DE3530576A1 - Verfahren und vorrichtung zum vermessen eines werkstuecks - Google Patents

Description

9630.0-21NU-03406 General Electric Company-

Verfahren und Vorrichtung zum Vermessen eines Werkstücks

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf numerisch geregelte Systeme zur spanabhebenden Bearbeitung und betrifft insbesondere ein Tastfühlersystem und eine Meßtechnik für solche Systeme.

Die Technologie der automatisierten spanabhebenden Präzisionsbearbeitung entwickelt sich mit großer Geschwindigkeit. Systeme, die von manuellen Operationen gänzlich abhängig sind, sind weitgehend durch Systeme ersetzt worden, bei denen Fertigungsteile auf numerisch gesteuerten Universalmaschinen hergestellt werden. Das Schneiden oder anderweitige Abtragen von Material erfolgt zwar in solchen Systemen automatisch, es sind jedoch immer noch zahlreiche manuelle Operationen erforderlich, hauptsächlich zum Messen der bearbeiteten Abmessungen und zum Vornehmen von Schneidwerkzeugeinstellungen unter Verwendung einer bei der numerischen Steuerung üblichen Schneidwerkzeugversetzung oder -korrektur. Diese manuellen Messungen und Einstellungen des Schneidwerkzeuges sind notwendig, um eine große Anzahl von Variablen zu berücksichtigen, wie beispielsweise Verschleiß des Schneidwerkzeuges, Umpositionierung und/oder Austausch des Schneidwerkzeuges; Abmessungsänderungen des

Schneidwerkzeuges, des Werkstückes und der Bearbeitungsvorrichtung selbst wegen Erwärmung, Durchbiegung unter Belastung, usw.

Beispielsweise müssen bei einer typischen Operation, die mit einer numerisch gesteuerten (NC) Werkzeugmaschine, z.B. einer Drehmaschine, ausgeführt wird, gewisse Einstellungen, z.B. Werkzeugversetzungen oder -korrekturen, durch die Bedienungsperson manuell vorgenommen werden, nachdem die Maschine für das Herstellen eines besonderen Werkstücks oder Teils eingestellt worden ist. Vor dem Start der spanabhebenden Bearbeitung muß die Bedienungsperson das Schneidwerkzeug zu einer Werkzeugeinstellfläche vorschieben und die Werkzeugposition durch manuelles Messen des Zwischenraums zwischen dem Werkzeug und der Referenzoberfläche bestimmen. Das erfolgt normalerweise mit einem Stück Beilegmaterial od.dgl.,und diese Messungen bilden dann die Basis für manuell auszuführende WerkzeugverSetzungen. Wenn die Drehmaschine eine Werkzeughalteeinrichtung, wie beispielsweise einen Mehrwerkzeugrevolverkopf,aufweist, muß diese Operation getrennt für jedes Werkzeug sowie für jede der Bewegungsachsen der Maschine ausgeführt werden. Vor dem Ausführen des letzten oder Fertigbearbeitungsschnittes für eine besondere Werkstückoberfläche werden die verschiedenen Abmessungen der halbfertigbearbeiteten Werkstückoberfläche unter Verwendung einer Handlehre gemessen. Das ermöglicht der Bedienungsperson, die erforderliche Korrektur des Schneidwerkzeuges zu bestimmen, die für den Fertigbearbeitungsschnitt benutzt wird. Nachdem der Fertigbearbeitungsschnitt ausgeführt worden ist, wird das Werkstück wieder mit der Handlehre geprüft, um die Übereinstimmung der Istabmessungen der fertigbearbeiteten Oberfläche mit den Sollabmessungen zu messen.

Die oben beschriebenen manuellen Operationen sind individuell zeitraubend und machen einen beträchtlichen Anteil der Gesamtzeit aus, die zur spanabhebenden Bearbeitung eines besonderen Werkstücks auf die gewünschten Abmessungen erforderlich ist. Dadurch wird die Fertigungskapazität der Werkzeugmaschine begrenzt. Bei den heutigen Kosten einer Dreh- oder Fräsmaschine

(Bearbeitungszentrum) wird jede Reduzierung der Fertigungskapazität der Werkzeugmaschine wirtschaftlich bedeutsam. Weiter eröffnen alle diese manuellen Operationen den Fertigungsprozeß dem menschlichen Fehler.

Es ist allgemein erkannt worden, daß die Lösung der vorgenannten Probleme darin besteht, die manuellen Messungen und die manuellen Einstellungen des Schneidwerkzeuges zu automatisieren, z.B. durch die Verwendung eines computergestützten numerischen Steuersystems. In einem solchen System kann der Computer entweder entfernt von der numerischen Steuereinheit angeordnet oder aber in letzterer untergebracht sein, z.B. in Form eines Mikrocomputers. Stattdessen kann die Recheneinrichtung auch entfernt von der numerischen Steuereinheit sowie eingebaut in diese vorgesehen werden. Statt des Ladens aufeinanderfolgender Datenblöcke, die auf Band od.dgl. gespeichert sind, wie es bei einem gewöhnlichen NC-System der Fall ist, ist ein computergestütztes numerisches Steuersystem (CNC-System) in der Lage, ganze Programme zu speichern und sie in einer gewünschten Folge aufzurufen, die Programme aufzubereiten, z.B. durch Hinzufügen oder Weglassen von Blöcken, und die Berechnungen von Korrekturen und dgl. auszuführen.

Vollautomatische Systeme haben zwar auf dieser Entwicklungsstufe des Gebietes der spanabhebenden Präzisionsbearbeitung noch nicht im großen Umfang Einzug gehalten, ein beträchtliches Ausmaß an Entwicklungsarbeit ist jedoch bislang aufgewendet worden, wovon viel sich auf Spezialfälle beschränkt hat, bei denen ein einzelner spanabhebender Bearbeitungsvorgang wiederholt ausgeführt wird. Es ist auch bekannt, einen Sensor in Form eines Tasttriggermeßfühlers auf dem Bett der Bearbeitungsvorrichtung oder an einem Schwenkarm, der bei Bedarf weggeschwenkt werden kann, zu befestigen. Die Position des Schneidwerkzeuges kann gegenüber einem solchen Meßfühler geeicht werden, indem die Werkzeugposition festgehalten wird, wenn der Kontakt mit dem Meßfühler erfolgt. Aus den beobachteten

Abweichungen zwischen den programmierten und den tatsächlichen Positionen kann eine kompensierende Korrektur bestimmt und in dem der CNC-Einrichtung zugeordneten Speicher abgespeichert werden. Die Korrektur kompensiert die Differenz zwischen der programmierten Kontaktposition und der tatsächlichen Kontaktposition.

Ein System und ein Verfahren, welche die oben beschriebenen Merkmale beinhalten, sind in der US-PS 4 382 215 beschrieben, auf die bezüglich weiterer Einzelheiten verwiesen wird. Gemäß dieser US-Patentschrift ist ein Tasttriggermeßfühler, ein sogenannter "Renishaw - 3 Dimensional Touch Trigger Probe", in der Werkzeughalteeinrichtung befestigt. Der letztgenannte Meßfühler wird zuerst an Bezugs- oder Referenzoberflächen geeicht und wird anschließend zum Eichen des Werkzeugsensormeßfühlers benutzt. Erst dann wird die Schneidkante des gewählten Werkzeuges durch Kontakt mit dem Werkzeugsensormeßfühler geeicht. Die anfänglichen Werkzeugkorrekturen, die aus den Ergebnissen dieser Operation bestimmt werden, werden in der numerischen Steuereinrichtung gespeichert. Nachdem die spanabhebende Bearbeitung ausgeführt worden ist, wird der Tasttriggermeßfühler wieder geeicht und dann zum Prüfen der spanabhebend bearbeiteten Oberfläche(n) des Werkstücks benutzt. Die so erzielte Information bestimmt die letzten Korrekturen, die für den Fertigbearbeitungsschnitt erforderlich sind. Anschließend kann die fertigbearbeitete Oberfläche geprüft werden, um ihre Übereinstimmung mit den Sollabmessungen zu ermitteln. Der Tasttriggermeßfühler hat zwar einen einfachen Aufbau, er muß jedoch für eine Gruppe von zu prüfenden Merkmalen speziell ausgebildet sein. Die Meßfühler selbst, die normalerweise als handelsübliche Produkte von besonderen Lieferanten gekauft werden, sind nicht nur teuer, sondern auch zerbrechlich und können im übrigen nicht sämtliche Schnitte erreichen.

Ein weiteres Beispiel der Tastprüfung ist in der US-PS 4 195 250 beschrieben. Diese US-Patentschrift beschreibt einen Taster, der sich unter numerischer Steuerung bewegt und abwechselnd mit dem Werkstück in Kontakt gebracht wird. Ein digitales Meßsystem wird zum Erzeugen einer Impulsserie zur Messung des Ausmaßes der Bewegung des Tasters benutzt. Die Impulserzeugung wird eingeleitet, wenn ein Spannungswert sich ändert, wenn der Taster das Werkstück berührt, und somit wird eine Impulsserie auf den Tasterkontakt mit dem Werkstück hin gestartet und gestoppt, was einen Impulszählwert ergibt, der in einen Meßwert der Sollabmessung umgewandelt wird. Die gesamte Systemkomplexität wird durch die Verwendung der Vorrichtung vergrößert, die in dem System benutzt wird, welches in der US-PS 4 195 250 beschrieben ist, und deshalb kann die Systemzuverlässigkeit verringert werden, was mit nachteiligen Auswirkungen verbunden ist. Kosten sind bei dieser Implementierung ebenfalls ein maßgebender Faktor.

Es ist demgemäß Aufgabe der Erfindung, eine Verbesserung beim Vermessen von spanabhebend bearbeiteten Werkstücken zu schaffen.

Weiter sollen durch die Erfindung Tastmeßfühlersysteme verbessert werden, die in numerisch geregelten Systemen zur spanabhebenden Bearbeitung benutzt werden.

Schließlich soll durch die Erfindung ein neues und verbessertes System zur automatischen spanabhebenden Präzisionsbearbeitung eines Werkstückes geschaffen werden, bei dem eine Vorrichtung benutzt wird, die einen relativ einfachen Aufbau hat und relativ wenig kostet.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein nichtschneidendes Werkzeug oder einen Taster, der auf dem Revolverkopf eines nume-

risch gesteuerten Bearbeitungssystems, beispielsweise einer Drehmaschine, befestigt ist. In seiner bevorzugten Ausführungsform weist der Taster eine Präzisionshartmetallkugel auf, die am Ende einer Stange angeordnet ist, welche an einem Teil ähnlich einem Werkzeughalter befestigt ist. Ein Beschleunigungsmesser, der auf dem Revolverkopf befe-=· stigt ist, nimmt "Reibungs"-Vibrationen auf, die erzeugt werden, wenn die Kugel des Tasters an dem sich drehenden Werkstück reibt. Die Ausgangssignale des Beschleunigungsmessers werden mittels eines Drehkopplers in eine Signalauf bereitungs schaltung eingekoppelt, von der sie anschliessend an die numerische Steuerung abgegeben werden, um beispielsweise beim Messen eines Durchmessers eines Werkstücks benutzt zu werden, indem der Taster in zwei entgegengesetzte Berührungspunkte auf jeder Seite der Werkzeugmaschinenmittellinie gebracht wird und anschließend die beiden Meßwerte auf bekannte Weise subtrahiert werden, um den gewünschten Meßwert zu erhalten. Für eine gewisse Gruppe von Schnitten, bei denen der Taster unabsichtlich die Seite einer Nut berühren kann, kann ein Taster mit spezieller Form benutzt werden.

Ausführungsbeispiele der. Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine vereinfachte Seitenansicht einer Horizontalrevolverdrehmaschine, die mit der Erfindung versehen ist,

Fig. 2 eine vereinfachte Draufsicht auf die Revolverdrehmaschine nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Kennlinie, die das Verständnis der Arbeitsweise der Erfindung erleichtert,

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Fig. 4 eine perspektivische Teilansicht einer Ausführungsform eines Tasters, der auf dem in Fig. 2 gezeigten Revolverkopf benutzt wird,

Fig. 5 eine vereinfachte schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Messens eines Durchmessers und

Fig. 6 ein elektrisches Blockschaltbild, das den elektrischen Signalweg zwischen dem Beschleunigungsmesser, der auf dem in den Fig. 1 und 2 gezeigten Revolverkopf befestigt ist, und der numerischen Steuereinrichtung, die in Fig. 1 gezeigt ist, zeigt.

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine vereinfachte Darstellung eines Systems zur spanabhebenden Bearbeitung in Form einer horizontalen Revolverdrehmaschine. Eine Revolverdrehmaschine arbeitet typisch längs zwei zueinander rechtwinkeligen Achsen, der X-Achse und der Z-Achse, wobei die X-Achse eine sich über das Maschinenbett erstreckende Achse ist, wogegen die Z-Achse sich in Richtung der Länge des Maschinenbettes erstreckt. Das Bett der Drehmaschine weist einen Rahmen 10 auf, der zwei Führungen 12 und 13 trägt, welche sich längs der Z-Achse erstrecken. Die Mittellinie oder Drehachse 14 der Drehmaschinenspindel 16 ist parallel zu der Z-Ächse. Ein Support oder Hauptschlitten 18 ist auf den Führungen 12 und 13 verschiebbar angeordnet und kann in zwei Richtungen längs der Z-Achse entweder in Vorwärtsrichtung (zu dem Werkstück hin, -Z) oder in Rückwärtsrichtung (von dem Werkstück weg, +Z) positioniert werden. Das Positionieren des Supports 18 längs der Z-Achse erfolgt mittels einer nicht dargestellten Leitspindelanordnung, die durch eine herkömmliche Gleichstrompo-? sitioniermotoranordnung angetrieben werden kann.

Der Support 18 trägt darüber hinaus zwei mit Abstand voneinander angeordnete Querführungen 20 und 21, auf denen ein Querschlitten 24 verschiebbar angeordnet ist, so daß er längs der X-Achse positionierbar ist. Das Positionieren des QuerSchlittens 24 in der X-Achse erfolgt ebenfalls mittels einer Leitspindelanordnung, die durch einen Gleichstrompositioniermotor angetrieben werden kann. Die Elektromotoren oder die Leitspindeln können jeweils einen herkömmlichen Resolver oder Drehmelder aufweisen, der mit ihnen gekuppelt ist und ein Rückführungssignal liefert, das die Drehposition des entsprechenden Bauteils angibt. Diese Rückführungssignale stellen die Linearposition des Supports 18 und des Querschlittens 24 längs ihrer Achsen dar. Stattdessen können geeignete elektronische oder optoelektronische Codiervorrichtungen benutzt werden, welche Signale liefern, die die Linearposition des Supports 18 und des QuerSchlittens 24 direkt darstellen.

Ein Revolverkopf 26 ist auf dem Querschlitten 24 befestigt und hat mehrere Werkzeugplätze 28, an denen jeweils ein Werkzeughalter oder ein Halter für einen tasterartigen Tastmeßfühler befestigbar ist. In der gezeigten Anordnung können an dem Revolverkopf 26 typisch acht gesonderte Schneidwerkzeuge oder Tastmeßfühler an den Werkzeugplätzen 28 befestigt werden. Durch geeignetes Weiterschalten, d.h. Drehen des Revolverkopfes 26, kann jedes Werkzeug oder jeder Meßfühler in seine Betriebsstellung gebracht werden, wie es in der Zeichnung gezeigt ist. In der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsform ist der Revolverkopf der Einfachheit halber in Fig. 2 mit einem einzelnen Werkzeughalter 30 dargestellt, der ein Schneidwerkzeug 29 trägt, und mit zwei Tasterhaltern 31, die zwei Arten von Tastermeßfühlern 32 aufweisen, welche im folgenden beschrieben sind.

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Das Bett der Drehmaschine, die in Fig. 1 gezeigt ist, weist weiter eine Spindelantriebs- und -getriebevorrichtung 34 auf, die an einem Ende desselben angeordnet ist. Die drehbare Spindel 16 ragt aus der Spindelantriebsund -getriebevorrichtung 34 hervor und trägt ein Spannfutter 36, welches einen Satz Backen 38 zum Festhalten eines Werkstücks 41 aufweist. Die Spindel 16 hat darüber hinaus eine Spindelnase oder -fläche 40, die an dem Spannfutter 36 anliegt. Der Schnitt der Ebene der Nase 40 mit der Spindelachse oder Mittellinie 14 definiert die "0"-Position oder den Ursprung, ab welchem der Hersteller der besonderen Werkzeugmaschine Maschinenelement- und Schneidwerkzeuglagespezifikationen zur Verwendung bei der Programmierung des Systems festlegt. Sämtliche Programmpositionen werden zwar auf den Ursprung bezogen, das Meßsystem der Werkzeugmaschine selbst zählt oder mißt jedoch immer relativ zu einer Ausgangsposition. Die letztgenannte Position befindet sich normalerweise so weit von der Spindelnase und der Mittellinie weg, wie sich der Support 18 und der Querschlitten 24 bewegen können.

Das Spannfutter 36 ist auf bekannte Weise mit einem Bezugsring versehen, der wenigstens zwei Positionsreferenzoberflächen oder -bezugsoberflachen hat, die zu der X- bzw. Z-Achse rechtwinkelig sind. Jede dieser Oberflächen ist in einem bekannten, geeichten Abstand von der Ursprungs- oder "O"-Position angeordnet. Wie dargestellt bildet die externe zylindrische Oberfläche 42 des Spannfutters 36 eine Referenzoberfläche, wogegen die Spannfutterstirnfläche 44 die andere Referenzoberfläche bildet. Bei Bedarf kann auch eine besondere Bezugssäule (nicht dargestellt) verwendet werden.

In Fig. 1 ist eine numerische Steuereinheit (NC-Einheit) 46 mit einer Anzahl verschiedener Komponenten in dem Sy-

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stem, wie beispielsweise den Gleichstrompositioniermotoren, den Resolvern, dem akustischen Wandler, usw., elektrisch verbunden. Die numerische Steuereinheit 46 hat eine Bandtransporteinrichtung 48, welche die Werkstück- und Maschinensteuerung für die spanabhebende Bearbeitung des Werkstücks speichert. Das Programm kann zum Beispiel benutzt werden zum Weiterschalten des Revolverkopfes; zum Einschalten des Kühlmittels, das für die spanabhebende Bearbeitung erforderlich ist; zum Drehen der Spindel in einer gewählten Richtung und mit einer gewählten Drehzahl; zum Bewegen des Meßfühlers oder des Werkzeugs in einer besonderen Folge von Schritten zum Eichen, Messen, für Schneidzwecke durch Positionieren des Supports 18 und des QuerSchlittens 24; und für verschiedene andere Zwecke. Das Band kann außerdem verschiedene Daten enthalten, wie beispielsweise die gewünschten Abmessungen einer besonderen Oberfläche, die maschinell bearbeitet werden soll, sowie die zulässige Bearbeitungstoleranz für jede Abmessung und gewisse Parameter, die in Abhängigkeit von dem Teil, das zu bearbeiten ist, und von dem besonderen Werkzeug oder den Werkzeugen, die benutzt werden sollen, usw., berücksichtigt werden müssen.

Die numerische Steuereinheit 46 kann einen Computer enthalten, beispielsweise einen Mikrocomputer, der auf gespeicherte Codewörter auf dem Band anspricht. Der Mikrocomputer veranlaßt dann, daß geeignete Steuersignale abgegeben werden, zum Beispiel an die Gleichstrompositioniermotoren, die zu Bandkommandos führen werden. Der Mikrocomputer dient außerdem zum Verarbeiten der durch verschiedene Prüfoperationen gewonnenen Daten und zum Berechnen von Korrekturen, die Modifizierungen der Schneidoperationen erzeugen können, welche durch das Bearbeitungsprogramm ausgeführt werden. Alle diese Funktionen können bei Bedarf in einem entfernt angeordneten Computer ausgeführt werden, beispielsweise in einem Zentral-

computer eines verteilten numerischen Steuersystems, so daß die verarbeiteten Daten der numerischen Steuereinheit 46 zugeführt werden/ die dann die geeigneten Steuersignale erzeugt. In einer solchen Anordnung erfolgt die Berechnung normalerweise in der numerischen Steuereinheit 46.

Die Daten, die aus den Prüfoperationen erhalten werden, Rückführungsdaten aus den Resolvern und Daten, die über das Programm selbst eingegeben werden, werden durch den Mikrocomputer verarbeitet, um die vorgenannten Korrekturen zu berechnen. Motorsteuersignale, die aus den verarbeiteten Daten gewonnen werden, werden mit den Positionsrückführungsdaten verglichen, die aus den Motorresolvern oder aus anderen Positionsrückführungseinrichtungen empfangen werden. Es wird ein Regelkreis gebildet, in welchem die Differenz, die bei dem Vergleich der beiden Signale bestimmt wird, die Position der Schneidkante oder die Position des Meßfühlers steuert. Die numerische Steuereinheit 46 kann außerdem benutzt werden, um die physikalischen Abmessungen des Werkstückes zu berechnen, anzuzeigen und auszudrucken sowie Abweichungen von den programmierten Werten zu berechnen und die geeigneten zulässigen Bearbeitungstoleranzen anzuzeigen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die numerische Steuereinheit 46 in Form der Vorrichtung implementiert, die im Handel von der General Electric Company unter der Bezeichnung Mark Century >-^ 2000 Cosaputer Bfoamerical Control erhältlich ist. Eine ausführlichere Beschreibung der gesamten Arbeitsweise des in Fig. 1 gezeigten Bearbeitungssystems und der benutzten Software findet sich in der oben erwähnten US-PS 4 382 215.

Es ist auch möglich, das Schneidwerkzeug selbst als Tastmeßfühler und zum Prüfen durch Fühlkontakt mit dem umlaufenden Werkstück über eine Beschleunigungsmesservibrationsauf nahmetechnik zu benutzen. Dieses System wird zwar auf

beabsichtigte Weise arbeiten, manche Praktiker zögern jedoch, die Werkzeugtastprüftechnik anzuwenden, weil sie befürchten, daß das Werkstück beschädigt werden kann,wenn es zum Vermessen benutzt wird.

Die hier beschriebene Erfindung schafft eine Vermessungstechnik, die benutzt werden kann, um die vorerwähnte Werkzeugvernessungstechnlk zu ergänzen, indem ein nichtschneidendes Werkzeug an einer Stelle auf einem Revolverkopf benutzt wird, wo sich normalerweise ein Schneidwerkzeug befindet. Das nichtschneidende Werkzeug soll lediglich an dem Werkstück reiben, wenn dieses sich dreht, statt das Werkstück zu schneiden oder auszuhöhlen. Ein Unterschied zwischen den beiden Berührungsarten kann aufgrund der Differenz in der Amplitude und den spektralen Kenndaten ermittelt werden, was die Kennlinie in Fig. 3 veranschaulicht. Gemäß Fig. 3 ist ein relativ niedriger Amplitudenrauschpegel als Hintergrundrauschen vorhanden, wogegen Schwingungen, die von dem Werkstück als Ergebnis des Reibens des Tasters ausgehen, ein Signal relativ konstanter Amplitude oberhalb des Rauschpegels darstellen und wogegen ein Schneiden oder Aushöhlen des Werkstückes zu einem Signal führt, das eine relativ höhere und sich verändernde Amplitude hat. Demgemäß wird ein nichtschneidendes Werkzeug, bevorzugt in Form eines Tasters, wie er in Fig. 4 gezeigt ist, der eine Präzisionshartmetallkugel 50 aufweist, die einen Durchmesser von beispielshalber 4,76 mm (3/16 inches) hat und an dem Ende eines Metallstabes 52 mit einem Durchmesser von 3,18 mm (0.125 inch) befestigt ist, an einem Halterelement 30' befestigt, das in einen der Werkzeugplätze 28 paßt, die in Fig. 1 gezeigt sind. Weiter erstreckt sich gemäß der Darstellung in Fig. 4 der Stab 52 durch eine Bohrung 54 in der Seite des Halters 30V und wird mittels einer Metallschraube 56 festgehalten, die in ein Gewindeloch 58 in der Stirnfläche 60 eingeschraubt ist. Eine solche Anordnung ist in der Lage, eine "reibende" Berührung an dem Werkstück 41 herzustellen, indem sie quer

zu der Oberfläche des Werkstücks 41 oder zu der Mittellinie 14 ausgerichtet wird/ wie es in Fig. 5 gezeigt ist. Bei Bedarf kann jedoch die Stab- und Kuge!kombination in die Stirnfläche 60 eingeführt werden, um einen Meßfühler zu schaffen, der zu der Maschinenmittellinie 14 parallel ist. Diese beiden Anordnungen, die beide in Fig. 2 gezeigt sind, befinden sich an benachbarten Plätzen des Werkzeugrevolverkopfes 26.

Gemäß Fig. 6 wird das Reibungssignal als ein Berührungssignal durch einen Beschleunigungsmesser 62 aufgenommen, der oben auf dem Werkzeugrevolverkopf 26 befestigt und mit der numerischen Steuereinheit 46 über einen Drehkoppler 64, eine Signalaufbereitungsschaltung 66 und eine Schnittstellenschaltung 68 verbunden ist. Der Beschleunigungsmesser 62 kann irgendeine im Handel erhältliche Vorrichtung sein. Beispielsweise hat sich der Beschleunigungsmesser, Modell Nr. 1018, der Vibra-Metrics bei der Erfindung als zufriedenstellend erwiesen. Die Signalaufbereitungsschaltung 66 enthält eine Verstärkungs- und Bandpaßfiltereinrichtung sowie eine Diskriminatoreinrichtung zum Eliminieren von StörSignalen. Die Signalprozessorschaltung 68 bildet eine geeignete Schnittstelle zu der numerischen Steuereinheit 46. Der Beschleunigungsmesser 62 braucht nicht mit irgendeiner speziellen Kopplung mit dem Taster 32 versehen zu sein. Der Beschleunigungsmesser 62 wird einfach auf dem Revolverkopf 26 befestigt, so daß er über den Revolverkopf 26 Reibungsschwingungen aufnimmt, die in dem Taster 32 durch Kontakt mit dem umlaufenden Werkstück oder der Bezugsoberfläche hervorgerufen werden. Weiter kann in manchen Fällen, insbesondere dann, wenn es sich bei dem BearbeitungsZentrum nicht um eine Drehmaschine handelt, der Taster 32 sich drehen, während das Werkstück stationär bleibt. Die Drehung des Tasters 32 würde in diesem Fall einem "Linienwerkzeug" (line tool) analog sein, wie es an sich bekannt ist. Wichtig ist,

daß es eine Relativbewegung zwischen dem Taster 32 und der Kontaktoberfläche gibt, so daß "Reibungsschwingungen" erzeugt werden.

Die Vorrichtung, bei der der als Reibungstaster ausgebildete Meßfühler benutzt wird, welcher auf dem Werkzeugrevolver kopf befestigt ist, bildet eine Einrichtung zum direkten Messen eines Werkstückdurchmessers, statt auf eine Radiusmessung beschränkt zu sein. Die Unmöglichkeit, direkte Durchmessermessungen durchführen zu können, ist einer der großen Nachteile von bekannten Tastmeßverfahren, bei denen von Bezugsoberflächen und von einem herkömmlichen Schneidwerkzeug als einem Berührungsmeßfühler Gebrauch gemacht wird.

Beim Messen eines Durchmessers mit dem Tastermeßfühler wird die Kugel mit dem Werkstück 41 auf beiden Seiten der Mittellinie 14 in Reibkontakt gebracht, was sich aus der Darstellung in Fig. 5 ergibt. Wenn Kontakt auf jeder Seite des Werkstückes hergestellt worden ist, wird die Lage jedes Kontakts (d.h. der Oberfläche des Werkstücks) in dem Werkzeugmaschinenkoordinatensystem ermittelt. Die Durchmessermessung erfolgt dann durch eine bekannte Subtraktionstechnik für die beiden Meßfühlerpositionen. Die Berechnung wird in der numerischen Steuereinheit 46 durchgeführt. Das ist eine genauere Technik als das Verdoppeln einer Radiusmessung, weil es keine Kompensation der Referenzveränderung wegen der Temperatur erfordert. Diese Positionstechnik erfordert außerdem nicht, daß das Schneidwerkzeug auf Versetzung geprüft oder mit anderen Einrichtungen, wie beispielsweise Bezugsoberflächen, versehen wird. Die Erfindung schafft trotzdem ein Werkzeugmaschinenneß system,· welches bei Bedarf Radiusmessungen gestattet. Beispielsweise kann ein Radius (oder eine andere Abmessung) des Werkstücks gemessen werden, indem zuerst der Taster mit einer der Be-

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zugsoberflächen (z.B. der Bezugsoberfläche 42 für den Radius oder der Bezugsoberfläche 44 für die Länge) in Berührung gebracht wird, um eine erste Position der Tasteroberfläche zu ermitteln. Das läuft auf eine Eichung der Tasterposition hinaus, da die Bezugsoberflächenlage innerhalb des Maschinenkoordinatenreferenzsystems präzise bekannt ist. Nachdem der Taster geeicht worden ist, wird er umpositioniert, um das umlaufende Werkstück in dem Punkt zu berühren, wo der Radius bestimmt werden soll. Die Tasterposition in dem Kontaktpunkt wird festgehalten. Durch Ermitteln der Differenz zwischen den beiden Positionen wird der Radius bestimmt. Der Beschleunigungsmesser 62 (ein akustischer Sensor) erkennt den Reibkontakt in beiden Positionen des Meßfühlers über Reibungsvibrationen, welche über den Taster übertragen werden.

Es ist zwar die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben worden, Modifizierungen bieten sich dem Fachmann jedoch an. Beispielsweise kann bei gewissen Nutschnitten ein speziell geformter Tastertyp des Reibungsmeßfühlers notwendig sein. Die Erfindung beschränkt sich deshalb nicht auf die gezeigte und beschriebene besondere Implementierung, sondern umfaßt sämtliche derartigen Modifizierungen, Veränderungen und Änderungen, die im Schutzumfang der Ansprüche liegen.

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Claims (17)

1 River Road Schenectady, N.Y./U.S.A. Ansprüche :

1. Verfahren zum Vermessen eines Werkstücks auf einem Bearbeitungssystem, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Drehen des Werkstücks um eine Achse; Berühren einer Bezugsoberfläche mit einem nichtschneidenden Werkzeug, um die Position des Werkzeugs mit Bezug auf die Maschinenachsen des Bearbeitungssystems zu bestimmen; Bringen des nichtschneidenden Werkzeugs in vorbestimmten Kontakt mit dem sich drehenden Werkstück; Abfühlen des Kontakts mit dem Werkstück und Erzeugen eines diesen anzeigenden elektrischen Signals; Aufbereiten des elektrischen Signals und Anlegen desselben an eine Abmessungsbestimmungsvorrichtung; und Bestimmen der Abmessung der Werkstückoberfläche relativ zu der Bezugsoberfläche in dem Kontaktpunkt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Kontakt Reibungskontakt beinhaltet.

3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgende weitere Schritte:

Abfühlen des Reibungskontakts in zwei entgegengesetzten Be-

rührungspunkten auf jeder Seite der Drehachse des Werkstücks und Erzeugen von elektrischen Signalen; Aufbereiten der elektrischen Signale und Anlegen derselben an die Abmessungsbestimmungsvorrichtung; und Bestimmen der Durchmesserabmessung des Werkstücks in den beiden Berührungspunkten auf die elektrischen Signale hin.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Abfühlens des Reibungskontakts das Abfühlen von von dem Werkstück ausgehenden Reibungsschwingungen mittels eines Beschleunigungsmessers beinhaltet.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtschneidende Werkzeug ein Taster ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtschneidende Werkzeug ein Taster ist, der ein Teil mit abgerundetem Ende hat, welches am Ende eines Stabes angeordnet ist, der an einem Werkzeughalter befestigt ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkzeughalter auf einem Revolverkopf eines numerisch gesteuerten Bearbeitungssystems befestigt ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Bestimmens beinhaltet, die Durchmesserabmessung in einer numerischen Steuereinheit des Bearbeitungssystems zu bestimmen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Bearbeitungssystem eine Drehmaschine aufweist.

10. Vorrichtung zum Vermessen der Abmessungen eines Werkstücks, das zur spanabhebenden Bearbeitung in einer Werk-

zeugmaschine befestigt ist, gekennzeichnet durch: einen Tastermeßfühler (32), der in einer Werkzeughalteeinrichtung (31) der Werkzeugmaschine befestigt ist und eine Oberfläche zum Berühren von anderen Oberflächen (42, 44) innerhalb eines Koordinatenreferenzsystems der Werkzeugmaschine hat;

eine Einrichtung (46) zum Steuern der Position der Werkzeughalteeinrichtung (31) innerhalb des Koordinatenreferenzsy stems und zum Liefern von diese Position anzeigenden Signalen;

einen Sensor (62) zum Abfühlen von Schwingungen, die in dem Taster (32) hervorgerufen werden, um Kontaktanzeigesignale immer dann zu liefern, wenn die Werkzeughalteeinrichtung (31) so positioniert ist, daß Kontakt zwischen der Oberfläche des Tastermeßfühlers (32) und anderen Oberflächen innerhalb des Koordinatenreferenzsystems hervorgerufen wird, wobei es eine Relativbewegung zwischen der Tasteroberfläche und diesen anderen Oberflächen gibt; und eine Einrichtung (66, 68) zum Empfangen der Positionsanzeigesignale und der Kontaktanzeigesignale, um die Relativposition dieser anderen Oberflächen innerhalb des Koordinatenreferenzsystems zu bestimmen, wobei die Relativposition der Oberflächen auf dem Werkstück (41) die Werkstückabmessungen angibt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor einen Beschleunigungsmesser (62) aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Tastermeßfühler (32) einen langgestreckten Stab (52) aufweist, der mit einem Ende in der Werkzeughalte— einrichtung (31) befestigbar ist und an seinem anderen Ende eine Kugel (50) trägt, deren äußere Oberfläche die Oberfläche zur Berührung der anderen Oberflächen innerhalb des Koordinatenreferenzsystems bildet.

13. Verfahren zum Bestimmen der Abmessungen eines Werkstücks/ das zur spanabhebenden Bearbeitung in einer Werkzeugmaschine befestigt ist, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Befestigen eines Tastermeßfühlers in einer Werkzeughalteposition der Werkzeugmaschine;

b) Bewegen des befestigten Tastermeßfühlers, um Kontakt zwischen dem Taster und einem Punkt auf einer ersten Oberfläche herzustellen, die innerhalb eines Koordinatenreferenz systems der Werkzeugmaschine angeordnet ist, um eine erste Position des Tasters innerhalb des Referenzsystems zu bestimmen, wobei es eine Relativbewegung zwischen dem Taster und der ersten Oberfläche gibt, so daß der Kontakt durch Reibschwingungen erkannt wird, die über den Taster übertragen werden;

c) Bewegen des befestigten Tastermeßfühlers, um Kontakt zwischen dem Taster und einem Punkt auf der Werkstückoberfläche herzustellen, in welchem eine Abmessung des Werkstücks bestimmt werden soll, um eine zweite Position des Tasters innerhalb des Koordinatenreferenzsystems zu ermitteln, wobei es eine Relativbewegung zwischen dem Taster und dem Werkstück gibt, so daß der Kontakt wie in dem Schritt b) erkannt wird; und

d) Vergleichen der ersten und der zweiten Position des Tasters, um eine Abmessung des Werkstücks in dieser Position auf dem Werkstück zu ermitteln.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Oberfläche eine Bezugsoberfläche ist, die eine bekannte, feste Lage innerhalb des Koordinatenreferenz systems hat.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Oberfläche in einem Punkt auf dem Werkstück ist, bei welchem es sich nicht um den Punkt des Schrittes c) handelt, und daß der Vergleich zwischen der

ersten und der zweiten Position die Abmessung des Werkstücks zwischen diesen Punkten ergibt.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Relativbewegung der Schritte b) und c) als Ergebnis der Drehung des Werkstücks um eine Achse ergibt.

17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück innerhalb des Koordinatenreferenzsystems stationär bleibt und daß der Tastermeßfühler in
Drehung versetzt wird.