WO2020125841A1

WO2020125841A1 - Konturerfassungsvorrichtung sowie deren verwendung

Info

Publication number: WO2020125841A1
Application number: PCT/DE2019/100293
Authority: WO
Inventors: Eduard KUSTAN
Original assignee: HUBERT, Diana
Priority date: 2018-12-20
Filing date: 2019-03-28
Publication date: 2020-06-25
Also published as: DE102018133220A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Konturerfassungsvorrichtung sowie ein Verfahren zu deren Verwendung zur Erfassung eines zwei- oder dreidimensionalen Oberflächenprofils eines Werkstücks, umfassend einen Messschlitten mit einer Abtastvorrichtung, ihrerseits umfassend einen drehbar an einer Drehachse gelagerten Tastarm mit mindestens einer an einem Endabschnitt rechtwinklig angeordneten Tastspitze, einen Messwertaufnehmer und einen Messkrafterzeuger zur Erzeugung einer vordefinierten Messkraft, wobei das Werkstück und der Messschlitten zueinander dreidimensional verfahrbar angeordnet sind, wobei an einer Stirnseite des mit der Tastspitze versehenen Endabschnitts des Tastarms ein zylindrischer oder konischer Antastbolzen axial angeordnet ist.

Description

Konturerfassungsvorrichtung sowie deren Verwendung

Die Erfindung betrifft eine Konturerfassungsvorrichtung zur Erfas sung eines zwei- oder dreidimensionalen Oberflächenprofils eines Werkstücks, umfassend einen Messschlitten mit einer Abtastvor richtung, ihrerseits umfassend einen drehbar an einer Drehachse gelagerten Tastarm, der eine Achse definiert, mit mindestens einer an einem Endabschnitt rechtwinklig angeordneten Tastspitze, ei nen Messwertaufnehmer und einen Messkrafterzeuger zur Erzeu- gung einer vordefinierten Messkraft, wobei das Werkstück und der

Messschlitten zueinander dreidimensional verfahrbar angeordnet sind sowie ein Verfahren zu dessen Verwendung.

Die Erfassung von geometrisch komplexen Werkstückoberflächen spielt heutzutage eine wichtige Rolle in der Qualitätskontrolle und bei der Überführung von Prototypen oder Designmodellen in die maschinelle Serienfertigung. Ferner kann sie als ein Zwischen schritt in einer Fertigungskette vonnöten sein, um ein digitales Ab bild eines Werkstücks zur Weiterverarbeitung in CAD-unterstützen- den Systemen und Maschinen bereitzustellen. Im Rahmen vorlie gender Erfindung soll vor allem die Vermessung von Gewinden adressiert werden.

Neben optischen Verfahren zur Oberflächenerfassung finden ins- besondere auch hochauflösende mechanische Abtastverfahren breite Verwendung. Derartige Abtastung erfolgt beispielsweise in einer dreidimensional verfahrbaren, insbesondere CNC-gesteuer- ten Maschine. Dabei kann entweder das Werkstück unbeweglich positioniert sein und dann eine Tastmessvorrichtung entlang ge- planier Routen mit vorzugsweise konstanter Geschwindigkeit be wegt werden, oder es kann umgekehrt das Werkstück in Bezug auf eine feststehende Tastmessvorrichtung bewegt sein. In US 2006/0249675, DE 197 53 303 A1 und DE 196 17 022 kann der entsprechende technologische Hintergrund eingesehen werden. Als Gattung vorliegender Erfindung wird die Offenlegungsschrift DE 10 2009 020 294 A1 angesehen, die eine Konturerfassungsvor richtung offenbart, welche über einen Messschlitten mit einem wip penartig an einer Drehachse gelagerten Tastarm verfügt, an dessen Spitze eine senkrecht abstehende Tastspitze angeordnet ist. Der Messschlitten wird während der Messung geradlinig mit Abstand zur Werkstückoberfläche in eine Bewegungsrichtung bewegt, der art, dass die daran angeordnete Tastspitze durch die Bewegung des Messschlittens nicht beschleunigt wird. Das freie Tastende der Tastspitze liegt mit einer Messkraft auf der Werkstückoberfläche auf und wird während der Messung in eine quer zur Bewegungsrich tung verlaufende Messrichtung ausgelenkt, so dass durch das Oberflächenprofil eine wegabhängige Auslenkung des Tastendes erfolgt. Ein Messwertaufnehmer erfasst eine die Auslenkung des Tastendes in Messrichtung beschreibende Auslenkungsgröße und/oder das Drehmoment.

Eine typische Anwendung von Konturerfassungsvorrichtungen vor beschriebener Art ist die Vermessung von Gewindeprofilen und - durchmessern, etwa im Rahmen einer Qualitätskontrolle. Zur Be stimmung eines Gewindedurchmessers werden üblicherweise zwei axiale Linienprofile an diametral gegenüberliegenden Gewindesei ten aufgenommen. Aus den dabei gewonnenen Informationen über die relative räumliche Lage, d.h. den Abstand, und die jeweilige de taillierte Gestalt der beiden Linienprofile lassen sich die relevanten Durchmessermaße, also Außen-, Flanken- und Kerndurchmesser, ableiten.

Eine große Schwierigkeit besteht dabei allerdings im Auffinden der Gewindemittenebene, die die beiden sich diametral gegenüberlie genden Gewindeabschnitte enthält, an welchen die Linienprofile aufzunehmen sind. Bei inkorrekter Auswahl der Messstrecken für die Linienprofile, d.h. beim Abtasten von Linienprofilen, die nicht auf einer gemeinsamen Gewindemittenebene liegen, ist der aus den Messdaten ermittelte Wert für den Gewindedurchmesser stets klei ner als der wahre Gewindedurchmesser.

In der Praxis wird ein zu vermessendes Gewinde typischerweise horizontal eingespannt und die vertikale Gewindemittenebene zur Messung ausgewählt, d.h. es werden das oberste und das unterste Linienprofil abgetastet. Zur Bestimmung dieser beiden Zenitlagen wird nach dem Stand der Technik jeweils eine Vormessung durch geführt, bei der mit der Tastspitze ein die Zenitlage enthaltender Gewindeabschnitt rasterartig abgetastet wird. Dazu wird eine Mehr zahl axialer Linienprofile aufgenommen, wobei zwischen den Mes sungen ein inkrementeller Vorschub des Gewindes quer zur axialen Bewegungsrichtung des Messschlittens vorgenommen wird, übli cherweise mittels einer entsprechend verfahrbaren Werkstückauf nahme. Dieses aufwändige Vorgehen ist notwendig, da es sich in der Praxis erwiesen hat, dass eine ausschließlich radiale Abtastung des Gewindeprofils, d.h. Aufnahme lediglich eines radialen Linien profils anstelle einer Mehrzahl radial versetzter, axialer Linienpro file, nicht ausreicht um die Zenitlagen mit der notwendigen Genau igkeit aufzufinden. Die Schwierigkeit besteht darin, dass die Tast spitze bei radialem Vorschub schrägwinklig zum Gewindegang ver fährt und das dabei aufgenommene Profil zu komplex ist, um eine verlässliche Bestimmung der Zenitlage anhand dessen vornehmen zu können. Dies umso mehr wenn das Gewinde Verzug aufweist, der beispielsweise bei einem Innengewinde herstellungsseitig dadurch verursacht werden kann, dass der Gewindebohrer nicht exakt parallel in das auf Kerndurchmesser vorgebohrte Loch einge fahren wird.

Der Nachteil des aufwändigen Rasterverfahrens zur Bestimmung der Zenitlagen besteht offenkundig in dem großen Zeitaufwand mit dem die Aufnahme einer Vielzahl von axialen Linienprofilen einher geht, welche notwendig sind um eine adäquate Genauigkeit in der Bestimmung der Zenitlagen zu erreichen. Vor diesem Hintergrund hat sich die vorliegende Erfindung die Auf gabe gestellt, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu entwickeln, welche die Bestimmung der Gewindezenitlagen in gegenüber dem Stand der Technik wesentlich kürzerer Messdauer ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch eine Konturerfassungsvorrichtung ge mäß Anspruch 1 und ein diese verwendendes Verfahren gemäß Anspruch 6 gelöst. Die zentrale Idee der Erfindung besteht darin, die Gewindeoberfläche nicht mit einer punktförmigen Sonde abzu tasten, wie sie durch das Tastende einer herkömmlichen Tastspitze näherungsweise realisiert wird, sondern über einen linienförmigen Kontakt bzw. eine Mehrzahl an Punktkontakten, die zwischen der Mantelfläche eines zylinderförmigen Antastbolzens und den Schei tel des Gewindeganges gebildet werden. Dadurch wird gewährleis tet, dass die Messsonde bei radialem Vorschub nicht in den Gewin degang„abstürzt“, sondern stets entlang des Außen- oder Kern durchmessers läuft (Außen- bzw. Innengewinde). Ein solcher An tastbolzen stellt erfindungsgemäß eine stirnseitige, axiale Verlän gerung des Tastarms dar.

Im Weiteren werden vorteilhafte Ausführungen der erfindungsge mäßen Konturerfassungsvorrichtung und ihrer Verwendung vorge stellt, welche in geeigneter Form miteinander kombiniert werden können.

Der Antastbolzen sollte eine verschleißfeste Oberfläche aufweisen, um eine hohe Standzeit ohne Abplattung oder sonstige der Mess genauigkeit abträgliche Oberflächenveränderungen zu gewährleis ten. In vorteilhafter Ausführung kann der Antastbolzen daher aus Hartmetall gefertigt sein. Alternativ kann auch eine funktionale Be schichtung auf der Mantelfläche des Antastbolzens abgeschieden sein, um die gewünschte Verschleißfestigkeit zu erzielen, beispiels weise aus diamond-like-carbon (DLC) oder einem keramischen Werkstoff wie SiN oder TiAIN.

Zur Befestigung des Antastbolzens kann in vorteilhafter Ausführung ein Sackloch in der Stirnseite des Tastarms vorgehalten sein, in welches der Antastbolzen eingeschoben und seitlich durch eine Madenschraube festgeklemmt wird.

Des Weiteren kann am Ende des Tastarms ein integrierter Mess kopf befestigt sein, der Aufnahmen für den Antastbolzen und auch die Tastspitze vorhält bzw. an dem der Antastbolzen fertigungssei tig einteilig angeformt ist. Um eine vertikale Positionierung der Tast spitze zu gewährleisten, sollte die Verbindung des Messkopfes mit dem Tastarm über eine verdrehsichere Befestigung erfolgen, bei spielsweise einen Bajonettverschluss oder einen Konus mit Über wurfmutter.

Im Rahmen der erfindungsgemäßen Verwendung dieser Vorrich tung zur Durchführung der Messung und der Bestimmung des Ze nites ist es unabdingbar, dass der Tastbolzen an mindestens zwei benachbarten Gewindegängen anliegt, d.h. die Länge des Antast bolzens ist in axialer Richtung mindestens entsprechend dieser Länge zu wählen. Ein Kontakt nur mit einem einzigen Gewindegang hätte zur Folge, dass eine Ausrichtung des Antastbolzens zu dem zu messenden Gewinde aus geometrischen Gründen grundsätzlich nicht bestimmt wäre. Eine Länge des Antastbolzens über zwei Ge windegänge hinaus (drei oder mehr Gänge) hindert grundsätzlich nicht an der Durchführung des vorgeschlagenen Messverfahrens sondern hätte zur Folge, dass der Winkel, welchen der Antastbol zen annimmt, durch diejenigen beiden Gewindegänge bestimmt wird, die am weitesten zur Mittelachse (bei einem Innengewinde) hineinragen bzw. bei einem Außengewinde axial nach außen über stehen. Die durch die beiden am weitesten überstehenden Gewin degänge definierten Tangentialflächen berührt die Mantelfläche des Abtastbolzens. Dies gilt sowohl bei zylindrischer oder aber auch bei konischer Form des Antastbolzens.

Die Bestimmung desjenigen Punktes, bei dem der Antastbolzen die beiden äußeren Gewindegänge berührt, geschieht erfindungsge mäß auf folgende Weise:

Am Beispiel eines Innengewindes wird im Folgenden das Vorgehen beschrieben, wobei sich diese Schritte bei spiegelverkehrter Vorge hensweise in analoger Weise auch auf Außengewinde übertragen lassen.

Der Tastarm wird in einem kleinen Winkel gegen die Florizontale geneigt und fährt dabei im Wesentlichen in radialer Richtung auf das Gewinde zu. Die Länge des Antastbolzens ist so gewählt, dass er zwei Gewindegänge abdeckt. Der Antastbolzen wird zu einem bestimmtem Zeitpunkt mit einem der Gewindegänge in Kontakt tre ten. Bei einer gleichförmigen Fortsetzung der Bewegung des Tast armes erfolgt ein Verkippen des Tastarmes um den Drehpunkt so lange, bis der Bolzen mit dem zweiten Gewindegang in Kontakt tritt. Dies ist der gesuchte, zur Durchführung der Messungen geeignete Punkt. Bei einer Fortsetzung der Bewegung des Tastarmes in der gleichen Richtung wird der Antastbolzen ausschließlich mit dem zweiten Gewindegang in Kontakt treten. Der Übergang vom einen Gewindegang auf den anderen Gewindegang hat zur Folge, dass das jeweils erzeugte Drehmoment am Tastarm aufgrund unter schiedlicher Länge des Kraftarmes, also dem Abstand des jeweili gen Gewindeganges von der Drehachse, ein unterschiedliches Drehmoment erzeugen wird. Damit beschreibt der Sprung im ge messenen Drehmomentenverlauf den Übergang des Kontakts mit dem einen Gewindegang auf den anderen Gewindegang bzw. die synchrone Anlage an beiden Gewindegängen. Dies ist der ge suchte Punkt, bei dem der Antastbolzen die beiden äußeren Schei telpunkte der Gewindegänge berührt.

Zur Bestimmung der oberen oder unteren Zenitlage eines horizon tal, d.h. mit seiner Zylinderachse parallel zum Tastarm eingespann ten Gewindes wird der Antastbolzen unter einer definierten Mess kraft mit seiner Mantelfläche unter fortwährendem Kontakt mit den Spitzen der Gewindeflanken gebracht und quer zur Gewindeachse durch die gesuchte Scheitellage verfahren. Der höchste bzw. tiefste Punkt der so gewonnenen Messkurve entspricht den gesuchten oberen oder unteren Zenitlagen. Der Antastbolzen muss den abge tasteten Gewindeabschnitt dabei um mindestens zwei Gewinde steigungen überdecken, um zu gewährleisten, dass er nicht in den Gewindegang hineinfahren kann.

Die optimalen Ergebnisse wird man dann erhalten, wenn die Mes sungen einander exakt diametral gegenüberliegend, also insbeson dere im oberen und unteren Zenit des Gewindes erfolgen.

Die gesuchten Abmessungen lassen sich aus den durch den Mess wertaufnehmer erhaltenen Daten und durch entsprechende geo metrische Auswertungen problemlos gewinnen.

Die vorbeschriebene Vorgehensweise lässt sich prinzipiell auch auf Außengewinde bei seitenvertauschter Vorgehensweise übertragen d. h. der Tastarm bewegt sich von außen her auf das Außenge winde zu und tritt dort mit den einzelnen Gewindegängen in Kon takt.

Wie bereits im Einzelnen ausgeführt ist es für die exakte Bestim mung des Durchmessers bzw. der Zenitpunkte von zentraler Be deutung, den Durchmesser durch den Mittelpunkt des Gewindes zu legen. Das Ausmessen des Gewindes erfolgt in an sich bekannter Weise dadurch, dass eine Relativbewegung zwischen dem Tast arm bzw. der daran befindlichen Tastspitze und dem Werkstück er folgt und hierbei die Tastspitze die einzelnen Gewindegänge vor zugsweise mit einer vordefinierten gleichförmigen Kraft abgreift und hierdurch ein Profil erstellt. Bei idealzylindrischer Form des Gewin des reicht eine einzige, das gesamte Gewinde durchgreifende und in axialer Richtung gemessene Profilermittlung aus.

Bei der Profilermittlung eines Konusgewindes ist zusätzlich die Be stimmung der Form des Kegelstumpfes erforderlich, durch welche die Gewindegänge in ihrer Form definiert werden. Es handelt sich hierbei regelmäßig um einen Kegelstumpf mit kreisförmiger Grund fläche wobei der Winkel zwischen Grundfläche und der Mantelflä che ein weiteres entscheidendes Kriterium zur Beschreibung des Konusgewindes darstellt. In einem solchen Fall ist es zwingend er forderlich, die vorbeschriebene Messprozedur an wenigstens zwei verschiedenen Stellen des Kegelmantels durchzuführen, aus der sich dann die Form des Kegelmantels ermitteln lässt.

Zur Bestimmung der Zenitlagen bei konischen Gewinden ist die Verwendung eines zylindrischen Antastbolzens nur bedingt geeig net, da dieser lediglich einen einzigen Kontaktpunkt mit den Schei teln der Gewindegänge ausbilden und somit bei radialem Vorschub in den Gewindegang hineinfahren würde. Aus diesem Grund sollte in vorteilhafter Ausführung ein konischer Antastbolzen verwendet werden, dessen Konizität in etwa derjenigen des Gewindes ent spricht, wodurch Kontaktpunkte zwischen dem Bolzen und mehre ren Spitzen von Gewindesteigungen zustande kommen und auch bei Vorschub des Bolzens quer zur Gewindeachse erhalten bleiben. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass sich dann die Messbereiche bei der Erfassung der Bewegung als auch des jeweiligen ausgeüb ten Drehmoments auf den Tastarm im optimalen Bereich befinden und deshalb eine besonders sorgfältige Messung gestatten. Je nach Durchmesser des zu vermessenden Gewindes sollte ein passend dimensionierter Antastbolzen zur Bestimmung der Zenit lagen verwendet werden. Der Durchmesser des Antastbolzens sollte so klein gewählt werden, dass auch bei einer verschleißbe dingten Abplattung seiner Mantelfläche keine im Verhältnis zum Gewindedurchmesser relevante Vergrößerung der Messungenau igkeit bei der Bestimmung der Zenitlagen auftritt. In vorteilhafter Ausführungsform sollte das Verhältnis des Durchmessers des An tastbolzens zum Außen- bzw. Kerndurchmesser eines zu vermes senden Außen- oder Innengewindes daher einen Wert von 0,5 nicht überschreiten.

Die Ermittlung der Zenitlage erfolgt durch die bereits beschriebene Verwendung des Antastbolzens. Das axiale Gewindeprofil als Lini enprofil wird dadurch aufgenommen, dass die Tastspitze in axialer Richtung in der durch den Antastbolzen ermittelten Zenitlage ver fahren wird und hierbei die Oberfläche des Gewindes abgreift. Messfehler entstehen immer dann, wenn die Tastspitze bzw. deren zurückgelegte Wegstrecke neben der ermittelten Zenitlage zu lie gen kommt. Faktisch wird in einem solchen Fall ein Gewindeprofil außerhalb der Zenitlage gemessen und demzufolge ein Fehler er zeugt.

Hier sind grundsätzlich zwei Arten von Ursachen denkbar, nämlich zum einen eine lateral und/oder eine angular bedingte Abweichung. Bei einer lateralen Abweichung verläuft die durch die Tastspitze und in Längsrichtung derselben definierte Gerade außerhalb der Achse des Antastbolzens.

Bei einer angularen Abweichung verläuft die durch die Tastspitze definierte Gerade zwar durch die Achse des Antastbolzens, liegt je doch außerhalb des höchsten bzw. des tiefsten Punktes der Gewin dezenitlage. In beiden Fällen entsteht ein Messfehler dadurch, dass das erfasste Linienprofil ausserhalb der Zenitlage erfasst wird. Beide Messfehler können auch in Kombination miteinander, d. h. gleichzeitig vorliegen. Es handelt sich bei den beschriebenen Feh lern um Abweichungen, die sich durch Abweichung in der Y-Ebene ergeben, die im Wesentlichen senkrecht zur Achse des Antastbol- zens verläuft. Unter Verwendung eines Eichobjektes lassen sich die vorbeschriebenen Abweichungen ermitteln und durch Justierung und Korrektur auf mechanischem Wege beseitigen. Im Ergebnis er hält man eine verbesserte Präzession der Messergebnisse.

Weitere Eigenschaften, Merkmale und Vorteile vorliegender Erfin dung ergeben sich aus der im Folgenden anhand der Figuren näher erläuterten, beispielhaften Ausführungen. Diese sollen vorliegende Erfindung nur illustrieren und in keiner Weise einschränken.

Es zeigen:

Figur 1 Konturerfassungsvorrichtung nach dem Stand der

Technik;

Figur 2 Illustration der Gewindezenitlagen; und

Figur 3 Zenitlagenbestimmung eines Innengewindes mit ei nem erfindungsgemäßen zylindrischen Antastbolzen.

Figur 4 laterale und/oder angulare Abweichung der Position der Tastspitze von der Zenitlage.

Fig. 1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Konturerfas sungsvorrichtung 1 nach dem zitierten Stand der Technik. Die Kon turerfassungsvorrichtung 1 weist einen Messschlitten 2 auf, der bei spielsweise an einer dreiachsigen CNC-gesteuerten Maschine (nicht dargestellt) oder an einem Roboterarm befestigt sein kann. Der Messschlitten 2 wird über einer abzutastenden Oberfläche 100 eines Werkstücks 10 vorzugsweise gleichmäßig und geradlinig ent lang einer vorgegebenen Route bewegt. Die Koordinaten X, Y, Z zeigen ein gewähltes Koordinatensystem, das in einer dreiachsigen CNC-Maschine beispielsweise vorteilhaft deren Achsenrichtungen entspricht. Es werden nacheinander abzutastende Linien in einer vorgegebenen gewählten Höhe über der abzutastenden Oberfläche 100 entlang der Achse X angefahren. Die feine Abtastung der Hö henunterschiede, hier beispielsweise in Z-Richtung festgelegt, er folgt mithilfe einer im Messschlitten 2 angeordneten Abtastvorrich tung, deren wesentliches Element ein wippenartig drehbar an einer Drehachse 5 gelagerter Tastarm 6, 6‘ ausmacht. Dieser Tastarm 6, 6‘ ist möglichst leichtgewichtig und daher feingliedrig ausgebildet, sodass er eine schnelle mechanische Bewegungsdynamik auf weist. An seinem äußeren Ende weist der Tastarm 6 eine vorzugs weise senkrecht zu ihm angebrachte Tastspitze 7 auf, deren Tas tende 71 zur Kontaktierung der abzutastenden Oberfläche 100 dient. Die abzutastende Höhendifferenz des Oberflächenprofils 100 ist eine geometrische Funktion des Auslenkungswinkels. Infolge der Drehbewegung des Tastarmes 6 um die Drehachse 5 erfolgt eine Verschiebung des Kontaktpunktes der Tastspitze 7 in der Be wegungsrichtung X des Messschlittens 2. Diese geometrischen Ab weichungen können in einer Messwertauswerteelektronik rechne risch berücksichtigt werden. Es ist ein Krafterzeuger 3 vorgesehen, um eine vordefinierte Messkraft Fm zu erzeugen, mit der das Tas tende 71 der Tastspitze 7 gegen die abzutastende Oberfläche 100 angepresst wird. Zwischen Messkrafterzeuger 3 und Drehachse 5 ist ein Messwertaufnehmer 4 zur Erfassung der Wegänderung an geordnet.

Fig. 2 dient der Illustration der Gewindezenitlagen hP, tP. Gezeigt ist die axiale Aufsicht entlang der Koordinatenachse X auf ein ein gespanntes Werkstück 10 mit zylindrischem Innengewinde 102. Die erfindungsgemäße Vorrichtung nebst erfindungsgemäßem Ver fahren dient der Bestimmung der Gewindezenitlagen, d.h. dem höchsten und/oder tiefsten Punkt hP, tP, welche in der Gewindemit tenebene M liegen. Im Falle einer Gewindevermessung ist das Auf finden dieser Ebene M notwendig, um aus den darin gewonnenen Linienprofilen den wahren Gewindedurchmesser ableiten zu kön nen. Bei Messverfahren nach dem Stand der Technik kann im Ge gensatz dazu nicht hinreichend verhindert werden, dass die Gewin devermessung auf Linienprofilen basiert, welche in einer zur Ge windemittenebene M parallel verschobenen, falschen Mess ebene F gemessen wurden. In letzterem Fall ist ganz offensichtlich ein zu kleiner Messwert für den Gewindedurchmesser zu erwarten.

Fig. 3 zeigt die Verwendung einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Konturerfassungsvorrichtung 1 zur Bestim mung der unteren Zenitlage eines horizontal in einer Werkstückauf nahme 12 eingespannten Innengewindes 10. Dazu ist der Antast bolzen 8 mit seiner Mantelfläche in Kontakt mit den Spitzen der Ge windeflanken 102 gebracht worden, wobei er so tief in das Gewinde 10 eingeführt wurde, dass er stets wenigstens zwei Gewindestei gungen 1 1 überdeckt und somit die Abtastung über eine ebensol che Anzahl an Kontaktpunkten von statten geht. Dadurch ist ge währleistet, dass der Antastbolzen 8 stets entlang des Gewinde kerndurchmessers verfährt und die Messung nicht den darunter verlaufenden Gewindegang betrifft. Die zur korrekten Bestimmung des Gewindedurchmessers gesuchte untere Zenitlage entspricht somit dem tiefsten Punkt des von dem Antastbolzen 8 abgefahre nen Kreissegmentes a. Nach derartiger Bestimmung der unteren Zenitlage wird in dieser mit der Tastspitze 7 ein axiales Linienprofil aufgenommen, bevor die gesamte Prozedur an der diametral ge genüberliegenden, oberen Zenitlage wiederholt wird.

In Fig. 3 findet ein integrierter Messkopf 9 Verwendung, an dem der Antastbolzen 8 mittels einer Madenschraube 92 befestigt ist, und der des Weiteren auch eine Aufnahme für eine Tastspitze 7, hier in einer Ausführungsform mit zwei Tastenden 71 , 7T, umfasst. Die Befestigung des Messkopfes 9 am Ende des Tastarmes 6 wird in der hier dargestellten Ausführungsform über einen Bajonettver schluss mit Überwurfmutter 91 realisiert.

Fig. 4 zeigt in schematisch gehaltener Darstellung eine Tastspitze 7 mit zwei einander gegenüberliegenden und axial zueinander aus gerichtete Tastenden 71 , 7T.

Die in ausgezogener Linienführung dargestellte Tastspitze 7 be schreibt die Tastspitze in ihrer optimalen Position. Dabei ist das obere Tastende 71 auf die Gewindezenitlage höchster Punkt hP ausgerichtet. Die durch die beiden Tastenden 71 , 71 ' bzw. durch die Mittelebene der Tastspitze 7 verlaufende Gerade stellt einen Axialschnitt durch den Antastbolzen 8 dar. Hierdurch wird die ideale fehlerfreie Messposition erkennbar.

Demgegenüber ist in punktierter Linienführung eine Tastspitze 7 beschrieben, die sowohl in lateraler als auch in angularer Richtung von dieser optimalen Position abweicht. Hier verläuft die durch die beiden Tastenden 71 , 7T verlaufende Gerade außerhalb der Mitte des Antastbolzens 8 mit Abweichungen, die zum einen durch eine laterale Verschiebung nach rechts zu (laterale Abweichung) und zum anderen auch eine Drehung im Uhrzeigersinne gegenüber der Idealposition aufweisen (angulare Abweichung). Eine angular Ab weichung liegt demnach auch dann vor, wenn die Gerade durch die Achse des Antastbolzens 8 verläuft.

Beiden Fehlern ist gemeinsam, dass die durch die Tastspitze be schriebene Bewegungsbahn außerhalb der Zenitlage verläuft, so dass man ein Linienprofil bei faktisch geringerem Durchmesser der Schraube erhält. Eine optimale Bestimmung der Zenitlage erweist sich dann als wertlos.

Durch den Einsatz eines Eichobjektes lassen sich die Abweichun gen am oberen Ende, d. h. von der Gewindezenitlage mit höchstem Punkt um Äy2 und am unteren Ende mit Abweichungen in der Rich tung Ayi feststellen und ermitteln und hieraus die Grösse der jewei ligen Fehler (lateral bzw. angular) ermitteln. Durch eine entspre chenden Justierung beispielsweise auf mechanischem Wege las- sen sich dann diese ermittelten Fehler im gewünschten und not wendigen Umfang korrigieren.

Das Ergebnis ist eine wesentliche Erhöhung der Messpräzession.

Bezugszeichenliste

1 Konturerfassungsvorrichtung

2 Messschlitten

3 Messkrafterzeuger

31 elektrischer Anschluss

4 Messwertaufnehmer

41 elektrischer Anschluss

5 Drehachse

6 6 Tastarm

7 Tastspitze

71 , 71‘ Tastende

8 Antastbolzen

9 Messkopf

91 Überwurfmutter

92 Madenschraube

10 Werkstück

100 Werkstückoberfläche

101 Gewindeflanken

102 Spitzen der Gewindeflanken

1 1 Gewindesteigung

12 Werkstückaufnahme

X, Y, z Koordinatensystem

Fm Messkraft

a Kreissegment

hP Gewindezenitlage höchster Punkt tP Gewindezenitlage tiefster Punkt

M Gewindem ittenebene

F falsche Messebene

Claims

Patentansprüche

1. Konturerfassungsvorrichtung (1 ) zur Erfassung eines zwei- oder dreidimensionalen Oberflächenprofils (100) eines Werkstücks (10), umfassend einen Messschlitten (2) mit einer Abtastvorrichtung ihrerseits umfassend einen drehbar an einer Drehachse (5) gelagerten Tastarm (6, 6‘), der eine Achse definiert, mit einer an einem Endabschnitt rechtwinklig angeordneten Tastspitze (7), einen Messwertaufnehmer (4) und einen Messkrafterzeuger (3) zur Erzeugung einer vordefinierten Messkraft (Fm), wobei das Werkstück (10) und der Messschlitten (2) zueinander dreidimensional verfahrbar angeordnet sind,

dadurch gekennzeichnet, dass

an einer Stirnseite des mit der Tastspitze (7) versehenen Endabschnitts des Tastarms (6) ein zylindrischer oder konischer Antastbolzen (8) axial (X) angeordnet ist.

2. Konturerfassungsvorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Antastbolzen (8) aus Hartmetall ge fertigt ist.

3. Konturerfassungsvorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Antastbolzen (8) eine verschleiß feste Beschichtung aufweist, insbesondere aus diamond-like- carbon (DLC) oder einem keramischen Werkstoff.

4. Konturerfassungsvorrichtung (1 ) nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antast bolzen (8) lösbar am Tastarm (6) befestigt ist, insbesondere mittels einer Madenschraube (92).

5. Konturerfassungsvorrichtung (1 ) nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antast bolzen (8) und die Tastspitze (7) in einen Messkopf (9) integriert sind, der lösbar und verdrehsicher am Tastarm (6) befestigt ist, insbesondere mittels eines Bajonettverschlusses oder eines Konus mit Überwurfmutter (91 ).

6. Verfahren zum Ausmessen eines Gewindes (10) mit einer Kon turerfassungsvorrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gewindeze nitlage (hP, tP) mittels des zylindrischen Antastbolzen (8) ermit telt wird, indem

der Antastbolzen (8) über seinen Tastarm (6) in einem Winkel gegen die Gewindeachse geneigt wird, anschließend der Tast arm (6) in radialer Richtung also beispielsweise in Querrichtung verfahren wird, bis der erste Gewindegang mit dem Antastbol zen (8) in Kontakt tritt, bei Fortsetzung dieser Linearbewegung unter permanenter Erfassung durch den Messwertaufnehmer (4) führt der Antastbolzen (8) eine Schwenkbewegung solange, bis eine weitere Gewindeflanke mit dem Antastbolzen (8) in Kontakt tritt, um bei Fortsetzung der Bewegung nur noch Kon takt mit der letzten Gewindeflanke gegeben ist, wobei der Zeit punkt des Kontaktes mit beiden Gewindeflanken durch eine sprunghafte Änderung des mit dem Messwertaufnehmer (4) er fassten Wertes (=Drehmoment auf die Drehachse des Tastar mes) angezeigt wird und anschließend unter Beibehaltung des Kontaktes mit beiden Ge windeflanken das Gewinde unter Vorschub in Querrichtung (Y- Richtung) unter einer vordefinierten Messkraft abgetastet wird und hierbei eine Gewindezenitlage ermittelt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Gewindezenitlage durch Bewegung in axialer Richtung des Gewindes (X-Richtung) mit Hilfe der Tastspitze das Konturprofil erfasst wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Konturprofil zweifach und in einander diametral gegenüberlie genden Positionen gemessen wird, vorzugsweise in der unte ren und oberen Gewindezenitlage (hP, tP).

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zu sätzlich zur Messung in gegenüberliegenden Punkten eine Messung auch in jenen Richtungen erfolgt, die im Zwischenbe reich, bevorzugt winkeläquidistant, insbesondere um 90°, durchgeführt werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekenn zeichnet, dass bei einem konischen Gewinde die Form des An tastbolzens konisch gewählt wird.

1 1 . Verfahren nach einem der Ansprüche 6 - 10, dadurch gekenn zeichnet, dass der maximale Durchmesser des Antastbolzens (8) höchstens die Hälfte des Außen- bzw. Kerndurchmessers des Außen- oder Innengewindes (10) beträgt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 - 11 , dadurch gekenn zeichnet, dass an der Tastspitze 7 zwei einander gegenüberlie gende und zueinander koaxial ausgerichteteTastenden (71 , 71 ') angebracht werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 - 12, dadurch gekenn zeichnet, dass die durch die Mitte der Tastspitze (7) bzw. des Tastendes (71 ) bzw. durch die beiden Tastenden (71 , 7T) be schriebene Gerade daraufhin überprüft wird, ob sie durch die Mitte des Antastbolzens (8) und/oder durch den höchsten bzw. niedrigsten Punkt einer Gewindezenitlage hP, tP verläuft und im Falle von Abweichungen eine Nachjustierung erfolgt.