst.

Die Erfindung schafft die Voraussetzungen dafür, den Ferti­ gungsprozeß mit geringstem Zeitaufwand an Ort und Stelle zu überwachen. Sie eröffnet im einzelnen die Möglichkeit, die Werkstückoberfläche ohne einen zusätzlichen Handhabungs­ schritt, wie z. B. einen Transport-, Umspann- oder Reinigungs­ schritt, zu messen, indem ein berührungslos messender Pneuma­ tik-Meßkopf zur Anwendung kommt. Störsignale können auf diese Art und Weise mit Leichtigkeit unterdrückt werden. Aufgrund des fehlenden Kontakts zwischen Pneumatik-Meßkopf und zu mes­ sender Werkstückoberfläche können die bei der Fertigung der zu vermessenden Werkstückoberflächen, beispielsweise bei ei­ ner Drehbearbeitung entstehenden Oberflächenrillen, mit ver­ hältnismäßig großer Geschwindigkeit und mit beliebiger Orien­ tierung der Meßbahn überfahren werden, ohne dadurch eine spürbare Verfälschung des Meßsignals in Kauf nehmen zu müs­ sen. Es ist auf diese Weise möglich, die zu überwachende, beispielsweise zylindrische oder rotationssymmetrische Werk­ stückoberfläche durch eine kontinuierliche und stetige Bewe­ gung entlang einer Mäander- oder einer Schraubenlinie und da­ mit mit sehr großer Geschwindigkeit abzutasten. Der Ferti­ gungsprozeß braucht somit zur Durchführung des Meßvorgangs nur für eine verhältnismäßig kurze Zeitspanne unterbrochen zu werden. Das Verfahren eignet sich auf diese Weise gleicherma­ ßen für die Vermessung von Außen- und Innenoberflächen.

Bei der Abtastung auf einer wendelförmigen Meßbahn ist durch geeignete Wahl der Abstimmung zwischen Vorschubgeschwindig­ keit und Winkelgeschwindigkeit des Pneumatik-Meßkopf eine Minimierung der Meßzeit bei vorgegebener Meßgenauigkeit er­ zielbar. Die Führungseinrichtung für den Meßkopf braucht le­ diglich dafür zu sorgen, daß sich die stetig durchlaufene Bahn des Meßkopfs so nahe an die zu vermessende Oberfläche anschmiegt, daß der Meßbereich des Meßkopfs nicht überschrit­ ten wird. Die Bahn, auf der der Meßkopf bewegt wird, ist dementsprechend vorzubestimmen, wobei als Führungseinrichtung beispielsweise ein Getriebe oder eine andere geeignete Bahn­ steuerung dienen kann. Die kontinuierlich abgegebenen Meßsi­ gnale geben laufend Auskunft über die tatsächlichen Abwei­ chungen der Istfläche von der Sollfläche. Es ist demgemäß z. B. möglich, bei der Vermessung einer leicht konischen Werk­ stückoberfläche den Meßkopf auf einer dieser Fläche ein- oder umgeschriebenen Zylinderfläche zu bewegen, solange die Abwei­ chungen von der mathematisch exakten Zylinderfläche den Meß­ bereich des Meßkopfs nicht überschreiten.

Aufgrund der berührungslosen Abtastung können auch Flächen unterschiedlicher Orientierung im Raum unmittelbar aufeinan­ derfolgend abgetastet werden, wodurch der Meßvorgang weiter beschleunigt wird. So kann z. B. nach der Vermessung einer In­ nenbohrung ohne Unterbrechung des Meßvorgangs der Planschlag der Stirnfläche dieser Bohrung vermessen werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, die Meßvorrichtung an beliebiger Stelle eines Magazins anzuordnen und diese qua­ litativ in der gleichen Weise zu bewegen, wie das die Werk­ stückoberfläche bearbeitende Werkzeug.

Wenn dafür gesorgt wird, daß die Meßvorrichtung mit hoher La­ gegenauigkeit an der Bearbeitungsmaschine positioniert wird, was beispielsweise dadurch geschehen kann, daß die Meßvor­ richtung mit einem Kupplungsteil versehen wird, das eine la­ gegenaue Positionierung an der Bearbeitungsmaschine erlaubt, kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht nur die Werk­ stückoberfläche selbst hinsichtlich ihrer Güte, wie z. B. Rundheit, Rauhtiefe, Durchmessergenauigkeit usw., sondern darüber hinaus auch hinsichtlich ihrer Lagegenauigkeit zu ei­ nem Bezugspunkt des Werkstücks überwacht werden. Vorteilhaf­ terweise weist die erfindungsgemäße Meßvorrichtung in diesem Fall einen Adapter für eine Grundaufnahme einer Werkzeugma­ schine auf, so daß die Meßvorrichtung in gleicher Weise wie ein Werkzeug ausgewechselt und in Lage gebracht werden kann.

Durch Variation der Anzahl der Pneumatik-Meßköpfe einerseits und/oder der Anzahl der Meßdüsen andererseits kann die Aussa­ gekraft des Meßsignals weiter erhöht werden, ohne dadurch den Meßvorgang selbst langsamer zu gestalten. So kann beispiels­ weise aus dem Vergleich der bei zwei Meßdüsen um 180° phasen­ versetzten Meßsignale in einfacher Weise auf die Abweichung der Werkstückoberfläche von der Bezugsachse geschlossen wer­ den. Dabei ergibt sich durch das erfindungsgemäße Meßverfah­ ren der weitere Vorteil, daß es unabhängig von den optischen und elektrischen Eigenschaften des Werkstücks arbeitet. Das Verfahren und die Meßvorrichtung können deshalb werkstückun­ abhängig eingesetzt werden.

Die Eingliederung des Meßverfahrens bzw. der Meßvorrichtung in den Bearbeitungsprozeß wird zusätzlich erleichtert, wenn das pneumatische Meßsignal in ein Stromsignal umgewandelt und dieses Signal dann weiter verarbeitet wird. Auf diese Weise ist es mit einfachen Mitteln möglich, Meßsignale vorhergehen­ der Messungen zu speichern und die aktuellen Meßsignale mit diesen gespeicherten Werten zu vergleichen. Diese Weiterbil­ dung ist Gegenstand des Patentanspruchs 2 und sie hat den be­ sonderen Vorteil, daß sie effektiv in der Produktion einge­ setzt werden kann, da sie entweder laufend korrigierend in den Herstellungsprozeß eingreifen kann oder bei Überschreiten eines Grenzsignalwertes ein Ausschuß-Signal abgibt.

Aufgrund der Umwandlung des pneumatischen Meßsignals in ein Stromsignal kann darüber hinaus die Möglichkeit geschaffen werden, das Meßergebnis zu protokollieren, ohne dadurch den Meßvorgang zu verlangsamen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann verhältnismäßig einfach aufgebaut werden. Lediglich für die Führungseinrichtung ist eine ausreichend hohe Arbeitsgenauigkeit erforderlich.

Für den Fall, daß die Meßbahn von einer wendelförmigen Kurve gebildet ist, kann als Synchronisiereinrichtung in vorteil­ hafter Weise die bei der Bearbeitung von zylindrischen Ober­ flächen ohnehin vorhandene Antriebseinrichtung zur Erzeugung einer Vorschub- und einer Drehbewegung herangezogen werden.

Die Vorrichtung kann in einer Weiterbildung gemäß Pa­ tentanspruch 10 in ein Magazin, beispielsweise in einen Werk­ zeugrevolver einer Werkzeugmaschine eingegliedert werden, so daß der Zeitaufwand für die Werkstückoberflächenüberprüfung weiter verringert werden kann. Die Meßvorrichtung ist unter Zuhilfenahme des Werkzeugrevolvers lediglich in die Arbeits­ position zu bringen. Anschließend wird der Pneumatik-Meßkopf enlang einer vorbestimmten Meßbahn, wie z. B. in Mäander- oder in Schraubenlinienform relativ zur Werkstückoberfläche be­ wegt, während der Meßkopf laufend Meßsignale abgibt. Die Aus­ werteeinrichtung ordnet die Meßwerte den einzelnen Meßposi­ tionen zu, so daß nach dem Zurückfahren des Meßkopfs der Meß­ vorgang bereits abgeschlossen ist. In vorteilhafter Weise wird der Rückhub der Meßvorrichtung ebenfalls zur Messung ausgenützt, wobei zuvor vorzugsweise eine vorbestimmte Rela­ tiverdrehung zwischen Meßkopf und Werkstückoberfläche um 180° vorgenommen wird.

Das erfindungsgemäß Verfahren ist nicht auf eine bestimmte Geometrie der Werkstückoberfläche beschränkt. Es können auch Werkstückoberflächen abgetastet werden, bei denen unter­ schiedliche Flächen, wie z. B. Zylinder-, Konus- oder Planflä­ chen, aneinander gereiht sind. In diesem Fall ist lediglich die Führungseinrichtung so zu steuern bzw. zu programmieren, daß der Meßkopf auf einer Bahn geführt wird, welche durch die Sollwerte der Meßkurve bestimmt wird und daß der Meßkopf vom Werkstück um den Meßabstand entfernt ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren können gleich wirtschaftlich für die Messung von Außen- und Innenoberflächen herangezogen werden. Die Relativ- Verdreh- und Verschiebebewegung zwischen Pneumatik-Meßkopf und Werkstückoberfläche kann auf verschiedene Art und Weise erzeugt werden. Wenn die Relativ-Drehbewegung zwischen Pneu­ matik-Meßdüse und Werkstück durch alleinige Drehung des letz­ teren erzeugt wird, ergibt sich eine weitere vorrichtungs­ technische Vereinfachung auf seiten der Meßvorrichtung, weil in diesem Fall die Signaldruckleitung nicht mehr über eine drehbewegte Schnittstelle geführt werden muß.

Nachstehend werden anhand schematischer Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zei­ gen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung der Lagebezie­ hung zwischen einer ersten Ausführungsform der Meßvorrichtung und den zu vermessenden Werkstückoberflächen eines Werk­ stücks;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführung der Meßvorrichtung;

Fig. 2A die Einzelheit "IIA" in Fig. 2;

Fig. 3 eine der Fig. 2 ähnliche Darstellung einer dritten Ausführungsform der Meßvorrichtung;

Fig. 4 eine Draufsicht auf eine Werkstück-Haltevorrich­ tung zur Darstellung der Lagebeziehung zwischen dem Pneuma­ tik-Meßkopf gemäß Fig. 1 und der zu messenden Werkstückober­ fläche;

Fig. 5 ein Diagramm zur Darstellung der Korrelation ei­ nes Meßsignals und einer Werkstückoberfläche;

Fig. 6 eine Darstellung eines mit der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung erstellbaren Meßprotokolls; und

Fig. 7 bis 9 perspektivische Darstellungen von verschie­ denen Varianten von Meßbahnen, auf denen der Meßkopf zur Ab­ tastung der Werkstückoberfläche bewegt werden kann.

In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 2 ein Werkstück bezeich­ net, in dem zwei Bohrungen 4 und 6 mit den Koordinaten X1, Y1 und X2, Y2 mit vorbestimmter Qualität einzubringen sind. Qualitätskriterien sind z. B. der Bohrungsdurchmesser, die relative Rauhtiefe R_t, die Genauigkeit der Lage der Achse auf der Eintrittsseite 8 einerseits und der Austrittsseite 10 andererseits des Werkstücks 2, die Rundheit der Bohrung, usw.

Um diese Kriterien der Maßhaltigkeit der Werkstückoberflächen 4 und 6 schnell und mit möglichst einfachem vorrichtungstech­ nischen Aufwand im Fertigungsprozeß entweder laufend oder nach Fertigstellung des Werkstücks überwachen zu können, dient ein mit 12 bezeichneter Pneumatik-Meßkopf, der von ei­ nem zylindrischen Halter 14 getragen ist. Der Halter 14 sitzt einerseits an einem Anschlußteil 16, das mit einem geeigneten und in der Fig. 1 nicht näher dargestellten Einspannmecha­ nismus zusammenwirken kann, der entweder an der Werkzeugma­ schine oder an einem Werkzeugmagazin sitzt.

Der Pneumatik-Meßkopf 12 hat an seiner radial außen liegenden Meßfläche 18 eine Maßdüse 20, die über einen Radialkanal 22, einen zentrischen Axialkanal 24 und einen Versorgungskanal 26 mit Druckluft versorgt wird, was durch den Pfeil A angedeutet ist. Im Versorgungskanal 26 ist eine Vordrossel 28 eingeglie­ dert, über die vorzugsweise ölfreie, auf einen Druck p 3 bar geregelte Druckluft zugeführt wird. Stromab der Vordros­ sel 28 zweigt vom Axialkanal 24 eine Meßdruckleitung 30 ab, die die Meßsignale zu einer nicht näher Signalauswerteeinheit führt.

Das auf diese Weise als pneumatische Meßlehre ausgebildete Meßzeug arbeitet nach dem Prinzip des Düsen-Prallplattensy­ stems, wobei die Prallplatte Von der Werkstückoberfläche ge­ bildet ist. Dieses Prinzip benötigt zumindest eine Meßdüse 20, deren Luftdurchfluß durch das Werkstück gedrosselt wird und eine Vordrossel 28 mit konstantem Querschnitt. Die Vor­ drossel 28 wird mit einem konstanten Speisedruck beauf­ schlagt. Je nach drem Flächenverhältnis zwischen Meßdüse 20 und Vordrossel 28 stellt sich zwischen den beiden Quer­ schnittsverengungen ein Druck ein, welcher ein Maß ist für den Abstand zwischen Werkstückoberfläche und Meßdüse. Die Meßdüse 20 durchdringt die beispielsweise zylindrische oder konische Meßfläche 18 und wird gegenüber der zu messenden Werkstückoberfläche 4 bzw. 6 in eine solche Lage gebracht, daß ein geringer Meßspalt verbleibt. Zu diesem Zweck ist es bei einem drehangetriebenen Pneumatik-Meßkopf 12 von Vorteil, diesen in radialer Richtung einstellbar am Halter 14 zu befe­ stigen, um die Vermessung von Werkstückinnenoberflächen mit verschiedenem Durchmesser zu ermöglichen. Diese Einstellmög­ lichkeit ist mit dem Doppelpfeil I angdeutet.

Den Meßspalt zwischen Meßdüse 20 und Werkstückoberfläche 4, 6 bestimmt den Luftstrom durch die Meßdüse 20 und beeinflußt dadurch den Meßsignaldruck P_MS in der Meßdruckleitung 30. So­ mit ergibt der entstehende Staudruck zwischen Meßdüse 20 und Vordrossel 28 ein Maß für den Durchmesser D der Bohrung 6 bzw. 4 einerseits und für die Lagegenauigkeit der Bohrung an­ dererseits, wenn man voraussetzt, daß eine Achse 32 des Hal­ ters 14 mit der Soll-Achse 34 der zu messenden Werkstückober­ fläche 6, 4 in Fluchtung gebracht wird. Durch vorherige Kali­ brierung des Pneumatik-Meßkopfs, z. B. unter Zuhilfenahme von geschliffenen Einstellringen, können den Meßsignaldrücken Ab­ solutwerte von Lageabweichungen zugeordnet werden.

Zur Vermessung der Werkstückoberfläche 6, 4 geht man wie folgt vor: Zunächst wird die Achse 32 des pneumatischen Meß­ dorns mit der Achse 34 der zu vermessenden Werkstückoberflä­ che 6 in Fluchtung gebracht. Das Maß, um das die Meßdüse von der Meßfläche 18 vorsteht ist so auf den Solldurchmesser D der Werkstückoberfläche 6 eingestellt, daß ein optimaler Meß­ spalt gegeben ist. Um die Werkstückoberfläche 6 in kürzester Zeit und dennoch reproduzierbar mit ausreichender Genauigkeit auf Maßhaltigkeit untersuchen zu können, wird der Pneumatik- Meßkopf 12 mit einer vorbestimmten Winkelgeschwindigkeit un­ ter gleichzeitiger Ausführung einer Vorschubbewegung mit der Geschwindigkeit V relativ zum Werkstück 2 bewegt. Die Meßdüse 12 beschreibt dabei relativ zur Innenoberfläche 6 des Werk­ stücks 2 eine strichpunktiert dargestellte Schraubenlinienbe­ wegung, wobei ständig Meßsignale über die Meßdruckleitung 30 abgegriffen werden. Der Meßsignaldurckverlauf wird einem mit 36 bezeichneten p/i-Wandler zugeführt, der die Umwandlung des Drucksignals in ein elektrisches analoges Signal vornimmt.

Dieses elektrische Signal wird dann auf eine mit 38 bezeich­ nete Signalauswerteeinheit gegeben, die beispielsweise unter Zuhilfenahme eines Oszillographen oder von Grenzkontakten eine Signalverarbeitung dahingehend vornimmt, daß auf den Be­ arbeitungsprozeß des nachfolgenden Werkstücks Einfluß genom­ men wird. Es ist mit Hilfe der Signalverarbeitungseinheit ferner möglich, die elektrischen Signale aufzuzeichnen und zu einem späteren Zeitpunkt Meßprotokolle zu erstellen.

Durch geeignete Abstimmung der Relativ- Winkelgeschwindig­ keit ω und der Relativ-Translatiosgeschwindigkeit v kann die Form der Schraubenlinie variiert werden, um eine Anpas­ sung der Meßgüte an die gewünschte Oberflächenqualität vorzu­ nehmen. Die Meßgüte kann darüber hinaus durch Variation der Anzahl der Pneumatik-Meßköpfe 12 und/oder der Meßdüsen 20 verändert werden. Schließlich ist es möglich, den Meßvorgang bei der Rückhubbewegung des Pneumatik-Meßkopfs 12 zu wieder­ holen, wobei es in diesem Zusammenhang von Vorteil ist, den Meßkopf 12 nach Erreichen eines Endpunktes 40 der Abtast- Schraubenlinie um 180° weiterzudrehen, jedoch ohne Überlage­ rung einer Transationsbewegung, und anschließend den Meßvor­ gang mit den voreingestellten Werten ω und v mit umgekehr­ ten Vorzeichen durchzuführen.

Es hat sich gezeigt, daß es mit einer derartigen Vorrichtung gelingt, zylindrische Werkstückoberflächen mit einer Genauig­ keit von +/-2 µm reproduzierbar zu vermessen, was gleichzei­ tig bedeutet, daß auch Lageabweichungen in diesem Toleranzbe­ reich qualitativ erfaßbar sind. Von besonderem Vorteil ist dabei der Selbstreinigungseffekt an der Meßstelle und die aufgrund der berührungslosen Messung geringe Beeinflußung des Meßsignals durch äußere Erschütterungen, so daß sich das er­ findungsgemäße Meßverfahren in besonderem Maße für den Ein­ setz in verhältnismäßig rauhem Fertigungsbetrieb eignet.

Selbstverständlich ist es zur Ausführung der Messung nicht erforderlich, daß zur Erzielung der schraubenlinienförmigen Relativbewegung zwischen Werkstückoberfläche und Pneumatik- Meßkopf letzterer allein die Bewegungen ausführt. Eine Aus­ führungsform, bei der zumindest die rotatorische Bewegung vom Werkstück ausgeführt wird, ist in Fig. 2 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform ist mit dem Bezugszeichen 50 ein Düsendorn bezeichnet, der zur Vermessung einer Innenbohrung 54 eines Werkstücks 52 dient. Dieser Düsendorn 50 hat zwei Pneumatik- Meßdüsen 56 und 58, die über zwei Pneumatikleitungen 60a und 60b versorgt sind. Die Leitungen 60a und 60b sind - wie aus Fig. 2A ersichtlich - von Bohrungen gebildet, zwischen denen ein Steg 61 verbleibt. Der den Pneumatik-Leitungen 60a und 60b zugeführte Speisedruck wird jeweils mittels eines Druck­ reglers 62a und 62b erzeugt. In jeder Leitung 60a und 60b ist eine Vordrossel 64a und 64b angeordnet, die beispielsweise als Lochstein ausgebildet ist und somit einen konstanten Durch­ fluß-Festwert hat. Derartige Lochsteine werden beispielsweise in der Uhrenindustrie verwendet.

Stromab der Vordrosseln 64a und 64b zweigen von den Leitungen 60a und 60b radiale Meßdruckleitungen 66 und 67 ab, die in jeweils eine Ringkammer 68a und 68b münden, die in einem An­ schlußteil 70 ausgebildet sind und zwischen denen ein Steg­ teil 69 mit einer Ringschnurabdichtung 71 vorgesehen ist. Der Druck in den Ringkammern 68a und 68b wird über Signaldruck­ leitungen 72 und 73 auf eine Signalauswerteeinheit 74 gege­ ben, deren Funktion anhand der Ausführungsform gemäß Fig. 1 erläutert wurde. Dichtungen 66 schirmen die Ringkammern 68a und 68b zur Atmosphäre hin ab.

Abweichend von der Ausführungsform gemäß Fig. 1 führt der Düsendorn 50 bei dieser Variante keine Drehbewegung aus. Die Erzeugung einer Relativ-Drehbewegung zwischen Werkstück 52 und Meßdüsen 56, 58 übernimmt in diesem Fall ein Antrieb für das Werkstück 52, was durch den Pfeil ω_WS angedeutet ist. Die Translations-Relativbewegung v wird entweder durch einen linearen Antrieb des Düsendorns 50 und/oder durch einen Line­ arantrieb deß Werkstücks 52 erzeugt.

Da bei dieser Ausführungsform zwei Meßstellen 56 und 58 gleichzeitig und unabhängig voneinander eine Messung ausfüh­ ren können, kann die Meßgeschwindigkeit zusätzlich angehoben werden. Diese Ausführungsform eignet sich in besonderem Maße zur Vermessung von Drehteilen, die im in der Drehmaschine eingespannten Zustand durch einen Düsendorn 50 Vermessen wer­ den können, der ausschließlich eine Translationsbewegung ent­ lang der Drehmaschinenachse ausführt. Der Düsendorn 50 kann beispielsweise an einem Werkzeugrevolver eines Bearbeitungs­ zentrums sitzen, wobei das Anschlußteil 70 über die vorzugs­ weise flexiblen Signaldruckleitungen 72 und 73 mit der Si­ gnalauswerteeinheit 74 verbunden bleibt. Die Speisung des Meßsystems erfolgt ebenfalls über flexible Zuluftleitungen 78a und 78b.

Eine weitere Ausführungsform der Meßvorrichtung, der die Re­ lativbewegung zwischen Meßkopf und Werkstück ausschließlich durch die Bewegung des Pneumatik-Meßkopfs bewerkstelligt wird, ist in Fig. 3 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform kommt ein Düsendorn 80 zur Anwendung, der nur eine Pneumatik- Meßdüse 88 aufweist, mit der eine Innenbohrung 84 eines Werk­ stücks 82 vermessen werden soll. Eine im wesentlichen ach­ sparallele, hier zentrale Pneumatikleitung, ist mit 90 be­ zeichnet. Das Bezugszeichen 92 bezeichnet eine Stichleitung, die von den zentralen Pneumatikleitung 90 abzweigt, um die Zuluft von einem Druckregler 96 in die zentrale Pneumati­ kleitung 90 einzuspeisen. In dieser Pneumatikleitung ist wie­ derum eine Festwert-Vordrossel 94 angeordnet, um den Meßdruck in einen Bereich zu drosseln, in dem eine etwa lineare Abhän­ gigkeit zwischen Düsenquerschnitt und Meßdruck gegeben ist. Mit 98 ist eine Meßdruckleitung bezeichnet, die in eine Ring­ kammer 102 in einem Anschlußteil 100 mündet. Von dort führt ein Signaldruckkanal 104 radial weiter nach außen und geht dort in einen nicht näher dargestellten, den Meßdruck P_ms zu einer Signalverarbeitungseinheit 106 führenden Druckschlauch über. Das Anschlußteil 100 ist in Drehrichtung stationär festgehalten, wird jedoch zusammen mit dem Düsendorn 80 translatorisch mitbewegt. Mit dem Bezugszeichen 108 sind Dichtungen bezeichnet, um die Ringkammer 102 zur Umgebung ab­ zuschirmen.

Eine ähnliche Konstruktion liegt im Bereich der Zuluft-Zufuhr vor. Die Stichleitung 92 mündet in eine Ringausnehmung 97 in einer Werkzeug-Grundaufnahme 110, die beispielsweise von ei­ nem Steilkegel gebildet ist. Von dort führt ein Leitungsab­ schnitt 112 radial nach außen zu einer weiteren Ringkammer 114 im Anschlußteil 100. Auch diese Ringkammer 114 ist mit­ tels Dichtungen 116 zur Umgebung abgeschirmt. Mit dem Bezugs­ zeichen 118 ist ein Versorgungskanal bezeichnet, um Zuluft aus dem Druckregler 96 in den Meßkopf einzuspeisen.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 3 hat die Besonderheit, daß der Düsendorn 80 auf seiner der Meßdüse 88 abgewandten Seite mit einem Adapter zur Ankupplung an ein Werkstück- oder Werk­ zeug-Spannsystem ausgestattet ist. Einzelheiten des Spannsy­ stems sind in der Darstellung gemäß Fig. 3 nicht gezeigt. Es soll jedoch hervorgehoben werden, daß eine vorteilhafte Aus­ gestaltung des Adapters ein automatisches Wechseln des Düsen­ dorns 80 ermöglichen soll. Zu diesem Zweck ist eine Greifer­ rille 120 vorgesehen, über die der Düsendorn 80 erfaßt und von einem Magazin weg bzw. zum Magazin hin durch eine ge­ eignete Handhabungseinrichtung transportiert werden kann. Bei der Grundaufnahme 10 kann es sich beispielsweise um eine Pas­ sungsausnehmung in einer angetriebenen Welle eines Sternre­ volvers in einem Bearbeitungszentrum handeln, so daß der Meß­ vorgang unmittelbar nach Fertigstellung der Bohrung 84 durch schrittweises Weiterschalten des Revolvers in Lage gebracht und der Meßvorgang in kürzester Zeit durchgeführt werden kann. Der Revolverträger wird hierzu translatorisch bewegt, was durch den Pfeil v_MV angedeutet wird, während die An­ triebswelle und damit die Grundaufnahme 110 mit der Winkelge­ schwindigkeit ω_MV angetrieben wird.

Fig. 4 verdeutlicht das erfindungsgemäße Meßprinzip anhand einer Draufsicht einer Spannvorrichtung 130 für ein Werkstück 132 in Form eines Pleuels. Im Pleuel 132 sind zwei Bohrungen 134 und 136 in vorbestimmter Lagebeziehung zueinander und zu Bezugsflächen 138 auszubilden. Um die Maßhaltigkeit der Boh­ rungen 134 und 136 zu bestimmen, eignet sich die vorstehend beschriebene Meßvorrichtung in besonderem Maße. Denn nach der Fertigstellung der Bohrungen, beispielsweise mittels eines Präzisions-Bohrwerkzeugs oder einer Reibahle, kann ein die Spannvorrichtung 130 tragender Tisch in der Bearbeitungsposi­ tion belassen werden. An die Stelle des Bearbeitungswerkzeugs tritt für den Meßvorgang ein Pneumatik-Meßkopf 142, der über einen Adapter an einem Werkzeugträger angekuppelt wird. Auf diese Weise fällt die Achse 144 zwangsläufig mit der Sollachse der Bohrung 134 Zusammen. Durch Bewegen des Pneuma­ tik-Meßkopfs 142 in einer Richtung senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 4 bei gleichzeitiger Ausführung einer Drehwegegung mit der Winkelgeschwindigkeit ω kann nicht nur die Güte der Bohrung 134, d. h. Rundheit und Durchmessergenauigkeit, son­ dern darüber hinaus auch die Lagegenauigkeit des Bohrungszen­ trums überprüft werden. Zur Vermessung der weiteren Bohrung 136 wird der Pneumatik-Meßkopf 142 aus der Bohrung 136 her­ ausgefahren. Anschließend führt der Tisch 140 eine vorzugs­ weise programmgesteuerte Bewegung in zwei Koordinaten X und Y aus, wodurch das Zentrum 146 der weiteren Bohrung 136 ange­ fahren wird. Die Messung wird nun mit einem entsprechend kleineren Pneumatik-Meßkopf für diese Bohrung wiederholt.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch dazu herangezogen werden, mit einem einzigen Meßhub Bohrungen zu vermessen, de­ ren Durchmessergüte über die Bohrungslänge variiert. Dieser Anwendungsfall soll unter Bezugnahme auf die Fig. 5 näher erläutert werden.

Die mit 150 bezeichnete Bohrung hat drei Bohrungsaschnitte 150 ₁, 150 ₂ und 150 ₃. Die Bohrungsabschnitte können entweder unterschiedlichen Nenndurchmesser aufweisen oder aber ledig­ lich unterschiedlich toleriert sein. Der Bohrung 150 ist ein in Fig. 5 oben dargestelltes und mit durchgezogener Linie wiedergegebenes Soll-Signal 152 zugeordnet, das an den Über­ gangsstellen zwischen den Bohrungsbereichen im Wert springt. Mit strichpunktierter Linie ist die Relativbewegungskurve zwischen einer Meßdüse des Pneumatik-Meßkopfs und der Innen­ oberfläche der Bohrung 150 angedeutet. Im Bohrungsabschnitt 150 ₁ beträgt die Relativwinkelgeschwindigkeit ω₁ und die Translations-Relativgeschwindigkeit V₁. Im zweiten Bohrungs­ abschnitt und im dritten Bohrungsabschnitt können unter­ schiedliche Relativgeschwindigkeiten und Vorschubwerte Vorge­ sehen sein, wobei vorteilhafterweise die Auswahl dieser Para­ meter derart erfolgt, daß mit zunehmenden Anforderungen an die Güte der Bohrungsabschnitte die Vorschubgeschwindigkeit kleiner wird.

Mit gestrichelter Linie ist das Meßsignal beim Durchlaufen der Bohrungsabschnitte über dem Weg s aufgezeichnet. Da in einem Bohrungsabschnitt 150 ₁ eine bestimmte Korrelation zwi­ schen der Winkelgeschwindigkeit ω₁ und der Translations-Ge­ schwindigkeit Vl gegeben ist, wird gleichzeitig das Meßsignal i/p in Abhängigkeit vom Relativ-Verdrehwinkel ϕ aufgezeich­ net. In der Signalverarbeitungseinheit, die vorzugsweise einen Rechner aufweist, kann aus dem Meßsignalverlauf ge­ schlossen werden, ob die Signalabweichungen vom Sollsignal 152 auf eine Lageabweichung der Bohrungsachse vom Sollwert oder lediglich auf Unrundheiten der Bohrung zurückzuführen sind. Es gelingt auf diese Weise, für einen beliebigen Radi­ alschnitt der Bohrung ein Protokoll gemäß Fig. 6 zu erstel­ len, das vergrößernd und verzerrend die Innenoberfläche 154 der Bohrung darstellt. Mit den beiden gepunkteten konzentri­ schen Kreisen 156, 158 sind Toleranz-Grenzkurven wiedergege­ ben, die sich die Signalverarbeitungseinheit aus den vorher eingegebenen Daten selbst bestimmt. Es kann somit eine auto­ matische Auslese der Werkstücke Vorgenommen werden, indem die Signalverarbeitungseinheit bei einem Schneiden der Istkurve 154 mit den Toleranzkurven 156 oder 158 ein entsprechendes Signal erzeugt.

Die Signalverarbeitungseinheit kann in vorteilhafter Weise in den Fertigungsprozeß derart eingegliedert werden, daß aus den Abweichungen der Istkurven Stellsignale auf die Werkzeugma­ schine gegeben werden, die eine Korrekturfunktion erfüllen.

Es liegt auf der Hand, daß die Aussagekraft der Messung da­ durch verbessert werden kann, daß entweder mehrere Pneumatik- Meßköpfe und/oder mehrere Meßdüsen entweder gleichzeitig oder sequentiell die zu Vermessende Werkstückoberfläche überstrei­ chen. Die Meßvorrichtung selbst wird auf diese Weise zwar komplexer, gleichzeitig verringert sich jedoch der Aufwand bei der Programmierung der Signalauswerteeinheit.

Das erfindungsgemäße Verfahren wurde vorstehend anhand einer Ausführungsform beschrieben, bei der die Bahn, auf der sich der Meßkopf bewegt, von einer Schraubenlinie gebildet ist. In den Fig. 7 bis 9 sind andere Meßbahnen gezeigt, die glei­ chermaßen eine Eingliederung des Meßvorgangs in den Produkti­ onsablauf ermöglichen.

Gemäß Fig. 7 wird eine konische Werkstückoberfläche dadurch vermessen, daß der Meßkopf sukzessive axial Versetzte Kreis­ bahnen I, II, III und IV durchläuft und dazwischen entlang axialer Verbindungsbahnen 202 bewegt wird, ohne dabei aller­ dings den Meßabstand A_M zu verändern.

Dieser Abstand und damit die Fläche, auf der die flächenfas­ sende Bewegungsbahn des Meßkopfs zu liegen kommt, wird in Be­ zug zu der zu vermessenden Oberfläche so bestimmt, daß die sich beim Überstreichen des Meßkopfs ergebenden Änderungen des Abstandes zwischen Werkstückoberfläche und Meßkopf bzw. Meßdüse den Meßbereich des Meßkopfs nicht überschreiten.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 8 erfolgt im Anschluß an die Vermessung einer zylindrischen Innenoberfläche 204 die Überprüfung einer Stirnfläche 206. Dabei wird der Meßsensor bzw. -kopf nach Verlassen der Bohrung 210 auf einer Spiralen­ bahn 208 nach außen bewegt. Auch bei dieser Vermessung sorgt eine nicht näher dargestellte Führungseinrichtung dafür, daß der Abstand zwischen der Werkstückoberfläche und dem Meßkopf auf einem Vorbestimmten, konstanten Grundabstand gehalten wird. Der Meßkopf ist dabei jeweils senkrecht auf der zu ver­ messenden Oberfläche zu positionieren. Es ist allerdings auch denkbar, mit zwei im Winkel zueinander angeordneten Meßdüsen bzw. Meßköpfen zu arbeiten, die jeweils abwechselnd Ver­ schlossen werden.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 9 zeigt die Anwendung des er­ findungsgemäßen Verfahrens bei der Vermessung von zylindri­ schen Außenoberflächen. Mit strichpunktierter Linie ist die die Außenoberfläche 212 einhüllende Meßbahnfläche 214 be­ zeichnet, in der der Meßkopf stetig bewegt wird. Es sei ange­ nommen, daß die Werkstückoberfläche 212 zwei Bereiche 212-1 und 212-2 unterschiedlicher Oberflächengüte aufweist, die nacheinander vermessen werden sollen.

Wie die Abwicklung der Oberfläche zeigt, in der die vom Meß­ kopf durchlaufene Bahn liegt, überstreicht der Meßkopf bei dieser Ausführungsform mäanderförmig die Werkstückoberfläche, um eine möglichst große Meßlinie zu erhalten. Kreissegment­ bahnabschnitte 216 und 218 sind durch axiale Verbindungs­ bahnabschnitte 220 aneinandergereiht. Die Bahnlänge ist im Abschnitt 212-1 größer als im Abschnitt 212-2, um der Ober­ flächengüte Rechnung zu tragen.

Die Meßbahn im Abschnitt 212-1 geht stetig in die Meßbahn im Abschnitt 212-2 über, in dem die Bahnlänge pro Flächeneinheit kleiner ist.

Abweichend von den gezeigten Ausführungsformen kann der Meß­ kopf auch beliebige rotationssymmetrische Flächen vermessen; er muß in diesem Falle in der gleichen Weise angesteuert wer­ den, wie zuVor das Werkzeug.

Das Vorstehend beschriebene Verfahren ist selbstverständlich gleichermaßen anwendbar, wenn beliebige Außenoberflächen ei­ nes Werkstücks auf Maßhaltigkeit überprüft werden sollen. Es ist dabei dafür zu sorgen, daß die Führungseinrichtung für den Meßkopf einen vorbestimmten Grundabstand zwischen Werk­ stückoberfläche und Meßdüse aufrechterhält.

Es hat sich sogar gezeigt, daß das erfindungsgemäße Verfahren zur Vermessung von im wesentlichen zylindrischen Werkstücko­ berflächen geeignet ist, die im Radialschnitt betrachtet von der Kreisform geringfügig abweichen, was beispielsweise bei der Kreuzkopfbohrung eines Kolbens einer Brennkraftmaschine der Fall ist. Ebenso können Werkstückoberflächen auf ihre Maßhaltigkeit überprüft werden, die in axialer Richtung nach einer vorbestimmten mathematischen Beziehung von einer theo­ retischen bzw. von einer mathematisch exakten Zylinderform abweichen.

Die Erfindung schafft somit ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zur Bestimmung der Lage- und/oder der Formgenauigkeit von Werkstückoberflächen, beispielsweise von im wesentlichen zylindrischen Werkstückoberflächen, wobei ein Meßsensor die Werkstückoberfläche nach einem vorbestimmten Relativbewe­ gungsmuster zwischen Sensor und Werkstück abtastet. Zur ein­ fachen Eingliederung eines Meß-Verfahrensschritts in den Pro­ duktionsprozeß wird der Sensor von einem Pneumatik-Meßkopf gebildet, der die Werkstückoberfläche entlang einer kontinu­ ierlichen flächenerfassenden Bahn geführt überstreicht und dabei von der Werkstückoberfläche einen solchen gleichblei­ benden Grund- bzw. Meßabstand einhält, daß beim Überstreichen der Werkstückoberfläche der Meßbereich des Meßkopfs nicht überschritten wird. Dabei gibt der Meßsensor kontinuierlich Meßsignale ab, wodurch die unmittelbare Integration des Meß­ vorgangs in den Produktionsablauf ermöglicht wird.

Claims (16)

1. Verfahren zur Bestimmung der Maßhaltigkeit von Werk­ stückoberflächen, bei dem ein Meßgerät mit Meßsensor mit der Werkzeugoberfläche in Fuktionslagebeziehung gebracht wird, in der der Meßsensor unter Veränderung der Relativwinkellage zum Werkstück Meßdaten an das Meßgerät abgibt, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Werkstücke (4, 6; 54; 84; 134, 136; 150) durch zumindest einen als berührungslos arbeitender Pneuma­ tik-Meßkopf (12; 50; 80; 142) ausgebildeten Meßsensor derart abgetastet wird, daß der Meßkopf auf einer flächenerfassenden Bahn stetig bewegt wird, die von der Werkstückoberfläche einen vorbestimmten, im wesentlichen gleichbleibenden Abstand hat, der dem Meßabstand entspricht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Meßsensors (12; 50; 80; 142) mit einem Mustersignal (152) verglichen wird, das bei der Abtastung ei­ ner theoretisch exakten Werkstückoberfläche mit identischem Relativbewegungsmuster erhalten worden ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Messung rotationssymmetrischer Oberflächen die Bahn mehrere axialversetzte Kreissegmentbahnstücke (216, 218) aufweist, die durch Verbindungsbahnabschnitte (202) aneinan­ dergereiht sind.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Bahn mehrere Kreisbahnstücke (I bis IV) aufweist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Bahn zur Vermessung von Planflächen (206) Spiralabschnitte (208) aufweist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Bahn zur Vermessung von im wesentlichen zylindrischen Werkstückoberflächen von einer Schraubenlinie gebildet ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung der Schraubenlinie in Abhängigkeit von der Art und/oder der Güte der zu messenden Werkstückoberfläche Vorbe­ stimmt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Abtastung der Werkstückoberfläche im eingespannten Zustand des Werkstücks an der Werkzeugmaschine erfolgt.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einer Halteeinrichtung für den Meßsensor und das Werkstück, um eine Relativverschiebe- und Drehbewegung zwischen Werkstück und Meßsensor entlang bzw. um die Achse der Werkstückoberfläche zu ermöglichen, gekenn­ zeichnet durch zumindest einen Pneumatik-Meßkopf (12; 50; 80; 142), der während einer flächenerfassenden stetigen Relativ­ bewegung (ω, V) zwischen Werkstückoberfläche und Meßsensor Meßsignale (p_MS) abgibt,
eine Führungseinrichtung, mit der der Meßkopf beim Durch­ laufen der Meßbahn in einem solchen Grundabstand (AM) zur Werkstückoberfläche gehalten wird, daß der Meßbereich des Meßkopfs nicht überschritten wird, und
eine Auswerteeinrichtung, mit der die kontinuierlich abge­ gebenen Meßsignale den jeweiligen Meßpunkten zugeordnet wer­ den.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteeinrichtung (14; 50; 80) des Meßsensors einen Adapter (119) zur Ankupplung an ein Werkstück- oder Werkzeug- Spannsystem (110) einer Werkzeugmaschine aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Vermessung rotationssymmetrischer Innenoberflächen der Meßsensor einen Meßdorn (14; 50, 80) aufweist, der zumindest eine Pneumatik-Meßdüse (20; 56, 58; 86, 88) hat, die über eine Vordrossel (28; 64; 94) mit vorge­ schaltetem Druckregler (62) mit Luft beaufschlagt ist, und daß das Meßdrucksignal (p_MS) zwischen Vordrossel (28; 64; 94) und Meßdüse (20; 56, 58; 86, 88) einer Signalverarbeitungs­ einheit (36, 38; 74; 106) zugeführt wird.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Drucksignalleitung (60; 90) des Meßdorns (50; 80) über eine im wesentlichen achsparallele, vorzugsweise zentri­ sche Pneumatikleitung zum Adapter (119) und von dort über eine Radialleitung (98) zu einer vorrichtungsfesten Signal­ druckkammer (102) geführt ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, gekenn­ zeichnet durch eine Aufzeichnungseinrichtung, mit der die pneumatischen Meßsignale nach Umwandlung in einen analogen, elektrischen Signalverlauf aufgezeichnet werden.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die pneumatischen Meßsignale einem Ver­ gleicher zugeführt werden, dessen Ausgangssignal in die Bear­ beitung des Werkstücks (2; 52; 82; 132) eingreift oder bei Überschreitung eines Grenzwertes ein Ausschuß-Signal auslöst.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14 zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 5 bis 8, gekennzeichnet durch eine Synchronisierungseinrichtung, mit der einem vorbestimmten Relativverdrehungsmaß (ω) zwischen Werkstück (2; 52; 82; 132) und Meßsensor (12; 50; 80; 142) ein vorbestimmter Relativverschiebeweg (s) zugeordnet wird, und umgekehrt.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungseinrichtung für den Meßkopf ein Getriebe ist.