DE102010035147B4

DE102010035147B4 - Meßvorrichtung

Info

Publication number: DE102010035147B4
Application number: DE102010035147.4A
Authority: DE
Inventors: Raimund Volk
Original assignee: Jenoptik Industrial Metrology Germany GmbH
Current assignee: Movomatic Sa Ch
Priority date: 2010-08-23
Filing date: 2010-08-23
Publication date: 2016-07-28
Anticipated expiration: 2030-08-24
Also published as: DE102010035147A1; US20120043961A1; US9393663B2; EP2422927A2; EP2422927A3

Abstract

Messvorrichtung (2) zur Inprozess-Messung an Prüflingen während eines Bearbeitungsvorganges an einer Bearbeitungsmaschine, mit einem Messkopf (12), der relativ zu einem Grundkörper (18) der Messvorrichtung (2) zwischen einer Ruheposition und einer Messposition, in der sich der Messkopf (12) in Messkontakt mit dem Prüfling befindet, beweglich ist, wobei der Messkopf (12) mit dem Grundkörper (18) über ein Gestänge (14) verbunden ist, das derart ausgebildet ist, dass der Messkopf (12) in Messposition Orbitaldrehungen des Prüflings nachvollzieht, dadurch gekennzeichnet, dass dem Messkopf (12) ein maschinenreferenzfrei arbeitender Winkelsensor (55) zugeordnet ist zur Erfassung der Winkellage des Messkopfes (12) während eines Messvorganges und dass der Winkelsensor (55) an dem Messkopf (12) oder einem starr oder nahezu starr mit dem Messkopf (12) verbundenen Teil eines Gestänges (14) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art, insbesondere zur Inprozess-Messung an Prüflingen während eines Bearbeitungsvorganges an einer Bearbeitungsmaschine, insbesondere einer Schleifmaschine, nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Bei der Herstellung von Kurbelwellen ist es erforderlich, die Kurbelzapfen der Kurbelwelle auf einer Schleifmaschine auf Maß zu schleifen. Um sicherzustellen, dass der Schleifvorgang beendet wird, sobald ein gewünschtes Maß erreicht ist, ist es erforderlich, den Kurbelzapfen im Rahmen eines Inprozess-Messverfahrens während des Bearbeitungsvorganges fortlaufend zu prüfen, insbesondere hinsichtlich seines Durchmessers und seiner Rundheit. EP-A-0859689 offenbart eine entsprechende Messvorrichtung.
Durch EP-A-1370391 ist eine Messvorrichtung der betreffenden Art bekannt, die zur Inprozess-Messung von Kurbelzapfen während eines Schleifvorganges an einer Schleifmaschine dient. Die bekannte Messvorrichtung weist einen Messkopf auf, der relativ zu einem Grundkörper der Vorrichtung zwischen einer Ruheposition und einer Messposition, in der sich der Messkopf im Messkontakt mit dem Prüfling befindet, bewegbar ist. Im einzelnen ist bei der bekannten Messvorrichtung der Messkopf über ein Gestänge um eine erste Schwenkachse schwenkbar mit einem Grundkörper der Messvorrichtung verbunden. Die bekannte Messvorrichtung weist ferner Mittel zum Ein- und Ausschwenken des Messkopfes in die Messposition bzw. aus der Messposition auf. Zur Durchführung einer Inprozess-Messung an einem Kurbelzapfen wird der Messkopf durch die dafür vorgesehenen Mittel in die Messposition eingeschwenkt, in der der Messkopf, beispielsweise mittels eines Messprismas, an dem zu vermessenden Kurbelzapfen zur Anlage gelangt. Während des Schleifvorganges führt der Kurbelzapfen eine Orbitaldrehung um die Drehachse der Kurbelwelle aus. Hierbei bleibt die Schleifscheibe in Kontakt mit dem Kurbelzapfen und ist hierzu radial zur Drehachse der Kurbelwelle beweglich gelagert. Um sicherzustellen, dass während des gesamten Schleifvorganges Messungen an dem Kurbelzapfen ausgeführt werden können, vollzieht der Messkopf die Bewegungen des Kurbelzapfens nach. Hierzu ist der Grundkörper der Messvorrichtung mit einem Grundkörper der Schleifmaschine verbunden, so dass die Messvorrichtung während des Schleifvorganges in Radialrichtung der Kurbelwelle synchron mit der Schleifscheibe der Schleifmaschine bewegt wird.
Durch DE 600 15 654 T2 (entsprechend EP 1 063052 B1 ) ist eine Messvorrichtung zur Inprozess-Messung an Prüflingen während eines Bearbeitungsvorganges an einer Schleifmaschine bekannt, die einen Messkopf aufweist, der relativ zu einem Grundkörper der Messvorrichtung zwischen einer Ruheposition und einer Messposition, in der sich der Messkopf in Messkontakt mit dem Prüfling befindet, beweglich ist. Der Messkopf ist über ein Gestänge mit dem Grundkörper der Messvorrichtung verbunden. Zur Erfassung von Winkellageänderungen des mit der Schleifmaschine verbunden Gestängeelementes ist ein Drehgeber vorgesehen.
Durch DE 100 18 107 A1 ist eine Messvorrichtung zum dreidimensionalen Vermessen von Objekten bekannt, die einen als Gehäuse ausgebildeten Grundkörper aufweist, an dem beweglich eine Tastvorrichtung angeordnet ist, mit der ein Bewegungserfassungssystem verbunden ist. Das Bewegungserfassungssystem dient dazu, mittels Translations- und/oder Rotationsbewegungen erfassender Sensoren Bewegungen des Tasters im Raum zu erfassen, um aus den gewonnenen Signalen die dreidimensionale Form eines zu vermessenden Objektes zu rekonstruieren.
Durch EP 0 471 180 A2 ist ein Verfahren zur Erkennung von Bearbeitungsfehlern von Schleifmaschinen bekannt, bei dem die Schleifkraft gemessen wird. Unter anderem schlägt die Druckschrift vor, zur Ermittlung der Schleifkraft wenigstens zwei im Winkel zueinander stehende induktive Wegmesser oder Beschleunigungsmesser zu verwenden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messvorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art anzugeben, bei der das Risiko von Messungenauigkeiten verringert ist.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.
Die Erfindung geht zunächst davon aus, dass der Messkopf in der Regel während des Messvorganges seine Winkellage relativ zu dem Prüfling, beispielsweise einem Kurbelzapfen einer Kurbelwelle, ändert, wobei die Änderung der Winkellage eine Oszillationsbewegung entsprechend der Kinematik beispielsweise eines Gestänges ist, über das der Messkopf mit dem Grundkörper der Messvorrichtung verbunden ist.
Hiervon ausgenommen sind lediglich Messvorrichtungen, bei denen das Gestänge so gestaltet ist, dass sich die Winkellage des Messkopfes während des Messvorganges relativ zu dem Prüfling nicht ändert. In diesem Fall sind von einem Messtaster des Messkopfes während einer Drehung des Prüflings um seine Drehachse zeitlich äquidistant aufgenommene Messwerte in Umfangsrichtung äquidistanten Stellen des Prüflings zugeordnet.
Ändert sich demgegenüber die Winkellage des Messkopfes relativ zu dem Prüfling, was in der Regel der Fall ist, so entsprechen beispielsweise von dem Messtaster zeitlich äquidistant aufgenommene Messwerte nicht in Umfangsrichtung äquidistanten Umfangsstellen des Prüflings, sondern sind entsprechend der oszillierenden Winkellage des Messkopfes in Umfangsrichtung verschoben.
Um beispielweise die Kontur des Prüflings zu ermitteln, ist es erforderlich, die Messwerte so zu korrigieren, dass die korrigierten Messwerte äquidistanten Umfangsstellen des Prüflings entsprechen.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, Messfehler zu vermeiden, die sich im Zusammenhang mit dieser Korrektur ergeben.
Bei der aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtung wird die Drehlage einer Kurbelwelle erfasst und die Korrektur der Winkellage rechnerisch anhand der durch die mechanischen Gegebenheiten vorgegebenen Kinematik des Messkopfes ermittelt. Diese Korrektur beruht auf der Annahme, dass jeder Drehlage der Kurbelwelle eineindeutig eine Winkellage des Messkopfes zugeordnet ist.
Die Erfindung löst sich von dem Gedanken, die Korrektur rechnerisch auszuführen. Ihr liegt vielmehr der Gedanke zugrunde, Winkellageänderungen des Messkopfes relativ zu dem Prüfling mittels eines hieran angepassten und dem Messkopf zugeordneten Winkelsensors zu erfassen. Dementsprechend sieht die Erfindung vor, dass dem Messkopf ein Winkelsensor zugeordnet ist zur Erfassung der Winkellage des Messkopfes, insbesondere von Winkellageänderungen des Messkopfes relativ zu dem Prüfling, während eines Messvorganges.
Auf diese Weise werden insbesondere Winkellageänderungen des Messkopfes sensorisch erfasst. Die sensorisch erfassten Winkellageänderungen können mit hoher Genauigkeit in die Korrektur der Messwerte bzw. ihrer Zuordnung zu Umfangsstellen des Prüflings einbezogen werden.
Die erfindungsgemäße Messvorrichtung hat insbesondere den Vorteil, dass Änderungen der Kinematik des Messkopfes, die beispielsweise von einem Verschleiß eines den Messkopf mit dem Grundkörper der Messvorrichtung verbindenen Gestänges herrühren oder auch bei einem Umbau der Messvorrichtung zur Anpassung an eine Kurbelwelle mit anderen Abmessungen auftreten, die Korrektur der Zuordnung der Messwerte nicht beeinträchtigen. Auf diese Weise kann die Genauigkeit bei der Korrektur der Zuordnung der Messwerte erhöht werden.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass sie ohne Modifikation verwendet werden kann, wenn sich ein Bauteil einer Schleifmaschine, an dem die Messvorrichtung befestigt ist, während des Messvorganges bewegt. Entsprechende Bewegungen des die Messvorrichtung tragenden Bauteiles und damit der Messvorrichtung können planmäßig und erwünscht sein. Die Bewegungen können jedoch auch zufällig und unerwünscht sein. Unabhängig davon, welche Ursache entsprechende Bewegungen haben, beeinflussen sie die Messgenauigkeit der erfindungsgemäßen Messvorrichtung nicht, weil Winkellageänderungen aufgrund der Verwendung eines eigenen und dem Messkopf zugeordneten Sensors unabhängig von ihrer Ursache erfasst werden. Auf diese Weise ist die Flexibilität der erfindungsgemäßen Messvorrichtung im Hinblick auf den Einsatz im Zusammenwirken mit einer Bearbeitungsmaschine erhöht.
Erfindungsgemäß vollzieht sich die Auswertung der von einem Messtaster des Messkopfes aufgenommenen Messwerte dadurch, daß zunächst die Winkellagenänderung des Messkopfes relativ zu dem Prüfling während des Messvorganges kompensiert bzw. korrigiert wird. Daran anschließend können die kompensierten bzw. korrigierten Messwerte zur Rekonstruktion beispielsweise der Kontur des Prüflings weiterverarbeitet werden.
Erfindungsgemäß handelt es sich bei dem Winkelsensor, der erfindungsgemäß dem Messkopf zugeordnet ist, um einen maschinenreferenzfrei arbeitenden Winkelsensor. Unter einer maschinenreferenzfrei arbeitenden Winkelsensor wird erfindungsgemäß ein Winkelsensor verstanden, der die Winkellage bzw. Winkellageänderungen des Messkopfes unabhängig von einer Referenz erfasst, die durch die Messvorrichtung oder die Bearbeitungsmaschine definiert ist. Dementsprechend werden als maschinenreferenzfrei arbeitende Winkelsensoren beispielsweise solche Sensoren angesehen, deren Funktionsprinzip auf einem Zusammenwirken mit einem Magnetfeld oder dem Gravitationsfeld der Erde beruhen. Demgegenüber wird beispielsweise als nicht maschinenreferenzfrei arbeitend ein Sensor angesehen, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist und mit dem Drehungen des Prüflings relativ zu der Schleifmaschine abgefühlt werden, um hiervon sowie einer bekannten Kinematik des Messkopfes während des Messvorganges ausgehend Winkellageänderungen des Messkopfes zu berechnen.
Die Erfindung sieht vor, dass der Winkelsensor an dem Messkopf oder einem starr oder nahezu starr mit dem Messkopf verbundenen Teil eines Gestänges angeordnet ist, über das der Messkopf mit dem Grundkörper der Messvorrichtung verbunden ist. Erfindungsgemäß ist also der Winkelsensor unmittelbar mit dem Messkopf oder einem damit starr verbundenen Teil des Gestänges verbunden. Auf diese Weise ist eine größtmögliche und nicht von einem Verschleiß beispielsweise von Gelenkverbindungen eines Gestänges, das den Messkopf mit dem Grundkörper der Messvorrichtung verbindet, abhängige Genauigkeit bei der Erfassung von Winkellageänderungen des Messkopfes erreicht.
Grundsätzlich ist es erfindungsgemäß ausreichend, wenn dem Messkopf ein einziger Winkelsensor zugeordnet ist. Falls entsprechend den jeweiligen Anforderungen erforderlich oder gewünscht, können dem Messkopf auch wenigstens zwei Winkelsensoren zugeordnet sein.
Das Sensorprinzip des erfindungsgemäß vorgesehenen Winkelsensors ist entsprechend den jeweiligen Anforderungen und Gegebenheiten innerhalb weiter Grenzen wählbar, solange sichergestellt ist, dass die Winkellage bzw. Winkellageänderungen des Messkopfes relativ zu dem Prüfling während des Messvorganges mit einer der Anwendung entsprechenden Genauigkeit ermittelbar ist bzw. sind.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht insoweit vor, dass der Winkelsensor ein Neigungssensor ist. Entsprechende Neigungssensoren stellen im Ergebnis ein Winkelmessgerät mit Bezug zur Erdoberfläche dar und messen die Abweichung von der Horizontalen oder Vertikalen. Referenz ist hierbei das Gravitationsfeld der Erde, so dass ein entsprechender Sensor maschinenreferenzfrei arbeitet.
Eine außerordentlich vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Winkelsensor ein Beschleunigungssensor ist. Ein Beschleunigungssensor misst die Beschleunigung beispielsweise, indem die auf eine Testmasse wirkende Trägheitskraft bestimmt wird. Erfindungsgemäß kann hierzu die statische oder dynamische Beschleunigung herangezogen werden. Ein besonderer Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass entsprechende Beschleunigungssensoren, die auch als Accelerometer, B-Messer und G-Sensor bezeichnet werden, als relativ kleine, vielseitige und kostengünstige Standardbauteile zur Verfügung stehen. An Stelle von Beschleunigungssensoren können ggf. erfindungsgemäß auch andere Inertialsensoren verwendet werden.
Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Winkelsensor einen Faserkreisel aufweist, der auch als faseroptischer Kreisel oder IFOG (Interferometer Fibre-Optic Gyroscope) bezeichnet wird. Das Wirkprinzip eines Faserkreisels besteht in der Interferenz zweier gegenläufig in einer aufgewickelten Glasfaser umlaufender Lichtstrahlen. Funktionsmäßig beruht ein solcher Faserkreisel auf dem Prinzip des Sagnac-Interferometers. Entsprechende Faserkreisel stehen ebenfalls als relativ kostengünstige Bauteile zur Verfügung. Da sie bei Betrieb nicht völlig driftfrei arbeiten, ist eine Kalibrierung erforderlich, um sicherzustellen, dass die während eines Messvorganges aufgenommenen Messergebnisse nicht durch Drifteffekte verfälscht werden. An Stelle eines Faserkreisels kann auch ein Laserkreisel verwendet werden, dessen Funktion ebenfalls auf dem Sagnac-Effekt beruht. Die Funktionsweise eines Faserkreisels oder Laserkreisels im einzelnen ist dem Fachmann allgemein bekannt und wird daher hier nicht näher erläutert.
Eine hinsichtlich des Wirkprinzips des Sensors abgewandelte weitere Ausführungsform sieht vor, dass der Winkelsensor ein Magnetfeldsensor ist. Das Wirkprinzip eines solchen Magnetfeldsensors kann beispielsweise darin bestehen, dass die Lage eines Dauermagneten erfasst wird, der sich in einem durch eine Spule erzeugten Magnetfeld bewegt. Im übrigen ist der Aufbau entsprechender Magnetfeldsensoren dem Fachmann allgemein bekannt und wird daher hier nicht näher erläutert.
Darüber hinaus sind erfindungsgemäß noch weitere Sensorprinzipien verwendbar. Beispielsweise kann eine optische Sensoranordnung verwendet werden, mit der die Winkellage bzw. Winkellageänderungen des Messkopfes optisch erfasst werden. In diesem Zusammenhang ist es beispielsweise möglich, Winkellageänderungen des Messkopfes mit einer elektronischen Kamera zu erfassen und die Winkellageänderungen aus deren Ausgangssignal mithilfe von Algorithmen der Bildverabeitung zu ermitteln.
Die Anordnung des Winkelsensors bzw. der Winkelsensoren ist entsprechend den jeweiligen Anforderungen innerhalb weiter Grenzen wählbar. Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht insoweit vor, dass der Winkelsensor an der Messvorrichtung angeordnet ist.
Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Winkelsensor mit einer Auswertungseinrichtung verbunden ist, die die Winkellage bzw. Winkellageänderungen des Messkopfes relativ zu dem Prüfling in Abhängigkeit von wenigstens einem Ausgangssignal des Winkelsensors ermittelt.
Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass mit der Auswertungseinrichtung ein Sensor verbunden ist, der die jeweilige Drehlage eines sich während des Messvorganges um eine Drehachse drehenden Prüflings ermittelt. Handelt es sich bei dem Prüfling beispielsweise um eine Kurbelwelle, die sich während eines Schleifvorganges um eine Drehachse dreht, so kann mittels eines entsprechenden Drehlagensensors die jeweils momentane Drehlage der Kurbelwelle abgefühlt werden. Ein entsprechendes Signal kann dann der Auswertungseinrichtung übermittelt werden, die in Abhängigkeit von diesen Ausgangssignalen sowie den Ausgangssignalen des Winkelsensors eine eindeutige Zuordnung von Messwerten, die mittels eines Messtasters des Messkopfes aufgenommen werden, zu entsprechenden Umfangsstellen der Kurbelwelle herstellt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten, stark schematisierten Zeichnung näher erläutert, in der ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung dargestellt ist.
Es zeigt:
1 in stark schematisierter Darstellung eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispieles einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung in einer Ruheposition des Messkopfes,
2A bis 2E die Messvorrichtung gemäß 1 in verschiedenen kinematischen Phasen,
3 in gleicher Darstellung wie 1 das Ausführungsbeispiel gemäß 1 während der Bewegung des Messkopfes in die Messposition und
4 ein schematisches Blockschaltbild zur Verdeutlichung des Zusammenwirkens des erfindungsgemäßen Winkelsensors mit einer Auswertungseinrichtung.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung 2, die zur Inprozess-Messung an Prüflingen während eines Bearbeitungsvorganges an einer Schleifmaschine 4 dient. Die Schleifmaschine 4, die aus Gründen der Vereinfachung lediglich teilweise dargestellt ist, weist eine um eine maschinenfeste Drehachse 6 drehbare Schleifscheibe 8 auf, die zum Bearbeiten eines Prüflings dient, der bei diesem Ausführungsbeispiel durch einen Kurbelzapfen 10 einer Kurbelwelle gebildet ist.
Die Messvorrichtung 2 weist einen Messkopf 12 auf, der über ein Gestänge 14 um eine erste Schwenkachse 16 schwenkbar mit einem Grundkörper 18 der Messvorrichtung 2 verbunden ist.
Die Mesvorrichtung 2 weist ferner Mittel zum Ein- und Ausschwenken des Messkopfes 12 in eine Messposition bzw. aus der Messposition auf, die weiter unten näher erläutert werden.
Zunächst wird anhand von 2A der Aufbau des Gestänges 14 näher erläutert. In den 2A–2E sind aus Gründen der Übersichtlichkeit die Mittel zum Ein- und Ausschwenken des Messkopfes 12 in die Messposition bzw. aus der Messposition weggelassen. Das Gestänge 18 weist ein erstes Gestängeelement 20 und ein zweites Gestängeelement 22 auf, die um die erste Schwenkachse 16 schwenkbar angeordnet sind. Mit dem der ersten Schwenkachse 16 abgewandten Ende des zweiten Gestängeelementes 22 ist um eine zweite Schwenkachse 24 schwenkbar ein drittes Gestängeelement 26 verbunden, mit dessen der zweiten Schwenkachse 24 abgewandtem Ende um eine dritte Schwenkachse 28 schwenkbar ein viertes Gestängeelement verbunden ist, das entfernt von der dritten Schwenkachse 28 um eine vierte Schwenkachse schwenkbar mit dem ersten Gestängeelement 20 verbunden ist.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind das erste Gestängeelement 20 und das dritte Gestängeelement 26 zueinander nichtparallel angeordnet, wobei der Abstand zwischen der ersten Schwenkachse 16 und der zweiten Schwenkachse 24 kleiner ist als der Abstand zwischen der dritten Schwenkachse 28 und der vierten Schwenkachse 32.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist das zweite Gestängeelement 22 einen Hebelarm 34 auf, derart, dass der Hebelarm 34 zusammen mit dem Gestängeelement 22 einen zweiarmigen Winkelhebel bildet, dessen Funktion weiter unten näher erläutert wird.
Der Messkopf 12 ist bei diesem Ausführungsbeispiel an einem Haltearm 35 angeordnet, der mit dem vierten Gestängeelement 30, das über die vierte Schwenkachse 32 hinausgehend verlängert ist, verbunden ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Verbindung zwischen dem Haltearm 34 und dem vierten Gestängeelement 30 starr ausgeführt. Wie aus 2A ersichtlich ist, ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein den Messkopf 12 haltendes freies Ende des Haltearmes 34 zu der ersten Schwenkachse 16 hin abgewinkelt, wobei ein mit dem vierten Gestängeelement 40 verbundener Teil des Haltearmes 34 mit dem vierten Gestängeelement 30 einen Winkel von größer 90° bildet.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Messkopf 12 einen linear auslenkbaren Messtaster 36 auf, der in 2a durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist. Der Messkopf 12 weist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ferner ein Messprisma 38 auf. Die Art und Weise, wie mittels einer Anordnung aus einem linear auslenkbaren Messtaster 36 und einem Messprisma 38 Rundheits- und/oder Dimensionsmessungen an einem Prüfling, insbesondere einem Kurbelzapfen einer Kurbelwelle oder einem anderen zylindrischen Bauteil ausgeführt werden, ist dem Fachmann allgemein bekannt und wird daher hier nicht näher erläutert.
Die Messvorrichtung 2 weist ferner Mittel zum Ein- und Ausschwenken des Messkopfes 12 auf, die an dem Gestänge 14 angreifen und anhand von 1 näher erläutert werden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die Mittel zum Ein- und Ausschwenken des Messkopfes 12 eine Einschwenkvorrichtung 40 und eine separate Ausschwenkvorrichtung 42 auf.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Einschwenkvorrichtung 40 Federmittel auf, die bei diesem Ausführungsbeispiel eine als Druckfeder ausgebildete Feder 44 aufweisen, die den Messkopf 12 über das Gestänge 14 in einer in 1 durch einen Pfeil 46 symbolisierten Einschwenkrichtung beaufschlagt. Die Feder 44 ist bei diesem Ausführungsbeispiel als Druckfeder ausgebildet und stützt sich an ihrem einen Ende an dem Grundkörper 18 der Messvorrichtung 2 und an ihrem anderen Ende an dem Hebelarm 34 ab, so dass die Feder 44 den Hebelarm 34 in 1 entgegen dem Uhrzeigersinn und damit den Messkopf 12 mittels des Gestänges 14 in der Einschwenkrichtung 46 beaufschlagt und zu bewegen sucht.
Die Ausschwenkvorrichtung 42 weist bei diesem Ausführungsbeispiel einen Hydraulikzylinder 48 auf, dessen Kolben an seinem freien Ende mit dem Grundkörper 18 der Messvorrichtung 2 verbunden ist. Mit der Kolbenstange 50 des Hydraulikzylinders 48 ist eine bei diesem Ausführungsbeispiel als Kniehebel ausgebildete Hebelanordnung 42 verbunden, dessen der Kolbenstange 50 abgewandtes freies Ende zu der ersten Schwenkachse 16 exzentrisch mit einem einarmigen Hebel 54 verbunden ist, der zu der Schwenkachse 16 koaxial gelagert ist. Der Hebel 54 weist an seinem freien Ende einen in die Zeichenebene hinein verlaufenden Zapfen 56 auf, der das erste Gestängeelement 20 lose beaufschlagt, so dass der Hebel 54 bei einer Bewegung in einer Ausschwenkrichtung, die in der Zeichnung einer Bewegung im Uhrzeigersinn entspricht, als Mitnehmer für das erste Gestängeelement 20 fungiert.
Zum Abfühlen der jeweiligen Position des Messkopfes 12 sind Sensormittel vorgesehen, die mit Steuerungsmitteln zur Steuerung der Einschwenkvorrichtung 40 und der Ausschwenkvorrichtung 42 in Wirkungsverbindung stehen.
Die Auswertung von Messwerten, die mittels des Messtasters 36 während eines Messvorganges aufgenommen werden, erfolgt mittels einer Auswertungseinrichtung eines Auswertungsrechners. Die Art und Weise, wie entsprechende Messwerte ausgewertet werden, ist dem Fachmann allgemein bekannt und wird daher hier nicht näher erläutert.
Erfindungsgemäß ist dem Messkopf 12 ein Winkelsensor 55 zugeordnet zur Erfassung der Winkellage des Messkopfes 12 und insbesondere von Winkellageänderungen des Messkopfes 12 relativ zu dem Prüfling (Kurbelzapfen 10). Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Winkelsensor 55 an der Messvorrichtung 2 angeordnet. Im einzelnen ist der Winkelsensor 55 mit dem Haltearm 35 und damit mit einem mit dem Messkopf 12 starr oder nahezu starr verbundenen Teil des Gestänges 18 verbunden.
Bei dem Winkelsensor 55 handelt es sich um einen maschinenreferenzfrei arbeitenden Sensor, der bei diesem Ausführungsbeispiel durch einen Beschleunigungssensor gebildet ist, der die statische Beschleunigung des Messkopfes 12 anhand der Erdbeschleunigung ermittelt. Der Neigungssensor kann beispielsweise auf einem kommerziell erhältlichen sogenannten Accelerometer basieren, wie es beispielsweise unter der Bezeichnung ADXL 322 von der Firma Analog Devices (www.analog.com) erhältlich ist. Eine entsprechende elektronische Schaltung ermittelt zweiachsig in X- und Y-Richtung die statische Beschleunigung. Hierbei kann die jeweilige Winkellage des Messkopfes 12 und damit auch Winkellageänderungen entweder durch Auswertung des Ausgangssignales für nur eine Messrichtung beispielsweise über eine Arcussinus-Beziehung oder aber über Auswertung beider Messrichtungen über eine Arcustangens-Beziehung ermittelt werden.
Da im Ergebnis die Winkellage und damit auch Winkellageänderungen des Messkopfes 12 nicht über eine durch die Messvorrichtung 2 oder die Schleifmaschine definierte Referenz ermittelt werden, beeinträchtigen Änderungen der Kinematik, die sich beispielsweise aus einem Verschleiß von Bestandteilen des Gestänges 18 ergeben, die Mess- bzw. Auswertungsgenauigkeit nicht. Gleichermaßen beeinträchtigt es die Auswertung nicht, wenn sich ein Bauteil der Schleifmaschine 4, an dem die erfindungsgemäße Messvorrichtung 2 angeordnet ist, während des Schleifvorganges bewegt.
Referenz für die Winkelmessung ist somit erfindungsgemäß bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ausschließlich das Gravitationsfeld der Erde. Falls sich das Maschinenbett der Schleifmaschine 4 während des Schleifvorganges bewegt, beispielsweise aufgrund einer elastischen Lagerung, so können entsprechende Bewegungen über einen zweiten Winkelsensor gemessen werden. Bei der Auswertung kann der von dem Winkelsensor 55 gemessene Winkel durch einfache Differenzbildung entsprechend korrigiert werden.
Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 2 ist wie folgt:
In der in 1 und 2A dargestellten Ruheposition befindet sich der Messkopf 12 außer Eingriff von dem Kurbelzapfen 10. In dieser Ruheposition ist der Hydraulikzylinder 48 stillgesetzt, so daß eine Bewegung des Hebelarmes 34 in 1 entgegen dem Uhrzeigersinn, die die Druckfeder 44 zu bewirken sucht, blockiert ist.
Zum Einschwenken des Messkopfes 12 in der Einschwenkrichtung 46 wird der Hydraulikzylinder 48 derart betätigt, daß seine Kolbenstange 50 in 1 nach rechts ausfährt. Beim Ausfahren der Kolbenstange 50 drückt die Feder 44 gegen den Hebelarm 34, so dass der Hebelarm 34 in 1 entgegen dem Uhrzeigersinn verschwenkt wird. Da der Hebelarm 34 drehfest mit dem zweiten Gestängeelement 22 verbunden ist, wird hierbei das zweite Gestängeelement 22 und damit das gesamte Gestänge 14 in 1 entgegen dem Uhrzeigersinn verschwenkt.
2B zeigt den Messkopf 12 in einer Position zwischen der Ruheposition und der Messposition.
Beim Erreichen einer vorgegebenen, in 2C dargestellten Winkellage läuft der Hebelarm 34 auf einen Anschlag 56, wobei beim Auflaufen des Hebelarmes 34 auf den Anschlag 56 ein Steuerungssignal an die Steuermittel übermittelt wird, aufgrund dessen der Hydraulikzylinder 48 stillgesetzt wird. 2C zeigt den Messkopf 12 in einer Suchposition, in der er sich noch nicht in Kontakt mit dem Kurbelzapfen 10 befindet.
2D zeigt den Messkopf 12 in seiner Messposition, in der er sich in Kontakt mit dem Kurbelzapfen 10 befindet.
2E entspricht 2C, wobei der Messkopf 12 in seiner Suchposition im Bezug auf einen Kurbelzapfen 10 größeren Durchmessers dargestellt ist.
3 zeigt die Messvorrichtung 2 in der Suchposition des Messkopfes 12, die auch in 2C dargestellt ist. Wie sich aus einem Vergleich von 1 mit 3 ergibt, wird der Hebel 54 mittels der Hebelanordnung 42 beim Ausfahren der Kolbenstange 50 des Hydraulikzylinders 48 in 1 entgegen dem Uhrzeigersinn verschenkt, bis die in 3 dargestellte Winkellage des Hebels 54 erreicht ist. Wie aus 3 ersichtlich ist, ist in dieser Winkellage die Rolle 56 in Umfangsrichtung der ersten Drehachse 16 zu dem ersten Gestängeelement 20 beabstandet, so daß sich das erste Gestängeelement 20 und damit das gesamte Gestänge 14 unter der Wirkung der Gewichtskraft des Messkopfes 12 einschließlich Haltearm 34 und der von der Feder 44 ausgeübten Druckkraft frei bewegen kann. In der Messposition (vgl. 2D) liegt der Messkopf 12 an dem Kurbelzapfen 10 an, wobei der Messkopf Orbitaldrehungen des Kurbelzapfens 10 um die Kurbelwelle während des Schleifvorganges nachvollzieht. Hierzu ist der Grundkörper 18 der Messvorrichtung 2 verschiebefest mit einer Halterung der Schleifscheibe 8 verbunden, so daß die Messvorrichtung 2 translatorische Bewegungen der Schleifscheibe 8 in Radialrichtung der Drehachse 6 nachvollzieht.
Während des Kontaktes des Messkopfes 12 mit dem Kurbelzapfen 10 nimmt der Messtaster 36 Messwerte auf, anhand derer in dem dem Messtaster 36 nachgeordneten Auswertungsrechner die Rundheit und/oder der Durchmesser des Kurbelzapfens beurteilt werden können. Ist beispielsweise ein bestimmtes Maß des Durchmessers erreicht, so wird die Schleifscheibe 8 außer Eingriff von dem Kurbelzapfen 10 gebracht.
Um den Messkopf 12 nach Beendigung der Messung entgegen der Einschwenkrichtung 46 auszuschwenken, steuert die Steuerungseinrichtung den Hydraulikzylinder 48 derart an, dass sich seine Kolbenstange 50 in 3 nach links bewegt. Hierbei wird der Hebel 54 mittels der Hebelanordnung 42 in 3 im Uhrzeigersinn verschwenkt. Solange die Rolle 56 in Umfangsrichtung der ersten Schwenkachse 16 zu dem ersten Gestängeelement 20 beabstandet ist, bleibt der Messkopf 12 zunächst in der Messposition. Gelangt die Rolle 56 bei einem weiteren Verschwenken des Hebels 54 in 3 im Uhrzeigersinn um die Schwenkachse 16 an dem ersten Gestängeelement 20 zur Anlage, so fungiert der Hebel 54 bei einem weiteren Verschwenken im Uhrzeigersinn als Mitnehmer und nimmt das erste Gestängeelement 20 und damit das gesamte Gestänge 14 im Uhrzeigersinn mit, so dass der Messkopf entgegen der Einschwenkrichtung 46 ausgeschwenkt wird, bis die in 1 dargestellte Ruheposition erreicht ist.
Während des Messvorganges bewegt sich der Messkopf in Umfangsrichtung des Kurbelzapfens 10 mit einem Winkelhub, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel etwa –7° und +5°, also insgesamt 12° beträgt.
In den Figuren der Zeichnung sind gleiche bzw. sich entsprechende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die 2A bis 2E zeigen eine konstruktiv leicht abgewandelte Variante des Ausführungsbeispieles gemäß 1 und 3, die hinsichtlich des erfindungsgemäßen Grundprinzipes jedoch mit dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 und 3 übereinstimmt.
Die Orbitaldrehungen des Kurbelzapfens 10 um die Drehachse der Kurbelwelle werden mittels eines Drehlagensensors 57 erfasst, der der Drehachse der Kurbelwelle zugeordnet ist.
Würde sich die Winkellage des Messkopfes 12 relativ zu dem Kurbelzapfen 10 während des Messvorganges nicht verändern, so entsprächen zeitlich äquidistant von dem Messtaster 36 des Messkopfes 12 aufgenommene Messwerte in Umfangsrichtung äquidistanten Umfangsstellen des Kurbelzapfens 10. Aufgrund der Winkellagenänderung des Messkopfes 12 entsprechen bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Messvorrichtung 2 die zeitlich äquidistant aufgenommenen Messwerte nicht in Umfangsrichtung äquidistanten Umfangsstellen des Kurbelzapfens 10. Vielmehr sind sie entsprechend der Winkellagenänderung verschoben. Die Korrektur bzw. Kompensation dieser Verschiebung vollzieht sich erfindungsgemäß wie folgt:
Ausgehend von einer Ausgangslage, in der der Messkopf 12 relativ zu dem Kurbelzapfen 10 eine vorbestimmte Drehlage hat, nimmt der Messtaster der Messkopfes 12 während der Orbitaldrehung des Kurbelzapfens 10 um die Drehachse der Kurbelwelle fortlaufend, insbesondere zeitlich äquidistant, Messwerte auf, die einer Auswertungseinrichtung zugeführt werden.
In 4 ist die Auswertungseinrichtung schematisch dargestellt und mit dem Bezugszeichen 58 bezeichnet. Der Messtaster 36 ist in 4 ebenfalls schematisch dargestellt.
Während des Messvorganges ändert sich die Winkellage des Messkopfes 12 relativ zu dem Kurbelzapfen 10, wobei die zugehörigen Winkellageänderungen über den Winkellagensensor 53 erfasst werden, dessen Ausgangssignale der Auswertungseinrichtung 58 zugeführt werden. Die Ausgangssignale des Drehlagensensors 57, der der Drehachse der Kurbelwelle zugeordnet ist, werden ebenfalls der Auswertungseinrichtung 58 zugeführt, wie in 4 dargestellt.
Anhand der so hochgenau und maschinenreferenzfrei ermittelten Winkellageänderungen korrigiert die Auswertungseinrichtung 58 die Zuordnung der zeitlich äuquidistant aufgenommenen Messwerte des Messtasters 60 dahingehend, dass diese Messwerte lagerichtig den Umfangsstellen des Kurbelzapfens 10 zugeordnet werden.
Da die Ermittlung der Winkellagenänderung des Messkopfes relativ zu dem Prüfling maschinenreferenzfrei und absolut erfolgt, ist die Genauigkeit der Korrektur nicht mehr davon abhängig, inwieweit die durch das Gestänge 18 vorgegebene Kinematik des Messkopfes 12 während des Messvorganges einer angenommenen Kinematik entspricht. Einer Abweichung der tatsächlichen Kinematik von der angenommenen Kinematik, beispielsweise aufgrund eines Verschleißes von Bestandteilen des Gestänges 18, beeinflusst diese Korrektur und damit im Ergebnis die Messgenauigkeit nicht.

Claims

Messvorrichtung (2) zur Inprozess-Messung an Prüflingen während eines Bearbeitungsvorganges an einer Bearbeitungsmaschine, mit einem Messkopf (12), der relativ zu einem Grundkörper (18) der Messvorrichtung (2) zwischen einer Ruheposition und einer Messposition, in der sich der Messkopf (12) in Messkontakt mit dem Prüfling befindet, beweglich ist, wobei der Messkopf (12) mit dem Grundkörper (18) über ein Gestänge (14) verbunden ist, das derart ausgebildet ist, dass der Messkopf (12) in Messposition Orbitaldrehungen des Prüflings nachvollzieht, dadurch gekennzeichnet, dass dem Messkopf (12) ein maschinenreferenzfrei arbeitender Winkelsensor (55) zugeordnet ist zur Erfassung der Winkellage des Messkopfes (12) während eines Messvorganges und dass der Winkelsensor (55) an dem Messkopf (12) oder einem starr oder nahezu starr mit dem Messkopf (12) verbundenen Teil eines Gestänges (14) angeordnet ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelsensor (55) ein Neigungssensor ist.
Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelsensor (55) ein Beschleunigungssensor ist.
Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelsensor (55) einen Faserkreisel aufweist.
Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelsensor (55) ein Magnetfeldsensor ist.
Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelsensor (55) an der Meßvorrichtung (2) angeordnet ist.
Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelsensor (55) mit einer Auswertungseinrichtung (58) verbunden ist, die die Winkellage des Messkopfes (12) relativ zu dem Prüfling in Abhängigkeit von wenigstens einem Ausgangssignal des Winkelsensors (55) ermittelt.
Messvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Auswertungseinrichtung (58) ein Sensor (57) verbunden ist, der die jeweilige Drehlage eines sich während eines Messvorganges um eine Drehachse drehenden Prüflings ermittelt.
Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelsensor (55) zur Erfassung von Winkellageänderungen des Messkopfes (12) relativ zu dem Prüfling ausgebildet und eingerichtet ist.