DE4105433C2 - Einrichtung zur Konturformprüfung an einer Bearbeitungs- oder Meßmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Kontur­ formprüfung, insbesondere zur Kreisformprüfung, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Aus der EP-A-02 58 471 ist eine Einrichtung zur Kreisformprüfung an einer NC-Bearbeitungsmaschine bekannt, bei der eine Teleskopstange mit einem ku­ gelförmigen Ende drehbar in der Spindel der Ma­ schine und mit dem anderen kugelförmigen Ende dreh­ bar auf dem Kreuztisch dieser Maschine gelagert ist; in der hohlen Teleskopstange ist eine Posi­ tionsmeßeinrichtung in Form einer Längenmeßeinrich­ tung eingebaut. Die numerische Steuerung der Ma­ schine wird auf eine Kreisbahn programmiert; wäh­ rend der Bewegung des Kreuztisches auf der program­ mierten Kreisbahn zentral zur Spindel werden die Abweichungen der Kreisbahnbewegung von der Kreis­ form mittels der Positionsmeßeinrichtung ermittelt und graphisch registriert.

In der Druckschrift "Der Kreisformtest zur Prüfung von NC-Werkzeugmaschinen" von W. Knapp und S. Hro­ vat, 1986, Eigenverlag S. Hrovat, Trottenstraße 79, CH-8037 Zürich ist gleichfalls eine Einrichtung zur Kreisformprüfung an einer NC-Bearbeitungsmaschine beschrieben, bei der auf einem Kreuztisch der Ma­ schine ein Kreisnormal zentral zur Spindel ange­ ordnet ist. Die numerische Steuerung dieser Ma­ schine wird auf eine Kreisbahn entsprechend dem Kreisnormal programmiert; während der Bewegung des Kreuztisches auf der programmierten Kreisbahn wer­ den die Abweichungen der Kreisbahnbewegung von der Kreisform mittels einer Positionsmeßeinrichtung ermittelt und graphisch registriert. Diese Posi­ tionsmeßeinrichtung besteht aus einem zweidimen­ sionalen Taster, der das Kreisnormal während der Kreisbahnbewegung abtastet.

Die beiden vorgenannten Einrichtungen weisen aber den Nachteil eines erheblichen mechanischen Aufwan­ des auf, der Fehlermöglichkeiten in sich birgt.

Die GB 20 34 880 A zeigt eine Meßmaschine mit einem Kreuztisch zur Aufnahme eines zu vermessenden Werkstückes. Unter dem Kreuztisch ist eine zweidimensionale Meßteilung in Form einer Kreuzteilung angeordnet, die von einer ortsfesten Abtasteinheit abgetastet wird und die für den Meßvorgang zur Vermessung des Werkstückes herangezogen wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ein­ richtung zur Konturformprüfung der genannten Gat­ tung anzugeben, die wesentlich einfacher aufgebaut ist sowie Fehlermöglichkeiten ausschließt und somit eine hohe Genauigkeit erzielt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn­ zeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die vorgeschlagene Abtastung einer zweidimensionalen Meßteilung auf dem Kreuztisch durch eine an der Spindel befestigte Abtasteinheit einer Positionsmeßeinrichtung auf einfache Weise eine hochgenaue und preisgünstige Konturformprüfung ermöglicht wird, da keine zusätz­ lichen mechanischen Elemente erforderlich sind, die zu Fehlermöglichkeiten Anlaß geben können.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung entnimmt man den Unteransprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 einen Ausschnitt einer Bearbei­ tungsmaschine mit einem Kreuz­ tisch, einer Spindel sowie mit einer interferentiellen Posi­ tionsmeßeinrichtung,

Fig. 2 die interferentielle Positions­ meßeinrichtung für zwei Meßrich­ tungen in einer schematischen Seitenansicht,

Fig. 3 eine Platine mit einer Licht­ quelle und mit Photodetektoren in einer Draufsicht,

Fig. 4 eine Abtastplatte mit zwei ge­ kreuzten Abtastteilungen in ei­ ner Draufsicht und

Fig. 5 einen entfalteten Stahlengang für die Positionsmeßeinrichtung nach Fig. 2 in einer Meßrich­ tung.

In Fig. 1 ist in einem Ausschnitt eine numerisch gesteuerte Bearbeitungsmaschine BM gezeigt, die auf einem Bett BT einen Kreuztisch KT aufweist, dessen Verschiebungen in der Meßrichtung X durch eine Län­ genmeßeinrichtung LX und in der Meßrichtung Y durch eine Längenmeßeinrichtung LY gemessen werden. Ein am Bett BT angeordneter Ständer ST trägt eine in Meßrichtung Z bewegliche Spindel SP, beispielsweise zur Aufnahme eines Bearbeitungswerkzeugs oder eines Tasters.

Eine Einrichtung zur Kreisformprüfung der Bearbei­ tungsmaschine BM weist eine interferentielle Posi­ tionsmeßeinrichtung für die beiden Meßrichtungen X und Y auf, die aus einem auf dem Kreuztisch KT zen­ triert angeordneten Teilungsträger 2 mit einer zweidimensionalen Meßteilung 1 in Form einer Kreuz­ teilung sowie aus einer an der Spindel SP befestig­ ten Abtasteinheit 3 zur Abtastung der Kreuzteilung 1 besteht. Die numerische Steuerung der Bearbei­ tungsmaschine BM wird auf eine Kreisbahn program­ miert; während der Bewegung des Kreuztisches KT auf der programmierten Kreisbahn zentral zur Spindel SP werden die Abweichungen der Kreisbahnbewegung von der Kreisform mittels dieser interferentiellen Po­ sitionsmeßeinrichtung ermittelt und können an­ schließend graphisch registriert werden.

In Fig. 2 ist in einer schematischen Seitenansicht die interferentielle Positionsmeßeinrichtung für die beiden Meßrichtungen X und Y zur Auflichtmes­ sung dargestellt. Die Abtasteinheit 3 enthält eine Platine 4, einen Kondensor 5 sowie eine Abtast­ platte 6.

Fig. 3 zeigt die Platine 4 in einer Draufsicht, auf der neben einer Lichtquelle 7 eine erste Gruppe von Photodetektoren D1-D6 für die Meßrichtung X und eine zweite Gruppe von Photodetektoren T1-T6 für die Meßrichtung Y angeordnet sind. Zusätzlich be­ findet sich auf der Platine 4 noch ein positions­ empfindlicher Photodetektor P.

In Fig. 4 ist die Abtastplatte 6 in einer Drauf­ sicht dargestellt, die eine erste Abtastteilung 8 für die Meßrichtung X sowie eine zweite Abtasttei­ lung 9 für die Meßrichtung Y, beispielsweise in Form von Phasengittern, aufweist. Über der ersten Abtastteilung 8 ist ein erstes Ablenkprisma 10 und über der zweiten Abtastteilung 9 ein zweites Ab­ lenkprisma 11 angeordnet, deren Neigungsorientie­ rungen aus der Fig. 4 ersichtlich sind.

Fig. 5 zeigt einen entfalteten Strahlengang für die interferentielle Positionsmeßeinrichtung nach Fig. 2 in einer perspektivischen Darstellung, und zwar der Übersicht halber nur für die Meßrichtung X; es sind vereinfachend nur bestimmte gebeugte Teilstrahlenbündel eingezeichnet. Ein von der Lichtquelle 7 ausgehendes und vom Kondensor 5 kol­ limiertes Lichtstrahlenbündel L wird beim Durch­ tritt durch die Abtastteilung 8 mit der Gitterkon­ stanten d, deren Teilungsstriche senkrecht zur Meß­ richtung X verlaufen, in ein gebeugtes Teilstrah­ lenbündel B1 (+1. Ordnung), in ein gebeugtes Teil­ strahlenbündel B2 (0. Ordnung) und in ein gebeugtes Teilstrahlenbündel B3 (-1. Ordnung) aufgeteilt.

Diese gebeugten Teilstrahlenbündel B1-B3 durch­ setzen sodann die zweidimensionale Meßteilung 1 in Form der Kreuzteilung, deren gekreuzte Teilungs­ striche diagonal zu den beiden Meßrichtungen X und Y verlaufen. Diese Kreuzteilung 1 besitzt in den durch die beiden gekreuzten Teilungsstriche gege­ benen Richtungen (diagonal zur Meßrichtung X) je­ weils die Gitterkonstante de/ und damit in Meß­ richtung X die effektive Gitterkonstante de, die mit der Gitterkonstanten d der Abtastteilung 8 identisch ist. Eine solche Kreuzteilung 1 ist als eine Struktur definiert, die Lichtstrahlen im we­ sentlichen in zwei orthogonale Richtungen beugt. Die Kreuzteilung 1 spaltet jedes gebeugte Teil­ strahlenbündel B1-B3 in zwei gebeugte Teilstrahlen­ bündel (+1. Ordnung) und in zwei gebeugte Teilstrah­ lenbündel (-1. Ordnung) auf, die sowohl in Meßrich­ tung X als auch in der dazu senkrecht verlaufenden Richtung Y durch die diagonale Anordnung der Kreuz­ teilung 1 abgelenkt werden.

Es werden somit das gebeugte Teilstrahlenbündel B1 in zwei gebeugte Teilstrahlenbündel C1, C2 (-1. Ord­ nung) - die beiden gebeugten Teilstrahlenbündel (+1. Ordnung) sind hier der Einfachheit halber nicht dargestellt -, das gebeugte Teilstrahlenbündel B2 in zwei gebeugte Teilstrahlenbündel C3, C4 (+1. Ord­ nung) und in zwei gebeugte Teilstrahlenbündel C5, C6 (-1. Ordnung) sowie das gebeugte Teilstrahlenbün­ del B3 in zwei gebeugte Teilstrahlenbündel C7, C8 (+1. Ordnung) und in ein gebeugtes Teilstrahlenbün­ del T (-1. Ordnung) - das andere gebeugte Teilstrah­ lenbündel (-1. Ordnung) ist ebenfalls nicht darge­ stellt - aufgespalten.

Die gebeugten Teilstrahlenbündel C1-C8 durchsetzen anschließend wiederum die Abtastteilung 8 und ge­ langen unter erneuter Beugung zur Interferenz. Es entstehen somit hinter der Abtastteilung 8 aus den interferierenden gebeugten Teilstrahlenbündeln C1, C3 das resultierende gebeugte Teilstrahlenbündel E1 (+1. Ordnung) in Meßrichtung X und das resultierende gebeugte Teilstrahlenbündel E3a (0. Ordnung) in Meß­ richtung X, aus den interferierenden gebeugten Teilstrahlenbündeln C2, C4 das resultierende ge­ beugte Teilstrahlenbündel E2 (+1. Ordnung) in Meß­ richtung X und das resultierende gebeugte Teil­ strahlenbündel E4a (0. Ordnung) in Meßrichtung X, aus den interferierenden gebeugten Teilstrahlen­ bündeln C5, C7 das resultierende gebeugte Teil­ strahlenbündel E3b (0. Ordnung) in Meßrichtung X und das resultierende gebeugte Teilstrahlenbündel E5 (-1. Ordnung) in Meßrichtung X sowie aus den inter­ ferierenden gebeugten Teilstrahlenbündeln C6, C8 das resultierende gebeugte Teilstrahlenbündel E4b (0. Ordnung) in Meßrichtung X und das resultierende gebeugte Teilstrahlenbündel E6 (-1. Ordnung) in Meß­ richtung X. Diese resultierenden gebeugten Teil­ strahlenbündel E1-E6 fallen durch das Ablenkprisma 10 und den Kondensor 5 auf die erste Gruppe von Photodetektoren D1-D6 für die Meßrichtung X (die resultierenden gebeugten Teilstrahlenbündel E3a, E3b bzw. E4a, E4b fallen gemeinsam auf den Photo­ detektor D3 bzw. D4). Die Photodetektoren D1-D6 erzeugen elektrische Abtastsignale, aus denen Meß­ werte für die Meßrichtung X gewonnen werden.

Ein nicht dargestellter gleichartiger Strahlengang besteht auch für die Meßrichtung Y, so daß die zweite Gruppe von Photodetektoren T1-T6 ebenfalls elektrische Abtastsignale erzeugt, aus denen Meß­ werte für die Meßrichtung Y gewonnen werden.

Die beiden Trennelemente in Form der Ablenkprismen 10, 11 dienen zur Trennung der gebeugten Teil­ strahlenbündel E1-E6 für die beiden Meßrichtungen X, Y, wenn nur eine Lichtquelle 7 vorgesehen ist. In nicht gezeigter Weise können als Trennelemente auch Gitter oder polarisationsoptische Elemente verwendet werden. Statt einer Lichtquelle können auch mehrere Lichtquellen vorgesehen sein, wobei unter Umständen die Trennelemente entfallen können. Ebenso ist es mit mehreren Lichtquellen möglich, die gebeugten Teilstrahlenbündelgruppen die zu den beiden Meßrichtungen X und Y gehören, mit nur einer einzigen Photodetektorgruppe, z. B. zeitversetzt zu erfassen.

Die Photodetektoren D1+D2, D3+D4 und D5+D6 werden jeweils paarweise zusammengeschaltet und liefern die Abtastsignale mit einer von der Ausgestaltung der Abtastteilung 8 abhängigen gegenseitigen Pha­ senverschiebung, vorzugsweise von 120°, aus denen in bekannter Weise die Meßwerte für die Meßrichtun­ gen X und Y gewonnen werden; das gleiche gilt für die zweite Gruppe von Photodetektoren T1-T6. In nicht dargestellter Weise kann auch eine andere Anzahl von Photodetektoren für jede Gruppe ver­ wendet werden, z. B. drei Photodetektoren. Aus den Meßwerten der Photodetektoren D, T in den beiden Meßrichtungen X und Y werden die Abweichungen der Kreisbahnbewegung von der Kreisform ermittelt.

Das von der Kreuzteilung 1 ausgehende gebeugte Teilstrahlenbündel T (-1. Ordnung) fällt durch die Abtastteilung 8 auf den positionsempfindlichen Photodetektor P der Platine 4. Dieser positions­ empfindliche Photodetektor P befindet sich gemäß Fig. 3 außerhalb der Photodetektoren D, T in einem Bereich, der auch bei der Relativbewegung zwischen der Abtasteinheit 3 und dem Teilungsträger 2 mit der Meßteilung 1 praktisch modulationsfrei ist, und liefert somit je nach dem Auftreffpunkt des gebeug­ ten Teilstrahlenbündels T ein richtungs- und posi­ tionsabhängiges Signal. Ein derartiger positions­ empfindlicher Photodetektor ist beispielsweise aus "Das industrielle Elektro/Elektronik-Magazin" Heft 19/1988, Vogel Verlag und Druck KG (Sonderdruck) bekannt.

Bei der Montage der Positionsmeßeinrichtung an der Bearbeitungsmaschine kann man nun anhand des vom Hersteller ermittelten Signals des positions­ empfindlichen Photodetektors P durch Drehung der Abtasteinheit 3 oder des Teilungsträgers 2 mit der Meßteilung 1 um die durch die Achse 12 des Strah­ lenganges verlaufende Drehachse die für die Messung erforderliche optimale Winkellage der Abtastteilung 8, 9 der Abtasteinheit 3 bezüglich der Meßteilung 1 des Teilungsträgers 2 um die Normale der Meßtei­ lungsebene auf einfache Weise justieren, so daß einwandfreie Meßwerte für die beiden Meßrichtungen X und Y gewonnen werden.

Mit der vorgeschlagenen Einrichtung kann außer der beschriebenen Kreisformprüfung eine Prüfung belie­ biger Konturformen vorgenommen werden; derartige Konturen können beispielsweise schräg unter kleinem Winkel zu den Meßrichtungen X und Y liegende Gera­ den, Quadrate oder Rechtecke sein, die innerhalb der Kreuzteilung 1 Platz haben.

Claims (9)

1. Einrichtung zur Konturformprüfung, insbesondere zur Kreisformprüfung, an einer Bearbeitungsma­ schine oder Meßmaschine mit einem in zwei Meßrichtungen verschiebbaren Kreuztisch und einer Spindel, bei der während der Bewegung des Kreuztisches auf einer programmierten Konturbahn die Abweichungen der Konturbahnbewegung von der Konturform mittels einer Positionsmeßeinrichtung ermittelt werden, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) auf dem Kreuztisch (KT) der Maschine (BM) ist eine zweidimensionale Meßteilung (1) der Positionsmeßeinrichtung in Form einer Kreuzteilung zentriert angeordnet,
• b) an der Spindel (SP) der Maschine (BM) ist eine Abtasteinheit (3) der Positionsmeßeinrichtung zentriert befestigt,
• c) bei der Bewegung des Kreuztisches (KT) auf der programmierten Konturbahn wird die Kreuzteilung (1) von der Abtasteinheit (3) zur Konturformprü­ fung abgetastet.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Teilungsstriche der Meßteilung (1) diagonal zu den Meßrichtungen (X, Y) ver­ laufen.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinheit (3) eine Lichtquelle (7), Photodetektoren (D1 bis D6) und eine Abtastplatte (6) mit zwei gekreuzten Abtastteilungen (8, 9) aufweist, deren Teilungsstriche senkrecht zueinander verlaufen und durch die ein Lichtstrahlenbündel (L) der Lichtquelle (7) auf die Meßteilung (1) fällt.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterkonstante d der Abtastteilungen (8, 9) gleich der effektiven Gitterkonstanten der Meßteilung (1) in den beiden Meßrichtungen (X, Y) ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Platine (4) der Abtasteinheit (3) für die beiden Meßrichtungen (X, Y) zwei separate Gruppen von Photodetektoren (D1 bis D6, T1 bis T6) vorgesehen sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Trennung der an den Abtastteilungen (8, 9) und der Meßteilung (1) gebeugten Teilstrahlenbündel (E1 bis E6) der beiden Meßrichtungen (X, Y) Trennelemente (10, 11) vorgesehen sind.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jedes Trennelement (10, 11) aus wenigstens einem Ablenkprisma, einem Beugungsgitter oder einem polarisationsoptischen Element besteht.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Justieren der Abtasteinheit (3) bezüglich der Meßteilung (1) wenigstens ein von der Meßteilung (1) ausgehendes gebeugtes Teilstrahlenbündel (T) auf wenigstens einen positionsempfindlichen Photodetektor (P) der Abtasteinheit (3) auftrifft.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der positionsempfindliche Photode­ tektor (P) auf der Platine (4) neben den Photo­ detektoren (D1 bis D6, T1 bis T6) für die Meßwerte in einem modulationsfreien Bereich angeordnet ist.