DE4134690A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung der form, groesse und raumlage koaxialer rotationsflaechen und dazu senkrechter stirnflaechen an walzenfoermigen werkstuecken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Form, Größe und Raumlage koaxialer Rotationsflächen und dazu senk­ rechter Stirnflächen an walzenförmigen Werkstücken unter Verwendung von Sensoren, die die Oberfläche des Werkstückes in Abhängigkeit eines Drehwinkels vermessen.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durch­ führung dieses Verfahrens, bestehend aus einer Werkstück­ aufnahme, einem Drehantrieb, einem Drehwinkelmesser sowie mindestens einem Sensor zur Abtastung der Werkstückober­ fläche, wobei der Drehwinkelmesser und der oder die Sen­ soren mit einer Einheit zur Auswertung der Meßwerte ver­ bunden sind.

Die Messung des Maßes, der Form und der Lage koaxialer Rotationsflächen und dazu senkrechter Stirnflächen an großen walzenförmigen Werkstücken von über 1000 mm Länge wird nach dem Stand der Technik auf Koordinatenmeßgeräten oder Form­ prüfgeräten durchgeführt.

Für die Messung auf Koordinatenmeßgeräten ohne Drehtisch wird ein Sensor, dessen Position in drei zueinander senk­ rechten Koordinatenachsen kontinuierlich erfaßt wird, über die Oberfläche des Werkstücks geführt und dabei min­ destens über einen der Länge des Werkstückes entsprechenden Weg sowie zusätzlich entsprechend den Werkstückabmessungen in Werkstückumfangsrichtung verfahren. Aufgrund der großen Verfahrwege des Sensors führen zum einen Geradheitsab­ weichungen und Winkelabweichungen der Sensor-Führungs­ bahnen und zum anderen Änderungen der Meßrichtung des Sensors im Verlauf der Messung entsprechend der lokalen Werkstücknormalenrichtung zu großen Meßfehlern. Dies gilt auch für Koordinatenmeßgeräte, die unter Ausnutzung größtmöglicher Fehlerkorrektureinrichtungen verfügen. Die Meßunsicherheit beträgt mehrere Mikrometer.

Bekannt sind ferner Meßverfahren auf Koordinantenmeßge­ räten mit Drehtisch (mit oder ohne Gegenspitze). Im Gegen­ satz zu der vorbeschriebenen Messung ohne Drehtisch wird zwar der Verfahrweg des Sensors im wesentlichen auf eine achsparallele geradlinige Bewegung reduziert, wobei die Meßrichtung des Sensors bei der Erfassung der Werkstück­ oberfläche bei drehendem Werkstück konstant gehalten wer­ den kann, jedoch wirken sich dadurch scheinbar unwirk­ same Abweichungen bereits bei der der eigentlichen Messung vorangehenden Bestimmung der Lage der Drehachse negativ aus. Zusätzlich bewirken axiale und radiale Laufabweichungen des Drehtisches und gegebenenfalls bei Lagerung des Werk­ stückes zwischen Spitzen Formabweichungen der Spitzen und der Zentrierbohrungen während der Drehung des Werkstückes Verlagerungen der Drehachse und der axialen Position des Werkstückes. Dadurch ist beim derzeitigen Stand der Technik auch mit diesem Meßverfahren eine Messung der Zylinderform nur mit einer Meßunsicherheit von mehreren Mikrometern mög­ lich.

Bei Messungen auf Formprüfgeräten in Drehtischbauart treten Abweichungen auf, die denen bei der Messung auf einem Koordinatenmeßgerät mit Drehtisch vergleichbar sind, auch wenn bei diesen Geräten die axiale Führungsachse des Sensors mechanisch sehr gut parallel zur Achse des Dreh­ tisches ausgerichtet werden kann. Dieser Ausrichtung sind allerdings Grenzen gesetzt, insbesondere aufgrund lastab­ hängiger Deformationen des Drehtisches oder thermischer Langzeitinstabilitäten des mechanischen Aufbaus. Haupt­ sächlich führen Taumelbewegungen des Drehtisches wegen des großen Verhältnisses der Werkstücklänge zur Lager­ länge des Drehtisches zu Verzerrungen der aufgenommenen Umfangsprofile, also zu scheinbaren Formabweichungen. Geradheitsabweichungen der Werkstückparallelen Linearachse bewirken, daß in unterschiedlichen Schnitten abweichende Werkstückdurchmesser gemessen werden. Darüber hinaus be­ wirken Parallelitätsabweichungen zwischen der Drehachse und der Linearachse eine kegelförmige Verzerrung der auf­ genommenen Form eines Zylinders. Mit Formprüfgeräten in Drehtischbauart ist nach dem Stand der Technik die Messung der Form von großen Zylindern nur unter Inkaufnahme eines großen Meßfehlers möglich.

Bei Messungen auf Formprüfgeräten in Drehspindelbauart treten grundsätzlich die gleichen Einzelabweichungen an den Baugruppen des Meßgerätes auf wie bei einem Dreh­ tischgerät der vorbeschriebenen Art. Allerdings wirken sich die Abweichungen auf das Ergebnis einer Zylinderform­ messung zum Teil anders aus:

Geradheitsabweichungen der axialen Linearachse der Spindel führen zu einer scheinbaren Deformation der Werkstück­ achse. Parallelitätsabweichungen zwischen der Drehachse der Spindel und der axialen Linearachse der Spindel be­ wirken eine elliptische Deformation des gemessenen Profils in Umfangsrichtung.

Dem Vorteil der Drehspindelbauart gegenüber der Drehtisch­ bauart, nämlich daß der Meßkreis nicht durch das Werk­ stückgewicht beeinflußt wird, steht der der wegen der großen Werkstücklänge sehr langen Taster mit entsprechend nachteiligem dynamischen Verhalten gegebene Nachteil gegenüber. Mit Formprüfgeräten in Drehspindelbauart ist nach dem Stand der Technik die Messung der Form von großen Zylindern ebenfalls nur mit einer Unsicherheit von mehreren Mikrometern möglich.

Allen nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren ist gemein, daß zur Bestimmung der Werkstückform während der Messung entweder mindestens ein Sensor über einen nicht unerheblich langen Weg bewegt werden muß, wodurch sich die Geradheits- und Parallelitätsabweichungen der ent­ sprechenden Führungsbahn auf das Meßergebnis auswirken, oder daß bei gleichzeitiger Verwendung mehrerer, entlang des Werkstückes verteilter Sensoren durch Justierabwei­ chungen der Sensoren zueinander und zur tatsächlichen Drehachse des Werkstückes scheinbare Formabweichungen ge­ messen werden, die das Meßergebnis verfälschen.

Das Kalibrieren an Normalen in den Abmessungen des Werk­ stückes ist nicht möglich, da keine ausreichend großen Nor­ male verfügbar sind. Bei dem allenfalls möglichen stufen­ weisen Kalibrieren mit Hilfe kleinerer Normale entspricht die Belastung des Meßkreises (Drehtisches) beim Kalibrie­ ren nicht der Belastung beim Messen, wodurch sich unter­ schiedliche Taumelbewegungen und demzufolge Meßabweichun­ gen ergeben, die aufgrund der großen Länge des Werkstückes nicht unerheblich sind.

Die nach dem Stand der Technik bekannten Einzelmaßnahmen, wie etwa die vorbeugende Korrektur systematischer Abwei­ chungen, z. B. in Form einer rechnerischen Korrektur der Geradheits- und Parallelitätsabweichungen der Führungs­ bahnen, setzen eine Langzeitstabilität des mechanischen Aufbaus und eine Reproduzierbarkeit der Bewegungen der Meßgeräte voraus, die dem Erfordernis einer hohen Meß­ genauigkeit derzeit nicht gerecht werden kann.

In der DE 33 13 067 wird zur Verbesserung der Meßgenauig­ keit durch Erfassung von systematischen und zufälligen Abweichungen und entsprechender Korrekturen vorgeschlagen, die Rundlaufabweichungen eines Drehtisches zu erfassen, um hieraus entsprechende Korrekturen abzuleiten. Dieses Verfahren reicht jedoch nicht aus, um zufällige Taumel­ fehler des Drehtisches zu korrigieren.

Des weiteren ist nach dem Stand der Technik bereits ver­ sucht worden, die kontinuierliche, zufällige oder systema­ tische Verlagerung der Drehachse eines gedrehten Werk­ stücks durch ständiges Antasten von rotationssymmetrischen Formelementen des Werkstückes selbst zu bestimmen und die Meßwerte der übrigen Sensoren entsprechend zu korrigie­ ren. Dabei werden allerdings die Korrektursignale durch unbekannte Formabweichungen des Werkstücks überlagert, d. h. es muß eine Meßunsicherheit in Kauf genommen werden, die mindestens so groß ist wie die unbekannte Formab­ weichung in den zur Korrektur angetasteten Profilschnitten.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das eingangs genannte Verfahren und die hierzu bekannten Vorrichtungen dergestalt zu verbessern, daß die vorstehend aufgeführten Nachteile vermieden werden. Insbesondere soll die Meß­ genauigkeit bei der Messung der Werkstückoberflächenform, dessen Durchmessers und der Planläufe der Stirnflächen erhöht werden. Das Verfahren sowie die Vorrichtung sollen weiterhin dergestalt sein, daß ohne größere Umrüstarbeiten die Vermessung von Werkstückteilen unterschiedlicher Größen wie unterschiedlicher Längen und unterschiedlicher Durchmes­ ser möglich ist.

Verfahrenstechnisch wird die vorgenannte Aufgabe durch die im Anspruch 1 aufgeführten Maßnahmen gelöst, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß an einer von der Halterung des walzenförmigen Werkstückes mechanisch entkoppelten, starren, sich mindestens über die Werkstück­ länge axial erstreckenden Meßbrücke mehrere Paare von sich diametral in Bezug auf die Drehachse gegenüberliegende Sensoren in vorgebbaren Abständen entlang der Längsrich­ tung des Werkstückes ausgerichtet und deren räumliche Lage in Bezug auf die Drehachse zur Definition eines räumlich festen Koordinatensystems bestimmt werden und daß die Ober­ fläche des Werkstücks von jedem Sensorpaar in Abhängigkeit vom Drehwinkel vermessen wird.

Wie später noch ausgeführt werden wird, kann entweder das Werkstück während der Messung auf einem Drehtisch gelagert und mittels eines hieran angebrachten Drehantriebes in Rotation versetzt werden, wobei die Meßbrücke lagestabil festliegt oder die Meßbrücke kann um das ruhende Werkstück gedreht werden. In beiden Fällen werden die Meßergebnisse durch die Entkopplung der Meßbrücke von der Werkstück­ lagerung nicht verfälscht. Etwaige Taumelbewegungen des rotierenden Teils können in Abhängigkeit vom jeweiligen Drehwinkel aufgrund der gleichzeitigen Erfassung eines werkstückfesten Koordinatensystems erkannt und korrigiert werden. Vorzugsweise entfällt bei dem erfindungsgemäßen Ver­ fahren ein Verfahrweg der Sensoren während des Meßvorganges. Es sind nur sehr kleine Sensorauslenkungen zu erfassen.

Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 14 beschrieben.

Vorzugsweise wird zur möglichst fehlerfreien Bestimmung eines werkstückfesten Koordinatensystems während der Mes­ sung mittels an der Meßbrücke verankerter Referenzwertge­ ber die Lage oder die Lageänderung einer werkstückfesten Re­ ferenzachse gemessen, wonach die Oberflächenmeßwerte ent­ sprechend korrigiert werden. Nach einer weiteren Ausgestal­ tung der Erfindung bestehen die Referenzwertgeber ebenfalls aus in Bezug auf die Drehachse diametral gegenüberliegenden Sensorpaaren an der Meßbrücke, die die relative Lage von endseitig an dem Werkstück anliegenden, die werkstückfeste Referenzachse definierenden Kugeln, Zylindern oder Kegeln während der relativen Werkstückdrehung abtasten und dadurch in Abhängigkeit der Winkelstellung die jeweilige Lage der Referenzachse in Bezug auf die Meßbrücke erfassen.

Die weitgehend fehlerfreie Bestimmung der Werkstückoberfläche kann insbesondere dadurch vorgenommen werden, daß der Ver­ satz der Mittelpunkte der Verbindungslinien diame­ tral liegender Sensoren bezogen auf die Lage der die Bewegungen eines werkstückfesten Koordinatensystems relativ zur Meßbrücke erfassenden Referenzwertgeber anhand einer 180°-Umschlagmessung bestimmt werden kann.

Vorzugsweise werden vor der Oberflächenmessung der Ro­ tationsflächen die Abstände und Längen von Kalibrier­ normalen festgelegt, die auf einer Werkstückträgerplatte gruppenweise quer zur Drehachse angeordnet sind und wo­ nach die Abstände der Sensoren justiert werden. Die Ver­ wendung von Kalibriernormalen schließen Meßfehler infolge von Wärmeausdehnungen an der Meßbrücke aus.

Weiterhin vorzugsweise werden die Sensoren an einer im Querschnitt U-förmigen Meßzange jeweils an den freien Schenkeln befestigt. Gemessen wird jeweils der Abstand jedes freien Schenkels zum Kalibriernormalenende in der vorgegebenen 0°-Stellung des Werkstückes sowie die momen­ tanen Abstände der Rotationsflächen von dem freien Ende der Meßzangenschenkel und die Abstände der werkstückfesten Referenzachse zu den freien Enden der Meßzangenschenkel der Referenzwertgeber. Diese Meßgrößen erlauben die eindeutige Bestimmung des drehwinkelabhängigen Radius des Werkstückes, insbesondere nach der Formel

Nach einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird während der Messung eine Plausibilitäts­ prüfung durchgeführt, ob für jede Winkelstellung gilt, daß die Summe der von den Sensoren ermittelten Abstände (zu den freien Enden der Meßzangenschenkel) gleich dem entsprechen­ den Wert bei einer um 180° verdrehten Stellung ist. Hiermit können etwaige Fehlmessungen als solche sofort erkannt werden.

Weiterhin wird vorzugsweise eine Stabilitätsprüfung nach folgender Berechnung durchgeführt:

Die Abstände der diametral zueinander messenden Sensoren können interferometrisch, vorzugsweise laserinterferome­ trisch justiert werden.

Vorzugsweise wird das Werkstück während der Messung in horizontaler Lage auf Rollenböcken gelagert und von diesen angetrieben.

Wie bereits erwähnt, kann zur relativen Drehbewegung ent­ weder die Meßbrücke oder das Werkstück um seine Längs­ achse gedreht werden.

Vorrichtungstechnisch wird die Aufgabe an der eingangs genannten Vorrichtung dadurch gelöst, daß an einer von der Werkstückaufnahme mechanisch entkoppelten starren, sich mindestens über die Länge des zu vermessenden Werk­ stückes erstreckenden Meßbrücke mehrere Paare von diametral in Bezug auf die Werkstücklängsachse angeordneten Sen­ soren in vorgegebenem Abstand voneinander angeordnet sind und die Meßbrücke ferner mindestens zwei Referenzwert­ geber zur kontinuierlichen Erfassung der Lageänderung eines werkstückfesten Koordinatensystems relativ zur Lage der Meßbrücke aufweist.

Vorzugsweise liegen die Sensoren während der Messung be­ rührend an der Werkstückoberfläche an. Weiterhin kann eine Kalibriervorrichtung zur Justage des Abstandes der Sen­ sorenpaare vorgesehen sein.

Entsprechende Vorteile dieser Vorrichtung ergeben sich aus oben stehenden Erläuterungen zum erfindungsgemäßen Verfahren in analoger Weise.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht die Werkstückaufnahme aus einer auf einem Fundament verschiebbaren Werkstückträgerplatte und hierauf fest angeordneten Rollenböcken zur Lagerung und zum Drehantrieb des Werkstückes. Die Verschiebbarkeit der Werkstückträgerplatte ermöglicht eine freie Zugäng­ lichkeit der Rollenböcke beim Wechseln der Werkstücke, ohne daß diese durch die Meßbrücke behindert wird.

Die Meßbrücke ist vorzugsweise vertikal und/oder horizon­ tal quer zur Längsachse des Werkstückes bzw. der Träger­ platte verfahrbar. Weiterhin vorzugsweise sind an der Meß­ brücke in Axialrichtung des Werkstückes verschiebbare, im Querschnitt U-förmige Meßzangen angebracht, an deren freien Schenkeln jeweils in Radialrichtung des Werkstückes messende Sensorenpaare diametral gegenüberliegend angeordnet sind. Weiterhin sind die freien Schenkel der Meßzange ab­ standsveränderlich zueinander angeordnet. Die vorstehenden Ausführungsformen erlauben einzeln oder in Kombination die Einstellung der Sensorenpaare auf jede beliebige Werkstück­ größe sowie die Verfahrbarkeit der Meßbrücke zur Abnahme eines normalen Maßes außerhalb des durch die Rollenböcke definierten Meßortes. Die Werkzeugträgerplatte besitzt Stapel von Kalibriernormalen unterschiedlicher Länge, wobei die Stapel in veränderlichem Abstand zueinander quer zur Längsachse des Werkstückes angeordnet sind. Die Stapel be­ stehen aus pyramidenförmig übereinandergelegten Längsstücken, um die Sensoren bei unterschiedlichen Abstandseinstellungen der Meßzangenschenkel kalibrieren zu können.

Vorzugsweise ist an der Meßbrücke jeweils endseitig des Werkstückes ein Sensorenpaar als Referenzwertgeber aus­ gebildet, wobei die Referenzwertgeber an entgegengesetzten Stirnenden des Werkstückes zumindest annähernd zentrisch unverrückbar anliegende Referenznormalenstücke, vorzugs­ weise in Form in Kugeln, Zylindern oder Kegeln mit geringer Formabweichung, deren räumliche Lage bzw. Lageänderung ab­ tasten. Diese Referenznormalenstücke erlauben nicht nur die Festlegung der räumlichen Lage einer werkstückfesten Referenachse gegenüber der Meßbrücke vor der Messung, son­ dern auch die Feststellung einer etwaigen Lageabweichung während der Messung. Die Referenznormalenstücke, insbeson­ dere als Kugeln, werden vorzugsweise an das zu vermessende Werkstück angeflanscht oder anderweitig, insbesondere durch Magnete, befestigt.

Wie bereits vorstehend erwähnt, kann entweder die Werk­ stückaufnahme den Drehantrieb aufweisen, womit die Meß­ brücke vom Drehantrieb ebenfalls mechanisch entkoppelt ist, oder die Meßbrücke kann drehbar um das fest einge­ spannte Werkstück angeordnet sein.

Um zu vermeiden, daß während der Messung durch Verschmutzung der Meßelemente oder des Werkstückes verfälschende Ergeb­ nisse auftreten, wird vorzugsweise die gesamte Apparatur in einer geschlossenen Kammer angeordnet.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den nach­ stehenden Erläuterungen zu den Zeichnungen. Es zeigen

Fig. 1a, 1b bis 8a, 8b jeweils in einer schematischen Darstellung eine Seitenansicht und eine Draufsicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung in verschiedenen Verfahrens­ stufen, und

Fig. 9a, 9b anhand einer schematischen Darstellung die prinzipielle Meßtechnik.

Wie aus Fig. 1a und 1b ersichtlich, besteht die Vorrichtung zur Messung der Form, Größe und Raumlage koaxialer Rota­ tionsflächen aus einer Grundplatte 10, auf der eine senkrecht zur Achsrichtung 11 eines walzenförmigen Werkstückes 12 ho­ rizontal in Richtung des Doppelpfeiles 13 verschiebbare Werkstückträgerplatte 14 angeordnet ist. Auf dieser Träger­ platte 14 stehen Rollenböcke 15 mit Rollen 23 zur Lagerung und zum Antrieb des Werkstückes 12.

Seitlich neben den Rollenböcken 15 bzw. dem eingespannten Werkstück 12 liegen jeweilige Stapel von Kalibriernormalen 16 - hier vier Stapel mit Kalibriernormalen 16 -. Oberhalb der Rollenböcke 15 ist eine Meßbrücke 18 angeordnet, an der mindestens eine Meßzange 19 mit Meßzangenschenkeln 19′, 19′′ befestigt ist. Die Meßbrücke 18 mitsamt der Meßzange 19 ist sowohl in vertikaler Richtung zur Werkstückträgerplatte 14 heb- und senkbar angeordnet als auch (Fig. 3 bis 6 ) horizontal verschiebbar, um in Richtung auf den bzw. die Kalibriernormalenstapel 16 abgesenkt zu werden. Die Meßzan­ genschenkel 19′, 19′′ tragen an ihren Enden Sensoren 20, 21, die sich diametral gegenüberliegen und mit denen sowohl die Werkstückoberfläche erfaßt als auch ein Kalibriermaß ge­ nommen werden kann. Hierzu sind die freien Schenkel der Meß­ zange 19 bzw. mehrerer, in Reihe angeordneter Meßzangen 19 mitsamt der Sensoren 20, 21 in Pfeilrichtung Y, Y1 abstands­ veränderlich verschiebbar (Fig. 1). Gleichzeitig abstandsver­ änderlich ist jedes Sensorenpaar bzw. jede Meßzange 19 durch Verschiebung entlang der Längsachse 11. Entsprechendes gilt für die Kalibriernormalenstapel 16.

An den stirnseitigen Enden des Werkstückes 12 bzw. dessen Achse 11 ist jeweils ein Referenznormalenstück 22 vorgesehen, das im vorliegenden Fall aus einem angeflanschten Zylinder besteht. Diese Referenznormalenstücke 22 werden jeweils durch Referenzwertgeber abgetastet, die jeweils aus einem Paar Sensoren 20, 21 bestehen, welches ebenfalls an einer Meß­ zange 19 bzw. der Meßbrücke 18 befestigt ist. Das Werkstück 12 wird durch die Prismenrollen 23 in nach dem Stand der Tech­ nik bekannter Art zur Rotation angetrieben. Wahlweise über das Werkstück 12 oder über die Kalibriernormale 16 kann die Meßbrücke 18 abgesenkt werden, die als gemeinsame Basis für alle an der Messung beteiligten Sensoren 20, 21 an den Meß­ zangen dient. Ebenfalls an der Meßbrücke 18 angebracht sind die aus Sensorenpaaren bestehenden Referenzwertgeber, in denen während einer Messung kontinuierlich über die Sensoren 20, 21 die momentane axiale und radiale Position von an den Werkstückenden angenähert zentrisch angebrachten Referenz­ normalstücken 22 relativ zur Position zum Beginn der Messung bezogen auf die Lage der Meßbrücke 18 sowie die aktuelle Winkellage des Werkstückes 12 relativ zur Lage der Meßbrücke erfaßt und zur Korrektur der Signale der die Werkstückober­ fläche aufnehmenden Sensoren 20, 21 bereitgestellt werden, so daß in einem angeschlossenen, nicht dargestellten Rechner aus den Sensorsignalen und den Signalen der Referenzwertge­ ber Punkte der Werkstückoberfläche in einem werkstückfesten, dreidimensionalen kartesischen Koordinatensystem berechnet werden können.

Fig. 2a, 2b zeigt die Meßvorrichtung nach Beendigung des Meßverfahrens, d. h. nach Abnahme der Referenznormalen­ stücke 22.

Danach (Fig. 3a und 3b) wird die Meßbrücke 18 zu­ nächst vertikal angehoben und die Werkstückträgerplatte 14 seitlich quer zur Drehachse 11 soweit verschoben, bis die Kalibriernormalenstapel 16 unter den Meßzangen 19 liegen. Wie in Fig. 4a und 4b dargestellt, kann nunmehr das vermes­ sene Werkstück 12 von der Lagerung 15, 23 entfernt werden. Gleichzeitig werden die Stapel 16 und die Rollenböcke unter Abstandsverkleinerung im Hinblick auf das kürzere Werkstück gemäß Fig. 6 verschoben. Wie Fig. 5 zu entnehmen ist, wird zur Einstellung ein dem Durchmesser der neuen Welle entsprechender Sensorabstand kalibriert. Hierzu wird die Meßbrücke 18 in Richtung auf ein Referenznormalenstück des Stapels 16 abgesenkt und nach Kalibrierung wieder angehoben (Fig. 6a). Währenddessen wird ( durch Pfeil X1 in Fig. 6a dargestellt ) ein neues Werkstück 12 auf dem Rollenbock 15 jeweils endseitig abgelegt. Nach Verschiebung der Werkstückträgerplatte 14 in Pfeilrichtung X2 in die in Fig. 7a, 7b dargestellte Stellung liegt die Meßbrücke 18 ober­ halb des Werkstückes 12. Hiernach wird die Meßbrücke 18 derart abgesenkt, daß die Sensoren 20, 21 in eine Berührungs­ lage mit der Werkstückoberfläche kommen. Bevor die erneute Vermessung eines Werkstückes 12 beginnen kann, werden die Referenznormalenstücke 22 (Fig. 1) angeflanscht, durch die die Referenzachse definiert wird. Die prinzipielle Herlei­ tung der auf eine werkstückfeste Achse bezogene Radienbe­ stimmung durch eine 180°-Umschlagmessung mittels abstandska­ librierter, diametral an während der Messung starren Meßzan­ gen 19 angebrachter Sensoren 20, 21 ist aus Fig. 9a, 9b ersicht­ lich. Fig. 9a zeigt das Werkstück 12 mit dem Referenznorma­ lenstück 22 in der 0°-Stellung. Die Meßzange 119 stellt in Verbindung mit dem Referenznormalenstück 22 den Referenz­ wertgeber dar, während die Meßzange 19 mit nicht dargestell­ ten Sensoren 20, 21, die sich diametral gegenüberliegen, die Werkstückoberfläche abtastet. Die Stellung des Werkstückes nach einer Drehung um 180° ist Fig. 9b zu entnehmen. Wie aus den Fig. 9a, 9b zu entnehmen, ergibt sich jeweils aus den Mittelachsen die Zangenmitte 19a (Mitte Kalibriernormal bei Meßzangenkalibrierung), die symmetrisch zu dem Kalibriernor­ mal 16 liegt,und die Mitte 24a (Mitte Referenzwertgeber) der Meßzange 119 als Referenzwertgeber. Dem Versatz der Achsen 19a und 24a zueinander entspricht das Differenzmaß Δ, das anhand einer Umschlagmessung bestimmt wird. Die Drehachse 25, um die das Werkstück um 180° gedreht wird, liegt im vor­ liegenden Fall nicht achsensymmetrisch. Hieraus ergeben sich unterschiedliche Abstände M1 und M2 der Werkstückoberfläche zu der Meßzange 19 bzw. B1 und B2 der Abstände der Meßzange 119 zum Mittelpunkt des Referenznormals 22. In entsprechen­ der Weise ergeben sich die Radien R1 und R2. Nach Drehung um 180° ergeben sich entsprechende Werte R1, R2, M3, M4, B3 und B4 wie dargestellt. Hieraus sind folgende Berechnungen möglich, wobei die Differenzen MKL-M3, MKR-M2, B2-B4 usw. den An­ zeigedifferenzen der einzelnen Sensoren entsprechen:

Die obigen Berechnungsbeispiele sollen nur prinzipiell die Meßtechnik verdeutlichen. Bei tatsächlicher Anwendung sind ferner noch axiale und vertikale Korrekturwerte beider Referenzwertgeber und auch die axialen Koordinaten der Sen­ soren entsprechend der momentanen Geräteeinstellung zu berücksichtigen.

Wie aus obigen Darlegungen ersichtlich, werden im Unter­ schied zu den bisher nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren während der Messung kontinuierlich die Positionen von zwei, an entgegengesetzten Werkstückenden annähernd zentrisch am Werkstück für die Dauer der Messung starr angebrachten rotationssymmetrischen Kalibriernormalen 16 in radialer und axialer Richtung aufgenommen, so daß die Lage eines mit dem Werkstück 12 starr verbundenen Koordinatensystems jederzeit bekannt ist, unabhängig von momentanen Taumelbewegungen des Drehtisches oder anders gearteter Drehantriebe, wie sie bisher nach dem Stand der Technik verwendet wurden. Die Messung von Punkten der Oberfläche des Werkstückes 12 erfolgt mittels in radialer Richtung messender, diametral angebrachter Sensoren 20, 21.

Sowohl die zur Erfassung der momentanen Position der Referenznormale 22 dienenden Sensoren als auch die zur Aufnahme der Werkstückoberfläche dienenden Sensoren 20, 21 sind während des gesamten Meßvorganges unverrückbar an einer stabilen, vom Kraftfluß der Werkstückaufnahme entkoppelten gemeinsamen Meßbasis, d. h. Meßbrücke 18 angebracht. Dadurch entfallen während eines Meßvorganges sämtliche Bewegungen der Sensoren 20, 21, lediglich die mit einer Meßunsicherheit von Bruchteilen eines Mikrometers ausführbaren Abstandsmes­ sungen der Sensoren sind bei sich drehendem Werkstück 12 durchzuführen, wobei die Drehbewegung mittels eines eben­ falls an der gemeinsamen Meßbasis 18 verankerten Dreh­ gebers (nicht dargestellt) kontinuierlich erfaßt wird.

Die bei der Drehbewegung des Werkstückes 12 unvermeid­ lichen axialen und radialen Bewegungen dieses Werkstückes sind für das Meßergebnis unschädlich, da sie, wie oben beschrieben, mit Hilfe von zwei Referenznormalen 22 voll­ ständig und sehr genau erfaßt werden und die Meßwerte der die Werkstückoberfläche erfassenden Sensoren 20, 21 positions- und winkelabhängig entsprechend korrigiert werden. Meßfehler erster Ordnung, durch Annahme eines falschen Abstandes dia­ metral zueinander ausgerichteter Sensoren 20, 21, werden da­ durch vermieden, daß dieser Abstand vor jeder Messung mit­ tels kalibrierter Endmaße (Kalibriernormale 16) sehr genau bestimmt wird. Die radiale Lage der diametral zueinander ausgerichteten Sensoren 20, 21 in bezug auf die die Referenz­ normale 22 erfassenden Sensoren kann sehr genau anhand einer oder mehrerer 180°-Umschlagmessungen am Werkstück selbst be­ stimmt werden. Abweichungen des Werkstückes 12 haben dabei keinen Einfluß auf die Genauigkeit der Sensor-Positionsbe­ stimmung.

Wie oben erläutert, sind im Rahmen der Umschlagmessungen Plausibilitätsprüfungen möglich, die anzeigen, wenn sich der Abstand der diametral ausgerichteten Sensoren 20, 21 zueinander unzulässig ändert oder wenn vorübergehende Ver­ schmutzungen der Werkstückoberfläche das Meßergebnis be­ einflussen. Die zusätzliche Stabilitätsprüfung über alle Umschlagmessungen ermöglicht durch Änderung des jeweils berechneten Mittenversatzes von Referenzwertgeber/Meßbrücke 119 und diametral ausgerichteten Sensoren anzuzeigen, daß sich während der Messung entweder die gemeinsame Meßbasis unzulässig deformiert hat, daß der Zylinder während der Drehbewegung in horizontaler Richtung deformiert oder daß die Referenznormale der Bewegung des Werkstückes nicht exakt folgen.

Herausragender Vorteil des genannten Verfahrens ist, daß im Gegensatz zu der bisher erforderlichen globalen Lang­ zeitstabilität und hohen mechanischen Genauigkeit großer Baugruppen (Linearführungen, Drehtische, Maßstäbe) nunmehr nur noch lokale Langzeitstabilität (Kalibriernormale, End­ maße, Referenznormale) und globale Kurzzeitstabilität (vom Kraftfluß entkoppelte gemeinsame Meßbasis während der Dauer einer Messung in beispielsweise weniger als 5 Minuten) notwendig sind. Da diese Anforderungen wesentlich besser zu erfüllen sind als die früher notwendigen Anforderungen und zudem die Meßfehler erster Ordnung weitgehend online erfaßt und korrigiert werden, kann beim vorgestellten Verfahren die Meßunsicherheit auf einen Bruchteil des bisher erreichten Wertes reduziert werden.

Zudem bietet das Verfahren Sicherheit in der Aussage durch zuverlässige Möglichkeiten zur Selbstüberwachung mittels der oben beschriebenen Plausibilitäts- und Stabilitäts­ prüfung.

Claims (27)

1. Verfahren zur Messung der Form, Größe und Raumlage koaxialer Rotationsflächen und dazu senkrechter Stirnflächen an walzenförmigen Werkstücken (12) unter Verwendung von Sensoren (20, 21), die die Ober­ fläche des Werkstückes (12) in Abhängigkeit des Dreh­ winkels vermessen, dadurch gekennzeichnet, daß an einer von der Halterung (15, 23) des walzenförmigen Werk­ stückes (12) mechanisch entkoppelten, starren, sich mindestens über die Werkstücklänge axial erstreckenden Meßbrücke (18) mehrere Paare von sich diametral in Bezug auf die Drehachse gegenüberliegende Sensoren (20, 21) in vorgebbaren Abständen entlang der Längs­ richtung (11) des Werkstückes (12) ausgerichtet sind, mit denen zugleich die Lage einer werkstückfesten Referenzachse und die Oberfläche des Werkstückes (12) in Abhängigkeit vom Drehwinkel punktweise bezogen auf die Lage eines relativ zur Meßbrücke (18) räumlich festen Koordinatensystems erfaßt werden, und daß alle Meßpunkte unabhängig von Taumelbewegungen des Werk­ stückes während der Messung in ein werkstückfestes Ko­ ordinatensystem transformiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (20, 21) während der Messung berührend an der Werkstückoberfläche anliegen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß während der Messung mittels mehrerer an der Meßbrücke (18) verankerter Referenzwertgeber die Lage oder die Lageänderung einer von werkstückfesten Referenznormalen (22) definierten Referenzachse gemessen und die Oberflächenmeßwerte entsprechend korrigiert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzwertmeßgeber ebenfalls aus mindestens einem in bezug auf die Drehachse angeordneten Paar von sich diametral gegenüberliegenden Sensoren (20, 21) be­ steht, das die relative Lage von endseitig an dem Werk­ stück anliegenden Kugeln, Zylindern oder Kegeln (22) als Referenznormale während der Werkstückdrehung abtastet und daraus in Abhängigkeit von der Winkelstellung die jeweilige Lage einer durch die Referenznormale de­ finierten Referenzachse bestimmt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Versatz Δ des durch den Mit­ telpunkt (19a, 24a) der Verbindungslinie der Paare von Sensoren (20, 21) bezogen auf die Bewegungen eines werk­ stückfesten Koordinatensystems relativ zum Meßrahmen (18) erfassenden Referenzwertgebers (20, 21, 119) anhand einer 180°-Umschlagmessung bestimmt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Oberflächenvermessung der Rotationsflächen die Abstände und Längen von Ka­ libriernormalen (16) festgelegt werden, die auf der Werkstückträgerplatte (14) gruppenweise quer zur Drehachse (11) angeordnet sind und die Abstände der Sensoren (20, 21) hiermit justiert werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (20, 21) an einer im Querschnitt U-förmigen Meßzange (19) jeweils an den freien Meßzangenschenkeln (19′, 19′′) befestigt werden und daß jeweils der Abstand (MKL, MKR) jedes freien Meßzan­ genschenkels (19′, 19′′) zum Kalibriernormalenende vor Be­ ginn der Werkstückvermessung sowie die momentanen Ab­ stände (M1 bis M4) der Rotationsflächen von den freien Enden der Meßzangenschenkel (19′, 19′′) und die Abstände (B1 bis B4) der Referenzachse zu den freien Enden der Meßzangenschenkel absolut oder relativ zu einer Refe­ renzstellung der Sensoren gemessen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Radien des Werkstückes (12) entsprechend der Formel unter Verwendung der durch die Sensoren erfaßten Ab­ standsdifferenzen berechnet werden.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß während der Messung eine Plausibilitäts­ prüfung durchgeführt wird, ob für jede Winkellage des Werkstücks gilt, daß die Summe der von den Sensoren (20, 21) ermittelten Abstände (M1 + M2) gleich der Summe der Abstände (M3 + M4) bei um 180° gedrehtem Werk­ stück ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stabilitätsprüfung folgender Art für mehrere Winkellagen des Werkstückes durchgeführt wird:

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände der diametral zu­ einander messenden Sensoren (20, 21) interferometrisch, vorzugsweise laserinterferometrisch, justiert werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (12) während der Messung in horizontaler Lage auf Rollenböcken (15) gelagert und von diesen angetrieben wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (12) während der Messung in vertikaler Lage auf einem Drehtisch gelagert und von diesem angetrieben wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßbrücke (18) um das ruhende Werkstück (12) gedreht wird.

15. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bestehend aus einer Werkstück­ aufnahme (14, 25, 23), einem Drehantrieb, einem Dreh­ winkelmesser sowie mindestens einem Sensor zur Abtastung der Werkstückoberfläche, wobei der Dreh­ winkelmesser und der oder die Sensoren (20, 21) mit einer Einheit zur Auswertung der Meßwerte verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß an einer von der Werkstückaufnahme (14, 15, 23) mechanisch ent­ koppelten, starren, sich mindestens über die Länge des zu vermessenden Werkstückes (12) erstreckenden Meßbrücke (18) mehrere Paare von diametral in bezug auf die Werkstücklängsachse (11) angeordnete Sen­ soren (20, 21) in vorgegebenem Abstand voneinander angeordnet sind und die Meßbrücke (18) ferner min­ destens einen Referenzwertmeßgeber (119) zur konti­ nuierlichen Erfassung von Lageänderungen eines werk­ stückfesten Koordinatensystems relativ zur Lage der Meßbrücke (18) aufweist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (20, 21) berührend an der Werkstück­ oberfläche anliegen.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, gekennzeichnet durch eine Kalibriervorrichtung (16) zur Justage des Abstandes der Sensoren (20, 21) eines jeden Sen­ sorenpaares.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstückaufnahme (14, 15, 23) aus einer auf einem Fundament (10) verschiebbaren Werkstückträgerplatte und hierauf fest angeordneten Rollenböcken (15) zur Lagerung und zum Drehantrieb des Werkstückes (12) besteht.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, da­ durch gekennzeichnet, daß die Meßbrücke (18) vertikal und/oder horizontal quer zur Längsachse (11) des Werkstückes (12) bzw. der Werkstückträgerplatte (114) verfahrbar ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, da­ durch gekennzeichnet, daß an der Meßbrücke (18) im Querschnitt U-förmige Meßzangen (19) angebracht sind, an deren freien Meßzangenschenkeln (19′; 19′′) jeweils in Axialrichtung des Werkstückes (12) verschiebbare Paare von Sensoren (20, 21) diametral gegenüberliegend angeord­ net sind.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Meßzangenschenkel (19′; 19′′) der Meßzange (19) abstandsveränderlich zueinander angeordnet sind.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 20, da­ durch gekennzeichnet, daß die Werkzeugträgerplatte (14) jeweilige Stapel von Kalibriernormalen (16) unterschiedlicher Länge aufweist, wobei die Stapel in veränderlichem Abstand zueinander quer zur Längs­ achse (11) des Werkstückes (12) angeordnet sind.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 22, da­ durch gekennzeichnet, daß an der Meßbrücke (18) jeweils endseitig des Werkstückes (12) mindestens ein Sensorenpaar (20, 21) als Referenzwertgeber ausgebildet ist, wobei die Referenzwertgeber an entgegenge­ setzten Stirnenden des Werkstückes (12) zumindest annähernd zentrisch unverrückbar anliegende Referenz­ normalenstücke (22), vorzugsweise in Form von Kugeln, Zylindern oder Kegeln (22) mit geringer Formabweichung und deren räumliche Lage bzw. Lageänderung abtasten.

24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenznormalenstücke (22) insbesondere Kugeln, an das zu vermessende Werkstück (12) ange­ flanscht oder anderweitig, insbesondere durch Magnete, befestigt sind.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 24, da­ durch gekennzeichnet, daß die Werkstückaufnahme (14, 15, 23) den Drehantrieb aufweist.

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 24, da­ durch gekennzeichnet, daß die Meßbrücke (18) drehbar um das fest eingespannte Werkstück (12) ist.

27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 24, da­ durch gekennzeichnet, daß die Werkstückaufnahme (14, 15, 23) das Werkstück (12) und die Meßbrücke (18) ganz oder teilweise in einer geschlossenen Kammer (24) angeordnet sind.