DE9116844U1 - Einrichtung zur Konturformprüfung an einer Bearbeitungs- oder Meßmaschine - Google Patents

Einrichtung zur Konturformprüfung an einer Bearbeitungs- oder Meßmaschine

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Description

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DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 11. Februar 1991
Einrichtung zur Konturformprüfung an einer Bearbeitungs- oder Meßmaschine
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Konturformprüfung, insbesondere zur Kreisformprüfung, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Aus der EP-A-O 258 471 ist eine Einrichtung zur Kreisformprüfung an einer NC-Bearbeitungsmaschine bekannt, bei der eine Teleskopstange mit einem kugelförmigen Ende drehbar in der Spindel der Maschine und mit dem anderen kugelförmigen Ende drehbar auf dem Kreuztisch dieser Maschine gelagert ist; in der hohlen Teleskopstange ist eine Positionsmeßeinrichtung in Form einer Längenmeßeinrichtung eingebaut. Die numerische Steuerung der Maschine wird auf eine Kreisbahn programmiert; während der Bewegung des Kreuztisches auf der programmierten Kreisbahn zentral zur Spindel werden die Abweichungen der Kreisbahnbewegung von der Kreisform mittels der Positionsmeßeinrichtung ermittelt und graphisch registriert.
· · &iacgr; IZZ,
In der Druckschrift "Der Kreisformtest zur Prüfung von NC-Werkzeugmaschinen" von W- Knapp und S. Hrovat, 1986, Eigenverlag S. Hrovat, Trottenstraße 79, CH-8037 Zürich ist gleichfalls eine Einrichtung zur
c Kreisformprüfung an einer NC-Bearbeitungsmaschine beschrieben, bei der auf einem Kreuztisch der Maschine ein Kreisnormal zentral zur Spindel angeordnet ist. Die numerische Steuerung dieser Maschine wird auf eine Kreisbahn entsprechend dem Kreisnormal programmiert; während der Bewegung des Kreuztisches auf der programmierten Kreisbahn werden die Abweichungen der Kreisbahnbewegung von der Kreisform mittels einer Positionsmeßeinrichtung ermittelt und graphisch registriert. Diese Posi-
-n tionsmeßeinrichtung besteht aus einem zweidimensionalen Taster, der das Kreisnormal während der Kreisbahnbewegung abtastet.
Die beiden vorgenannten Einrichtungen weisen aber ^n den Nachteil eines erheblichen mechanischen Aufwandes auf, der Fehlermoglichkeiten in sich birgt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Konturformprüfung der genannten Gat-2c tung anzugeben, die wesentlich einfacher aufgebaut ist sowie Fehlermoglichkeiten ausschließt und somit eine hohe Genauigkeit erzielt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die vorgeschlagene Abtastung einer zweidimensionalen Meßteilung auf
3t- dem Kreuztisch durch eine an der Spindel befestigte
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Abtasteinheit einer Positionsmeßeinrichtung auf einfache Weise eine hochgenaue und preisgünstige Konturformprüfung ermöglicht wird, da keine zusätzlichen 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 zeigen
Figur 1 einen Ausschnitt einer Bearbeitungsmaschine mit einem Kreuztisch, einer Spindel sowie mit einer interferentiellen Positionsmeßeinrichtung ,
Figur 2 die interferentielle Positionsmeßeinrichtung für zwei Meßrichtungen in einer schematischen Seitenansicht,
Figur 3 eine Platine mit einer Lichtquelle und mit Photodetektoren in einer Draufsicht,
Figur 4 eine Abtastplatte mit zwei gekreuzten Abtastteilungen in einer Draufsicht und
Figur 5 einen entfalteten Stahlengang für die Positionsmeßeinrichtung nach Figur 2 in einer Meßrichtung.
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In Figur 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 Längenmeßeinrichtung 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 Bearbeitungsmaschine BM weist eine interferentielle Positionsmeßeinrichtung für die beiden Meßrichtungen X
-5 und Y auf, die aus einem auf dem Kreuztisch KT zentriert angeordneten Teilungsträger 2 mit einer zweidimensionalen Meßteilung 1 in Form einer Kreuzteilung sowie aus einer an der Spindel SP befestigten Abtasteinheit 3 zur Abtastung der Kreuzteilung
2Q 1 besteht. Die numerische Steuerung der Bearbeitungsmaschine BM wird auf eine Kreisbahn programmiert; 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 Positionsmeßeinrichtung ermittelt und können anschließend graphisch registriert werden.
In Figur 2 ist in einer schematischen Seitenansicht OQ die interferentielle Positionsmeßeinrichtung für die beiden Meßrichtungen X und Y zur Auflichtmessung dargestellt. Die Abtasteinheit 3 enthält eine Platine 4, einen Kondensor 5 sowie eine Abtastplatte 6.
Figur 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 &egr;- die Meßrichtung Y angeordnet sind. Zusätzlich befindet sich auf der Platine 4 noch ein positionsempfindlicher Photodetektor P.
In Figur 4 ist die Abtastplatte 6 in einer Drauf-,Q sieht dargestellt, die eine erste Abtastteilung 8 für die Meßrichtung X sowie eine zweite Abtastteilung 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 Ablenkprisma 11 angeordnet, deren Neigungsorientierungen aus der Figur 4 ersichtlich sind.
Figur 5 zeigt einen entfalteten Strahlengang für Q die interferentielle Positionsmeßeinrichtung nach Figur 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 2J- Lichtquelle 7 ausgehendes und vom Kondensor 5 kollimiertes Lichtstrahlenbündel L wird beim Durchtritt durch die Abtastteilung 8 mit der Gitterkonstanten d, deren Teilungsstriche senkrecht zur Meßrichtung X verlaufen, in ein gebeugtes Teilstrah-3q lenbündel Bl (+I.Ordnung), in ein gebeugtes Teilstrahlenbündel B2 (O.Ordnung) und in ein gebeugtes Teilstrahlenbündel B3 (-1.Ordnung) aufgeteilt.
Diese gebeugten Teilstrahlenbündel B1-B3 durch-3c setzen sodann die zweidimensionale Meßteilung 1 in
Form der Kreuzteilung, deren gekreuzte Teilungsstriche diagonal zu den beiden Meßrichtungen X und Y verlaufen. Diese Kreuzteilung 1 besitzt in den durch die beiden gekreuzten Teilungsstriche gege-
t- benen Richtungen (diagonal zur Meßrichtung X) jeweils die Gitterkonstante de/V2 und damit in Meßrichtung X die effektive Gitterkonstante de, die mit der Gitterkonstanten d der Abtastteilung 8 identisch ist. Eine solche Kreuzteilung 1 ist als
j« eine Struktur definiert, die Lichtstrahlen im wesentlichen in zwei orthogonale Richtungen beugt. Die Kreuzteilung 1 spaltet jedes gebeugte Teilstrahlenbündel B1-B3 in zwei gebeugte Teilstrahlenbündel (+1.Ordnung) und in zwei gebeugte Teilstrah-
Hc lenbündel (-I.Ordnung) auf, die sowohl in Meßrichtung X als auch in der dazu senkrecht verlaufenden Richtung Y durch die diagonale Anordnung der Kreuzteilung 1 abgelenkt werden.
2Q Es werden somit das gebeugte Teilstrahlenbündel Bl in zwei gebeugte Teilstrahlenbündel Cl, C2 (-1.Ordnung) - die beiden gebeugten Teilstrahlenbündel (+1.Ordnung) sind hier der Einfachheit halber nicht dargestellt -, das gebeugte Teilstrahlenbündel B2 in zwei gebeugte Teilstrahlenbündel C3, C4 (+1.Ordnung) und in zwei gebeugte Teilstrahlenbündel C5, C6 (-1.Ordnung) sowie das gebeugte Teilstrahlenbündel B3 in zwei gebeugte Teilstrahlenbündel C7, C8 (+1. Ordnung) und in ein gebeugtes Teilstrahlenbün-
3q del T (-1.Ordnung) - das andere gebeugte Teilstrahlenbündel (-1.Ordnung) ist ebenfalls nicht dargestellt - aufgespalten.
Die gebeugten Teilstrahlenbündel C1-C8 durchsetzen anschließend wiederum die Abtastteilung 8 und ge-
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langen unter erneuter Beugung zur Interferenz. Es entstehen somit hinter der Abtastteilung 8 aus den interferierenden gebeugten Teilstrahlenbundeln Cl, C3 das resultierende gebeugte Teilstrahlenbündel El (+1.Ordnung) in Meßrichtung X und das resultierende gebeugte Teilstrahlenbündel E3a (O.Ordnung) in Meßrichtung X, aus den interferierenden gebeugten Teilstrahlenbündeln C2, C4 das resultierende gebeugte Teilstrahlenbündel E2 (+1.Ordnung) in Meß-
-0 richtung X und das resultierende gebeugte Teilstrahlenbündel E4a (O.Ordnung) in Meßrichtung X, aus den interferierenden gebeugten Teilstrahlenbündeln C5, C7 das resultierende gebeugte Teilstrahlenbündel E3b (O.Ordnung) in Meßrichtung X und
-5 das resultierende gebeugte Teilstrahlenbündel E5 (-1.Ordnung) in Meßrichtung X sowie aus den interferierenden gebeugten Teilstrahlenbündeln C6, C8 das resultierende gebeugte Teilstrahlenbündel, E4b (O.Ordnung) in Meßrichtung X und das resultierende gebeugte Teilstrahlenbündel E6 (-1.Ordnung) in Meßrichtung X. Diese resultierenden gebeugten Teilstrahlenbündel E1-E6 fallen durch das Ablenkprisma 10 und den Kondensor 5 auf die erste Gruppe von Photodetektoren D1-D6 für die Meßrichtung X (die
_5 resultierenden gebeugten Teilstrahlenbündel E3a, E3b bzw. E4a, E4b fallen gemeinsam auf den Photodetektor D3 bzw. D4). Die Photodetektoren D1-D6 erzeugen elektrische Abtastsignale, aus denen Meßwerte 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 Meßwerte für die Meßrichtung Y gewonnen werden.
Die beiden Trennelemente in Form der Ablenkprismen 10, 11 dienen zur Trennung der gebeugten Teilstrahlenbündel E1-E6 für die beiden Meßrichtungen X, &Ugr;, 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-
2Q senverSchiebung, vorzugsweise von 120°, aus denen in bekannter Weise die Meßwerte für die Meßrichtungen 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 verwendet 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.OrdnungJ fällt durch die Abtastteilung 8 auf den positionsempfindlichen Photodetektor P der Platine 4. Dieser positionsoc empfindliche Photodetektor P befindet sich gemäß Figur 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 gebeugten Teilstrahlenbündels T ein richtungs- und positionsabhängiges Signal. Ein derartiger positionsempfindlicher 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-
-c empfindlichen Photodetektors P durch Drehung der Abtasteinheit 3 oder des Teilungsträgers 2 mit der Meßteilung 1 um die durch die Achse 12 des Strahlenganges verlaufende Drehachse die für die Messung erforderliche optimale Winkellage der Abtastteilung
2Q 8,9 der Abtasteinheit 3 bezüglich der Meßteilung 1 des Teilungsträgers 2 um die Normale der Meßteilungsebene 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 beliebiger Konturformen vorgenommen werden; derartige Konturen können beispielsweise schräg unter kleinem Q Winkel zu den Meßrichtungen X und Y liegende Geraden, Quadrate oder Rechtecke sein, die innerhalb der Kreuzteilung 1 Platz haben.

Claims (9)

&bull; ■ - &iacgr;&ogr;"- DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 11. Februar 1991 Ansprüche
1. Einrichtung zur Konturformprüfung, insbesondere zur Kreisformprüfung, an einer Bearbeitungsmaschine oder Meßmaschine mit einem Kreuztisch und einer Spindel, bei der während der Bewegung des Kfeuztisches auf einer programmierten Konturbahn
die Abweichungen der Konturbahnbewegung von der Konturform mittels einer Positionsmeßeinrichtung ermittelt werden, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
10
a) auf dem Kreuztisch (KT) der Maschine (BM) ist eine zweidimensionale Meßteilung (1) in Form einer Kreuzteilung der Positionsmeßeinrichtung
zentriert angeordnet,
15
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 Konturformprüfung abgetastet.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilungsstriche der Meßteilung (1) diagonal zu den Meßrichtungen (X, Y) verlaufen.
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3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abtastplatte (6) der Abtasteinheit (3 ) zwei gekreuzte Abtastteilungen ( 8, 9) aufweist, deren Teilungsstriche senkrecht
c zueinander verlaufen.
4. Einrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterkonstante d der Abtastteilungen (8, 9) gleich der effektiven Gitterkonstanten de der Meßteilung (1) in den beiden Meßrichtungen (X, Y) ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Platine (4) der Abtast-
,r einheit (3) für die beiden Meßrichtungen (X, Y) zwei separate Gruppen von Photodetektoren (D1-D6, T1-T6) vorgesehen sind.
6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn-2Q zeichnet, daß zur Trennung der gebeugten Teilstrahlenbündel (E1-E6) der beiden Meßrichtungen (X, Y) Trennelemente (10, 11) vorgesehen sind.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennelement (10, 11) aus wenigstens einem Ablenkprisma, einem Beugungsgitter oder einem polarisationsoptischen Element besteht.
3Q 8. Einrichtung nach Anspruch 1, 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 poor sitionsempfindlichen Photodetektor (P) der Abtasteinheit (3) auftrifft.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der positionsempfindliche Photodetektor (P) auf der Platine (4) neben den Photodetektoren (D, T) für die Meßwerte in einem modulationsfreien Bereich angeordnet ist.
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