WO1986001885A1 - Method and device for measuring a workpiece - Google Patents

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WO1986001885A1
WO1986001885A1 PCT/CH1985/000107 CH8500107W WO8601885A1 WO 1986001885 A1 WO1986001885 A1 WO 1986001885A1 CH 8500107 W CH8500107 W CH 8500107W WO 8601885 A1 WO8601885 A1 WO 8601885A1
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Gerhard Staufert
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Gerhard Staufert
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    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B5/00—Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques
    • G01B5/20—Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques for measuring contours or curvatures
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    • G—PHYSICS
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    • G01B5/00—Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques
    • G01B5/08—Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques for measuring diameters

Definitions

  • the invention relates to a method for measuring a workpiece according to the preamble of claim 1 and a device for carrying out the method according to the preamble of claim 5.
  • the multi-position measuring devices known today - which allow the actual workpiece geometry to be recorded relative to a setting masterpiece - enable the simultaneous recording of numerous measuring points and the mathematical linking of the measured values to so-called measuring functions the extremely fast control of complex workpieces.
  • the measuring sensors used generally have a high measuring resolution (0.0001 mm) with a short measuring path (- 1 mm) and offer a very favorable price-performance ratio. This makes it possible to use a multi-point measuring device optimize the use of the optimal number of sensors also in the price. Since the transducers and the devices used are very robust, such devices can be used to achieve high-precision measurements, even in the normally unfavorable environmental conditions in the immediate vicinity of the production machines.
  • kits are also known with which such measuring devices can be constructed from individual elements. However, this structure is also time-consuming. This means that such devices can only be used in large series and that their integration into automated production systems is difficult.
  • 3-coordinate measuring devices are known. These devices are characterized in that a measuring sensor can be moved in 3 coordinate directions to any location on the workpiece to be measured. The measurements are carried out relative to the axis-specific measuring rulers, ie absolutely with regard to the workpiece to be tested. In principle, any number of measuring points can be measured and processed in any position.
  • measuring devices are precision devices that only achieve their full accuracy in air-conditioned rooms with cleaned air. If, nevertheless, they are to be used directly integrated in the production, they have to they are specially encapsulated - which makes the devices, which are not cheap, even more expensive - or you have to be satisfied with low measuring accuracy.
  • the object of the invention is to combine the advantages of the two measurement methods mentioned without having to accept their disadvantages. Accordingly, it should be made possible to quickly detect large dimensional differences with inexpensive sensors despite their greatly restricted measuring range and, moreover, to allow a quick changeover to a new workpiece.
  • This object is achieved with the characterizing features of claims 1 " and 6.
  • the workpiece to be measured is therefore not measured directly, but with the sensor using a transmitter.
  • the transmitters are expediently slidable rods along their axis. Taken together, the rear ends of these rods form a reference line or a reference surface with respect to a masterpiece. If a workpiece to be measured is then inserted into the measuring device, there are deviations from the reference line or surface at the rear rod ends, which exactly reflect the workpiece errors.
  • the number of sensors corresponds at least to the number of transmitters, all measuring points can be measured simultaneously. This results in short cycle times as with the known multi-position measuring devices.
  • the measuring points can be scanned considerably faster than with the 3-coordinate measuring method.
  • the transmitters can be made very small in at least one dimension, so that measuring points can be taken over in a correspondingly dense sequence. Since the entire structure can be made very robust in spite of the small dimensions and since the measuring results can be approximately independent of temperature and air pollution with simple means, such a device is best suited for the workshop environment.
  • the transmission linkages can be designed on their surfaces facing the measuring sensors in such a way that the selected measuring method gives the best possible results. For example, it is possible to make these surfaces reflective in order to be able to use optical measuring methods in an optimal manner, which often cannot be used in conventional multi-point measuring methods due to unfavorable workpiece properties or surfaces.
  • the transmission linkages for a specific workpiece geometry can be put together to form a magazine tool. If the basic device is then built in such a way that different transmission linkage tools and a wide variety of workpieces can be exchanged automatically, a very short changeover time can be achieved by means of a corresponding tool changer and thus the ability to integrate such a system into flexible production systems with a rapidly changing workpiece sequence and possible with short cycle times.
  • Fig. 3 shows a carrier in the floor plan.
  • FIGS. 1 and 2 The invention is illustrated in FIGS. 1 and 2 with reference to the measurement of a rotating body 2.
  • Four measuring points are provided, namely three diameter measurements and one length measurement.
  • the position of the measuring points is determined by a transmission linkage 8 on a measuring sensor 4 transfer.
  • the transmission linkages are three in one.
  • Carrier 10 axially displaceably mounted rods 8a-c and a two-armed lever 8d which is pivotably mounted in the carrier 10 on a pin 16.
  • a transducer 4a-d is assigned to each transmission linkage 8a-d.
  • the sensors 4a-c are permanently installed in a holder 6. Your probes 12 are in the neutral position of the transducers 4a-c in a straight line. The four measured values can be recorded here simultaneously.
  • a single measuring transducer 4 is mounted on a rod 18 which can be displaced longitudinally in bearings 6 *.
  • the measured values are sampled one after the other, and in addition to the probe 12, another probe 14 determines the position of the measuring sensor 4 relative to a measuring ruler 20 in order to compensate for inaccuracies and play in the rod 18.
  • Both embodiments can be calibrated by measuring an adjustment masterpiece before measuring the workpiece 2. If the position of the probe 12 relative to the axis of symmetry 3 of the workpiece 2 in the neutral position the measuring sensor 4 is exactly known, however, the measurement of the length of the transmission rods 8a-c is also sufficient to correct the measured values determined with the measuring sensors 4.
  • the carrier 10 is assembled from a carrier element 10a-d per transmission linkage 8a-d and intermediate pieces 11a-c.
  • the measurement of an axial section of a rotating body ie the measurement in one plane
  • the spatial measurement of a workpiece can be reduced in an analogous manner to the measurement of deviations from one plane, in one embodiment analogous to FIG. using a cross slide.

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
  • A Measuring Device Byusing Mechanical Method (AREA)

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Vermessen eines Werkstückes
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vermessen eines Werkstückes gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 5.
Die heute bekannten Mehr-Stellen-Messgeräte - die eine Er¬ fassung der Ist-Werkstück-Geometrie relativ zu einem Ein- stell-Meisterstück erlauben - ermöglichen durch die gleich¬ zeitige Aufnahme zahlreicher Messstellen und die mathemati¬ sche Verknüpfung der Messwerte zu sogenannten Messfunktionen die extrem schnelle Kontrolle komplexer Werkstücke. Die ver¬ wendeten Messaufnehmer weisen in der Regel eine hohe Mess¬ auflösung (0,0001 mm) bei einem kleinen Messweg (- 1 mm) auf und bieten ein sehr günstiges Preisleistungsverhältnis. Da¬ durch ist es möglich, ein Mehrstellen-Messgerät durch Ver- wendung der optimalen Anzahl Messaufnehmer auch im Preis zu optimieren. Da die Aufnehmer und die verwendeten Vorrichtun¬ gen sehr robust sind, lassen sich mit solchen Geräten Mes¬ sungen hoher Genauigkeit auch bei den normalerweise un¬ günstigen Umgebungsbedingungen in unmittelbarer Nähe der Fertigungs-Maschinen erzielen.
Die allgemeine Anwendbarkeit solcher Geräte wird -durch zwei Tatsachen eingeschränkt:
- Durch die Dimension der Messaufnehmer wird die Aufnahme sehr nahe beieinander liegender Messpunkte verunmöglicht, was in einzelnen Fällen die Lösung der Messaufgabe er¬ schwert oder verunmöglicht.
- Für jedes neue Werkstück ist eine neue MessVorrichtung notwendig, deren Herstellung normalerweise teuer und deren Einrichtung meist mit grossem Zeitaufwand verbun¬ den ist. Es sind auch Bausätze bekannt, mit welchen sich solche Messvorrichtungen aus Einzelelementen auf¬ bauen lassen. Dieser Aufbau ist jedoch ebenfalls zeit¬ aufwendig. Dies bedeutet, dass solche Geräte nur bei grossen Serien eingesetzt werden können, und dass ihre Integrierbarkeit in automatisierte Fertigungssysteme er¬ schwert ist. Anderseits sind 3-Koordinaten-Messgeräte bekannt. Diese Ge¬ räte zeichnen sich dadurch aus, dass ein Messaufnehmer in 3 Koordinaten-Richtungen an jeden beliebigen Ort auf dem zu vermessenden Werkstück gefahren werden kann. Die Messungen werden relativ der achseigenen Mess-Lineale, d.h. absolut bezüglich des zu prüfenden Werkstückes durchgeführt. Vom Prinzip her können beliebig viele Messpunkte in beliebig dichter Lage gemessen und verarbeitet werden. Mit den geeig¬ neten mathematischen Methoden (Ausgleichs-Rechnung) lassen sich dann extrem aussagefähige Interpretationen der Werk¬ stückfehler erarbeiten. Da die Geräte von CNC gesteuert sind, lassen sie sich problemlos in flexible Fertigungssysteme integrieren. Die "Umrüstung" auf ein anderes Werkstück er¬ folgt hauptsächlich durch die Eingabe eines neuen Messprog- ra mes, was natürlich auch automatisch durch den Leitrechner der flexiblen Fertigungs-Anlage erfolgen kann.
Die allgemeine Anwendbarkeit der 3-Koordinaten-Messgeräte wird durch folgende Tatsachen eingeschränkt:
- 3-Koordinaten-Messgeräte sind Präzisionsgeräte, die nur in klimatisierten Räumen mit gereinigter Luft ihre volle Ge¬ nauigkeit erreichen. Wenn sie trotzdem unmittelbar inte¬ griert in die Fertigung eingesetzt werden sollen, müssen sie speziell gekapselt werden - was die an sieht nicht billigen Geräte weiter verteuert - , oder man muss sich mit geringer Messgenauigkeit zufrieden geben.
- Da der Messtaster für jeden einzelnen Messpunkt in 3 Ko¬ ordinaten-Richtungen neu positioniert werden muss, erge¬ ben sich schon bei relativ wenigen Messpunkten lange Mess¬ zeiten. Diese Tatsache verunmöglicht den Einsatz dieser Geräte bei der Fertigung von Werkstücken mit kurzen Tatk- zeiten, wenn nicht auf eine 100% Kontrolle verzichtet wer¬ den kann.
- Da die Messwertaufnehmer einen grossen Messweg mit einer hohen Messauflösung kombinieren müssen, sind sie sehr teuer.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vorteile der beiden genannten Messverfahren zu vereinigen, ohne deren Nachteile in Kauf nehmen zu müssen. Es soll demnach ermög¬ licht werden, mit preiswerten Messaufnehmern trotz ihres stark eingeschränkten Messbereichs, grosse Dimensionsunter¬ schiede schnell zu erfassen und darüberhinaus eine schnelle Umrüstung auf ein neues Werkstück zu erlauben. Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1 "und 6 gelöst. Das zu vermessende Werkstück wird also nicht direkt, sondern über Transmitter mit dem Messaufnehmer vermessen. Zweckmäs- sig sind die Transmitter längs ihrer Achse verschiebbare Stangen. Die hinteren Enden dieser Stangen bilden zusammen¬ genommen bezüglich eines Meisterwerkstückes eine Bezugs- Linie oder eine Bezugs-Fläche. Wird danach ein zu messendes Werkstück in die Messvorrichtung eingelegt, so ergeben sich an den hinteren Stangenenden Abweichungen von der Bezugs- Linie bzw. -Fläche, die die Werkstückfehler genau wieder¬ geben.
Wenn die Anzahl der Messaufnehmer mindestens der Anzahl der Transmitter entspricht, können alle Messstellen gleichzeitig vermessen werden. Dies ergibt ebenso kurze Taktzeiten wie bei den bekannten Mehrstellen-Messgeräten.
Anderseits ist es auch möglich, einen einzigen Messaufnehmer entlang einer vorgegebenen Linie zu verfahren und dabei die Stellung der Transmitter nacheinander abzutasten. Weil dabei keine hohen Anforderungen an die Positionierungsgenauig¬ keit des Messaufnehmers längs der Linie gestellt werden müs¬ sen, können die Messstellen erheblich rascher als beim 3- Koordinaten-Messverfahren abgetastet werden. Die Transmitter können mindestens in einer Dimension sehr klein gebaut wer¬ den, so dass Messpunkte in entsprechend dichter Folge über¬ nommen werden können. Da der ganze Aufbau trotz der kleinen Dimensionen sehr robust gestaltet werden kann und da mit ein¬ fachen Mitteln eine annähernde Unabhängigkeit der Messresul¬ tate von Temperatur und Luftverschmutzung erreicht werden kann, ist ein solches Gerät für die Werkstatt-Umgebung be¬ stens geeignet.
Es ist aber auch möglich, die beiden oben beschriebenen Va¬ rianten zu kombinieren und mit einigen wenigen Messaufneh¬ mern eine Vielzahl von Messstellen nacheinander abzutasten. Dies ergibt verkürzte Taktzeiten gegenüber der Messung mit einem einzigen Aufnehmer.
Die Uebertragungsgestänge können an ihren den Messaufnehmern zugewendeten Flächen so ausgebildet werden, dass das gewähl¬ te Messverfahren bestmögliche Resultate ergibt. So ist es z.B. möglich, diese Flächen spiegelnd zu gestalten, um opti¬ schen Messverfahren in optimaler Weise einsetzen zu können, welche bei herkömmlichen Mehrstellen-Messverfahren wegen un¬ günstiger Werkstückeigenschaften oder -Oberflächen häufig nicht einsetzbar sind. Die Uebertragungsgestänge für eine bestimmte Werkstück-Geo¬ metrie können zu einem magazinierbaren Werkzeug zusammenge¬ stellt werden. Wird dann die Grundvorrichtung so gebaut, dass unterschiedliche Uebertragungsgestänge-Werkzeuge und unterschiedlichste Werkstücke automatisch ausgewechselt werden können, so ist mittels eines entsprechenden Werkzeug- Wechslers eine sehr kurze Umrüstzeit erreichbar und damit die Integrierbarkeit einer solchen Anlage in flexible Fer¬ tigungssysteme mit rasch wechselnder Werkstückfolge und mit kurzen Taktzeiten möglich.
Kachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand beiliegender Zeichnung erläutert. Darin zeigt:
Fig. 1 und 2 einen Längsschnitt durch je ein Ausführungs¬ beispiel, und
Fig. 3 einen Träger im Grundriss.
In den Figuren 1 und 2 ist die Erfindung anhand der Ver¬ messung eines Drehkörpers 2 veranschaulicht. Es sind vier Messstellen vorgesehen, und zwar drei Durchmesser-Messungen und eine Längenmessung. Die Position der Messstellen werden durch je ein Uebertragungsgestänge 8 auf einen Messaufnehmer 4 übertragen. Dabei sind die Uebertragungsgestänge drei in ei¬ ne-. Träger 10 achsial verschiebbar gelagerte Stangen 8a - c sowie ein im Träger 10 auf einem Stift 16 schwenkbar gela¬ gerter zweiarmiger Hebel 8d.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 ist jedem Uebertragungs¬ gestänge 8a - d ein Messaufnehmer 4a - d zugeordnet. Die Messaufnehmer 4a - c sind in einem Halter 6 fest eingebaut. Ihre Messtaster 12 liegen in Neutralstellung der Messaufneh- εr 4a - c in gerader Linie. Die vier Messwerte können hier gleichzeitig erfasst werden.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist ein einziger Messauf- neh er 4 auf einer in Lagern 6 * längsverschiebbaren Stange 18 montiert. Hier werden die Messwerte nacheinander abge¬ tastet, wobei nebst dem Messtaster 12 ein weiterer Taster 14 die Stellung des Messaufnehmers 4 gegenüber einem Mess¬ lineal 20 ermittelt, um Ungenauigkeiten und Spiel der Stange 18 zu kompensieren.
Beide Ausführungsformen können geeicht werden, indem vor der Vermessung des Werkstückes 2 ein Einstell-Meisterstück vermessen wird. Wenn die Stellung der Messtaster 12 relativ zur.Symmetrieachse 3 des Werkstückes 2 in Neutralstellung der Messaufnehmer 4 genau bekannt ist, reicht jedoch auch die Messung der Länge der UebertragungsStangen 8a - c zur Korrektur der mit den Messaufnehmern 4 ermittelten Messwerte.
Zur Umstellung auf ein Werkstück mit einer anderen Geometrie braucht nun bloss der Träger 10 mit den Uebertragungsgestän- gen 8a - d ausgewechselt zu werden, beispielsweise mittels eines aus dem Werkzeugmaschinenbau bekannten automatischen Werkzeugwechslers. Da die Messgenauigkeit bei den Ueber- tragungsstangen 8a - c kaum von der exakten Positionierung des Trägers 10 abhängt, ist nicht nach jedem Wechsel eine neue Eichung nötig, so dass in rascher Folge verschieden¬ artige Werkstücke vermessen werden können. Die Positionierung des Trägers 10 hat zwar einen Einfluss auf die Stellung des üebertragungshebels 8d, doch sind die Anforderungen an die Genauigkeit der Längenmessung häufig um eine Grössenordnung geringer als jene an die Genauigkeit der Durchmessermessung.
Falls die achsiale Abstufung der Messstellen bei verschie¬ denen Werkstücken unterschiedlich ist, können bei der Aus¬ führungsform nach Fig. 1 zusätzliche Messaufnehmer 4 im Halter 6 angebracht sein. Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 wird die Bewegung der Stange 18 entsprechend umprogrammiert. Gemäss Fig. 3 ist der Träger 10 aus je einem Trägerelement 1Oa - d pro Uebertragungsgestänge 8a - d sowie Zwischenstük- ken 11a - c zusammengebaut.
Bei den Ausführungsformen nach Fig. 1 und 2 wird die Ver¬ messung eines Achsialschnittes eines Rotationskörpers, also die Vermessung in einer Ebene, durch die Uebertragungsge¬ stänge auf die Vermessung von Abweichungen von einer gera¬ den Linie reduziert. In analoger Weise lässt sich die räum¬ liche Vermessung eines Werkstückes auf die Vermessung von Abweichungen von einer Ebene reduzieren, wobei bei einer Ausführungsform analog Fig. 2 beispielsweise der Messaufneh¬ mer 4 längs einer Ebene geführt wird, z.B. mittels eines Kreuzschlittens. Es ist jedoch auch möglich, mehrere längs einer Achse geführte Messaufnehmer 4 nebeneinander anzuordnen.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zum Vermessen der Geometrie eines Werk¬ stückes, bei welchem mehrere Messstellen des Werkstückes mit mindestens einem Messaufnehmer vermessen werden, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass die Position jeder Messstelle durch je einen vom Messaufnehmer unabhängigen Transmitter auf den Messaufnehmer übertragen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich¬ net, dass für jeden Transmitter ein Messaufnehmer angeordnet wird, und dass die Messwerte für alle Messstellen gleichzei¬ tig gemessen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich¬ net, dass ein oder mehrere Messaufnehmer entlang einer bzw. je einer vorgegebenen Linie verfahren wird bzw. werden und die Messstellen über die Transmitter nacheinander mit die¬ sem Messaufnehmer bzw. diesen Messaufnehmern vermessen wer¬ den. W
- 12 -
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Vermessen des Werk¬ stückes ein Einstell-Meisterstück vermessen wird, dass die Messwerte dieses Meisterstückes gespeichert werden, und dass anschliessend bei der Vermessung des Werkstückes dessen Messwerte mit den gespeicherten Messwerten verglichen werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Vermessen des Werk¬ stückes die Transmitter vermessen werden, und dass beim Ver¬ messen des Werkstückes die Messwerte anhand der gespeicher¬ ten Daten korrigiert werden.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einem Halter (6) für den bzw. die Messaufnehmer (4) , dadurch gekennzeichnet, dass ein Träger (10) für die als Uebertragungsgestänge (8) ausge¬ bildeten Transmitter gegenüber dem Halter (6) austauschbar angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Uebertragungsgestänge (8) im Träger (10) ein Messauf¬ nehmer (4) im Halter (6) zugeordnet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Messaufnehmer (4) im Halter (6) verschiebbar angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (10) aus je einem Trägerelement (10a - d) pro Uebertragungsgestänge (8) be¬ steht, und dass die Trägerelemente vorzugsweise miteinander verbunden sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wechselvorrichtung zum Auswechseln des Trägers (10) vorgesehen ist.
PCT/CH1985/000107 1984-09-21 1985-07-04 Method and device for measuring a workpiece WO1986001885A1 (en)

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CH453984A CH664012A5 (de) 1984-09-21 1984-09-21 Verfahren und vorrichtung zum vermessen eines werkstueckes.
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CH664012A5 (de) 1988-01-29
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