DE3704791A1 - Verfahren und vorrichtung zur vermessung von koerpern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vermessung von Körpern, insbesondere zur Messung des Innendurchmes­ sers langer Bohrungen von Körpern, wobei ein oder meh­ rere Tastköpfe an den Körpern mechanisch berührend heran­ gefahren und aus dem zurückgelegten Tastkopfweg unter Berücksichtigung seiner Ausgangslage die Körpermaße gemessen werden. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, die mit einem oder mehreren insbesondere an Zerspanungs- oder Honwerkzeugen an dem Werkzeugträger befestigten Tastköpfen zur mechanisch berührenden Antastung und einer Einrichtung zur Messung des Abstandes der Werk­ stückoberflächen versehen ist.

Bei der spanenden oder abtragenden Werkstückbearbeitung sind die Anforderungen an die Oberflächengüte und Maßgenauigkeit ständig gestiegen. Die Messung der Oberflächengüte und der Körpermaße kann nach dem Stand der Technik mechanisch berührend oder be­ rührungslos erfolgen.

So wird zum Beispiel in der DE 31 47 305 A1 ein Honwerkzeug mit Honschalen und daran gelagerten Honsteinen beschrieben, bei dem an dem Werkzeugträger zwischen benachbarten Honscha­ len als Sensor ein induktiver Meßwertgeber verwendet wird. Diese induktive Messung sollte während des Bearbeitungsvor­ ganges eine gleichzeitige Messung des Abstandes der Werkstückoberfläche ermöglichen. Allerdings besitzt diese induktive Messung den Nachteil, daß sie sehr stark vom Material des Werkstückes abhängig ist und somit bei einem Wech­ sel des Werkstückes umfangreiche und dennoch unzureichende Neukali­ brierungen der Meßanordnung erfordert.

Man hat weiterhin versucht, die betreffenden Abstände wie zum Beispiel Innendurchmesser durch kapazitive Messungen festzustel­ len. Da jedoch das zwischen dem Sensor und dem Werkstück befind­ liche Dielektrikum sich stets ändert, konnten mit kapazitiven Mes­ sungen keine zufriedenstellenden Genauigkeiten erzielt werden.

Vielfach wird daher der Bearbeitungszustand mit pneumatischen Meßdornen ermittelt, die mit Hilfe von Sonden in den Zylinder niedergelassen werden. Dabei handelt es sich insbesondere um pneumatisch arbeitende Sensoren mit Düsen, aus denen ein Luft­ strahl gegen die zu bearbeitende Oberfläche geblasen wird. Nach­ teilig dabei ist, daß für die Kontrolle des erreichten Bearbei­ tungszustandes jeweils ein gesonderter Arbeitsgang erforderlich ist. Zur Abhilfe ist vorgeschlagen worden, die Sensoren mit dem Honwerkzeug zu verbinden, um dadurch eine Kontrolle des Bearbei­ tungszustandes zu ermöglichen, ohne daß das Honwerkzeug entfernt wird. Es hat sich allerdings gezeigt, daß pneumatisch arbeitende Meßdornen eine verhältnismäßig aufwendige Meßapparatur benötigen und darüber hinaus sehr empfindlich auf Veränderungen der Oberflä­ chenrauhigkeit reagieren. Deswegen läßt die Genauigkeit der Ab­ standsbestimmung zu wünschen übrig und eine automatische Steuerung der Bearbeitung ist nur mit Schwierigkeiten oder gar nicht zu erreichen. Dazu kommt der entschei­ dende Nachteil, daß der Meßbereich der pneumatischen Meßdorne auf kleiner als 0,5 mm beschränkt ist, so daß diese praktisch nur zur Endkontrolle eingesetzt werden. Wollte man zum Beispiel eine Bohrung vermes­ sen wollen, die spanend stark abgetragen wird, so wä­ re für jeden neuen zu vermessenden Durchmesser ein neuer Meßkopf erforderlich, d. h. es entstehen hohe Umrüstzeiten.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zu schaffen, das bzw. die mechanisch berührend unter Vermeidung der vorgenannten Nachteile arbeitet und insbesondere unter Berücksichtigung des Tastkopfabriebes eine für eine automatische Werkzeugmaschinensteuerung aus­ reichende Meßgenauigkeit gewährleistet.

Dieses Aufgabe wird einerseits bei dem eingangs genannten Ver­ fahren dadurch gelöst, daß nach einer frei wählbaren Anzahl von Messungen, vorzugsweise nach jeder Innen- oder Außenmes­ sung der oder die Tastköpfe zurückgezogen, ein Referenzring senkrecht zu dem Tastkopfweg über den oder die Tastköpfe ge­ schoben und die Tastköpfe auf den Referenzring bis zur Berüh­ rungslage ausgefahren werden und daß aus den jeweils zurückge­ legten Tastkopfwegen das betreffende Körpermaß bestimmt wird.

Diese Verfahren besitzt den Vorteil, daß während des Bearbei­ tungsvorganges, zum Beispiel während des Honens, der Abstand der betreffenden Werkstückoberfläche gemessen werden kann und daß dennoch Tastkopfabrieb hinreichend Berücksichtigung findet. Daher wird, ohne daß die Bearbeitung des Werkstückes unterbrochen werden muß, der Tastkopf bzw. die Tastköpfe von Zeit zu Zeit eingefahren und ein Referenzring mit bekanntem Innen- bzw. Außendurchmesser über den oder die Tastköpfe gefahren. Beim Ausfahren der Tastköpfe bis an die Re­ ferenzringoberfläche wird sodann ein Referenzmeßwert ermittelt, der zur Kalibrierung der Meßvorrichtung dient. Da der jeweilige Tastkopfabrieb bei der Abstandsmes­ sung der Körperoberfläche im Rahmen der darauffolgenden Messung bzw. Messungen berücksichtigt wird, eignet sich das Verfahren auch zur Verwendung in einem vollständig automatisierten, numerisch gesteuerten oder auch zusätz­ lich computergestützten Werkzeugmaschinenüberwachung.

Vorteilhafterweise wird bzw. werden der oder die Tast­ köpfe pneumatisch ausgefahren und/oder mittels einer Zug­ feder zurückgezogen. Eine solche Verfahrensführung hat sich als sehr robust und störungsunanfällig erwiesen, im übrigen erspart die Zugfeder eine weitere Luftlei­ tung für die Pneumatik. Es ist aber ebenso möglich, die Tastköpfe elektromotorisch aus- und einzufahren. Entsprechendes gilt für die Bewegung des Referenzrin­ ges.

Die nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vor­ gesehene schwimmende Lagerung des bzw. der Tastköpfe dient dazu, daß die Meßkopfachse nicht mittig liegen muß, da sich der zu messende Abstand aus einer Differenz­ messung ergibt.

Bei Innenmessungen empfiehlt es sich, die Tastköpfe paarweise gegenüberliegend und mit einer gemeinsamen Zugfeder bzw. einer gemeinsamen Pneumatik aus- bzw. einzufahren. Insbesondere mit der vorstehend beschriebenen schwimmenden Lagerung hat dies den Vorteil, daß die Tastköpfe nicht zwingend zentrisch ausge­ richtet werden müssen, da sich der Innendurchmesser ohnehin additiv aus den beiden gegebenenfalls ungleichen Tastkopfwe­ gen ergibt.

Im Hinblick auf eine hohe Meßgenauigkeit wird ferner vorge­ schlagen, die Wege der Tastköpfe optoelektronisch zu messen.

Wird der Referenzring ebenfalls (wie die Tastköpfe) pneumatisch über den oder die Tastköpfe geschoben (Anspruch 6) bietet sich der Vorteil an, eine gemeinsame pneumatische Vorrich­ tung zu verwenden, was sich platzsparend auswirkt und eine Gestaltung der zu verwendenden Meßvorrichtung auf engstem Raum erlaubt. Somit können auch extrem kleine Rohrinnen­ durchmesser vermessen werden. Zweckmäßigerweise wird der Referenzring mittels einer Zugfeder wieder in die Ausgangs­ lage zurückgezogen.

Unter dem Referenzring soll entweder ein Rohrzylinder ver­ standen werden, der mittels einer Hubbewegung über den oder die Tastköpfe geschoben werden kann. Bevorzugt wird jedoch ein Referenzring mit Bohrungen zur Durchführung der Tastköpfe, der durch Drehung entsprechend in den Tastkopfweg geführt wird.

Andererseits wird die genannte Aufgabe durch eine Vorrichtung der ebenfalls eingangs genannten Art gelöst, bei der der oder die Tastköpfe mit einer Hubvorrichtung ausfahrbar hinter einem Gehäuse und ein Referenzring über den oder die Tastköpfe schieb­ bar gelagert sind. Im Hinblick auf eine kleinstmögliche Gestaltung der Meßvorrichtung sind der oder die Tastköpfe und der Referenzring in bzw. an einem gemeinsamen Gehäuse gelagert.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Ansprüchen 10 bis 16 beschrieben, welche die vorstehend beschriebenen Verfahrensmerkmale mit den damit erzielbaren Vorteilen gegenständlich realisieren lassen.

Zur Messung des Außendurchmessers eines Werkstückes bzw. zur Feststellung des Abstandes der Körperoberfläche von festgeleg­ ten Fixpunkten werden die Tastköpfe und der Referenzring auf dem Schenkel einer im wesentlichen U- oder ringförmigen Halterung angeordnet.

Die Meßvorrichtung soll bevorzugt eine optoelektronische Meßeinrichtung besitzen, die vorzugsweise in nach dem Stand der Technik bekannter Weise ein Strichgitter auf einem Glasmaßstab aufweist, welches auf der einen Seite einen optischen Sender, vorzugsweise eine LED und auf der anderen Seite einen optischen Empfänger besitzt. Die optoelektronische Meßeinrichtung ist mit dem oder den Tastköpfen so verbunden, daß bei deren jeweiligem Ausfahren die Lichtquelle ein Strichgitter überstreicht, so daß sich aus den überfahrenen Stri­ chen, was zum Beispiel mit einem Photoelement registriert wird, der Ausfahrhub exakt bestimmen läßt. Wählt man einen Strichgitterabstand von 40 µm, so beträgt die Meßauflösung standardmäßig 10 µm; bei einem Abstand von 20 µm beträgt die Meßauflösung 5 µm.

Es versteht sich von selbst, daß die Messung der Tastkopf­ wege auch induktiv, kapazitiv oder mittels Ultraschall erfolgen kann, mit einer entsprechend gestalteten Meßvorrichtung, wie sie nach dem Stand der Technik im Prinzip bekannt ist.

Das vorstehend beschriebene Verfahren bzw. die kurz erläuterte Vorrichtung gewähren eine hohe Langzeitgenauigkeit bei Abstands­ messungen, die eine Integration in eine Werkzeugmaschinensteuerung erlaubt. Aber selbst wenn man die Meßvorrichtung manuell bedient, lassen sich Nebenzeiten, die bisher für die Kalibrierung der Meß­ vorrichtung aufgewendet werden mußten, vermeiden. Dies führt zu einer besseren Auslastung der relativ teueren Werkzeugmaschinen.

Selbstverständlich können die Tastköpfe und/oder der Referenzring auch elektromechanisch bewegt werden.

Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Zeichnungen dargestellt, anhand derer auch das Verfahren noch näher erläutert werden soll. Es zeigen

Fig. 1 bis 3 jeweils unterschiedliche Querschnittsansichten der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Die Meßvorrichtung besteht im wesentlichen aus einem Gehäuse 2, in dem zwei sich gegenüberliegende Tastköpfe 3 mit Tastkopf­ spitzen 10, die vorzugsweise Hartmetall beschichtet sind, schwimmend gelagert sind. Die Tastköpfe 3 sind mit einer gemeinsamen Zugfeder 12 miteinander verbunden und können pneumatisch ausgefahren werden. Hierzu wird über die Kam­ mer 4 Druckluft eingeführt.

An demselben Gehäuse 2, das im Querschnitt kreisförmig ausge­ bildet ist, ist an dessen Außenmantel ein Referenzring 1 über das Vierpunktelager 7 drehbar angelenkt, wobei die Drehung der Referenzringe 1 pneumatisch über die Druck­ luftzufuhr 5 (in Richtung des Tastkopfweges) und das Rückstellen der Referenzringe 1 über die Zugfeder 13 erfolgt. Der Referenzring besitzt zwei Bohrungen, durch welche (nach Drehung) die Tastköpfe hindurchführbar sind.

Das Gehäuse 2 wird durch einen Deckel 8 verschlossen. Ferner be­ sitzt das Gehäuse 2 eine optoelektronische Meßeinrichtung 15, wie sie nach dem Stand der Technik bekannt ist. Insbesondere weist die­ se Meßvorrichtung 15 einen Läufer 9 auf, welcher mit den Tastköpfen in Verbindung steht und der über einen Glasmeßstab 6 beim Ausfahren der Tastköpfe entlang geführt wird. Die in den Figuren dargestellte Meßvorrichtung ist in den Innenraum eines Werkstückes 11 eingeführt und arbeitet folgendermaßen:

Wie in Fig. 1 dargestellt, liegen die Tastkopfspitzen 10 zur Messung am Innenmantel eines Rohres, gegebenenfalls während der Oberflächenbearbeitung, zum Beispiel Zerspa­ nen oder Honen, an. Aus dem Ausfahrhub der Tastköpfe 3, der mittels der optoelektronischen Meßeinrichtung 15 in nach dem Stand der Technik bekannter Weise gemessen wer­ den kann, ergibt sich zwangsläufig der jeweilige Innen­ durchmesser des Rohres. Die Tastköpfe 3 werden zur Ermitt­ lung des Referenzwertes durch Unterbrechung der Druckluftzufuhr un­ ter Mitwirkung der Zugfeder 12 eingefahren und sodann die Referenz­ ringe 1 mittels Druckluftzufuhr 5 in den Tastkopfhubweg über die Tastköpfe 3 wieder ausgefahren, bis sie zur Anlage mit der Innenfläche des jeweiligen Referenzringes 1 kommen, wie dies in Fig. 2 als Referenzposition dargestellt ist. Diese Position nehmen die Tastköpfe während der Werkstück­ bearbeitung außerhalb des Meßvorganges als Ruhelage ein. Beim Einfahren der Tastköpfe 3 wird die optoelektronische Meßeinrichtung von der in der Fig. 1 dargestellten Lage in die Ausgangsposition zurückgefahren. Beim abermaligen Ausfahren der Tastköpfe überstreicht die aus Sender und Empfänger bestehende Meßvorrichtung einen in bezug auf das Gehäuse 2 festliegenden Glasmaßstab 6 mit einem Strichgit­ ter, dessen Striche standardmäßig einen Abstand von 20 µm bis 40 µm haben. Aus den überfahrenen Strichen kann jeweils der Hub der Tastköpfe entlang der Längsachse 14 gemessen werden. Das jeweilige Ausfahren der Tastköpfe in die Referenzposition ermöglicht die Berücksichtigung des Testkopfantriebes beim nächsten Meßvorgang (siehe Fig. 1). Da die sich aus dem Tastkopfabrieb bei nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren ergebenden Meßfehler vermieden werden, wird das beschriebene Meßver­ fahren im Rahmen einer CNC Steuerung für Zerspanungs- und/oder Honwerkzeugmaschinen verwendet.

Claims (20)

1. Verfahren zur Vermessung von Körpern, insbesondere zur Messung des Innendurchmessers langer Bohrun­ gen von Körpern, wobei ein oder mehrere Tastköpfe an den Körper mechanisch berührend herangefahren und aus dem zurückgelegten Tastkopfweg unter Be­ rücksichtigung seiner Ausgangslage die Körpermaße gemessen werden, dadurch gekennzeich­ net, daß nach einer frei wählbaren Anzahl von Messungen, vorzugsweise nach jeder Innen- oder Au­ ßenmessung der oder die Tastköpfe zurückgezogen, ein Referenzring senkrecht zu dem Tastkopfweg über den oder die Tastköpfe geschoben und die Tastköpfe auf den Referenzring bis zur Berührungslage ausgefah­ ren werden und daß aus den jeweils zurückgelegten Tastkopfwegen das betreffende Körpermaß bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der oder die Tastköpfe pneumatisch ausgefahren und/oder mittels Zugfeder zurückgezogen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der oder die Tastköpfe schwim­ mend gelagert sind.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Innenmessungen die Tastköpfe paarweise gegenüberliegend und mit einer gemein­ samen Zugfeder bzw. einer gemeinsamen Pneumatik bewegbar sind.

5. Verfahren nach einem der Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wege der Tastköpfe optoelektronisch gemessen werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzring ebenfalls pneumatisch über den oder die Tastköpfe geschoben und mittels Zugfeder wieder zurückgezogen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Referenzring durch Drehung in den Tastkopfweg geführt wird.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Ansprüchen 1 bis 7 mit einem oder mehreren ausfahrbaren Tastköpfen zur mechanisch berührenden Antastung, die insbesondere an Zerspa­ nungs- oder Honwerkzeugen an dem Werkzeugträger befestigt sind, und eine Einrichtung zur Messung des Abstandes von Werkstück­ oberflächen, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Tastköpfe (3) mit einer Hubvorrichtung aus­ fahrbar in einem Gehäuse und ein Referenzring (1) über den oder die Tastköpfe (3) schiebbar gelagert sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der oder die Tastköpfe (3) und der Re­ ferenzring (1) in bzw. an einem gemeinsamen Gehäuse (2) gela­ gert sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeich­ net durch eine pneumatische Einrichtung als Hubvor­ richtung für den oder die Tastköpfe.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Tastköpfe (3) mit Zugfe­ dern (12) verbunden sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei Tastköpfe (3) mit einer einzigen Zugfeder (12) verbunden sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Tastköpfe schwimmend gelagert sind.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Tastköpfe (3) und der Referenzring (1) mit einer gemeinsamen pneumatischen Einrichtung verbunden sind.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8, 9 oder 14, da­ durch gekennzeichnet, daß der Referenz­ ring (1) mit einer Zugfeder (13) verbunden ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8, 9, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzring (1) senkrecht zur den Aus- und Einfahrhub bestimmenden Längsachse (14) der Tastköpfe (3) drehbar gelagert ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11 und 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Tastköpfe (3) und der Referenzring (1) auf den Schen­ keln einer im wesentlichen U- oder ringförmigen, um das im Hinblick auf seinen Außendurchmesser zu bestimmen­ den Werkstücken führbaren Halterung angeordnet sind.

18. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einrichtung zur Messung des Tast­ kopfes eine optoelektronische Meßeinrichtung (15) ist, die vorzugsweise in nach dem Stand der Technik bekannter Weise ein Strichgitter auf einem Glasmaßstab (6) aufweist, welches auf der einen Seite einen optischen Sender, vorzugs­ weise eine LED und auf der anderen Seite einen opti­ schen Empfänger aufweist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, gekennzeich­ net durch einen Strichgitterabstand von 20 bis 40 µm.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Tastköpfe (3) mit Hartmetall bewehrten Tastspitzen (10) versehen sind.