DE4412682A1 - Vorrichtung zum Vermessen exzentrisch umlaufender Werkstücke - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Vermessen exzentrisch umlaufender Werkstücke, insbesondere der Hubzapfen von Kurbelwellen.

Die Hubzapfen und auch die Lagerzapfen von Kurbelwellen, jedoch auch andere, exzentrisch umlaufende Werkstücke müssen während der Bearbeitung sowie nach Fertigstellung der Bearbeitung auf Maßgenauigkeit geprüft werden. Hierzu ist es bisher üblich, das Vermessen bei Stillstand des Werkstücks von Hand punktweise durchzuführen, um Durchmesserfehler, Abweichungen von der Kreisform sowie von der Zylinderform festzustellen und ggf. korrigieren zu können.

Aufgrund der hohen Bearbeitungsgeschwindigkeiten in modernen, CNC-gesteuerten Bearbeitungszentren bedeutet das Vermessen des Werkstücks von Hand lange, den Ausnutzungsgrad des Bearbeitungszentrums herabsetzende Stillstandszeiten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine schnell und genau arbeitende Meßvorrichtung zu schaffen, um möglichst keine oder nur kurze Unterbrechungen der Bearbeitung des Werkstücks während des Meßvorgangs zu erreichen.

Ausgehend von dieser Aufgabenstellung wird bei einer Vorrichtung der eingangs erwähnten Art vorgeschlagen, daß sie erfindungsgemäß einen Tastarm, der mit an seinem einen Ende angeordneten Meßtastern das Werkstück umgreift und dem Umlauf folgt, der mit seinem anderen Ende der Bewegung des Werkstücks wenigstens in einer Ebene folgend geführt ist und einen mit den Meßtastern zusammenwirkenden Meßwertaufnehmer aufweist.

Der Tastarm läßt sich um seinen Führungspunkt an seinem einen Ende aus einer Ruheposition außerhalb des Bewegungsbereichs des Werkstücks in eine Meßstellung klappen, folgt mit seinen Meßtastern dem exzentrisch umlaufenden Werkstück während einer oder mehrerer Umdrehungen und registriert über den Meßwertaufnehmer den Durchmesser des Werkstücks mit Bezug auf entsprechende Drehwinkel, so daß sich auf diese Weise in kürzester Zeit Durchmesserabweichungen, Abweichungen von der Kreisform sowie von der Zylinderform, wenn der Tastarm axial entlang dem zu vermessenden Werkstück bewegt wird, erfassen lassen.

Wenn der Tastarm eine etwa waagerechte Meßstellung einnimmt und das geführte Ende des Tastarms an einem etwa senkrecht angeordneten Lenker auf gehängt und frei geführt ist, schwingt der Tastarm während einer Umdrehung in einer senkrechten Ebene entsprechend dem Hub des exzentrischen Umlaufs, so daß die Meßtaster das Werkstück unter sich ändernden Winkeln vermessen. Dies läßt sich jedoch bei der Auswertung der Meßergebnisse berücksichtigen, da zwischen der Winkelposition des Werkstücks und dem Winkelausschlag des Tastarms eine eindeutige Beziehung besteht. Die Führung des Endes des Tastarms am Lenker muß möglichst reibungsarm gestaltet sein, damit die Meßergebnisse nicht verfälscht werden.

Die Führung des einen Endes des Tastarms mittels eines senkrechten Lenkers läßt sich auch durch eine Geradführung in Form einer Lenkerführung oder in Form einer Rollen-Schienen-Führung ersetzen, so daß sich der Führungspunkt des geführten Endes des Tastarms auf einer Geraden, statt auf einem Bogen bewegt.

Das geführte Ende des Tastarms kann auch der Bewegung des Werkstücks folgend wenigstens in einer Ebene zwangsgeführt sein, wenn dieses Ende des Tastarms z. B. an einem in X-Richtung beweglichen Schlitten angelenkt ist und dieser Schlitten eine entsprechende, CNC-gesteuerte Bewegung während eines Umlaufs des zu vermessenden Werkstücks durchführt.

Vorzugsweise kann das geführte Ende des Tastarms in zwei aufeinander senkrechten Ebenen zwangsgeführt sein, z. B. mittels eines synchron und mit gleichem Hub mit dem Werkstück umlaufenden Kurbeltriebs. In diesem Fall wirken auf die Meßtaster nur die Meßkräfte, da sie keinerlei Führungsaufgaben zu übernehmen haben.

Zur Anpassung an unterschiedliche Hübe des exzentrisch umlaufenden Werkstücks, insbesondere der Hubzapfen von zu vermessenden Kurbelwellen, muß der Kurbeltrieb in seinem Hub einstellbar sein und mechanisch oder elektrisch mit der Drehbewegung des zu vermessenden Werkstücks gekoppelt sein.

Vorzugsweise kann das geführte Ende des Tastarms an einem CNC-gesteuert in Y- und X-Richtung synchron und mit gleichem Hub wie das zu vermessende Werkstück verfahrbaren Schlitten auf einer Kreisbahn zwangsgeführt sein. Diese Anordnung ist deswegen besonders vorteilhaft, weil sich das geführte Ende des Tastarms an dem Schlitten einer CNC-gesteuerten Bearbeitungseinheit für das Werkstück anordnen läßt und die ohnehin vorhandene Steuerung für die Bearbeitung des Werkstücks auch beim Vermessen des Werkstücks einsetzbar ist.

Bei der Zwangsführung in Y- und X-Richtung werden keine großen Anforderungen an die Genauigkeit des Rundlaufs und an die Übereinstimmung des Hubes der Zwangssteuerung mit dem Hub des zu vermessenden Werkstücks gestellt, wenn die Meßtaster an dem Werkstück etwa diametral gegenüberliegend in einer durch den geometrischen Mittelpunkt verlaufenden Ebene anliegen und der Meßwertaufnehmer die Meßwerte der beiden Meßtaster in einer Summenschaltung verarbeitet. In diesem Fall werden Abweichungen im Rundlauf und/oder im Hub der Zwangssteuerung des Tastarms in der Waagerechten durch die gegenüberliegenden Meßtaster innerhalb ihres Meßbereichs kompensiert. Fehlbewegungen in senkrechter Richtung bilden Fehler zweiter Ordnung, die unterhalb der geforderten Meßgenauigkeit liegen.

Der Tastarm kann entweder mit einer einstellbaren Abstützung auf dem Werkstück oder auf einem einstellbaren Anschlag am Schlitten aufliegen. In beiden Fällen ist gewährleistet, daß die Meßtaster in der durch den geometrischen Mittelpunkt verlaufenden Ebene am Werkstück anliegen, abgesehen von den durch Rundlaufungenauigkeiten oder Hubabweichungen bedingten Verschiebungen.

Wenn der Tastarm aus dem Arbeitsbereich in eine Ruhestellung schwenkbar ist, läßt sich diese Ruhestellung als Kalibrierstellung verwenden, indem in dieser Kalibrierstellung eine Maßverkörperung des Werkstücks in den Bereich der Meßtaster gebracht wird.

Die Erfindung wird anhand mehrerer, in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele des näheren erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine an einem CNC-gesteuerten Bearbeitungszentrum für Kurbelwellen angeordnete Meßvorrichtung,

Fig. 2 eine Detailansicht des Tastarms mit einer anderen Anordnung der Meßtaster,

Fig. 3 eine schematische Ansicht einer Meßvorrichtung mit einer Lenkerführung des Tastarms und

Fig. 4 eine schematische Teilansicht einer Meßvorrichtung mit einer Geradführung für den Tastarm.

Von einer zentrisch zu den Hauptlagerzapfen eingespannten Kurbelwelle 1 sollen exzentrisch umlaufende Hubzapfen 2 vermessen werden.

Zu diesem Zweck ist ein Tastarm 3 in den Bereich des Hubzapfens 2 um einen Anlenkpunkt 8 schwenkbar in die ausgezogen dargestellte Meßstellung geschwenkt, so daß eine einstellbare Abstützung 4 auf dem Hubzapfen 2 aufliegt. In dieser Stellung erstrecken sich senkrecht von dem Tastarm 3 nach unten parallele Arme 5, an deren Enden Meßtaster 6 angeordnet sind. Der Abstand der Meßtaster 6 ist auf den Durchmesser des Hubzapfens 2 einstellbar und beide Meßtaster 6 sind in den Armen 5 verschiebbar. Die Abstützung 4 wird so eingestellt, daß die Meßtaster 6 am Hubzapfen 2 in einer durch den geometrischen Mittelpunkt verlaufenden Ebene angreifen. Die Meßtaster 6 sind mit einem Meßwertaufnehmer 7 verbunden, der eine Auswertung der Meßwerte über eine Summenschaltung vornimmt. Über den Anlenkpunkt 8 am Ende des Tastarms 3 ist dieser hochschwenkbar an einem in Y-Richtung CNC-gesteuert verfahrbaren Schlitten 12 einer Bearbeitungseinheit 11 angeordnet. An diesem Schlitten 12 befindet sich z. B. eine Spindel 13 zur Aufnahme von Bohrern oder Fräsköpfen.

Anstelle der einstellbaren Abstützung 4 am Tastarm 3 kann auch am Schlitten 12 ein einstellbarer Anschlag 9 vorgesehen sein, der die Meßstellung des Tastarms 3 definiert.

Der Tastarm 3 läßt sich aus der ausgezogen dargestellten Meßstellung in eine gestrichelt dargestellte Ruhestellung außerhalb des Arbeitsbereichs schwenken und liegt dann an einem weiteren Anschlag 10 an. In dieser Stellung läßt sich eine Meßverkörperung 17, deren Größe und Form genau dem des Hubzapfens 2 entspricht, in den Bereich der Meßtaster 6 bringen, um eine Kalibrierung der Meßanordnung vorzunehmen.

Der Schlitten 12 ist über eine Säule an einem weiteren Schlitten 14, der CNC-gesteuert in X-Richtung verfahrbar ist, angeordnet.

Über die im einzelnen nicht dargestellte und an Werkzeugmaschinen allgemein übliche CNC-Steuerung läßt sich dem Anlenkpunkt 8 dieselbe Kreisbahnbewegung erteilen, die auch der Hubzapfen 2 beim Drehen der Kurbelwelle 1 durchläuft. Auf diese Weise wird der Meßarm 3 mit den Meßtastern 6 zur Kurbelwelle 1 synchron und mit gleichem Hub zwangsgeführt, so daß sich eine einfache Beziehung zwischen der Winkelstellung der Kurbelwelle 1 und den Meßwerten herstellen läßt.

Ist der in X-Richtung verfahrbare Schlitten 14 auf einem weiteren in Z-Richtung verfahrbaren Schlitten 15 angeordnet, der auf einem Maschinenbett 16 verfahrbar ist, läßt sich mit dem Tastarm 3 und den Meßtastern 6 die gesamte Oberfläche des Hubzapfens 2 abfahren, so daß sich Rundlauffehler, Durchmesserfehler und Abweichungen von der Zylinderform des Zapfens 2 mit großer Genauigkeit messen lassen. Rundlauffehler des Anlenkpunkts 8, die sich aufgrund der CNC-Steuerung ergeben und auch Hubabweichungen beim Umlauf des Anlenkpunkts 8 gehen nur äußerst geringfügig in das Meßergebnis ein, da hierdurch nur geringfügige Winkelveränderungen der Anlagepunkte der Meßtaster 6 bzw. Verlagerungen in der durch die Meßtaster 6 verlaufenden Geraden ergeben, die entweder durch die Summenschaltung des Meßwertaufnehmers 7 ausgeglichen werden oder aber im Hinblick auf die geforderte Meßgenauigkeit vernachlässigbar sind.

Anstelle der CNC-gesteuerten Zwangsführung des Anlenkpunktes 8 ist es selbstverständlich möglich, den Anlenkpunkt 8 an einem Kurbeltrieb anzuordnen, der mit dem gleichen Hub wie der der Hubzapfen 2 und synchron zur Kurbelwelle 1 umläuft. Die Meßbedingungen sind in diesem Fall die gleichen wie bei der CNC-gesteuerten Zwangsführung.

In Fig. 2 ist eine andere Anordnung des Meßtasters 6 am Tastarm 3 dargestellt. In diesem Fall stehen die Meßtaster 6 senkrecht und sind zwischen waagerechten, parallelen Armen 5 des Tastarms 3 angeordnet. Diese Anordnung läßt sich im wesentlichen bei einer in X- und Y-Richtung vorhandenen Zwangsführung des Anlenkpunktes 8 verwenden.

In Fig. 3 ist eine Lenkerführung des Tastarms 3 dargestellt. In diesem Fall ist der Anlenkpunkt 8 an einem im wesentlichen senkrecht angeordneten Lenker 18, der um einen Aufhängepunkt 19 schwenkt, angeordnet. Der Tastarm führt bei exzentrischen Umlauf des Hubzapfens 2 eine Schwenkbewegung in einer senkrechten Ebene durch, wobei der Anlenkpunkt 8 entsprechend dem Hub des Hubzapfens 2 waagerecht hin- und herbewegt wird. Der Anlenkpunkt 8 bewegt sich auf einem Bogen entsprechend der Länge des Lenkers 18. Da zwischen dem Umlauf des Hubzapfens 2 und der entsprechenden Bewegung des Tastarms 3 eine eindeutige, geometrische Beziehung besteht, lassen sich die Schwenkbewegungen bei der Rechnerauswertung des Meßergebnisses berücksichtigen.

Im Hinblick darauf, daß der Anlenkpunkt 8 waagerecht frei geführt ist, ist ein Meßtaster 6 am Arm 5 fest angeordnet, während der andere Meßtaster 6 verschiebbar ist, von wo die aufgenommenen Meßwerte zum nicht dargestellten Meßwertaufnehmer 7 weiterleitet werden.

Die in Fig. 4 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform dadurch, daß der Anlenkpunkt 8 in einer Geradführung 20 in Form einer Rollen-Schienen-Führung waagerecht geführt ist.

In beiden Fällen muß die Führung des Anlenkpunktes 8 möglichst reibungsfrei sein, um die Meßergebnisse nicht zu verfälschen.

Statt wie in den Fig. 1 bis 4 dargestellt, den Tastarm 3 etwa waagerecht anzuordnen, kann er auch jede beliebige Winkellage, insbesondere eine senkrechte Stellung einnehmen.

Bei der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung tritt keine Beeinflussung des Meßergebnisses durch Fehler aus dem Meßsystem der Bearbeitungsmaschine auf. Thermische Einflüsse lassen sich dadurch minimieren, daß eine Kalibrierung unmittelbar vor dem Durchführen einer Messung vorgenommen wird. Die Auswertung der Meßwerte durch einen nicht dargestellten Rechner ermöglicht eine Rückkoppelung zur CNC-Steuerung der Bearbeitungsmaschine, wodurch eine automatische Fehlerkompensation bei der Bearbeitung erreichbar ist.

Claims (12)

1. Vorrichtung zum Vermessen exzentrisch umlaufender Werkstücke, insbesondere der Hubzapfen (2) von Kurbelwellen (1) mit

• - einem Tastarm (3), der
• - mit an seinem einen Ende angeordneten Meßtastern (6) das Werkstück (2) umgreift und dem Umlauf folgt,
• - mit seinem anderen Ende (8), der Bewegung des Werkstücks (2) wenigstens in einer Ebene folgend, geführt ist und
• - mit einem mit den Meßtastern (6) zusammenwirkenden Meßwertaufnehmer (7).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das geführte Ende (8) des Tastarms (3) an einem etwa senkrecht angeordneten Lenker (18) frei geführt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das geführte Ende (8) des Tastarms (3) in einer Geradführung (20) frei geführt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das geführte Ende (8) des Tastarms (3) der Bewegung des Werkstücks (2) folgend wenigstens in einer Ebene zwangsgeführt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das geführte Ende (8) des Tastarms (3) mittels eines synchron und mit gleichem Hub mit dem Werkstück (2) umlaufenden Kurbeltriebs zwangsgeführt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das geführte Ende (8) des Tastarms (3) an einem CNC-gesteuert in Y- und X-Richtung synchron und mit gleichem Hub wie das Werkstück verfahrbaren Schlitten (12) auf einer Kreisbahn zwangsgeführt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Tastarm (3) schwenkbar an einem waagerechten, zur Kurbelwellenachse parallelen Anlenkpunkt (8) am Schlitten (12) angelenkt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das geführte Ende (8) des Tastarms (3) an dem Schlitten (12) einer CNC-gesteuerten Bearbeitungseinheit (11) für das Werkstück (2) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die verschiebbaren Meßtaster (6) am Werkstück (2) diametral gegenüberliegend in einer durch den geometrischen Mittelpunkt verlaufenden Ebene anliegen und der Meßwertaufnehmer (7) die Meßwerte der beiden Meßtaster (6) in einer Summenschaltung verarbeitet.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Tastarm (3) aus dem Arbeitsbereich in eine Kalibrierstellung schwenkbar ist, in der eine Meßverkörperung (17) des Werkstücks (2) in dem Bereich der Meßtaster (6) bringbar ist.

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Tastarm (3) in Richtung der Drehachse des Werkstücks (2) (Z-Richtung) verschiebbar ist.

12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Tastarm (3) mit einer einstellbaren Abstützung (4) auf dem Werkstück (2) oder auf einem einstellbaren Anschlag (9) aufliegt und die Meßtaster (6) einstellbar sind.