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Die Erfindung betrifft eine Etalon-Stufenwelle mit radial abgestuften Stirnflächen und ein Verfahren zum Kalibrieren optischer Messeinrichtungen zum Messen rotierbarer Werkstücke, insbesondere für optische Präzisionsmessmaschinen.
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Messeinrichtungen, mit denen rotierbare Werkstücke vermessen werden können, werden häufig auch unter den Bezeichnungen Wellenmessmaschine oder Wellenmessgerät geführt. Im Wesentlichen verwenden diese Präzisionsmessmaschinen ein mechanisches und/oder ein optisches Konturmessprinzip. Das optische Messprinzip basiert zumeist auf der Messung von Schatten des Werkstücks, die mittels einer geeigneten Beleuchtung erzeugt und mittels eines geeigneten Sensors erfasst werden.
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Wie bei jedem anderen Messprinzip, ist auch die optische Präzisionsmessung von den Zuständen in der Messumgebung abhängig. Je nach erforderlicher Messgenauigkeit können z. B. unterschiedliche Temperaturen, Lichtverhältnisse oder Unterschiede in der Abbildungsqualität der Optik einen mehr oder weniger starken Einfluss auf das Messergebnis haben. Hinzu kommen Einflüsse, die spezifisch für das Schattenmessprinzip an rotierbaren Werkstücken sind.
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Im Stand der Technik wurden dafür spezielle Kalibrierkörper entwickelt, die zur Feststellung und Justage der Messabweichungen und/oder zur Ermittlung von Korrekturdaten für eine rechentechnische Nachbereitung der Messdaten Verwendung finden. So ist beispielsweise in der
DE 10 2011 050 036 B4 ein Konturnormal beschrieben, das mehrere nichtzylindrische Axialabschnitte, die konkav, konvex, unter Bildung eines definierten Winkels als Radialvorsprung oder -vertiefung ausgebildet sind, und dazwischen jeweils Zylinderabschnitte aufweisen, die zusammen den Kalibrierabschnitt darstellen. Dieses aufwändig anzufertigende Konturnormal eignet sich aufgrund seiner vielfältig gestalteten Axialabschnitte sowohl für taktile als auch optische Messgeräte.
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Beim Schattenmessprinzip gibt es einen grundlegenden Unterschied zwischen dem Messen an zylindrischen Mantelflächen, wie z. B. Durchmessern von Zylindern, und dem Messen von Zylinderhöhen an radialen Planflächen, wie z. B. axialen Abständen zwischen Stirnflächen von Zylindern.
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Zur Lösung dieses Problems ist in der
DE 10 2012 104 008 B3 eine Messvorrichtung offenbart worden, bei der zusätzlich zur optischen Messeinheit, die mit Beleuchtungsmodul und gegenüber liegendem Kameramodul ein Schattenbild von rotationssymmetrischen Maschinenelementen aufnimmt, eine mechanischen Messeinheit mit taktilem Messtaster zum Aufnehmen von axialen Messdaten aufweist und direkt an der optischen Messeinheit befestigt ist. Die Kalibrierung der gesamten Messeinheit erfolgt dann mittels der mechanischen Messeinheit, die an zwei axial gegenüberliegende Referenzflächen am Reitstock der rotierbaren Halterung des Maschinenelements die Ortsbezüge auch für die optische Messeinheit erfasst. Dadurch wird jedoch noch keine optische Messung von radial ausgerichteten Oberflächen an Rotationskörpern ermöglicht.
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Eine weitere Druckschrift
DE10 2015 106 920 A1 beschreibt einen Kalibrierkörper, der für die Anwendung des Schattenprojektionsverfahrens in einer Wellenmessmaschine, die wenigstens drei Kameras aufweist, vorgesehen ist. Dabei ist der Kalibrierkörper als ein scheibenförmiger Grundkörper ausgebildet mit einer Achse, die mit der Rotationssymmetrie einer zu vermessenden Welle zusammenfällt, und wenigstens eine radial ausgerichtete Stufe und einen axialen Antastvorsprung zur Bildung von mindestens je einer radialen und einer axialen Antastkante aufweist, um die relative Position der mindestens drei Kameras zueinander zu kalibrieren. Dabei bleibt die Problematik der begrenzen Schärfentiefe der Kameras für Kantenantastung außerhalb der Axialebene des Kalibrierkörpers ohne Erwähnung.
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Die anzutastende Oberfläche von zylindrischen Mantelflächen befindet sich, zumindest bei rotationssymmetrischen Werkstücken, stets in einer Ebene mit der Rotationsachse des rotierbaren Werkstücks. In diese Ebene ist vorteilhaft auch die Messebene, bzw. ein die Messebene umgebender Telezentriebereich der Messeinrichtung gelegt, da in der Messebene die genaueste optische Abbildung erreicht werden kann. Innerhalb des Telezentriebereichs garantiert ein konstanter Abbildungsmaßstab der Messeinrichtung, dass bei einer nicht direkt in der Messebene befindlichen anzutastenden Oberfläche oder Kante keine weiteren Messabweichungen auftreten. Zu korrigierende Messabweichungen treten aber an zylindrischen Körpern häufig im Randbereich der Abbildung auf, wobei diese nicht per se vom Durchmesser des Werkstücks, sondern von der Verzeichnung des Objektivs, d. h. von der Lage einer Kante im Bild abhängig sind.
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Das optische Antasten von axialen Planflächen kann bei Stirnflächen von Zylindern grundsätzlich nicht in der Messebene erfolgen, da die in der Messebene liegende Kante der axialen Planfläche, aus der Sicht der Messeinrichtung, stets von einer Außenkante am Umfang der Stirnfläche verdeckt ist. Das Antasten muss deshalb an der Außenkante der Stirnflächen erfolgen, wobei der Abstand des dortigen Antastpunktes zur Messebene vom Durchmesser des Zylinders und von der in die Messebene projizierten Entfernung zur Rotationsachse des Werkstücks abhängig ist. Der Abstand zur Messebene entspricht der halben Sehnenlänge der Stirnfläche am Antastpunkt und kann weit außerhalb des Telezentriebereichs liegen.
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Beim Blick über eine axiale Stirnfläche des Prüfkörpers (z. B. eine Zylinderdeckfläche) wird die Außenkante am Antastpunkt anders abgebildet als die angetastete Seitenlinie der Mantelfläche an einem Zylinder. In Abhängigkeit von der Länge der Sehne, entlang der die optische Achse der Messeinrichtung (Visierlinie des Antastpunktes) die Stirnfläche überstreicht, entstehen an der angetasteten Kante optische Verschiebungen. Je größer der Durchmesser der Stirnfläche und je kleiner die Entfernung des in die Messebene projizierten Antastpunktes zur Rotationsachse ist, desto mehr kann die angetastete Kante von der tatsächlichen Kante in der Messebene abweichen. Gegenüber der Messung an Mantelflächen erfordert die Messung an Stirnflächen daher eine Kompensation dieses Fehlers.
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Die Kompensation kann durch Kalibrierung der Messeinrichtung mittels einer aus dem Stand der Technik bekannten Prüf-Normale bzw. spezieller Maßverkörperungen erfolgen. Für die rotierbaren Werkstücke eignen sich insbesondere Stufenwellen, die eine Mehrzahl von Zylinderabschnitten unterschiedlicher Durchmesser aufweisen. Beginnend an einem Ende der Stufenwelle nehmen die Durchmesser der Zylinderabschnitte in der ersten Hälfte bis zur Mitte der Stufenwelle treppenartig zu und in der zweiten Hälfte, ab dem größten Zylinderabschnitt in der Mitte, symmetrisch zur ersten Hälfte wieder ab. Die genauen Durchmesser der Zylinderabschnitte und die Abstandsmaße zwischen deren Stirnflächen sind bekannt, sodass aus einem Vergleich der bekannten Durchmesser und Abstandsmaße mit den gemessenen Durchmessern und Abstandsmaßen Korrekturwerte ermittelt werden können. Die verschiedenen Durchmesser der Zylinderabschnitte der Stufenwelle decken den gesamten Messbereich der Messeinrichtung ab. Durch den symmetrischen Aufbau der Stufenwelle können die Stirnflächen jedes Durchmessers stets aus beiden Richtungen axial angetastet werden. Mittels der Stufenwelle können für jeden möglichen Antastpunkt Korrekturwerte für die zuvor beschriebenen Messfehler ermittelt werden. Dadurch, dass die beiden Stirnflächen bei ansonsten identischen Bedingungen aus beiden Richtungen angetastet werden, unterscheidet sich der gemessene Abstand der Stirnflächen um die Summe der Antastfehler in beiden Antastrichtungen vom bekannten wahren Wert des Abstandes.
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Mit dem hier beschriebenen Stand der Technik zur Ermittlung von Korrekturwerten für axiale Antastflächen besteht keine Möglichkeit, die Antastfehler der beiden Richtungen zu trennen. Sie können nur als identische Beiträge angenommen und hälftig für jede Seite in Ansatz gebracht werden.
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Ein weiterer Nachteil der Kalibrierung (Korrekturwertermittlung) mit dieser kommerziellen Art der Stufenwelle ist, dass sich die Antastpositionen der Zylinderabschnitte, aufgrund des symmetrischen Aufbaus, an voneinander beabstandeten Positionen befinden. Insbesondere zwischen den axialen Antastpositionen an den Stirnflächen der Zylinderstufen mit den kleineren Durchmessern ist ein relativ großer axialer Abstand vorhanden. Durch diesen Abstand ist das Messergebnis zusätzlich von der Temperatur bzw. der thermischen Längenänderung der Stufenwelle abhängig. Eine nicht ausreichende oder ungleichmäßige Temperierung der Stufenwelle führt zu einem zusätzlichen systematischen und durchmesserabhängigen Fehler bei der Korrektur der bisher genannten Fehler.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit zur Kalibrierung einer optischen Messeinrichtung zu finden, die es gestattet, einen thermisch bedingten Fehleranteil des systematischen Fehlers der für axiale Abstandsmessungen üblichen Sehnenkorrektur bei Abständen zwischen Radialflächen (Stirnflächen) von Zylinderabschnitten zu bestimmen und weitestgehend zu eliminieren.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Etalon-Stufenwelle mit abgestuften radialen Stirnflächen zur Kalibrierung einer optischen Messeinrichtung, insbesondere einer Präzisionsmessmaschine für rotierbare Objekte, aufweisend ein erstes und ein zweites zylinderförmiges Ende mit einem Durchmesser d und kegelförmige Vertiefungen zum Einspannen der Etalon-Stufenwelle entlang einer Rotationsachse in der Messeinrichtung, eine Mehrzahl axial unmittelbar benachbart und koaxial angeordneter Zylinderabschnitte mit verschiedenen vorgewählten Durchmessern Dj und vorgewählten Höhen Hi , die eine Stufenwelle bilden, dadurch gelöst, dass
- - ein mittlerer Zylinderabschnitt zwischen dem ersten und zweiten Ende der Stufenwelle angeordnet ist, der einen größten Durchmesser DA aufweist,
- - weitere Zylinderabschnitte mit stufenweise kleiner werdenden Durchmessern Dj zu beiden Seiten des mittleren Zylinderabschnitts die treppenförmig nach außen abfallende Stufenwelle bilden, und
- - ein separater Zylinderabschnitt als zylinderförmiger Bund mit wenigstens einer freistehenden Referenzstirnflächen am ersten oder zweiten Ende der Stufenwelle angeordnet ist, der einen Durchmesser DB aufweist, der mit einem Durchmesser DN eines der entlang der Rotationsachse außen liegenden weiteren Zylinderabschnitte der treppenförmig nach außen abfallenden Stufenwelle übereinstimmt.
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Vorteilhaft weisen alle Zylinderabschnitte der Stufenwelle unterschiedliche Höhen Hi auf, um verschiedene Kalibrieraufgaben mit derselben Stufenwelle zu erfüllen. Dabei ist es zweckmäßig, dass der mittlere Zylinderabschnitt eine definierte Höhe HA und alle weiteren Zylinderabschnitte eine davon verschiedene Höhe Hi aufweisen. Es kann aber auch vorteilhaft sein, wenn alle Zylinderabschnitte gleiche Höhen Hi aufweisen.
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In einer ersten vorteilhaften Ausführung der Stufenwelle haben alle Zylinderabschnitte unterschiedliche Durchmesser DA bzw. Di . In einer besonders bevorzugten zweite Variante weisen die weiteren Zylinderabschnitte ausgehend von einem mittleren Zylinderabschnitt paarweise unterschiedliche Durchmesser Dj auf.
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Des Weiteren wird die Aufgabe bei einem Verfahren zum Kalibrieren eines thermisch induzierten Fehleranteils beim optischen Messen an axialen Planflächen rotierbarerer Werkstücke gelöst durch die folgende Schrittfolge:
- - Einstellen und Halten konstanter Bedingungen für die Temperatur in der Messumgebung und die Reproduzierbarkeit der optischen Antastung,
- - Fixieren der Stufenwelle in einer optischen Messeinrichtung,
- - optisches Antasten einer an einem zylinderförmigen Bund ausgebildeten Referenzstirnfläche an einem ersten Ende der Stufenwelle,
- - optisches Antasten einer an einem weiteren Zylinderabschnitt vorhandenen Messstirnfläche mit gleicher Antastrichtung mit gleichem Durchmesser DN wie der zylinderförmige Bund,
- - Ermitteln des Abstandes L zwischen der Referenzstirnfläche und der Messstirnfläche,
- - Bestimmen der Abweichung ΔL zwischen dem ermittelten Abstand L und einem bekannten Zertifikatswert der Stufenwelle für den Abstand L,
- - Berechnen eines auf jede axiale Position der Messeinrichtung normierten thermischen Korrekturfaktors aus der ermittelten Abweichung ΔL,
- - Anwendung des errechneten positionsabhängigen thermischen Korrekturfaktors zur Bestimmung einer positionsabhängigen Gesamtkorrektur, mit dem die sich aus der Messung außerhalb eines Telezentriebereichs der Messeinrichtung und der Antastung aus entgegengesetzter Antastrichtung ergebenden Fehleranteile korrigiert werden.
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Vorteilhaft erfolgt das Fixieren der Stufenwelle in der optischen Messeinrichtung drehbar in einer rotierbaren Werkstückhalterung, um die Kalibrierung durch Mehrfachmessung zu verbessern.
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Mit der Erfindung ist es möglich, die Kalibrierung einer optischen Messeinrichtung zu realisieren, mit der ein thermisch bedingter Fehleranteil des systematischen Fehlers der für axiale Abstandsmessungen üblichen Sehnenkorrektur bei Abständen zwischen Radialflächen (axialen Stirnflächen) von Zylinderabschnitten bestimmt und weitestgehend eliminiert werden kann.
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Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
- 1 den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Etalon-Stufenwelle als Stufenwelle aus definiert gestuften Zylinderabschnitten mit axialen Stirnflächen,
- 2 den prinzipiellen Aufbau einer Messeinrichtung für die Anwendung der Stufenwelle und Ermittlung der Korrekturwerte mittels des Kalibrierverfahrens.
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Die Etalon-Stufenwelle, nachfolgend kurz: Stufenwelle 1, weist prinzipiell, wie in 1 gezeigt, ein zylinderförmiges erstes Ende 11 und ein zylinderförmiges zweites Ende 12 gleichen Durchmessers d auf, die entlang einer Rotationsachse 13 die Stufenwelle 1 in ihrer Länge (Höhe) begrenzen. Das erste und das zweite Ende 11 und 12 weisen jeweils in den Endflächen eine kegelförmige Zentrierbohrung 14 auf, in die Spannelemente einer Messeinrichtung 3 (nur in 2 gezeigt) zur Halterung der Stufenwelle 1 eingreifen können. Die Prüfwelle kann, aber muss nicht rotiert werden. Sie muss sich aber exakt in der Rotationsachse befinden, die zugleich auch die Messebene des Systems repräsentiert.
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Zwischen dem ersten und zweiten Ende 11 und 12 sind eine Mehrzahl von Zylinderabschnitten 15, 16 mit unterschiedlichen Durchmessern unmittelbar benachbart und koaxial zur Rotationsachse 13 angeordnet. Dabei weisen die Zylinderabschnitte 15, 16 axial abgestufte Positionen von radialen kreisringförmigen Messstirnflächen 17 auf, die bis zu einem mittleren Bereich der Stufenwelle 1 mit ihren Flächennormalen kollinear in Richtung des ersten Endes 11 orientiert sind, und werden ab einem mittleren Zylinderabschnitt 15 abgeschlossen mit Positionen von entgegengesetzt abgestuften kreisringförmigen Messstirnflächen 18, die nach dem mittleren Bereich der Stufenwelle 1 mit ihren Flächennormalen kollinear in Richtung des zweiten Endes 12 orientiert sind. Der im mittleren Bereich der Stufenwelle 1 zwischen dem ersten und zweiten Ende 11 bzw. 12 befindliche mittlere Zylinderabschnitt 15 weist den größten Außendurchmesser auf. Alle weiteren Zylinderabschnitte 16 sind zu beiden Seiten des mittleren Zylinderabschnitts 15 vorzugsweise symmetrisch und mit stufenweise zu den Enden 11 und 12 hin abnehmenden Durchmessern angeordnet. Am ersten Ende 11 ist zusätzlich ein zylinderförmiger Bund 2 mit mindestens einer zu den Zylinderabschnitten 15 und 16 der Stufenwelle 1 weisenden Referenzstirnfläche 21 angeordnet. Der Bund 2 weist einen Durchmesser DB auf, der gleich dem Durchmesser DN eines unmittelbar an das erste und zweite Ende angrenzenden weiteren Zylinderabschnitts 16 ist.
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Das zylinderförmige erste und zweite Ende 11 und 12 der in 1 dargestellten Stufenwelle 1 weist einen Durchmesser von 8 mm auf und ist jeweils 20 mm lang, wobei alle hier beschriebenen Abmessungen der Stufenwelle 1 nur die Größenverhältnisse verdeutlichen sollen und nicht erfindungswesentlich sind, da die Größe der Stufenwelle 1 stets an die Dimension einer zu kalibrierenden Messeinrichtung 3 bzw. an die Größe der zu prüfenden Messobjekte anzupassen ist.
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Die Rotationsachse 13 verläuft durch das erste und das zweite Ende 11 und 12 der Stufenwelle 1, sodass die Stufenwelle 1 in der Messeinrichtung 3 (nur in 2 gezeigt), z. B. zwischen Zentrierspitzen einer Spannvorrichtung, drehbar fixiert werden kann. Die Aufnahme der Stufenwelle zwischen den Zentrierspitzen der Messeinrichtung 3 erfolgt in den Zentrierbohrungen 14.
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Die Aufnahme der Stufenwelle 1 in der Messeinrichtung 3 erfolgt vorteilhaft mit senkrecht orientierter Rotationsachse 13, wie in 2 schematisch gezeigt. Zur Vereinfachung wird in der weiteren Beschreibung (o.B.d.A.) davon ausgegangen, dass bei einer in der Messeinrichtung 3 aufgenommenen Stufenwelle 1 das erste Ende 11 nach unten und das zweite Ende 12 nach oben zeigt und in einer Werkstückhalterung 32 zwischen Zentrierspitzen 321 zentriert, und falls möglich rotierbar, eingespannt ist. Die Messeinrichtung 3 enthält entlang einer Linearführung 31 eine hier u-förmig gestaltete Messeinheit 33 mit links- und rechtsseitigen Armen, die einerseits eine Beleuchtungs- und andererseits eine Kameraeinheit (nicht dargestellt) aufweisen. Eine optische Achse 34 der Messeinheit 33 ist mittels der Linearführung 31 vertikal verfahrbar und kreuzt die Rotationsachse 13. Die dazu horizontal zeilenförmig ausgedehnte Beleuchtungs- und Kameraeinheit ermöglicht die Antastung der Zylindermantelflächen 151 und 161.
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In der Mitte der Stufenwelle 1 befindet sich koaxial zur Rotationsachse 13 der mittlere Zylinderabschnitt 15. Der mittlere Zylinderabschnitt 15 hat vorzugsweise einen Durchmesser DA von 140 mm und eine axiale Höhe HA von 15 mm. Eine in 1 rechts zu sehende Vertiefung 152 dient zur Erkennung, ob die Stufenwelle 1 in der korrekten Position in die Messeinrichtung 3 eingesetzt wurde. Auf diese Winkelposition beziehen sich dann die Angaben eines Kalibrierzertifikats der Stufenwelle 1.
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Zu beiden Seiten des mittleren Zylinderabschnitts 15 sind - ebenfalls koaxial - die weiteren Zylinderabschnitte 16 symmetrisch abgestuft angeordnet. Die weiteren Zylinderabschnitte 16 können - wie in 1 durch gestrichelte Linien angedeutet - als „ineinander geschachtelte“ Zylinder aufgefasst werden, sodass sich, beginnend am mittleren Zylinderabschnitt 15 und fortgeführt bis zu den Enden 11 und 12, treppenförmig abgestufte weitere Zylinderabschnitte 16 mit paarweise gleichen Durchmessern beiderseits vom Zylinderabschnitt 15 anschließen. Dabei verkleinert sich der Durchmesser der weiteren Zylinderabschnitte 16 bei den oben gewählten Größenverhältnissen im Durchschnitt um jeweils 10 mm. Die axiale Höhe jedes der weiteren Zylinderabschnitte 16 nimmt vorzugsweise beidseitig symmetrisch um 4 mm zu, sodass bei Betrachtung der „ineinander geschachtelten Zylinder“ jeder „durchgehende Zylinder“ mit (um ca. 10 mm) verringertem Durchmesser um jeweils 8 mm weiter entfernte Messstirnflächen 17 und 18 aufweist.
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Der weitere Zylinderabschnitt 16 mit dem kleinsten Durchmesser grenzt an das erste und zweite Ende 11 und 12 an und hat beispielweise einen Durchmesser von 12 mm. Am ersten Ende 11 der Stufenwelle 1 ist koaxial der zylinderförmige Bund 2 mit zwei gegenüberliegenden Referenzstirnflächen 21 und 22 ausgebildet. Der Durchmesser DB des Bundes 2 entspricht vorzugsweise dem Durchmesser D1 bzw. DN des am ersten Ende 11 und am zweiten Ende 12 angrenzenden weiteren Zylinderabschnitts 16, die beide denselben Durchmesser wie der Bund 2 aufweisen. Sinnvoll kann aber auch der übernächste Zylinderabschnitt 16 als Vorgabe für den maßgleich auszubildenden Bund 2 verwendet werden. In jedem Fall besitzt dabei der Bund 2 einen mit zwei weiteren Zylinderabschnitten 16 übereinstimmenden Durchmesser DB sowie eine frei zugängliche Referenzstirnfläche 21, deren Messstirnfläche 17 wie die eines nahe dem zweiten Ende 12 angeordneten weiteren Zylinderabschnitts 16 orientiert ist, und vorteilhaft eine Referenzstirnfläche 22, deren Orientierung mit der Messstirnfläche 18 eines nahe dem ersten Ende 11 angeordneten weiteren Zylinderabschnitts 16 übereinstimmt. Für die Erfindung wesentlich ist, dass der Durchmesser des in der Zeichnung unten befindlichen Bundes 2 identisch ist mit einem Durchmesser Di einer Stufe (d.h. eines weiteren Zylinderabschnitts 16) in der oberen Hälfte der Stufenwelle 1. Vorteilhaft wird am zweiten Ende 2 der kleinste Zylinderabschnitt 16 mit identischem Durchmesser zum Bund 2 ausgebildet, wodurch der längenabhängige Fehler am genauesten bestimmt werden kann. Für die mit der Erfindung beabsichtigte Korrektur des Temperatureinflusses werden die axialen Stirnflächen 17 und 21 verwendet.
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Die Stufenwelle 1 ist vorzugsweise aus Edelstahl hergestellt, kann aber auch aus anderen harten widerstandsfähigen Materialien mit geringer Wärmeausdehnung bestehen. Die aus Edelstahl gefertigte Stufenwelle wird einer Wärmebehandlung unterzogen, die eine hohe Formstabilität und eine geringe Korrosionsneigung sichert. Alle Oberflächen (Zylindermantelflächen 151 und 161 sowie Messstirnflächen 17 und 18) und die der Stufenwelle 1 sind geschliffen und geläppt und besitzen eine entsprechend hohe Oberflächengüte, wie sie bei optischen Oberflächen üblich ist.
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Bei dem Verfahren zum Kalibrieren eines thermisch induzierten Fehleranteils beim optischen Messen an axialen Planflächen rotierbarerer Werkstücke werden in einem ersten Verfahrensschritt zunächst konstante Bedingungen in der Messumgebung eingestellt. Die Messumgebung beinhaltet vor allem die Stufenwelle 1 (Etalon-Stufenwelle) und die zu kalibrierende Messeinrichtung 3 selbst. Zu den Bedingungen gehören vor allem konstante Temperaturverhältnisse. Die Temperaturverhältnisse sind vorteilhaft entsprechend den Bedingungen, unter denen ein Prüflabor die Stufenwelle 1 zertifiziert hat, einzustellen.
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Nach dem Einstellen der konstanten Bedingungen kann die Messeinrichtung 3 entsprechend diesen Bedingungen kalibriert werden. Dazu wird im nächsten Verfahrensschritt die Stufenwelle 1, wie in 2 gezeigt, in der optischen Messeinrichtung 3 aufgenommen und fixiert. Im Normalfall genügt das zentrierte Einspannen der Stufenwelle 1 mit den Vertiefungen 14 zwischen den Zentrierspitzen 321 der Messeinrichtung 3, wobei eine Drehbarkeit vorteilhaft ist, um Mehrfachmessungen zur Verbesserung der Zuverlässigkeit der ermittelten Korrekturwerte zu ermöglichen. In der Standardvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Drehung nicht erforderlich.
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In den folgenden Verfahrensschritten wird die durch die temperaturabhängige thermische Ausdehnung entstandene Längenänderung der Stufenwelle 1 unter den eingestellten Bedingungen ermittelt. Dazu wird zunächst die Referenzstirnfläche 21 am ersten Ende 11 der Stufenwelle 1 optisch angetastet. Das Antasten erfolgt von oben.
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Anschließend wird die Messstirnfläche 17 des weiteren Zylinderabschnitts 16 optisch angetastet, der an das zweite Ende 12 der Stufenwelle 1 angrenzt und den gleichen Durchmesser wie der Bund 2 aufweist. Das Antasten des Zylinderabschnitts 16 erfolgt ebenfalls von oben an der Messstirnfläche 17. Aufgrund der gleichgroßen und gleich orientierten Messstirnflächen 17 und 21, erfolgt das Antasten unter gleichen Bedingungen, sodass die beim Antasten auftretenden Fehler gleich groß sind und sich deshalb nicht auf den Messwert auswirken. Das heißt, dass die aus dem Antasten der Stirnfläche bei einer bestimmten Sehnenlänge resultierenden Fehleranteile identisch groß und gleich gerichtet sind und sich deshalb nicht auf den Messwert auswirken.
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Bei den Stufenwellen des Standes der Technik (d.h. ohne die Stirnfläche 21) konnte die thermische Ausdehnung nicht ermittelt werden und wurde fehlerhaft den zu korrigierenden, von der Sehnenlänge abhängigen Antastfehlern zugerechnet.
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Bei der erfindungsgemäßen Stufenwelle 1 wird aus den zwei angetasteten Messwerten der Abstand L zwischen der Referenzstirnfläche 21 und der Messstirnfläche 17 ermittelt und eine Abweichung des ermittelten Abstandes L zu einem bekannten Zertifikatswert der Stufenwelle 1 für den Abstand L festgestellt und an jeder axialen Position der Messstirnflächen 17 und 18 der Zylinderabschnitte 15 und 16 für die Messeinrichtung 3 normierte thermische Korrekturfaktoren berechnet und gespeichert.
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Für die Positionen aller Messstirnflächen (nicht nur für die ausgewählt bezeichnete obere und untere Messstirnfläche 17 bzw. 18) werden proportional zu ihrem Abstand gegenüber der als Referenzstirnfläche dienenden oberen Messstirnfläche 17 Korrekturwerte aus der Abweichung des Abstandes L zu seinem Kalibrierwert abgeleitet. Die Messstirnfläche 17 bezeichnet insofern nur eine konkrete Planfläche, die hier stellvertretend für alle Planflächen (als Messstirnflächen) steht, bei denen eine Korrektur abgeleitet aus dem Abstand L gegenüber der oberen Referenzstirnfläche 21 des Bundes 2 berechnet wird.
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Ein mit der Messeinrichtung 3 ermittelter Abstand L zwischen den beiden Stirnflächen, Referenzstirnfläche 21 und Messstirnfläche 17, wird mit einem von einem Prüflabor ermittelten Zertifikatswert LZ der Stufenwelle 1 verglichen. Eine sich zwischen den beiden Werten von L und LZ ergebende Differenz stellt die thermische Längenänderung der Stufenwelle 1 über den Abstand L entlang der gesamten Stufenwelle 1 dar. Daraus wird anschließend ein Korrekturwert bezügliche der Messstirnfläche 17 und der Referenzstirnfläche 21 ermittelt und dieser Korrekturfaktor wird dann auf alle Längenmaße Hi zwischen korrespondierenden Messstirnflächen für die nachfolgenden Kalibriermessungen umgerechnet (normiert).
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Die mit dem ermittelten Korrekturfaktor hinsichtlich der thermisch bedingten Ausdehnung korrigierten Längenmaße zwischen korrespondierenden Messstirnflächen 17, 18, ... werden mit den aus dem Kalibrierzertifikat der Stufenwelle 1 bekannten wahren Längenmaßen Hi verglichen. Die Abweichung wird als Korrekturwert für die Antastabweichung im System hinterlegt und bei Messungen angewendet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stufenwelle
- 11
- erstes Ende (der Stufenwelle 1)
- 12
- zweites Ende (der Stufenwelle 1)
- 13
- Rotationsachse
- 14
- kegelförmige Vertiefung
- 15
- mittlerer Zylinderabschnitt
- 151
- Zylindermantelfläche (des mittleren Zylinderabschnitts)
- 16
- weiterer Zylinderabschnitt
- 161
- Zylindermantelfläche (weiterer
- 17
- obere Messstirnfläche
- 18
- untere Messstirnfläche
- 2
- Bund
- 21
- (obere) Referenzstirnfläche (des Bundes 2)
- 22
- (untere) Referenzstirnfläche (des Bundes 2)
- 3
- Messeinrichtung
- 31
- Linearführung
- 32
- Werkstückhalterung
- 321
- Zentrierspitze
- 33
- optische Messeinheit
- 34
- optische Achse (der optischen Messeinheit)
- d
- Durchmesser (des ersten und zweiten Endes 11, 12)
- DA
- Durchmesser (des mittleren Zylinderabschnitts 15)
- Di
- Durchmesser (verschiedener Zylinderabschnitte)
- DB
- Durchmesser (des zylinderförmigen Bundes 2)
- DN
- Durchmesser (eines mit DB übereinstimmenden weiteren Zylinderabschnitts 16)
- HA
- Höhe (des mittleren Zylinderabschnitts 15)
- Hi
- Höhen (unterschiedlicher Zylinderabschnitte)
- L
- Abstand (von Referenz- und Messstirnfläche 21 und 17)
