DE68901720T2 - Vorrichtung und verfahren zur kontrolle mechanischer objekte. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Prüfen geometrischer Abmessungen mechanischer, rotationssymmetrischer Werkstücke mit zwei Zentriersitzen, mit einer ersten Abstützung zum Abstützen des zu prüfenden Werkstücks an von den Zentriersitzen beabstandeten Positionen, mit einer zweiten Abstützung, an der Meßeinrichtungen für das Werkstück befestigt sind und mit einer an die Meßeinrichtungen angeschlossenen Signalverarbeitung zum Bestimmen der geometrischen Abmessungen.
• Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Prüfen der Konzentrizität von Querschnitten eines rotationssymmetrischen Werkstückes mit endseitigen Zentriersitzen, wonach die Mittelpunkte der Querschnitte automatisch durch eine elektronische Signalverarbeitung der Meßköpfe zum Messen linearer Abmessungen bestimmt werden, eine geometrische Bezugsachse elektronisch festgelegt und die Abstände der Mittelpunkte von der geometrischen Bezugsachse bestimmt werden.
• Es ist bekannt, die Konzentrizität verschiedener Querschnitte mechanischer rotationssymmetrischer Werkstücke, insbesondere Wellen in bezug auf eine in völlig mechanischer Weise definierte geometrische Achse statisch oder dynamisch (d. h. bei stationärem oder rotierendem Werkstück) zu prüfen.
• Die geometrische Achse wird normalerweise von zwei Präzisionszentrierungen bestimmt (mit passenden Abstützungen) die mit an den Enden der Welle vorgesehenen Sitzen zusammenwirken, um die Abstützung und Drehung der Welle in den nachfolgenden Bearbeitungsphasen zu gestatten (Drehen, Schleifen usw.). Eine der Zentrierungen kann motorisiert sein, um dynamisches Messen zu ermöglichen.
• In verschiedenen Fällen ist es in einer theoretischen Betrachtungsweise korrekt, als Referenz die von den Zentriersitzen definierte geometrische Achse zu nehmen.
• US-A-3 905 116 offenbart eine Meßvorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1, mit einem vorderen und hinteren Reitstock, die mit konischen Ausnehmungen an den Enden einer zu prüfenden Kurbelwelle zusammenwirken und die Kurbelwelle abstützen und eine geometrische Achse definieren. Die Vorrichtung weist ferner zwei vorläufige Ausrichterblöcke zum Abstützen der Kurbelwelle vor ihrem Eingriff mit den Reitstöcken sowie Meßeinrichtungen mit entsprechenden Halterungen auf.
• Es ist jedoch schwierig und mit Xosten verbunden, Zentrierungen und Abstützungen mit hoher Präzision herzustellen, um Verlagerungen der geometrischen Achse gegenüber den Meßeinrichtungen zu vermeiden, welche die Messungen an unterschiedlichen Querschnitten der Welle vornehmen.
• Deshalb wird in anderen Fällen so gemessen, daß man als Referenz eine geometrische Achse nimmt, die von einer durch die Mittelpunkte zweier Querschnitte des Werkstückes führende Achse definiert ist. Beispielsweise für Kurbelwellen kann die Referenzachse durch das Verarbeiten der Signale zweier Meßeinrichtungen erhalten werden, von denen jede zwei Taster in Anlage an entsprechende Lagerflächen aufweist, um zwei radiale Abmessungen der Lagerfläche in der gleichen radialen Richtung zu bestimmen.
• Die Signale der Meßköpfe werden mit denen weiterer Meßköpfe kombiniert, die andere radiale Abmessungen des Bauteils prüfen. Das Werkstück kann in V-förmigen Abstützungen oder auch an Zentrierungen mit geringer Präzision gehalten werden, da mögliche räumliche Verlagerungen der Achse bei momentaner Drehung des Werkstückes elektronisch kompensiert werden. Manchmal jedoch erfordern Meßprobleme wie erwähnt als Referenz die Achse, die von den Sitzen der Präzisionszentrierungen definiert sind, insbesondere beim Inline- Prüfen im Bearbeitungsvorgang.
• Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, das Prüfen geometrischer Abmessungen, wie der Konzentrizität von rotationssymetrischen Werkstücken, zum Beispiel an Wellen in bezug auf eine von Zentriersitzen definierte geometrische Achse zu ermöglichen, wobei eine hohe Wiederholbarkeit und Genauigkeit gegeben ist, ohne dar das Werkstück von Zentrierungen und Halterungen hoher Präzision abgestützt sein muß.
• Die in den Ansprüchen 1 und 11 definierte Erfindung löst die Aufgabe damit, daß elektronisch die Position der geometrischen Achse eines rotationssymmetrischen Werkstückes definiert durch die Zentriersitze bestimmt wird, wobei das Werkstück von Abstützungen außerhalb der Zentrierungen gehalten wird.
• Da die Lage der von den Zentriersitzen defierten Achse ohne weiteres und ständig bestimmbar ist, können möglich Verlagerungen dieser Achse kompensiert werden. Deshalb kann das Werkstück von Einrichtungen geringer Präzision getragen und gedreht werden. Es ist möglich, Verlagerungen der Achse in ein oder zwei Koordinaten festzustellen. Ferner ist es leicht möglich, die Vorrichtung und das Verfahren gemäß der Erfindung derart zu vervollständigen, daß der Abstand zwischen den Zentriersitzen meßbar ist.
• Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Dieses Beispiel ist nicht einschränkend. Die Zeichnung zeigt:
• Fig. 1 eine schematische Vorderansicht einer Meßbank zum Prüfen von Abmessungen und geometrischen Eigenschaften von Wellen,
• Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch die Werkbank der Fig. 1 längs der Linie 2-2.
• Fig. 3 eine Ansicht im vergrößerten Maßstab einer Einzelheit der Meßbank in den Fig. 1 und 2, nämlich einer Meßeinrichtung init einem Taster, der einen Zentriersitz der Welle antastet und
• Fig. 4 einen Schnitt durch eine Einzelheit der Fig. 3 längs der Linie IV-IV.
• Die Meßbank der Fig. 1 weist erste Abstützungen mit einer Basis 1 auf, die über zwei senkrechte Halter 2 und 3 zwei V-Auflagen 4 und 5 trägt, um die zu prüfenden Werkstücke zu stützen und eine Referenz vorzusehen. In der Ausführungsform sind die Werkstücke Wellen 6, deren Querschnitte unterschiedliche Durchmesser aufweisen.
• Die Welle 6 wird auf die V-Auflagen 4 und 5 aufgesetzt. Das Laden der Welle kann händisch oder automatisch erfolgen und wird durch Führungselemente 7, 8 an der Basis 1 erleichtert.
• Zwei um waagerechte Achsen bzw. Zapfen 11 unterhalb der Welle 6 rotierende Arme 9, 10, (mit dem Schaft 6 in der Meßposition) haben freie Enden, die mit zweiten Abstützungen einschließlich eines Trag- und Führungsrahmens 12 verbunden sind.
• Der Rahmen 12 trägt Meßeinrichtungen mit Meßköpfen 14, 15, 16 und 17, von denen jeder zwei Taster aufweist, die in Anlage an diametral entgegengesetzte Meßpunkte der Welle 6 gelangen.
• Beispielsweise besteht wie in Fig. 2 gezeigt ein Meßkopf 14 aus zwei Armen 20, 21 die um integrale Drehpunkte 22, 23 beweglich sind und an ihren Enden Taster 24, 25 aufweisen. An jedem Arm 20, 21 und an einer Halterung 26 dazwischen sind Elemente zweier Weggeber 27, 28 befestigt, die Meßsignale entsprechend den Abweichungen von einem Nennwert der Radii des Wellenquerschnitts 6 an den Tastern 24 und 25 liefern.
• Die Arme 9, 10 sind an anderen Armen befestigt, die nicht dargestellte Steuerknöpfe tragen. Die Ruhe- und Meßpositionen der Arme 9, 10 zusammen mit den Meßköpfen 14 bis 17 sind von nicht dargestellten Anschlägen bestimmt. Die Ruhelage ist in Fig. 2 gestrichelt dargestellt.
• Die vom Rahmen 12 getragenen Meßeinrichtungen bestehen ferner aus zwei Meßköpfen 30, 31, wobei Einzelheiten des zweiten in den Fig. 3 und 4 gezeigt sind.
• Der Meßkopf 31 ähnlich dem Meßkopf 30 kann in drei Achsen messen bzw. ist also eine Meßeinrichtung mit drei Freiheitsgraden.
• Ein erster Teil 32 des Meßkopfes 31 besteht aus einer Basis 33, die am Rahmen 12 mit Schrauben 34, 35 befestigt ist. Der Teil 32 weist zwei Arme 37, 38 auf, die an der Basis 33 angeformt sind. Der Arm 37 ist gegenüber der Basis 33 fest und der Arm 38 kann um eine geometrische Achse in begrenztem Maße schwenken, die rechtwinklig zur Ebene der Fig. 3 und parallel zur Ebene der Fig. 4 ist und von einem Abschnitt verringerter Dicke bzw. einem integralen Drehpunkt 39 gebildet ist.
• Die gegenseitigen Verlagerungen der Arme 37, 38 sind von Anschlägen 40, 41 begrenzt.
• Die gegenseitige Ruhelage der Arme 37, 38 ist u.a. von einer Feder 42 bestimmt. Die Auslenkungen des Arms 38 aus der Ruhelage werden von einem Weggeber 43 gemessen, dessen beide Bestandteile mit den Armen 37, 38 verbunden sind.
• Ein zweiter Teil 44 des Meßkopfes ist mit dem freien Ende des Armes 38 verbunden, und zwar integral (oder über eine Schraubverbindung und/oder Schweißen). Der Teil 44 besteht aus einer Basis 46 und einem Arm 47, der fest gegenüber dem Arm 38 ist, sowie einem Arm 48, der eine begrenzte Schwenkbewegung um eine geometrische Achse ausführen kann, die rechtwinklig zur Ebene der Fig. 3 und in der Ebene der Fig. 4 horizontal dazu liegt. Diese geometrische Achse ist von einem Abschnitt verringerter Dicke bzw. einem angeformten Drehpunkt 50 bestimmt.
• An den Armen 47, 48 sind zwei Anschläge 51 und 52, eine am Anschlag 52 befestigte Feder 53, sowie ein Weggeber 54 befestigt.
• Ein dritter Teil 56 des Meßkopfes 31 weist einen Arm 57 auf, der fest mit dem Arm 48 verbunden ist, während ein Arm 58 am Arm 48 mittels eines Abschnitts verringerter Dicke bzw. eines Drehpunkts 60 angeformt ist. Der integrale Drehpunkt 60 definiert eine geometrische Rotationsachse, die in bezug auf Fig. 3 waagrecht und im wesentlichen in der Ebene der Fig. 3 und in bezug auf die Fig. 4 rechtwinklig zur Ebene der Fig. 4 liegt.
• An den Armen 57, 58 sind zwei Anschläge 62, 63, eine Feder 64 und ein Weggeber 65 befestigt.
• Ein Taster 67 mit einer sphärischen Spitze ist am Ende des beweglichen Arms 58 befestigt.
• Der Durchmesser des kugelkopfförmigen Tasters 67 hat einen vorbestimmten Wert derart, dar er mit dem Ende 70 zusammenwirken kann, das stumpfkegelig ist und einen Zentriersitz an der Stirnseite der Welle 6 bildet.
• Der Meßvorgang auf der Meßbank gemäß den Fig. 1 bis 4 ist wie folgt:
• Sind die Arme 9, 10, der Rahmen 12, die Meßeinrichtungen 14 bis 17 und die Meßköpfe 30, 31 in der Ruhelage, so wird die Welle 6 auf die Stützen 4 und 5 aufgelegt.
• Die Arme 9, 10 und die anderen mit diesen zusammenwirkenden Elemente werden in die Meßlage gebracht, indem die bereits erwähnten Knöpfe gesteuert werden. Demzufolge gelangen der Taster 67 und ein entsprechender Taster 72 (in Fig. 1 sichtbar) des Meßkopfes 30 in Anlage an den Sitz 70 sowie an einen weiteren Zentriersitz an der anderen Stirnseite der Welle 6. Das Einsetzen der Taster 67, 72 wird von zwei Referenzeinrichtungen 75, 76 geführt, die in Fig. 1 sichtbar sind und an den Stützen 77, 78 der Basis 1 befestigt sind. Die Referenzeinrichtungen 75, 76 definieren auch die Ruhelage der Taster 67, 72.
• Natürlich erreichen damit auch die Taster der Meßeinrichtungen 14 bis 17 die Meßlage und kontaktieren diametral entgegengesetzte Punkte an entsprechenden Querschnitten der Welle 6. Dann wird die Welle 6 gedreht (über mindestens 360º) von Hand oder auch motorisiert. Während dieser Drehung stellen die Wandler 43 und 65 sowie die Wandler des Meßkopfes 30 mögliche Verlagerungen der geometrischen Achse der Welle 6 fest - längs zweier rechtwinkliger geometrischer Achsen, die in einer Ebene rechtwinklig zur geometrischen Achse der Welle 6 liegen -, wobei die geometrische Achse der Welle 6 bestimmt ist durch das Zusammenwirken der Taster 67, 72 und der Zentriersitze der Welle 6.
• Der Weggeber 54 und der entsprechende Weggeber des Medkopfes 30 gestatten das Prüfen von Abweichungen in der Länge der Welle 6 entsprechend den Zentriersitzen von einem Nennwert, indem die erzeugten Signale in der Signalverarbeitung und Anzeigeeinheit 80 der Fig. 1 verarbeitet werden.
• Die Einheit 80 erhält außerdem über in einem Kabel 81 geführte Leiter die Signale der Wandler der Meßeinrichtungen 14 bis 17 und die Signale der anderen Weggeber in den Meßköpfen 30 und 31. Durch Verarbeiten dieser Signale ist es möglich, die Abweichungen von den Durchmessern verschiedener Querschnitte der Welle aus entsprechenden Nennwerten zu erhalten und auch die Komponenten möglicher Konzentrizitätsfehler der Mittelpunkte dieser Querschnitte in bezug auf die geometrische Achse, die von den Tastern 67 und 72 festgelegt ist.
• Die Meßköpfe 30 und 31 gewährleisten eine hohe Genauigkeit, da die Auslenkungen der Taster 67 und 72, die im wesentlichen längs dreier rechtwinkliger Achsen erfolgen und deshalb insgesamt räumlich sind, von integralen Drehpunkten abgeleitet sind, ohne daß Spiel und Reibung auftritt. Nur die Anlage der Taster 67 und 72 an den Zentriersitzen bedingt Reibung, deren Einfluß jedoch vernachlässigbar gemacht wird, indem man die Meßköpfe 30 und 31 in entsprechender Weise ausgestaltet und genau bearbeitet.
• Natürlich können die Meßköpfe 30 und 31 auch mit einem einzigen Weggeber versehen sein, wenn es ausreichend ist, nur eine Verschiebungskomponente der von den Zentriersitzen bestimmten Achse zu messen, bzw. mit zwei Weggebern, wenn es erforderlich ist, zwei Komponenten dieser Auslenkungen zu messen, bzw. eine Komponente und die Länge des Schaftes 6.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Kontrolle geometrischer Abmessungen, wie der Konzentrizität unterschiedlicher Querschnitte, rotationssymmetrischer mechanischer Bauteile mit zwei endseitigen Zentriersitzen, mit einer ersten Trageinrichtung (1-5) zum Abstützen des zu überprüfenden Bauteils in von den endseitigen Zentriersitzen unterschiedlichen Positionen, einer zweiten Trageinrichtung (12), mit an der zweiten Trageinrichtung befestigten und mit dem Bauteil (6) zusammenwirkenden Meßeinrichtungen (14-17, 30, 31) und mit einer an die Meßeinrichtungen (14-17, 30, 31) angeschlossenen Verarbeitungseinrichtung (80) zum Bestimmen der geometrischen Abmessungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtungen zwei Meßköpfe (30, 31) aufweisen, von denen jeder einen Taster (67, 72) aufweist, der in drei Richtungen beweglich ist und jeweils mit einem der endseitigen Zentriersitze (70) zusammenwirkt, und daß die Verarbeitungseinrichtung (80) an die Meßköpfe (30, 31) zum Bestimmen der durch die endseitigen Zentriersitze bestimmten geometrischen Achse des Bauteils angeschlossen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Trageinrichtung (1-5) V-förmige Bezugseinrichtungen (4, 5) aufweist, an denen das Bauteil (6) drehbar abgestützt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Meßeinrichtungen (14-17, 30, 31) weitere Meßköpfe (14-17) aufweisen, die Meßsignale für kombinierte Kontrollen liefern und wobei die zweite Trageinrichtung einen gemeinsamen Träger (12) für die beiden Meßköpfe und die weiteren Meßköpfe aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei jeder der beiden Meßköpfe (30, 31) einen Satz Schenkel mit drei angeformten Drehpunkten (39, 50, 60) aufweist, um Verschiebungen des Tasters zu ermöglichen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei jeder der beiden Meßköpfe (30, 31) einen Stellungsgeber (43, 54, 65) aufweist, um Verschiebungen des entsprechenden Tasters (67) längs mindestens einer der drei Richtungen festzustellen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei jeder der beiden Meßköpfe (30, 31) zwei Stellungsgeber (43, 54, 65) aufweist, um Verschiebungen des Tasters (67) im wesentlichen in der Richtung der geometrischen Achse des Bauteils (6) und in einer hierzu im rechten Winkel liegenden Richtung festzustellen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Verarbeitungseinrichtung (80) vorgesehen ist, um die Länge des Bauteils (6) in Übereinstimmung mit den Tastern (67, 72) der beiden Meßköpfe (30, 31) festzustellen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 zum Messen eines Bauteils (86), bei dem die endseitigen Zentriersitze eine konische Fläche (70) aufweisen, und die Taster (62, 72) im wesentlichen kugelförmig sind, um eine Zentrierung in Bezug auf die konischen Flächen der endseitigen Zentriersitze herzustellen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die weiteren Meßköpfe (14-17) Signale liefern, die mindestens zwei radialen Abmessungen des Bauteils (6) in Übereinstimmung mit einem Querschnitt und einem Längsschnitt des Bauteils entsprechen, und wobei die beiden Meßköpfe (30, 31) Signale liefern, die Verschiebungen der Achse des Bauteils in der Ebene entsprechen, die dem Längsschnitt entspricht, und wobei die Verarbeitungseinrichtung (80) die Signale der weiteren Meßköpfe (14-17) und der beiden Meßköpfe 830, 31) verarbeitet, um konzentrische Fehler des Querschnitts in Bezug auf die Achse des Bauteils zu messen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Verarbeitungseinrichtung (80) die geometrischen Abmessungen des auf der ersten Trageinrichtung (1-5) rotierenden Bauteils mißt.

11. Verfahren zum Überprüfen der Konzentrizität von Querschnitten eines Bauteils (6), das rotationssymmetrisch ist und mit endseitigen Zentriersitzen versehen ist mit folgenden Schritten: Anordnen des Bauteils in einer bestimmten Meßposition, Ausmessen linearer Dimensionen des Bauteils in den Querschnitten durch erste Meßeinrichtungen (14-17), die elektronische Meßsignale liefern, elektronisches Verarbeiten der Meßsignale zum Feststellen der Mittelpunkte der Querschnitte, elektronisches Bestimmen einer geometrischen Bezugsachse und Bestimmen der Abstände der Mittelpunkte der Querschnitte von der geometrischen Achse, dadurch gekennzeichnet, daß zum Anordnen des Bauteils in der vorbestimmten Meßposition das Bauteil an Stellen unterstützt wird, die von den endseitigen Zentriersitzen unterschiedlich sind, und daß zum Bestimmen der geometrischen Bezugsachse die Positionen der endseitigen Zentriersitze durch zweite Meßeinrichtungen (30, 31) festgestellt werden, die mit den endseitigen Zentriersitzen zusammenwirken und die in den endseitigen Zentriersitzen liegende geometrische Achse bestimmen.