EP2422927A2

EP2422927A2 - Meßvorrichtung

Info

Publication number: EP2422927A2
Application number: EP11005887A
Authority: EP
Inventors: Raimund Volk
Original assignee: Hommel Etamic GmbH
Current assignee: Jenoptik Industrial Metrology Germany GmbH
Priority date: 2010-08-23
Filing date: 2011-07-19
Publication date: 2012-02-29
Also published as: DE102010035147A1; EP2422927A3; US9393663B2; US20120043961A1; DE102010035147B4

Abstract

Eine Meßvorrichtung 2, insbesondere zur Inprozeß-Messung an Prüflingen während eines Bearbeitungsvorganges an einer Bearbeitungsmaschine, insbesondere einer Schleifmaschine, weist einen Meßkopf 12 auf, der relativ zu einem Grundkörper 18 der Meßvorrichtung 2 zwischen einer Ruheposition und einer Meßposition, in der sich der Meßkopf 12 in Meßkontakt mit dem Prüfling befindet, beweglich ist. Erfindungsgemäß ist dem Meßkopf 12 wenigstens ein Winkelsensor 55 zugeordnet, zur Erfassung der Winkellage des Meßkopfes 12, insbesondere von Winkellageänderungen des Meßkopfes 12 relativ zu dem Prüfling, während eines Meßvorganges.

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art, insbesondere zur Inprozeß-Messung an Prüflingen während eines Bearbeitungsvorganges an einer Bearbeitungsmaschine, insbesondere einer Schleifmaschine.
Bei der Herstellung von Kurbelwellen ist es erforderlich, die Kurbelzapfen der Kurbelwelle auf einer Schleifmaschine auf Maß zu schleifen. Um sicherzustellen, daß der Schleifvorgang beendet wird, sobald ein gewünschtes Maß erreicht ist, ist es erforderlich, den Kurbelzapfen im Rahmen eines Inprozeß-Meßverfahrens während des Bearbeitungsvorganges fortlaufend zu prüfen, insbesondere hinsichtlich seines Durchmessers und seiner Rundheit. EP-A-0859689 offenbart eine entsprechende Meßvorrichtung.
Durch EP-A-1370391 ist eine Meßvorrichtung der betreffenden Art bekannt, die zur Inprozeß-Messung von Kurbelzapfen während eines Schleifvorganges an einer Schleifmaschine dient. Die bekannte Meßvorrichtung weist einen Meßkopf auf, der relativ zu einem Grundkörper der Vorrichtung zwischen einer Ruheposition und einer Meßposition, in der sich der Meßkopf im Meßkontakt mit dem Prüfling befindet, bewegbar ist. Im einzelnen ist bei der bekannten Meßvorrichtung der Meßkopf über ein Gestänge um eine erste Schwenkachse schwenkbar mit einem Grundkörper der Meßvorrichtung verbunden. Die bekannte Meßvorrichtung weist ferner Mittel zum Ein- und Ausschwenken des Meßkopfes in die Meßposition bzw. aus der Meßposition auf. Zur Durchführung einer Inprozeß-Messung an einem Kurbelzapfen wird der Meßkopf durch die dafür vorgesehenen Mittel in die Meßposition eingeschwenkt, in der der Meßkopf, beispielsweise mittels eines Meßprismas, an dem zu vermessenden Kurbelzapfen zur Anlage gelangt. Während des Schleifvorganges führt der Kurbelzapfen eine Orbitaldrehung um die Drehachse der Kurbelwelle aus. Hierbei bleibt die Schleifscheibe in Kontakt mit dem Kurbelzapfen und ist hierzu radial zur Drehachse der Kurbelwelle beweglich gelagert. Um sicherzustellen, daß während des gesamten Schleifvorganges Messungen an den Kurbelzapfen ausgeführt werden können, vollzieht der Meßkopf die Bewegungen des Kurbelzapfens nach. Hierzu ist der Grundkörper der Meßvorrichtung mit einem Grundkörper der Schleifmaschine verbunden, so daß die Meßvorrichtung während des Schleifvorganges in Radialrichtung der Kurbelwelle synchron mit der Schleifscheibe der Schleifmaschine bewegt wird.
Durch EP 1 063 052 B1 ist eine Meßvorrichtung bekannt, bei der an einer Verbindungsstelle, an der der Meßkopf über ein Gestänge mit dem Grundkörper der Meßvorrichtung verbunden ist, ein Drehgeber vorgesehen ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßvorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art anzugeben, bei der das Risiko von Meßungenauigkeiten verringert ist.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.
Die Erfindung geht zunächst davon aus, daß der Meßkopf in der Regel während des Meßvorganges seine
Winkellage relativ zu dem Prüfling, beispielsweise einem Kurbelzapfen einer Kurbelwelle, ändert, wobei die Änderung der Winkellage eine Oszillationsbewegung entsprechend der Kinematik beispielsweise eines Gestänges ist, über das der Meßkopf mit dem Grundkörper der Meßvorrichtung verbunden ist.
Hiervon ausgenommen sind lediglich Meßvorrichtungen, bei denen das Gestänge so gestaltet ist, daß sich die Winkellage des Meßkopfes während des Meßvorganges relativ zu dem Prüfling nicht ändert. In diesem Fall sind von einem Meßtaster des Meßkopfes während einer Drehung des Prüflings um seine Drehachse zeitlich äquidistant aufgenommene Meßwerte in Umfangsrichtung äquidistanten Stellen des Prüflings zugeordnet.
Ändert sich demgegenüber die Winkellage des Meßkopfes relativ zu dem Prüfling, was in der Regel der Fall ist, so entsprechen beispielsweise von dem Meßtaster zeitlich äquidistant aufgenommene Meßwerte nicht in Umfangsrichtung äquidistanten Umfangsstellen des Prüflings, sondern sind entsprechend der oszillierenden Winkellage des Meßkopfes in Umfangsrichtung verschoben.
Um beispielweise die Kontur des Prüflings zu ermitteln, ist es erforderlich, die Meßwerte so zu korrigieren, daß die korrigierten Meßwerte äquidistanten Umfangsstellen des Prüflings entsprechen.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, Meßfehler zu vermeiden, die sich im Zusammenhang mit dieser Korrektur ergeben.
Bei der aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtung wird die Drehlage einer Kurbelwelle erfaßt und die Korrektur der Winkellage rechnerisch anhand der durch die mechanischen Gegebenheiten vorgegebenen Kinematik des Meßkopfes ermittelt. Diese Korrektur beruht auf der Annahme, daß jeder Drehlage der Kurbelwelle eineindeutig eine Winkellage des Meßkopfes zugeordnet ist.
Die Erfindung löst sich von dem Gedanken, die Korrektur rechnerisch auszuführen. Ihr liegt vielmehr der Gedanke zugrunde, Winkellageänderungen des Meßkopfes relativ zu dem Prüfling mittels eines hieran angepaßten und dem Meßkopf zugeordneten Winkelsensors zu erfassen. Dementsprechend sieht die Erfindung vor, daß dem Meßkopf ein Winkelsensor zugeordnet ist zur Erfassung der Winkellage des Meßkopfes, insbesondere von Winkellageänderungen des Meßkopfes relativ zu dem Prüfling, während eines Meßvorganges.
Auf diese Weise werden insbesondere Winkellageänderungen des Meßkopfes sensorisch erfaßt. Die sensorisch erfaßten Winkellageänderungen können mit hoher Genauigkeit in die Korrektur der Meßwerte bzw. ihrer Zuordnung zu Umfangsstellen des Prüflings einbezogen werden.
Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung hat insbesondere den Vorteil, daß Änderungen der Kinematik des Meßkopfes, die beispielsweise von einem Verschleiß eines den Meßkopf mit dem Grundkörper der Meßvorrichtung verbundenen Gestänges herrühren oder auch bei einem Umbau der Meßvorrichtung zur Anpassung an eine Kurbelwelle mit anderen Abmessungen auftreten, die Korrektur der Zuordnung der Meßwerte nicht beeinträchtigen. Auf diese Weise kann die Genauigkeit bei der Korrektur der Zuordnung der Meßwerte erhöht werden.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß sie ohne Modifikation verwendet werden kann, wenn sich ein Bauteil einer Schleifmaschine, an dem die Meßvorrichtung befestigt ist, während des Meßvorganges bewegt. Entsprechende Bewegungen des die Meßvorrichtung tragenden Bauteiles und damit der Meßvorrichtung können planmäßig und erwünscht sein. Die Bewegungen können jedoch auch zufällig und unerwünscht sein. Unabhängig davon, welche Ursache entsprechende Bewegungen haben, beeinflussen sie die Meßgenauigkeit der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung nicht, weil Winkellageänderungen aufgrund der Verwendung eines eigenen und dem Meßkopf zugeordneten Sensors unabhängig von ihrer Ursache erfaßt werden. Auf diese Weise ist die Flexibilität der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung im Hinblick auf den Einsatz im Zusammenwirken mit einer Bearbeitungsmaschine erhöht.
Erfindungsgemäß vollzieht sich die Auswertung der von einem Meßtaster des Meßkopfes aufgenommenen Meßwerte dadurch, daß zunächst die Winkellagenänderung des Meßkopfes relativ zu dem Prüfling während des Meßvorganges kompensiert bzw. korrigiert wird. Daran anschließend können die kompensierten bzw. korrigierten Meßwerte zur Rekonstruktion beispielsweise der Korrektur des Prüflings weiterverarbeitet werden.
Insbesondere kann es sich bei dem Winkelsensor, der erfindungsgemäß dem Meßkopf zugeordnet ist, um einen maschinenreferenzfrei arbeitenden Winkelsensor handeln. Unter einer maschinenreferenzfrei arbeitenden Winkelsensor wird erfindungsgemäß ein Winkelsensor verstanden, der die Winkellage bzw. Winkellageänderungen des Meßkopfes unabhängig von einer Referenz erfaßt, die durch die Meßvorrichtung oder die Bearbeitungsmaschine definiert ist. Dementsprechend werden als maschinenreferenzfrei arbeitende Winkelsensoren beispielsweise solche Sensoren angesehen, deren Funktionsprinzip auf einem Zusammenwirken mit einem Magnetfeld oder dem Gravitationsfeld der Erde beruhen. Demgegenüber wird beispielsweise als nicht maschinenreferenzfrei arbeitend ein Sensor angesehen, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist und mit dem Drehungen des Prüflings relativ zu der Schleifmaschine abgefühlt werden, um hiervon sowie einer bekannten Kinematik des Meßkopfes während des Meßvorganges ausgehend Winkellageänderungen des Meßkopfes zu berechnen.
Grundsätzlich ist es erfindungsgemäß ausreichend, wenn dem Meßkopf ein einziger Winkelsensor zugeordnet ist. Falls entsprechend den jeweiligen Anforderungen erforderlich oder gewünscht, können dem Meßkopf auch wenigstens zwei Winkelsensoren zugeordnet sein.
Das Sensorprinzip des erfindungsgemäß vorgesehenen Winkelsensors ist entsprechend den jeweiligen Anforderungen und Gegebenheiten innerhalb weiter Grenzen wählbar, solange sichergestellt ist, daß die Winkellage bzw. Winkellageänderungen des Meßkopfes relativ zu dem Prüfling während des Meßvorganges mit einer der Anwendung entsprechenden Genauigkeit ermittelbar sind.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht insoweit vor, daß der Winkelsensor ein Neigungssensor ist. Entsprechende Neigungssensoren stellen im Ergebnis ein Winkelmeßgerät mit Bezug zur Erdoberfläche dar und messen die Abweichung von der Horizontalen oder Vertikalen. Referenz ist hierbei das Gravitationsfeld der Erde, so daß ein entsprechender Sensor maschinenreferenzfrei arbeitet.
Eine außerordentlich vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß der Winkelsensor ein Beschleunigungssensor ist.Ein Beschleunigungssensor mißt die Beschleunigung beispielsweise, indem die auf eine Testmasse wirkende Trägheitskraft bestimmt wird. Erfindungsgemäß kann hierzu die statische oder dynamische Beschleunigung herangezogen werden. Ein besonderer Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, daß entsprechende Beschleunigungssensoren, die auch als Accelerometer, B-Messer und G-Sensor bezeichnet werden, als relativ kleine, vielseitige und kostengünstige Standardbauteile zur Verfügung stehen. Anstelle von Beschleunigungssensoren können ggf. erfindungsgemäß auch andere Inertialsensoren verwendet werden.
Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß der Winkelsensor einen Faserkreisel aufweist, der auch als faseroptischer Kreisel oder IFOG (Interferometer Fibre-Optic Gyroscope) bezeichnet wird. Das Wirkprinzip eines Faserkreisels besteht in der Interferenz zweier gegenläufig in einer aufgewickelten Glasfaser umlaufender Lichtstrahlen. Funktionsmäßig beruht ein solcher Faserkreisel auf dem Prinzip des Sagnac-Interferometers. Entsprechende Faserkreisel stehen ebenfalls als relativ kostengünstige Bauteile zur Verfügung. Da sie bei Betrieb nicht völlig driftfrei arbeiten, ist eine Kalibrierung erforderlich, um sicherzustellen, daß die während eines Meßvorganges aufgenommenen Meßergebnisse nicht durch Drifteffekte verfälscht werden. Anstelle eines Faserkreisels kann auch ein Laserkreisel verwendet werden, dessen Funktion ebenfalls auf dem Sagnac-Effekt beruht. Die Funktionsweise eines Faserkreisels oder Laserkreisels im einzelnen ist dem Fachmann allgemein bekannt und wird daher hier nicht näher erläutert.
Eine hinsichtlich des Wirkprinzips des Sensors abgewandelte weitere Ausführungsform sieht vor, daß der Winkelsensor ein Magnetfeldsensor ist. Das Wirkprinzip eines solchen Magnetfeldsensors kann beispielsweise darin bestehen, daß die Lage eines Dauermagneten erfaßt wird, der sich in einem durch eine Spule erzeugten Magnetfeld bewegt. Im übrigen ist der Aufbau entsprechender Magnetfeldsensoren dem Fachmann allgemein bekannt und wird daher hier nicht näher erläutert.
Darüber hinaus sind erfindungsgemäß noch weitere Sensorprinzipien verwendbar. Beispielsweise kann eine optische Sensoranordnung verwendet werden, mit der die Winkellage bzw. Winkellageänderungen des Meßkopfes optisch erfaßt werden. In diesem Zusammenhang ist es beispielsweise möglich, Winkellageänderungen des Meßkopfes mit einer elektronischen Kamera zu erfassen und die Winkellageänderungen aus deren Ausgangssignal mithilfe von Alorithmen der Bildverabeitung zu ermitteln.
Die Anordnung des Winkelsensors bzw. der Winkelsensoren ist entsprechend den jeweiligen Anforderunge innerhalb weiter Grenzen wählbar. Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht insoweit vor, daß der Winkelsensor an der Meßvorrichtung angeordnet ist.
Eine außerordentlich vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß der Winkelsensor an dem Meßkopf oder einem starr oder nahezu starr mit dem Meßkopf verbundenen Teil eines Gestänges angeordnet ist, über das der Meßkopf mit dem Grundkörper der Meßvorrichtung verbunden ist. Bei dieser Ausführungsform ist der Winkelsensor unmittelbar mit dem Meßkopf oder einem damit starr verbundenen Teil des Gestänges verbunden. Auf diese Weise ist eine größtmögliche und nicht von einem Verschleiß beispielsweise von Gelenkverbindungen eines Gestänges, das den Meßkopf mit dem Grundkörper der Meßvorrichtung verbindet, abhängige Genauigkeit bei der Erfassung von Winkellageänderungen des Meßkopfes erreicht.
Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß der Winkelsensor mit einer Auswertungseinrichtung verbunden ist, die die Winkellage bzw. Winkellageänderungen des Meßkopfes 12 relativ zu dem Prüfling in Abhängigkei von wenigstens einem Ausgangssignal des Winkelsensors ermittelt.
Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß mit der Auswertungseinrichtung ein Sensor verbunden ist, der die jeweilige Drehlage eines sich während des Meßvorganges um eine Drehachse drehenden Prüflings ermittelt. Handelt es sich bei dem Prüfling beispielsweise um eine Kurbelwelle, die sich während eines Schleifvorganges um eine Drehachse dreht, so kann mittels eines entsprechenden Drehlagensensors die jeweils momentane Drehlage der Kurbelwelle abgefühlt werden. Ein entsprechendes Signal kann dann der Auswertungseinrichtung übermittelt werden, die in Abhängigkeit von diesen Ausgangssignalen sowie den Ausgangssignalen des Winkelsensors eine eindeutige Zuordnung von Meßwerten, die mittels eines Meßtasters des Meßkopfes aufgenommen werden, zu entsprechenden Umfangsstellen der Kurbelwelle herstellt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten, stark schematisierten Zeichnung näher erläutert, in der ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung dargestellt ist. Dabei bilden alle beschriebenen, in der Zeichnung dargestellten und in den Patentansprüchen beanspruchten Merkmale für sich genommen sowie in beliebiger Kombination miteinander den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen und deren Rückbezügen sowie unabhängig von ihrer Beschreibung bzw. Darstellung in der Zeichnung.
Es zeigt:

Fig. 1: in stark schematisierter Darstellung eine Seitenansicht eines Ausführungsbei-spieles einer erfindungsgemäßen Meßvor-richtung in einer Ruheposition des Meß-kopfes,
Fig. 2A bis 2E: die Meßvorrichtung gemäß Fig. 1 in ver-schiedenen kinematischen Phasen,
Fig. 3: in gleicher Darstellung wie Fig. 1 das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 während der Bewegung des Meßkopfes in die Meßpo-sition und
Fig. 4: ein schematisches Blockschaltbild zur Verdeutlichung des Zusammenwirkens des erfindungsgemäßen Winkelsensors mit ei-ner Auswertungseinrichtung.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung 2, die zur Inprozeß-Messung an Prüflingen während eines Bearbeitungsvorganges an einer Schleifmaschine 4 dient. Die Schleifmaschine 4, die aus Gründen der Vereinfachung lediglich teilweise dargestellt ist, weist eine um eine maschinenfeste Drehachse 6 drehbare Schleifscheibe 8 auf, die zum Bearbeiten eines Prüflings dient, der bei diesem Ausführungsbeispiel durch einen Kurbelzapfen 10 einer Kurbelwelle gebildet ist.
Die Meßvorrichtung 2 weist einen Meßkopf 12 auf, der über ein Gestänge 14 um eine erste Schwenkachse 16 schwenkbar mit einem Grundkörper 18 der Meßvorrichtung 2 verbunden ist.
Die Meßvorrichtung 2 weist ferner Mittel zum Ein- und Ausschwenken des Meßkopfes 12 in eine Meßposition bzw. aus der Meßposition auf, die weiter unten näher erläutert werden.
Zunächst wird anhand von Fig. 2A der Aufbau des Gestänges 14 näher erläutert. In den Fig. 2A-2E sind aus Gründen der Übersichtlichkeit die Mittel zum Ein- und Ausschwenken des Meßkopfes 12 in die Meßposition bzw. aus der Meßposition weggelassen. Das Gestänge 18 weist ein erstes Gestängeelement 20 und ein zweites Gestängeelement 22 auf, die um die erste Schwenkachse 16 schwenkbar angeordnet sind. Mit dem der ersten Schwenkachse 16 abgewandten Ende des zweiten Gestängeelementes 22 ist um eine zweite Schwenkachse 24 schwenkbar ein drittes Gestängeelement 26 verbunden, mit dessen der zweiten Schwenkachse 24 abgewandtem Ende um eine dritte Schwenkachse 28 schwenkbar ein viertes Gestängeelement verbunden ist, das entfernt von der dritten Schwenkachse 28 um eine vierte Schwenkachse schwenkbar mit dem ersten Gestängeelement 20 verbunden ist.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind das erste Gestängeelement 20 und das dritte Gestängeelement 26 zueinander nichtparallel angeordnet, wobei der Abstand zwischen der ersten Schwenkachse 16 und der zweiten Schwenkachse 24 kleiner ist als der Abstand zwischen der dritten Schwenkachse 28 und der vierten Schwenkachse 32.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist das zweite Gestängeelement 22 einen Hebelarm 34 auf, derart, daß der Hebelarm 34 zusammen mit dem Gestängeelement 22 einen zweiarmigen Winkelhebel bildet, dessen Funktion weiter unten näher erläutert wird.
Der Meßkopf 12 ist bei diesem Ausführungsbeispiel an einem Haltearm 35 angeordnet, der mit dem vierten Gestängeelement 30, das über die vierte Schwenkachse 32 hinausgehend verlängert ist, verbunden ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Verbindung zwischen dem Haltearm 34 und dem vierten Gestängeelement 30 starr ausgeführt. Wie aus Fig. 2A ersichtlich ist, ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein den Meßkopf 12 haltendes freies Ende des Haltearmes 34 zu der ersten Schwenkachse 16 hin abgewinkelt, wobei ein mit dem vierten Gestängeelement 40 verbundener Teil des Haltearmes 34 mit dem vierten Gestängeelement 30 einen Winkel von größer 90° bildet.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Meßkopf 12 einen linear auslenkbaren Meßtaster 36 auf, der in Fig. 2a durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist. Der Meßkopf 12 weist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ferner ein Meßprisma 38 auf. Die Art und Weise, wie mittels einer Anordnung aus einem linear auslenkbaren Meßtaster 36 und einem Meßprisma 38 Rundheits- und/oder Dimensionsmessungen an einem Prüfling, insbesondere einem Kurbelzapfen einer Kurbelwelle oder einem anderen zylindrischen Bauteil ausgeführt werden, ist dem Fachmann allgemein bekannt und wird daher hier nicht näher erläutert.
Die Meßvorrichtung 2 weist ferner Mittel zum Ein- und Ausschwenken des Meßkopfes 12 auf, die an dem Gestänge 14 angreifen und anhand von Fig. 1 näher erläutert werden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die Mittel zum Ein- und Ausschwenken des Meßkopfes 12 eine Einschwenkvorrichtung 40 und eine separate Ausschwenkvorrichtung 42 auf.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Einschwenkvorrichtung 40 Federmittel auf, die bei diesem Ausführungsbeispiel eine als Druckfeder ausgebildete Feder 44 auf, die den Meßkopf 12 über das Gestänge 14 in einer in Fig. 1 durch einen Pfeil 46 symbolisierten Einschwenkrichtung beaufschlagt. Die Feder 44 ist bei diesem Ausführungsbeispiel als Druckfeder ausgebildet und stützt sich an ihrem einen Ende an dem Grundkörper 18 der Meßvorrichtung 2 und an ihrem anderen Ende an dem Hebelarm 34 ab, so daß die Feder 44 den Hebelarm 34 in Fig. 1 entgegen dem Uhrzeigersinn und damit den Meßkopf 12 mittels des Gestänges 14 in der Einschwenkrichtung 46 beaufschlagt und zu bewegen sucht.
Die Ausschwenkvorrichtung 42 weist bei diesem Ausführungsbeispiel einen Hydraulikzylinder 48 auf, dessen Kolben an seinem freien Ende mit dem Grundkörper 18 der Meßvorrichtung 2 verbunden ist. Mit der Kolbenstange 50 des Hydraulikzylinders 48 ist eine bei diesem Ausführungsbeispiel als Kniehebel ausgebildete Hebelanordnung 42 verbunden, dessen der Kolbenstange 50 abgewandtes freies Ende zu der ersten Schwenkachse 16 exzentrisch mit einem einarmigen Hebel 54 verbunden ist, der zu der Schwenkachse 16 koaxial gelagert ist. Der Hebel 54 weist an seinem freien Ende einen in die Zeichenebene hinein verlaufenden Zapfen 56 auf, der das erste Gestängeelement 20 lose beaufschlagt, so daß der Hebel 54 bei einer Bewegung in einer Ausschwenkrichtung, die in der Zeichnung einer Bewegung im Uhrzeigersinn entspricht, als Mitnehmer für das erste Gestängeelement 20 fungiert.
Zum Abfühlen der jeweiligen Position des Meßkopfes 12 sind Sensormittel vorgesehen, die mit Steuerungsmitteln zur Steuerung der Einschwenkvorrichtung 40 und der Ausschwenkvorrichtung 42 in Wirkungsverbindung stehen.
Die Auswertung von Meßwerten, die mittels des Meßtasters 36 während eines Meßvorganges aufgenommen werden, erfolgt mittels einer Auswertungseinrichtung eines Auswertungsrechners. Die Art und Weise, wie entsprechende Meßwerte ausgewertet werden, ist dem Fachmann allgemein bekannt und wird daher hier nicht näher erläutert.
Erfindungsgemäß ist dem Meßkopf 12 ein Winkelsensor 55 zugeordnet zur Erfassung der Winkellage des Meßkopfes 12 und insbesondere von Winkellageänderungen des Meßkopfes 12 relativ zu dem Prüfling (Kurbelzapfen 10). Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Winkelsensor 55 an der Meßvorrichtung 2 angeordnet. Im einzelnen ist der Winkelsensor 55 mit dem Haltearm 35 und damit mit einem mit dem Meßkopf 12 starr oder nahezu starr verbundenen Teil des Gestänges 18 verbunden.
Bei dem Winkelsensor 55 handelt es sich um einen maschinenreferenzfrei arbeitenden Sensor, der bei diesem Ausführungsbeispiel durch einen Beschleunigungssensor gebildet ist, der die statische Beschleunigung des Meßkopfes 12 anhand der Erdbeschleunigung ermittelt. Der Neigungssensor kann beispielsweise auf einem kommerziell erhältlichen sogenannten Accelerometer basieren, wie es beispielsweise unter der Bezeichnung ADXL 322 von der Firma Analog Devices (www.analog.com) erhältlich ist. Eine entsprechende elektronische Schaltung ermittelt zweiachsig in X- und Y-Richtung die statische Beschleunigung. Hierbei kann die jeweilige Winkellage des Meßkopfes 12 und damit auch Winkellageänderungen entweder durch Auswertung des Ausgangssignales für nur eine Meßrichtung beispielsweise über eine Arcussinus-Beziehung oder aber über Auswertung beider Meßrichtungen über eine Arcustangens-Beziehung ermittelt werden.
Da im Ergebnis die Winkellage und damit auch Winkellageänderungen des Meßkopfes 12 nicht über eine durch die Meßvorrichtung 2 oder die Schleifmaschine definierte Referenz ermittelt werden, beeinträchtigen Änderungen der Kinematik, die sich beispielsweise aus einem Verschleiß von Bestandteilen des Gestänges 18 ergeben, die Meß- bzw. Auswertungsgenauigkeit nicht. Gleichermaßen beeinträchtigt es die Auswertung nicht, wenn sich ein Bauteil der Schleifmaschine 4, an dem die erfindungsgemäße Meßvorrichtung 2 angeordnet ist, während des Schleifvorganges bewegt.
Referenz für die Winkelmessung ist somit erfindungsgemäß bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ausschließlich das Gravitationsfeld der Erde. Falls sich das Maschinenbett der Schleifmaschine 4 während des Schleifvorganges bewegt, beispielsweise aufgrund einer elastischen Lagerung, so können entsprechende Bewegungen über einen zweiten Winkelsensor gemessen werden. Bei der Auswertung kann der von dem Winkelsensor 55 gemessene Winkel durch einfache Differenzbildung entsprechend korrigiert werden.
Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung 2 ist wie folgt:

In der in Fig. 1 und Fig. 2A dargestellten Ruheposition befindet sich der Meßkopf 12 außer Eingriff von dem Kurbelzapfen 10. In dieser Ruheposition ist der Hydraulikzylinder 48 stillgesetzt, so daß eine Bewegung des Hebelarmes 34 in Fig. 1 entgegen dem Uhrzeigersinn, die die Druckfeder 44 zu bewirken sucht, blockiert ist.

Zum Einschwenken des Meßkopfes 12 in der Einschwenkrichtung 46 wird der Hydraulikzylinder 48 derart betätigt, daß seine Kolbenstange 50 in Fig. 1 nach rechts ausfährt. Beim Ausfahren der Kolbenstange 50 drückt die Feder 44 gegen den Hebelarm 34, so daß der Hebelarm 34 in Fig. 1 entgegen dem Uhrzeigersinn verschwenkt wird. Da der Hebelarm 34 drehfest mit dem zweiten Gestängeelement 22 verbunden ist, wird hierbei das zweite Gestängeelement 22 und damit das gesamte Gestänge 14 in Fig. 1 entgegen dem Uhrzeigersinn verschwenkt.
Fig. 2B zeigt den Meßkopf 12 in einer Position zwischen der Ruheposition und der Meßposition.
Beim Erreichen einer vorgegebenen, in Fig. 2C dargestellten Winkellage läuft der Hebelarm 34 auf einen Anschlag 56, wobei beim Auflaufen des Hebelarmes 34 auf den Anschlag 56 ein Steuerungssignal an die Steuermittel übermittelt wird, aufgrund dessen der Hydraulikzylinder 48 stillgesetzt wird. Fig. 2C zeigt den Meßkopf 12 in einer Suchposition, in der er sich noch nicht in Kontakt mit dem Kurbelzapfen 10 befindet.
Fig. 2D zeigt den Meßkopf 12 in seiner Meßposition, in der er sich in Kontakt mit dem Kurbelzapfen 10 befindet.
Fig. 2E entspricht Fig. 2C, wobei der Meßkopf 12 in seiner Suchposition im Bezug auf einen Kurbelzapfen 10' größeren Durchmessers dargestellt ist.
Fig. 3 zeigt die Meßvorrichtung 2 in der Suchposition des Meßkopfes 12, die auch in Fig. 2C dargestellt ist. Wie sich aus einem Vergleich von Fig. 1 mit Fig. 3 ergibt, wird der Hebel 54 mittels der Hebelanordnung 42 beim Ausfahren der Kolbenstange 50 des Hydraulikzylinders 48 in Fig. 1 entgegen dem Uhrzeigersinn verschenkt, bis die in Fig. 3 dargestellte Winkellage des Hebels 54 erreicht ist. Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, ist in dieser Winkellage die Rolle 56 in Umfangsrichtung der ersten Drehachse 16 zu dem ersten Gestängeelement 20 beabstandet, so daß sich das erste Gestängeelement 20 und damit das gesamte Gestänge 14 unter der Wirkung der Gewichtskraft des Meßkopfes 12 einschließlich Haltearm 34 und der von der Feder 44 ausgeübten Druckkraft frei bewegen kann. In der Meßposition (vgl. Fig. 2D) liegt der Meßkopf 12 an dem Kurbelzapfen 10 an, wobei der Meßkopf Orbitaldrehungen des Kurbelzapfens 10 um die Kurbelwelle während des Schleifvorganges nachvollzieht. Hierzu ist der Grundkörper 18 der Meßvorrichtung 2 verschiebefest mit einer Halterung der Schleifscheibe 8 verbunden, so daß die Meßvorrichtung 2 translatorische Bewegungen der Schleifscheibe 8 in Radialrichtung der Drehachse 6 nachvollzieht.
Während des Kontaktes des Meßkopfes 12 mit dem Kurbelzapfen 10 nimmt der Meßtaster 36 Meßwerte auf, anhand derer in dem dem Meßtaster 36 nachgeordneten Auswertungsrechner die Rundheit und/oder der Durchmesser des Kurbelzapfens beurteilt werden können. Ist beispielsweise ein bestimmtes Maß des Durchmessers erreicht, so wird die Schleifscheibe 8 außer Eingriff von dem Kurbelzapfen 10 gebracht.
Um den Meßkopf 12 nach Beendigung der Messung entgegen der Einschwenkrichtung 46 auszuschwenken, steuert die Steuerungseinrichtung den Hydraulikzylinder 48 derart an, daß sich seine Kolbenstange 50 in Fig. 3 nach links bewegt. Hierbei wird der Hebel 54 mittels der Hebelanordnung 42 in Fig. 3 im Uhrzeigersinn verschwenkt. Solange die Rolle 56 in Umfangsrichtung der ersten Schwenkachse 16 zu dem ersten Gestängeelement 20 beabstandet ist, bleibt der Meßkopf 12 zunächst in der Meßposition. Gelangt die Rolle 56 bei einem weiteren Verschwenken des Hebels 54 in Fig. 3 im Uhrzeigersinn um die Schwenkachse 16 an dem ersten Gestängeelement 20 zur Anlage, so fungiert der Hebel 54 bei einem weiteren Verschwenken im Uhrzeigersinn als Mitnehmer und nimmt das erste Gestängeelement 20 und damit das gesamte Gestänge 14 im Uhrzeigersinn mit, so daß der Meßkopf entgegen der Einschwenkrichtung 46 ausgeschwenkt wird, bis die in Fig. 1 dargestellte Ruheposition erreicht ist.
Während des Meßvorganges bewegt sich der Meßkopf in Umfangsrichtung des Kurbelzapfens 10 mit einem Winkelhub, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel etwa -7° und +5°, also insgesamt 12° beträgt.
In den Figuren der Zeichnung sind gleiche bzw. sich entsprechende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren 2A bis 2E zeigen eine konstruktiv leicht abgewandelte Variante des Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 1 und Fig. 3, die hinsichtlich des erfindungsgemäßen Grundprinzipes jedoch mit dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 und Fig. 3 übereinstimmt.
Die Orbitaldrehungen des Kurbelzapfens 10 um die Drehachse der Kurbelwelle werden mittels eines Drehlagensensors 57 erfaßt, der der Drehachse der Kurbelwelle zugeordnet ist.
Würde sich die Winkellage des Meßkopfes 12 relativ zu dem Kurbelzapfen 10 während des Meßvorganges nicht verändern, so entsprächen zeitlich äquidistant von dem Meßtaster 36 des Meßkopfes 12 aufgenommene Meßwerte in Umfangsrichtung äquidistanten Umfangsstellen des Kurbelzapfens 10. Aufgrund der Winkellagenänderung des Meßkopfes 12 entsprechen bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Meßvorrichtung 2 die zeitlich äquidistant aufgenommenen Meßwerte nicht in Umfangsrichtung äquidistanten Umfangsstellen des Kurbelzapfens 10. Vielmehr sind sie entsprechend der Winkellagenänderung verschoben. Die Korrektur bzw. Kompensation dieser Verschiebung vollzieht sich erfindungsgemäß wie folgt:

Ausgehend von einer Ausgangslage, in der der Meßkopf 12 relativ zu dem Kurbelzapfen 10 eine vorbestimmte Drehlage hat, nimmt der Meßtaster der Meßkopfes 12 während der Orbitaldrehung des Kurbelzapfens 10 um die Drehachse der Kurbelwelle fortlaufend, insbesondere zeitlich äquidistant, Meßwerte auf, die einer Auswertungseinrichtung zugeführt werden.

In Fig. 4 ist die Auswertungseinrichtung schematisch dargestellt und mit dem Bezugszeichen 58 bezeichnet. Der Meßtaster 36 ist in Fig. 4 ebenfalls schematisch dargestellt.
Während des Meßvorganges ändert sich die Winkellage des Meßkopfes 12 relativ zu dem Kurbelzapfen 10, wobei die zugehörigen Winkellageänderungen über den Winkellagensensor 53 erfaßt werden, dessen Ausgangssignale der Auswertungseinrichtung 58 zugeführt werden. Die Ausgangssignale des Drehlagensensors 57, der der Drehachse der Kurbelwelle zugeordnet ist, werden ebenfalls der Auswertungseinrichtung 58 zugeführt, wie in Fig. 4 dargestellt.
Anhand der so hochgenau und maschinenreferenzfrei ermittelten Winkellageänderungen korrigiert die Auswertungseinrichtung 58 die Zuordnung der zeitlich äuquidistant aufgenommenen Meßwerte des Meßtasters 60 dahingehend, daß diese Meßwerte lagerichtig den Umfangsstellen des Kurbelzapfens 10 zugeordnet werden.
Da die Ermittlung der Winkellagenänderung des Meßkopfes relativ zu dem Prüfling maschinenreferenzfrei und absolut erfolgt, ist die Genauigkeit der Korrektur nicht mehr davon abhängig, inwieweit die durch das Gestänge 18 vorgegebene Kinematik des Meßkopfes 12 während des Meßvorganges einer angenommenen Kinematik entspricht. Einer Abweichung der tatsächlichen Kinematik von der angenommenen Kinematik, beispielsweise aufgrund eines Verschleißes von Bestandteilen des Gestänges 18, beeinflußt diese Korrektur und damit im Ergebnis die Meßgenauigkeit nicht.

Claims

Meßvorrichtung, insbesondere zur Inprozeß-Messung an Prüflingen während eines Bearbeitungsvorganges an einer Bearbeitungsmaschine, insbesondere einer Schleifmaschine,
mit einem Meßkopf, der relativ zu einem Grundkörper der Meßvorrichtung zwischen einer Ruheposition und einer Meßposition, in der sich der Meßkopf in Meßkontakt mit dem Prüfling befindet, beweglich ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß dem Meßkopf (12) ein maschinenreferenzfrei arbeitender Winkelsensor (55) zugeordnet ist zur Erfassung der Winkellage des Meßkopfes (12), insbesondere von Winkellageänderung des Meßkopfes (12) relativ zu dem Prüfling, während eines Meßvorganges.
Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkelsensor (55) ein Neigungssensor ist.
Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkelsensor (55) ein Beschleunigungssensor ist.
Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkelsensor (55) einen Faserkreisel aufweist.
Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkelsensor (55) ein Magnetfeldsensor ist.
Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkelsensor (55) an der Meßvorrichtung (2) angeordnet ist.
Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkelsensor (55) an dem Meßkopf (12) oder einem starr oder nahezu starr mit dem Meßkopf (12) verbundenen Teil eines Gestänges (14) angeordnet ist, über das der Meßkopf (12) mit dem Grundkörper (18) der Meßvorrichtung verbunden ist.
Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkelsensor (55) mit einer Auswertungseinrichtung (58) verbunden ist, die die Winkellage des Meßkopfes (12) relativ zu dem Prüfling in Abhängigkeit von wenigstens einem Ausgangssignal des Winkelsensors (55) ermittelt.
Meßvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Auswertungseinrichtung (58) ein Sensor (57) verbunden ist, der die jeweilige Drehlage eines sich während eines Meßvorganges um eine Drechachse drehenden Prüflings ermittelt.