DE4319898A1

DE4319898A1 - Vorrichtung zur berührungslosen Prüfung und/oder Vermessung von rotationssymmetrischen Werkstücken

Info

Publication number: DE4319898A1
Application number: DE4319898A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl Ing Wyrwoll; Daniel Dipl Ing Haaser
Original assignee: WYRWOLL GmbH
Current assignee: WYRWOLL GmbH
Priority date: 1993-06-16
Filing date: 1993-06-16
Publication date: 1994-12-22

Description

Die Qualitätsprüfung und -sicherung erlangt in der industriellen Fertigung eine immer größere Bedeutung. Dies gilt auch bei der Herstellung von rotationssymmetrischen Werkstücken wie Drehteilen, Wellen, Achsen oder dergleichen. Gleichzeitig steigen die Ansprüche an die Genauigkeit, mit der derartige Teile gefertigt werden müssen. Vielfach ist es bereits so, daß Hersteller von Drehteilen bei der Lieferung ihrer Produkte Prüfprotokolle beilegen müssen.

Aus diesem Grund sind bereits verschiedene Meßgeräte zum automatischen Abtasten von Werkstücken bekannt geworden.

In der DE 38 43 286 wird beispielsweise ein Profilmeßgerät beschrieben, dessen Prinzip auf einer mechanischen Abtastung des Werkstücks ruht.

Auch berührungslose Meßverfahren sind mittlerweile bekannt geworden. Diese Systeme arbeiten mit einem Beleuchtungsmuster, daß auf das Werkstück projiziert wird, beispielsweise eine linienförmige Beleuchtung, wobei das Videobild der Reflexionen von dem Werkstück ausgewertet wird. Derartige Vorrichtungen und Verfahren finden sich beispielsweise in der DE 35 21 260, der EP 0 224 525 und der DE 36 01 321.

Die genannten Vorrichtungen und Verfahren sind jedoch, vor allem bei hochauflösenden Systemen sehr aufwendig und somit sehr teuer.

Hingegen sind in jüngster Zeit verschiedene hochgenaue, berührungslos arbeitende Distanzmeßköpfe im Handel erhältlich geworden. In der DE 40 32 361 wird beispielsweise ein derartiger Distanzmeßkopf beschrieben.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur berührungslosen Prüfung und/oder Vermessen von rotationssymmetrischen Werkstücken der einleitend genannten Art vorzuschlagen, die die Verwendung handelsüblicher Komponenten erlaubt und somit trotz hoher Genauigkeit kostengünstig herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Vorrichtung der einleitend genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur berührungslosen Prüfung und/oder Vermessung von im wesentlichen rotationssymmetrischen Werkzeugen, wie Drehteilen, Wellen, Achsen oder dergleichen weist somit eine Spannvorrichtung zum Einspannen der Werkstücke und eine Positioniereinheit zur Positionierung der Vorrichtung in Bezug zum Werkstück oder zur Positionierung des Werkstücks in Bezug zur Meß- bzw. Prüfvorrichtung auf. Die Maße des Werkstücks werden über einen berührungslos arbeitenden Distanzmeßkopf zur Messung des Abstandes des Werkstücks von dem Meßkopf ermittelt.

Wie oben angeführt, kann durch die Verwendung handelsüblicher Komponenten, insbesondere der Distanzmeßköpfe, eine besonders kostengünstige Meß- bzw. Prüfvorrichtung geschaffen werden, wobei keinerlei Abstriche bei der Meßgenauigkeit gemacht werden müssen, sondern vielmehr eine hohe Auflösung gewährleistet bleibt.

Die exakten Positionen zwischen Spannvorrichtung und Positioniereinheit kann über einen Eichkörper mit bekannten Ausmaßen ermittelt werden. Sind diese Daten bekannt, so kann aus dem Abstand des eingespannten Werkstücks am jeweiligen Meßpunkt vom Distanzmeßkopf dieses Werkstücks durch Abrastern mit der Positioniereinheit vermessen werden.

Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen werden vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.

Vorteilhafterweise werden mehrere Distanzmeßköpfe vorgesehen. Die Meßzeit, die im wesentlichen durch die Dauer des Abtastervorgangs bestimmt wird, wird hierdurch erheblich verkürzt.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn jeweils zwei Distanzmeßköpfe auf einander gegenüberliegenden Seiten des Werkstücks angeordnet sind. Aufgrund der Differenz der von zwei so angeordneten Distanzmeßköpfen gemessenen Abstände zum Werkstück und des bekannten Abstands zwischen den Meßköpfen kann der Durchmesser des Werkstücks auf einfache Weise ermittelt werden.

Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich insbesondere handelsübliche Lasertastköpfe einsetzen, die eine hohe Auflösung gewährleisten.

Vorteilhafterweise werden der Distanzmeßkopf oder die Distanzmeßköpfe in einer Halterung an einer steuerbaren Lineareinheit angebracht, deren Achse im wesentlichen parallel zur Achse des Werkstückes steht.

Um ein Werkstück entlang seines kompletten Umfangs vermessen zu können, kann die Spannvorrichtung und/oder die Halterung an der Lineareinheit mittels einer Dreheinheit drehbar ausgebildet sein. Die Dreheinheit sollte wiederum steuerbar sein.

Um hohen Anforderungen an die Meßgenauigkeit bzw. die Auflösung gerecht zu werden, sollte die Lineareinheit Schrittweiten gesteuert durchführen können, die kleiner als 10 µm sind.

Ist gleichzeitig der Querschnitt des Laserstrahls des Distanzmeßkopfes am Auftreffort auf dem Werkstück wenigstens in Richtung der Achse der Lineareinheit schmaler als 10 µm, so ist eine Auflösung von entsprechenden Längeneinheiten bis zu 10 µm gewährleistet. Selbstverständlich kann eine genauere Auflösung durch die Verwendung von Distanzmeßköpfen mit kleiner fokussiertem Strahlquerschnitt und mit einer Lineareinheit, die kleinere Schrittweiten, beispielsweise von 1 µm durchführen kann, erreicht werden.

Um eine gute Auflösung entlang des Umfangs eines Werkstücks zu erhalten, empfiehlt es sich, die Dreheinheit so auszubilden, daß die Winkelschritte Δω abhängig vom Durchmesser D des Werkstückes so gewählt sind, daß die aufgrund des Querschnitts des Laserstrahls mögliche Meßgenauigkeit auch ausgenutzt wird. Wird die Meßgenauigkeit durch den Laserstrahl beispielsweise auf 10 µm begrenzt, so soll ein Winkelschritt Δω abhängig vom Durchmesser D des Werkstücks an der Meßstelle in Grad gemessen kleiner als

sein. Bei einer gewünschten Meßgenauigkeit von 1 µm wäre entsprechend Winkel

zu wählen.

Für eine zeitgemäße Verwendung einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung sollte die Lineareinheit und/oder die Dreheinheit von einer Computeranlage steuerbar sein, die ebenfalls die Daten der Distanzmeßköpfe erfaßt.

Diese Computeranlage sollte für die Auswertung der Steuerparameter und/oder der Meßergebnisse der Abstandsmeßköpfe eingerichtet sein, so daß die Ergebnisse eines Meß- oder Prüfvorgangs unmittelbar erhältlich sind.

Diese Computeranlage kann insbesondere auch dafür verwendet werden, die Vorrichtung anhand eines Eichkörpers zu eichen und somit auch die relativen Stellungen von Lineareinheit, Distanzmeßköpfen und Spannvorrichtung zu bestimmen, so daß eine exakte Justage von diesen Teilen nicht mehr notwendig ist. Der Aufwand bei der Herstellung einer solchen Vorrichtung wird somit weiter verringert. Auch die Festlegung der Längenskala, insbesondere der Nullage, der Lineareinheit kann anhand eines Eichkörpers oder aber auch anhand charakteristischer Stellen des Werkstückes selbst, beispielsweise an einem Einstich, vorzugsweise selbsttägig von der Computeranlage vorgenommen werden.

Vorteilhafterweise wird die Lineareinheit als Kugelspindeleinheit mit einem Wegmeßsystem gewählt. Derartige Lineareinheiten, die im Handel erhältlich sind, gewährleisten einen leichten Lauf bei sehr hoher Präzision.

Die Spannvorrichtung kann mit zwei prismenförmigen Parallelgreifern versehen sein, so daß ein rotationssymmetrisches Werkstück automatisch während des Spannvorgangs korrekt zentriert wird.

Selbstverständlich kann die Einspannung auch zwischen zwei Spitzen, beispielsweise eines Spindel- und eines Reitstockes, oder auf andere Weise bewerkstelligt werden.

Eine Vorrichtung wie vorstehend beschrieben kann nicht nur zum kompletten Vermessen eines Werkstücks eingesetzt werden, sondern ebenfalls für einen schnellen Prüfvorgang, bei dem bestimmte lokale Stellen des Werkstücks gezielt oder, eventuell über einen Zufallsgenerator bestimmt, stichprobenartig angefahren werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die

Fig. 1 bis 3 verschiedene schematische perspektivische Darstellungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus verschiedenen Blickwinkeln.

In der Meß- und/oder Prüfvorrichtung der Fig. 1 bis 3 ist ein Werkstück 2 zum Vermessen und/oder Prüfen in einer Spannvorrichtung 4 mit zwei prismenförmigen Parallelgreifern 4, 5 eingespannt. Die Spannvorrichtung ist über ein nicht dargestelltes Rahmengestell fest oder drehbar mit einem Linearantrieb 6 verbunden. Der Linearantrieb 6, der als Kugelspindel ausgeführt sein kann, ist mit einem Schrittmotor 7 und einem Transportschlitten 8 versehen. Am Transportschlitten 8 sind über vier Halterungen 9 bis 12 vier Distanzmeßköpfe 13 bis 16 befestigt.

Die Distanzmeßköpfe 13 bis 16, der Schrittmotor 7 sowie, falls vorgesehen, das Wegmeßsystem der Lineareinheit 6 und der Drehantrieb mit Winkelerfassungseinheit der Spannvorrichtung 3 sind mit einer Computeranlage verbunden. Diese steuert die beschriebene Vorrichtung 1 so, daß der Prüfling 2 entweder komplett oder an bestimmten Stellen von den Distanzmeßköpfen 13 bis 16 abgetastet wird.

Die Eichung der Vorrichtung kann über einen Eichkörper, der anstelle des Werkstücks 2 in die Vorrichtung eingespannt wird, erfolgen. Durch einen derartigen Eichkörper können Abweichungen von einer exakt rechtwinkligen Anordnung der Distanzmeßköpfe kompensiert sowie die genaue relative Position zwischen Spannvorrichtung 3 und Lineareinheit 6 erfaßt und bei der Auswertung der Meßdaten einbezogen werden. Mögliche Ungenauigkeiten können einmal von der nicht dargestellten Rechenanlage erfaßt und bei allen künftigen Messungen berücksichtigt werden. Durch derartige Maßnahmen ist bei der Montage der Vorrichtung 1 keine hochgenaue Justage, beispielsweise bezüglich der Parallelität der Achsen A1 bzw. A2 der Lineareinheit bzw. der Spannvorrichtung 3, erforderlich.

Durch eine Drehung der Spannvorrichtung 3 um die Achse A2 des Werkstücks 2 (s. Doppelpfeil W) und die Verschiebung der Meßköpfe 13 bis 16 über die Lineareinheit 6 in Richtung der Achse A1 der Lineareinheit 6 (Doppelpfeil L) kann der Prüfling 2 vollständig abgerastert werden.

Die Distanzmeßköpfe 13 bis 16 erfassen ihren jeweiligen Abstand D1 bis D4 vom Werkstück 2. Da der Abstand zwischen gegenüberliegenden Distanzmeßköpfen 13, 15 bzw. 16, 14 bekannt ist, kann durch die gemessenen Abstände D1, D3 bzw. D2, D4 jeweils zweier gegenüberliegender Meßköpfe 13, 15 bzw. 14, 16 der Durchmesser des Werkstücks 2 an dieser Stelle unmittelbar erfaßt werden.

Durch Drehen des Werkstücks 2, beispielsweise um 90°, kann die Abweichung in der Einspannung des Werkstücks 2 von der gewünschten achsenparallelen Ausrichtung zur Lineareinheit 6 ermittelt und unmittelbar rechnerisch in der Computeranlage kompensiert werden.

Bezugszeichenliste

1 Meß- oder Prüfvorrichtung
2 Werkstück
3 Spannvorrichtung
4 Parallelgreifer
5 Parallelgreifer
6 Linearantrieb
7 Schrittmotor
8 Transportschlitten
9 Halterungen
10 Halterungen
11 Halterungen
12 Halterungen
13 Distanzmeßköpfe
14 Distanzmeßköpfe
15 Distanzmeßköpfe
16 Distanzmeßköpfe

Claims

1. Vorrichtung zur berührungslosen Prüfung und/oder Vermessung von im wesentlichen rotationssymmetrischen Werkstücken, wie Drehteile, Wellen, Achsen oder dergleichen, mit einer Spannvorrichtung zum Einspannen der Werkstücke, einer Tasteinheit zum Abtasten des Werkstückes und einer Positioniereinheit zur Positionierung der Abtasteinheit in Bezug zum Werkstück und zur Positionierung des Werkstücks in Bezug zur Abtasteinheit, dadurch gekennzeichnet, daß ein berührungslos arbeitender Distanzmeßkopf (13 bis 16) als Tasteinheit zur Messung des Abstandes (D1 bis D4) des Werkstücks (2) von dem Distanzmeßkopf (13 bis 16) vorhanden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere Distanzmeßköpfe (13 bis 16) vorhanden sind.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei Abstandsmeßköpfe (13, 15) bzw. (14, 16) auf einander gegenüberliegenden Seiten des Werkstücks (2) angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Distanzmeßkopf oder die Distanzmeßköpfe (13 bis 16) als Lasertastköpfe ausgebildet sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Distanzmeßkopf oder die Distanzmeßköpfe (13 bis 16) mit einer Halterung (9 bis 12) an einer steuerbaren Lineareinheit (6) befestigt sind, deren Achse (A1) im wesentlichen parallel zur Achse (A2) des Werkstücks (2) steht.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannvorrichtung (3) und/oder die Halterung (9 bis 12) eines oder mehrerer Distanzmeßköpfe (13 bis 16) an der Lineareinheit (6) mittels einer Dreheinheit drehbar sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lineareinheit (6) zur Durchführung von Schrittweiten in der Linearverschiebung ausgelegt ist, die kleiner als 10 µm sind.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des abtastenden Laserstrahls eines Distanzmeßkopfes (13 bis 16) am Auftreffort auf dem Werkstück (2) wenigstens in Richtung der Längsachse (A1) der Lineareinheit schmaler als 10 µm ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dreheinheit abhängig vom Durchmesser (D) des Werkstücks (2) so ausgelegt ist, daß die Winkelschritte Δω der Drehung um die Achse (A2) des Werkstücks (2) in Grad gemessen mit durchführbar sind.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lineareinheit (6) und/oder die Dreheinheit von einer Computeranlage steuer- bzw. regelbar sind.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Computeranlage zur Auswertung der Steuerparamenter und/oder Meßergebnisse der Abstandsmeßköpfe (13 bis 16) eingerichtet ist.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lineareinheit (6) eine Kugelspindeleinheit mit Wegmeßsystem ist.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannvorrichtung (3) zwei prismenförmige Parallelgreifer (4) aufweist.