DE4134690C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Form, Größe und Raumlage koaxialer Rotationsflächen und dazu senkrechter Stirnflächen an walzenförmigen Werkstücken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Form, Größe und Raumlage koaxialer Rotationsflächen und dazu senkrechter Stirnflächen an walzenförmigen Werkstücken und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Eine präzise Messung von Form, Größe und Raumlage koaxia­ ler Rotationsflächen an walzenförmigen Werkstücken setzt voraus, daß an den betreffenden Werkstücken sehr genau die Zylinderform bzw. die Zylinderformabweichung bestimmt werden kann. Dazu ist es erforderlich, Punkte der Werk­ stückoberfläche in mehreren Schnitten zu erfassen und in einem einheitlichen Koordinatensystem auszuwerten.

Bei der schnittweisen Aufnahme von Meßpunkten ist zu be­ achten, daß in jedem Schnitt die exakte Form des Profils in Umfangsrichtung, auch bei teilweise unterbrochenem Profil, maßstabsgetreu ermittelt wird. Maßstabsdifferenzen zwischen den einzelnen Schnitten führen zu Fehlern bei der Bestimmung der Zylinderform.

Allein aus den Formabweichungen und Exzentrizitäten oder aus Durchmesserabweichungen und den Exzentrizitäten ver­ schiedener Schnitte eines Zylinders kann nicht auf die Formabweichung des Zylinders geschlossen werden. Das Hauptproblem bei der Messung großer Zylinder liegt darin, daß schnittindividuell unterschiedliche Abweichungen bei der Bestimmung des Abstandes eines die Oberfläche des Zylinders erfassenden Sensors von einer werkstückfesten Referenzachse als Fehler erster Ordnung in die Bestimmung der Zylinderform eingehen, diese Abweichungen aber mit den bekannten Verfahren nicht genau genug erfaßbar sind bzw. keine ausreichend langzeitstabilen Führungen zur sicheren Positionierung der Sensoren innerhalb großer Meßbereiche mit einer zulässigen Positionsabweichung in Meßrichtung des Sensors von Bruchteilen eines Mikrometers zur Verfü­ gung stehen.

Die Messung des Maßes, der Form und der Lage koaxialer Rotationsflächen und dazu senkrechter Stirnflächen an großen walzenförmigen Werkstücken von über 1000 mm Länge wird nach dem Stand der Technik auf Koordinatenmeßgeräten oder Formprüfgeräten durchgeführt.

Für die Messung auf Koordinatenmeßgeräten ohne Drehtisch wird ein Sensor, dessen Position in drei zueinander senk­ rechten Koordinatenachsen kontinuierlich erfaßt wird, über die Oberfläche des Werkstücks geführt und dabei mindestens über einen der Länge des Werkstückes entsprechenden Weg sowie zusätzlich entsprechend den Werkstückabmessungen in Werkstückumfangsrichtung verfahren. Aufgrund der großen Verfahrwege des Sensors führen zum einen Geradheitsabwei­ chungen und Winkelabweichungen der Sensor-Führungsbahnen und zum anderen Änderungen der Meßrichtung des Sensors im Verlauf der Messung entsprechend der lokalen Werkstücknor­ malenrichtung zu großen Meßfehlern. Dies gilt auch für Koordinatenmeßgeräte, die unter Ausnutzung größtmöglicher Fehlerkorrektureinrichtungen messen. Die Meßunsicherheit beträgt mehrere Mikrometer.

Bekannt sind ferner Meßverfahren auf Koordinatenmeßgeräten mit Drehtisch (mit oder ohne Gegenspitze). Im Gegensatz zu der vorbeschriebenen Messung ohne Drehtisch wird zwar der Verfahrweg des Sensors im wesentlichen auf eine achsparal­ lele geradlinige Bewegung reduziert, wobei die Meßrichtung des Sensors bei der Erfassung der Werkstückoberfläche bei drehendem Werkstück konstant gehalten werden kann, jedoch wirken sich dadurch scheinbar unwirksame Abweichungen bereits bei der der eigentlichen Messung vorangehenden Bestimmung der Lage der Drehachse negativ aus. Zusätzlich bewirken axiale und radiale Laufabweichungen des Drehti­ sches und gegebenenfalls bei Lagerung des Werkstückes zwischen Spitzen Formabweichungen der Spitzen und der Zentrierbohrungen während der Drehung des Werkstückes Verlagerungen der Drehachse und der axialen Position des Werkstückes. Dadurch ist beim derzeitigen Stand der Tech­ nik auch mit diesem Meßverfahren eine Messung der Zylin­ derform nur mit einer Meßunsicherheit von mehreren Mikro­ metern möglich.

Bei Messungen auf Formprüfgeräten in Drehtischbauart tre­ ten Abweichungen auf, die denen bei der Messung auf einem Koordinatenmeßgerät mit Drehtisch vergleichbar sind, auch wenn bei diesen Geräten die axiale Führungsachse des Sen­ sors mechanisch sehr gut parallel zur Achse des Drehti­ sches ausgerichtet werden kann. Dieser Ausrichtung sind allerdings Grenzen gesetzt, insbesondere aufgrund lastab­ hängiger Deformationen des Drehtisches oder thermischer Langzeitinstabilitäten des mechanischen Aufbaus. Haupt­ sächlich führen Taumelbewegungen des Drehtisches wegen des großen Verhältnisses der Werkstücklänge zur Lagerlänge des Drehtisches zu Verzerrungen der aufgenommenen Umfangspro­ file, also zu scheinbaren Formabweichungen. Geradheitsab­ weichungen der werkstückparallelen Linearachse bewirken, daß in unterschiedlichen Schnitten abweichende Werkstück­ durchmesser gemessen werden. Darüber hinaus bewirken Pa­ rallelitätsabweichungen zwischen der Drehachse und der Linearachse eine kegelförmige Verzerrung der aufgenommenen Form eines Zylinders. Mit Formprüfgeräten in Drehtischbau­ art ist nach dem Stand der Technik die Messung der Form von großen Zylindern nur unter Inkaufnahme eines großen Meßfehlers möglich.

Bei Messungen auf Formprüfgeräten in Drehspindelbauart treten grundsätzlich die gleichen Einzelabweichungen an den Baugruppen des Meßgerätes auf wie bei einem Drehtisch­ gerät der vorbeschriebenen Art. Allerdings wirken sich die Abweichungen auf das Ergebnis einer Zylinderformmessung zum Teil anders aus:
Geradheitsabweichungen der axialen Linearachse der Spindel führen zu einer scheinbaren Deformation der Werkstückach­ se. Parallelitätsabweichungen zwischen der Drehachse der Spindel und der axialen Linearachse der Spindel bewirken eine elliptische Deformation des gemessenen Profils in Umfangsrichtung.
Dem Vorteil der Drehspindelbauart gegenüber der Drehtisch­ bauart, nämlich daß der Meßkreis nicht durch das Werk­ stückgewicht beeinflußt wird, steht der der wegen der großen Werkstücklänge sehr langen Taster mit entsprechend nachteiligem dynamischen Verhalten gegebene Nachteil ge­ genüber. Mit Formprüfgeräten in Drehspindelbauart ist nach dem Stand der Technik die Messung der Form von großen Zylindern ebenfalls nur mit einer Unsicherheit von mehre­ ren Mikrometern möglich.

Allen nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren ist gemein, daß zur Bestimmung der Werkstückform während der Messung entweder mindestens ein Sensor über einen nicht unerheblich langen Weg bewegt werden muß, wodurch sich die Geradheits- und Parallelitätsabweichungen der entsprechen­ den Führungsbahn auf das Meßergebnis auswirken, oder daß bei gleichzeitiger Verwendung mehrerer, entlang des Werk­ stückes verteilter Sensoren durch Justierabweichungen der Sensoren zueinander und zur tatsächlichen Drehachse des Werkstückes scheinbare Formabweichungen gemessen werden, die das Meßergebnis verfälschen.

Das Kalibrieren an Normalen in den Abmessungen des Werk­ stückes ist nicht möglich, da keine ausreichend großen und genauen Zylindernormale verfügbar sind. Bei dem allenfalls möglichen stufenweisen Kalibrieren mit Hilfe kleinerer Normale entspricht die Belastung des Meßkreises (Drehti­ sches) beim Kalibrieren nicht der Belastung beim Messen, wodurch sich unterschiedliche Taumelbewegungen und demzu­ folge Meßabweichungen ergeben, die aufgrund der großen Länge des Werkstückes nicht unerheblich sind.

Die nach dem Stand der Technik bekannten Einzelmaßnahmen, wie etwa die vorbeugende Korrektur systematischer Abwei­ chungen, z. B. in Form einer rechnerischen Korrektur der Geradheits- und Parallelitätsabweichungen der Führungsbah­ nen, setzen eine Langzeitstabilität des mechanischen Auf­ baus und eine Reproduzierbarkeit der Bewegungen der Meßge­ räte voraus, die dem Erfordernis einer hohen Meßgenauig­ keit derzeit nicht gerecht werden kann.

In der DE 33 13 067 C2 wird zur Verbesserung der Meßgenau­ igkeit durch Erfassung von systematischen und zufälligen Abweichungen und entsprechender Korrekturen vorgeschlagen, die Rundlaufabweichungen eines Drehtisches zu erfassen, um hieraus entsprechende Korrekturen abzuleiten. Dieses Ver­ fahren reicht jedoch nicht aus, um zufällige Taumelfehler des Drehtisches zu korrigieren.

Des weiteren ist nach dem Stand der Technik bereits ver­ sucht worden, die kontinuierliche, zufällige oder systema­ tische Verlagerung der Drehachse eines gedrehten Werk­ stücks durch ständiges Antasten von rotationssymmetrischen Formelementen des Werkstückes selbst zu bestimmen und die Meßwerte der übrigen Sensoren entsprechend zu korrigieren. Dabei werden allerdings die Korrektursignale durch unbe­ kannte Formabweichungen des Werkstückes überlagert, d. h. es muß eine Meßunsicherheit in Kauf genommen werden, die mindestens so groß ist wie die unbekannte Formabweichung in den zur Korrektur angetasteten Profilschnitten.

In der DE-OS 20 00 005 wird ein Verfahren zur Eliminierung der bei der Mesung infolge der Lagerung auftretenden pe­ riodischen und stochastischen Bewegungen der Prüflingsach­ se oder des Tasters vorgeschlagen, basierend mit der Er­ fassung der Bewegungen von mindestens einem mit dem Werk­ stück oder einem das Werkstück tragenden Drehteller fest verbundenen Präzisionsnormal durch weitere Taster. Dieses Verfahren ermöglicht das Vermessen von koaxialen Rota­ tionsflächen und von dazu senkrechten Stirnflächen an walzenförmigen Werkstücken unter Verwendung von Sensoren, die die Oberfläche des Werkstückes vermessen, wobei die Sensoren an einer starren, sich mindestens über die Werk­ stücklänge erstreckenden Meßbrücke in vorgebbaren Abstän­ den entlang der Längsrichtung des Werkstückes ausgerichtet sind. Des weiteren ist mit den Sensoren zugleich die Lage einer, durch am Werkstück fest angebrachte Referenznormale definierten Referenzachse und an Punkten der Oberfläche des Werkstückes Einzelmeßwerte, bezogen auf die Lage eines relativ zur Meßbrücke räumlich festen Koordinatensystems, in Abhängigkeit vom Drehwinkel erfaßbar.

Die zur Durchführung dieses Verfahrens vorgesehene Vor­ richtung umfaßt u. a. eine starre, sich mindestens über die Länge des zu vermessenden Werkstückes erstreckende Meßbrücke mit in vorgebbarem Abstand voneinander angeord­ neten Sensoren und einem Referenzmeßwertgeber zur kontinu­ ierlichen Erfassung von Lageänderungen eines werkstückfe­ sten Koordinatensystems relativ zur Lage der Meßbrücke. Diametral zueinander messende Sensorenpaare sind jedoch nicht vorgesehen.

Mit einem derartigen Verfahren kann wohl das angestrebte Ziel der genauen Bestimmung von Exzentrizität und Kreis­ formabweichung erreicht werden. Zur genauen Bestimmung der Zylinderformabweichung reicht das aber nicht aus; eine Lö­ sung zur genauen Bestimmung des Abstandes des Tasters von der werkstückfesten Referenzachse wird nicht angedeutet.

In dem JP-Abstr. 61-117406 (A) wird die Lagerung des Zy­ linders auf Prismenrollenböcken vorgeschlagen und der Antrieb über eine Klammer an einem Stirnende des Werkstüc­ kes dargestellt. Die Werkstückoberfläche wird von mehreren Sensoren angetastet. Diese Vorrichtung ist zur Lösung der hier gestellten Aufgabe nicht geeignet, da zum einen die systematischen und die zufälligen Bewegungen der Werk­ stückachse während der Drehbewegung nicht erfaßt werden und andererseits eine Möglichkeit zur Bestimmung oder Kompensation der Positionsabweichungen der einzelnen Sen­ soren in Meßrichtung nicht vorgeschlagen wird. Diese Meß­ vorrichtung ist lediglich zur nicht hochgenauen Bestimmung von Kreisformabweichung und Exzentrizität in einzelnen Schnitten eines Zylinders geeignet. Die vorgeschlagene Verknüpfung der gemessenen Lageabweichungen mehrerer Schnitte zur Bestimmung der Abweichung von der Zylinder­ form ist nur statthaft bei im Verhältnis zur Konzentrizi­ tätsabweichung vernachlässigbar kleiner Rundheitsabwei­ chung und zugleich vernachlässigbar kleinen Differenzen der Durchmesser in den gemessenen Schnitten. Das kann aber bei einer Zylinderformmessung nur in wenigen Ausnahmefäl­ len vorausgesetzt werden.

In der DE 22 26 058 B2 wird eine zangenförmige Vorrichtung zur gleichzeitigen und voneinander unabhängigen Bestimmung des Durchmessers und der Konzentrizität eines nominell zylindrischen Werkstückes vorgestellt. Mit dieser Vorrich­ tung kann bei vorangegangener Kalibrierung unter Verlet­ zung des Abbeschen Prinzips der absolute Durchmesser in solchen Werkstückebenen bestimmt werden, in denen das Profil diametral voll ausgeprägt ist. Bei Unterbrechungen des Profils ist keine Radienmessung möglich, da die Taster nur auf die gekoppelte Bewegung von das Werkstück diametral antastenden mechanischen Elementen reagieren. Die Vorrich­ tung, die nur ein Sensorenpaar aufweist, ist gut geeignet zur Anzeige der Exzentrizität bei geringer Kreisformabwei­ chung oder zur Anzeige von winkelabhängigen Durchmesserab­ weichungen. In Mischfällen bedürfen die Tastersignale einer aufwendigen Analyse. Für die genaue Bestimmung der Zylinderformabweichung ist eine derartige Vorrichtung auch in Verbindung mit einer die Bewegung des Werkstücks erfas­ senden Vorrichtung nach DE-OS 20 00 005 nicht geeignet, insbesondere nicht bei in Umfangsrichtung nicht rotations­ symmetrisch unterbrochenen Profilen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das eingangs genannte Verfahren und die hierzu vorgesehene Vorrichtung dergestalt zu verbessern, daß die vorstehend aufgeführten Nachteile vermieden werden. Insbesondere soll die Meßge­ nauigkeit bei der Messung der Werkstückoberflächenform, auch für in Umfangsrichtung nicht rotationssymmetrisch unterbrochene Profile bei weitergehender Zugänglichkeit der Stirnflächen des Werkstückes zur zeitgleichen Planauf­ messung verbessert werden. Das Verfahren sowie die Vor­ richtung sollen weiterhin dergestalt sein, daß ohne größe­ re Umrüstarbeiten die Vermessung von Werkstückteilen un­ terschiedlicher Größen wie unterschiedlicher Längen und unterschiedlicher Durchmesser möglich ist.

Verfahrenstechnisch wird die vorgenannte Aufgabe durch die im Anspruch 1 aufgeführten Maßnahmen gelöst, wobei bei dem Verfahren an einer von einer Halterung des walzenförmigen Werkstückes mechanisch entkoppelten, starren, sich minde­ stens über die Werkstücklänge axial erstreckenden Meßbrüc­ ke mehrere Paare von sich diametral in bezug auf die Dreh­ achse gegenüberliegende, im Abstand zueinander kalibrierte Sensoren in vorgebbaren Abständen entlang der Längsrich­ tung des Werkstückes ausgerichtet sind, mit denen zugleich die Lage einer durch Elemente des Werkstückes selbst oder durch am Werkstück fest angebrachte Referenznormale defi­ nierten werkstückfesten Referenzachse und schnittweise an Punkten der Oberfläche des Werkstückes in Abhängigkeit vom Drehwinkel von den diametral zueinander ausgerichteten Sensoren getrennt und unabhängig voneinander Einzelmeßwer­ te bezogen auf die Lage eines relativ zur Meßbrücke räum­ lich festen Koordinatensystems erfaßt werden, und bei dem aus den jeweils zwei, denselben Punkt auf der Werkstück­ oberfläche betreffenden, in um 180° zueinander verdrehten Werkstücklagen aufgenommenen Einzelmeßwerten unabhängig von Taumelbewegungen des Werkstückes während der Messung der Abstand des betreffenden Oberflächenpunktes von der werkstückfesten Referenzachse so bestimmt wird, daß dabei der Einfluß von Positionsabweichungen der Sensoren in Meß­ bzw. Werkstücknormalenrichtung eliminiert wird.

Wie nachstehend noch ausgeführt werden wird, kann entweder das Werkstück während der Messung auf einem Drehtisch oder auf Prismenrollenböcken gelagert und mittels eines hieran angebrachten Drehantriebes in Rotation versetzt werden, wobei die Meßbrücke lagestabil festliegt oder die Meßbrüc­ ke kann um das ruhende Werkstück gedreht werden. In beiden Fällen werden die Meßergebnisse durch die mechanische Entkopplung der Meßbrücke von der Werkstücklagerung nicht durch das Werkstückgewicht verfälscht. Etwaige Taumelbewe­ gungen des rotierenden Teils können in Abhängigkeit vom jeweiligen Drehwinkel aufgrund der gleichzeitigen Erfas­ sung eines werkstückfesten Koordinatensystems erkannt und korrigiert werden. Vorzugsweise entfällt bei dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren ein Verfahrweg der Sensoren während des Meßvorganges. Es sind nur die sehr kleinen Sensoraus­ lenkungen zu erfassen.

Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Zur möglichst fehlerfreien Bestimmung eines werkstückfe­ sten Koordinatensystems während der Mesung wird mittels an der Meßbrücke verankerter Referenzwertgeber die Lage oder die Lageänderung einer werkstückfesten Referenzachse ge­ messen, wonach die Oberflächenmeßwerte entsprechend korri­ giert werden. Die Referenzwertgeber bestehen aus in bezug auf die Drehachse diametral gegenüberliegenden Sensorpaa­ ren an der Meßbrücke, die die relative Lage von endseitig an dem Werkstück anliegenden, die werkstückfeste Referenz­ achse definierenden Kugeln, Zylindern oder Kegeln während der relativen Werkstückdrehung abtasten und dadurch in Abhängigkeit der Winkelstellung die jeweilige Lage der Referenzachse in bezug auf die Meßbrücke erfassen.

Die diametral messenden Sensoren werden vorzugsweise an einer im Querschnitt U-förmigen Meßzange jeweils an den freien Schenkeln befestigt.

Vor der Messung der Rotationsflächen werden die Abstände der diametral zueinander liegenden Sensoren vorzugsweise durch Antasten von Kalibriernormalen bekannter Längen bestimmt, die auf einer Werkstückträgerplatte gruppenweise quer zur Drehachse angeordnet sind. Das Kalibrieren des Abstandes der Sensoren unmittelbar vor der eigentlichen Messung schließt Meßfehler infolge von geometrischen Ver­ änderungen an der Meßbrücke oder an den Meßzangen z. B. infolge von Wärmeausdehnungen oder veränderten mechani­ schen Belastungen bei Verstellen der Geräteeinstellung oder Umkehrspiel aus. Die Meßzangen müssen nicht thermisch langzeitstabil gebaut und nicht sehr genau einstellbar sein, sondern sie müssen nur während der kurzen Meßzeit ihre momentane Einstellung stabil beibehalten. Bei Kali­ brierung und Messung wird das Abbesche Prinzip eingehal­ ten.

Mit Hilfe der an den beiden Schenkeln der Meßzangen ge­ trennt messenden, im Abstand zueinander kalibrierten Sen­ soren kann für einzelne Punkte der Werkstückoberfläche der Abstand von der werkstückfesten Referenzachse nach der Gleichung (Fig. 9)

berechnet werden, wobei diese Gleichung nur die prinzi­ pielle Auswertemethode verdeutlicht. Bei tatsächlicher Anwendung sind ferner noch axiale und vertikale Korrektur­ werte beider Referenzwertgeber und auch die axialen Koor­ dinaten der Sensoren entsprechend der momentanen Geräte­ einstellung zu berücksichtigen. Bei dieser Art der Radien­ bestimmung aus den Einzelmeßwerten von zwei diametral mes­ senden Sensoren unter Berücksichtigung der korrespondie­ renden Meßwerte der Referenzwertgeber werden sowohl zufäl­ lige Verlagerungen des Werkstückes während der Messung als auch Positionsabweichungen der diametral messenden Senso­ ren im Meß- bzw. Werkstücknormalenrichtung berücksichtigt. Auch Oberflächenpunkte, die diametral zu Unterbrechungen des Oberflächenprofils liegen, können nach demselben Ver­ fahren sehr genau im Werkstückkoordinatensystem erfaßt werden.

Vorzugsweise wird das Werkstück während der Messung in horizontaler Lage auf Rollenböcken gelagert und von diesen angetrieben.

Wie bereits erwähnt, kann zur relativen Drehbewegung ent­ weder die Meßbrücke oder das Werkstück um seine Längsachse gedreht werden.

Vorrichtungstechnisch wird die Aufgabe mit einer Vorrich­ tung zur Durchführung des Verfahrens mit den in Anspruch 5 angegebenen Merkmalen gelöst.

Vorzugsweise liegen die Sensoren während der Messung be­ rührend an der Werkstückoberfläche an. Weiterhin ist eine Kalibriervorrichtung zur Justage des Abstandes der Senso­ renpaare vorgesehen.

Entsprechende Vorteile dieser Vorrichtung ergeben sich aus oben stehenden Erläuterungen zum erfindungsgemäßen Verfah­ ren in analoger Weise.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung besteht die Werkstückaufnahme aus einer auf einem Fundament ver­ schiebbaren Werkstückträgerplatte und hierauffest ange­ ordneten Rollenböcken zur Lagerung und zum Drehantrieb des Werkstückes. Die Verschiebbarkeit der Werkstückträgerplat­ te ermöglicht eine freie Zugänglichkeit der Rollenböcke beim Wechseln der Werkstücke, ohne daß diese durch die Meßbrücke behindert wird.

Die Meßbrücke ist vorzugsweise vertikal und/oder horizon­ tal quer zur Längsachse des Werkstückes bzw. der Träger­ platte verfahrbar. Weiterhin vorzugsweise sind an der Meßbrücke in Axialrichtung des Werkstückes verschiebbare, im Querschnitt U-förmige Meßzangen angebracht, an deren freien Schenkeln jeweils in Radialrichtung des Werkstückes messende Sensorenpaare diametral gegenüberliegend angeord­ net sind. Weiterhin sind die freien Schenkel der Meßzange abstandsveränderlich zueinander angeordnet. Die vorstehen­ den Ausführungsformen erlauben einzeln oder in Kombination die Einstellung der Sensorenpaare auf jede beliebige Werk­ stückgröße sowie die Verfahrbarkeit der Meßbrücke zur Abnahme eines normalen Maßes außerhalb des durch die Rol­ lenböcke definierten Meßortes. Die Werkzeugträgerplatte besitzt Stapel von Kalibriernormalen unterschiedlicher Länge, wobei die Stapel in veränderlichem Abstand zueinan­ der quer zur Längsachse des Werkstückes angeordnet sind. Die Stapel bestehen aus pyramidenförmig übereinandergeleg­ ten Längsstücken, um die Sensoren bei unterschiedlichen Abstandseinstellungen der Meßzangenschenkel kalibrieren zu können.

An der Meßbrücke ist jeweils endseitig des Werkstückes ein Sensorenpaar als Referenzwertgeber ausgebildet, wobei die Referenzwertgeber an entgegengesetzten Stirnenden des Werkstückes zumindest annähernd zentrisch unverrückbar anliegende Referenznormalenstücke, vorzugsweise in Form von Kugeln, Zylindern oder Kegeln mit geringer Formabwei­ chung, deren räumliche Lage bzw. Lageänderung abtasten. Diese Referenznormalenstücke erlauben nicht nur die Fest­ legung der räumlichen Lage einer werkstückfesten Referenz­ achse gegenüber der Meßbrücke vor der Messung, sondern auch die Feststellung einer etwaigen Lageabweichung wäh­ rend der Messung. Die Referenznormalenstücke, insbesonde­ re als Kugeln, werden vorzugsweise an das zu vermessende Werkstück angeflanscht oder anderweitig, insbesondere durch Magnete, befestigt.

Wie bereits vorstehend erwähnt, kann entweder die Werk­ stückaufnahme den Drehantrieb aufweisen, womit die Meß­ brücke vom Drehantrieb ebenfalls mechanisch entkoppelt ist, oder die Meßbrücke kann drehbar um das fest einge­ spannte Werkstück angeordnet sein.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den nach­ stehenden Erläuterungen zu den Zeichnungen. Es zeigen

Fig. 1a, 1b bis 8a, 8b jeweils an einer schematischen Darstellung eine Seitenansicht und eine Draufsicht der erfindungsge­ mäßen Vorrichtung in verschiedenen Verfahrensstufen, und

Fig. 9a, 9b anhand einer schematischen Dar­ stellung die prinzipielle Meß­ technik.

Wie aus Fig. 1a und 1b ersichtlich, besteht die Vorrich­ tung zur Messung der Form, Größe und Raumlage koaxialer Rotationsflächen aus einer Grundplatte 10, auf der eine senkrecht zur Achsrichtung 11 eines walzenförmigen Werk­ stückes 12 horizontal in Richtung des Doppelpfeiles 13 verschiebbare Werkstückträgerplatte 14 angeordnet ist. Auf dieser Trägerplatte 14 stehen Rollenböcke 15 mit Rollen 23 zur Lagerung und zum Antrieb des Werkstückes 12.

Seitlich neben den Rollenböcken 15 bzw. dem eingespannten Werkstück 12 liegen jeweilige Stapel von Kalibriernormalen 16 - hier vier Stapel mit Kalibriernormalen 16 -. Oberhalb der Rollenböcke 15 ist eine Meßbrücke 18 angeordnet, an der mindestens eine Meßzange 19 mit Meßzangenschenkeln 19′, 19′′ befestigt ist. Die Meßbrücke 18 mitsamt der Meßzange 19 ist sowohl in vertikaler Richtung zur Werk­ stückträgerplatte 14 heb- und senkbar angeordnet als auch (Fig. 3 bis 6) horizontal verschiebbar, um in Richtung auf den bzw. die Kalibriernormalenstapel 16 abgesenkt zu wer­ den. Die Meßzangenschenkel 19′, 19′′ tragen an ihren Enden Sensoren 20, 21, die sich diametral gegenüberliegen und mit denen sowohl die Werkstückoberfläche erfaßt als auch ein Kalibriermaß genommen werden kann. Hierzu sind die freien Schenkel der Meßzange 19 bzw. mehrerer, in Reihe angeordneter Meßzangen 19 mitsamt der Sensoren 20, 21 in Pfeilrichtung Y, Y1 abstandsveränderlich verschiebbar (Fig. 1). Gleichzeitig abstandsveränderlich ist jedes Sensorenpaar bzw. jede Meßzange 19 durch Verschiebung entlang der Längsachse 11. Entsprechendes gilt für die Kalibriernormalenstapel 16.

An den stirnseitigen Enden des Werkstückes 12 bzw. dessen Achse 11 ist jeweils ein Referenznormalenstück 22 vorgese­ hen, das im vorliegenden Fall aus einem angeflanschten Zylinder besteht. Diese Referenznormalenstücke 22 werden jeweils durch Referenzwertgeber abgetastet, die jeweils aus einem Paar Sensoren 20, 21 bestehen, welches ebenfalls an einer Meßzange 19 bzw. der Meßbrücke 18 befestigt ist. Das Werkstück 12 wird durch die Prismenrollen 23 in nach dem stand der Technik bekannter Art zur Rotation angetrie­ ben. Wahlweise über das Werkstück 12 oder über die Kali­ briernormale 16 kann die Meßbrücke 18 abgesenkt werden, die als gemeinsame Basis für alle an der Messung beteilig­ ten Sensoren 20, 21 an den Meßzangen dient. Ebenfalls an der Meßbrücke 18 angebracht sind die aus Sensorenpaaren bestehenden Referenzwertgeber, in denen während einer Messung kontinuierlich über die Sensoren 20, 21 die momen­ tane axiale und radiale Position von an den Werkstückenden angenähert zentrisch angebrachten Referenznormalenstücken 22 relativ zur Position zum Beginn der Messung bezogen auf die Lage der Meßbrücke 18 sowie die aktuelle Winkellage des Werkstückes 12 relativ zur Lage der Meßbrücke erfaßt und zur Korrektur der Signale der die Werkstückoberfläche aufnehmenden Sensoren 20, 21 bereitgestellt werden, so daß in einem angeschlossenen, nicht dargestellten Rechner aus den Sensorsignalen und den Signalen der Referenzwertgeber Punkte der Werkstückoberfläche in einem werkstückfesten, dreidimensionalen kartesischen Koordinatensystem berechnet werden können.

Fig. 2a, 2b zeigt die Meßvorrichtung nach Beendigung des Meßvorgangs, d. h. nach Abnahme der Referenznormalenstücke 22.

Danach (Fig. 3a und 3b) wird die Meßbrücke 18 zunächst vertikal angehoben und die Werkstückträgerplatte 14 seit­ lich quer zur Drehachse 11 soweit verschoben, bis die Kalibriernormalenstapel 16 unter den Meßzangen 19 liegen. Wie in Fig. 4a und 4b dargestellt, kann nunmehr das ver­ messene Werkstück 12 von der Lagerung 15, 23 entfernt werden. Gleichzeitig werden die Stapel 16 und die Rollen­ böcke unter Abstandsverkleinerung im Hinblick auf das kürzere Werkstück gemäß Fig. 6 verschoben. Wie Fig. 5 zu entnehmen ist, wird zur Einstellung ein dem Durchmesser der neuen Welle entsprechender Sensorabstand kalibriert. Hierzu wird die Meßbrücke 18 in Richtung auf ein Referenz­ normalenstück des Stapels 16 abgesenkt und nach Kalibrie­ rung wieder angehoben (Fig. 6a). Währenddessen wird (durch Pfeil X1 in Fig. 6a dargestellt) ein neues Werkstück 12 auf dem Rollenbock 15 jeweils endseitig abgelegt. Nach Verschiebung der Werkstückträgerplatte 14 in Pfeilrichtung X2 in die in Fig. 7a, 7b dargestellte Stellung liegt die Meßbrücke 18 oberhalb des Werkstückes 12. Hiernach wird die Meßbrücke 18 derart abgesenkt, daß die Sensoren 20, 21 in eine Berührungslage mit der Werkstückoberfläche kommen (Fig. 8a). Bevor die erneute Vermessung eines Werkstückes 12 beginnen kann, werden die Referenznormalenstücke 22 (Fig. 1) angeflanscht, durch die die Referenzachse defi­ niert wird. Die prinzipielle Herleitung der auf eine werk­ stückfeste Achse bezogenen Radienbestimmung durch eine 180°-Umschlagmessung mittels abstandskalibrierter, diame­ tral an während der Messung starren Meßzangen 19 ange­ brachter Sensoren 20, 21 ist aus Fig. 9a, 9b ersichtlich. Fig. 9a zeigt das Werkstück 12 mit dem Referenznormalen­ stück 22 in der 0°-Stellung. Die Meßzange 119 stellt in Verbindung mit dem Referenznormalenstück 22 den Referenz­ wertgeber dar, während die Meßzange 19 mit nicht darge­ stellten Sensoren 20, 21, die sich diametral gegenüberlie­ gen, die Werkstückoberfläche abtastet. Die Stellung des Werkstückes nach einer Drehung um 180° ist Fig. 9b zu entnehmen. Wie aus den Fig. 9a, 9b zu entnehmen, ergibt sich jeweils aus den Mittelachsen die Zangenmitte 19a (Mitte Kalibriernormal bei Meßzangenkalibrierung), die symmetrisch zu dem Kalibriernormal 16 liegt, und die Mitte 24a (Mitte Referenzwertgeber) der Meßzange 119 als Refe­ renzwertgeber. Dem Versatz der Achsen 19a und 24a zueinan­ der entspricht das Differenzmaß Δ, das anhand einer Um­ schlagmessung bestimmt wird. Die Drehachse 25, um die das Werkstück um 180° gedreht wird, liegt im vorliegenden Fall nicht achsensymmetrisch. Hieraus ergeben sich unterschied­ liche Abstände M1 und M2 der Werkstückoberfläche zu der Meßzange 19 bzw. B1 und B2 der Abstände der Meßzange 119 zum Mittelpunkt des Referenznormals 22. In entsprechender Weise ergeben sich entsprechende Werte R1, R2, M3, M4, B3 und B4 wie dargestellt. Hieraus sind folgende Berechnungen möglich, wobei die Differenzen MKL-M3, MKR-M2, B2-B4 usw. den Anzeigedifferenzen der einzelnen Sensoren entsprechen:

Die obigen Berechnungsbeispiele sollen nur prinzipiell die Meßtechnik verdeutlichen. Bei tatsächlicher Anwendung sind ferner noch axiale und vertikale Korrekturwerte beider Referenzgeber und auch die axialen Koordinaten der Senso­ ren entsprechend der momentanen Geräteeinstellung zu be­ rücksichtigen.

Wie aus obigen Darlegungen ersichtlich, werden im Unter­ schied zu den bisher nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren am Werkstück während einer 360°-Drehung diame­ tral getrennt Einzelmeßwerte mittels in Meß- bzw. Werk­ stücknormalenrichtung lediglich grob positionierten, im diametralen Abstand zueinander, aber fein nach dem Abbe­ schen Prinzip kalibrierten Sensoren aufgenommen, die unter Berücksichtigung von zeitgleich erfaßten Bewegungen einer werkstückfesten Referenzachse in Kombination miteinander so ausgewertet werden, daß weder die Positionsabweichungen der diametral zueinander ausgerichteten Sensoren, noch axiale oder radiale Bewegungen des Werkstücks während der Drehung noch Formabweichungen des Werkstücks Einfluß auf die drehwinkelbezogene Bestimmung des Abstandes einzelner Punkte der Oberfläche des Werkstückes von der Werkstückre­ ferenzachse haben. Dazu werden während der Messung kontinu­ ierlich die Positionen von zwei, an entgegengesetzten Werkstückenden annähernd zentrisch am Werkstück für die Dauer der Messung starr angebrachten rotationssymmetri­ schen Referenznormalen 22 in radialer und axialer Richtung aufgenommen, so daß die Lage eines mit dem Werkstück 12 starr verbundenen Koordinatensystems jederzeit bekannt ist, unabhängig von momentanen Taumelbewegungen des Dreh­ tisches oder anders gearteter Drehantriebe, wie sie bisher nach dem Stand der Technik verwendet wurden. Die Messung von Punkten der Oberfläche des Werkstückes 12 erfolgt mittels in radialer Richtung unabhängig voneinander mes­ sender, diametral angebrachter Sensoren 20, 21.

Sowohl die zur Erfassung der momentanen Position der Refe­ renznormale 22 dienenden Sensoren als auch die zur Aufnah­ me der Werkstückoberfläche dienenden Sensoren 20, 21 sind während des gesamten Meßvorganges unverrückbar an einer stabilen, vom Kraftfluß der Werkstückaufnahme entkoppelten gemeinsamen Meßbasis, d. h. Meßbrücke 18 angebracht. Da­ durch entfallen während eines Meßvorganges sämtliche Bewe­ gungen der Sensoren 20, 21 lediglich die mit einer Meßunsi­ cherheit von Bruchteilen eines Mikrometers ausführbaren Abstandmessungen der Sensoren sind bei sich drehendem Werkstück 12 durchzuführen, wobei die Drehbewegung mittels eines ebenfalls an der gemeinsamen Meßbasis 18 verankerten Drehgebers (nicht dargestellt) kontinuierlich erfaßt wird.

Die bei der Drehbewegung des Werkstückes 12 unvermeidli­ chen axialen und radialen Bewegungen dieses Werkstückes sind für das Meßergebnis unschädlich, da sie, wie oben beschrieben, mit Hilfe von zwei Referenznormalen 22 voll­ ständig und sehr genau erfaßt werden und die Meßwerte der die Werkstückoberfläche erfassenden Sensoren 20, 21 posi­ tions- und winkelabhängig entsprechend korrigiert werden. Meßfehler erster Ordnung durch Annahme eines falschen Abstandes diametral zueinander ausgerichteter Sensoren 20, 21 werden dadurch vermieden, daß dieser Abstand vor jeder Messung mittels kalibrierter Endmaße (Kalibriernormale 16) sehr genau bestimmt wird. Positionsabweichungen der diame­ tral zueinander ausgerichteten Sensoren 20, 21 in Richtung der Meß- bzw. Werkstücknormalenrichtung, die bei herkömm­ lichen Verfahren zu einem schnittindividuell auftretenden radialen Offset führen, der sich als Fehler erster Ordnung auf die normgerechte Bestimmung der Zylinderformabweichung negativ auswirkt, werden durch die kombinatorische Auswer­ tung der von diametral messenden Sensoren während einer 360°-Drehung des Werkstückes getrennt aufgenommenen Ein­ zelmeßwerte (Fig. 9) kompensiert.

Abweichungen des Werkstückes 12 haben dabei keinen Einfluß auf die Genauigkeit der Sensor-Positionsbestimmung.

Wie oben erläutert, sind im Rahmen der Umschlagmessungen Plausibilitätsprüfungen möglich, die anzeigen, wenn sich der Abstand der diametral ausgerichteten Sensoren 20, 21 zueinander unzulässig ändert oder wenn vorübergehende Ver­ schmutzungen der Werkstückoberfläche das Meßergebnis be­ einflussen. Die zusätzliche Stabilitätsprüfung über alle Umschlagmessungen ermöglicht es, durch Schwankungen des für viele Winkelstellungen berechneten Mittenversatzes von Referenzwertgeber/Meßbrücke 119 und diametral ausgerich­ teten Sensoren anzuzeigen, daß sich während der Messung entweder die gemeinsame Meßbasis unzulässig deformiert hat, daß der Zylinder während der Drehbewegung in horizon­ taler Richtung deformiert oder daß die Referenznormale der Bewegung des Werkstückes nicht exakt folgen.

Herausragender Vorteil des genannten Verfahrens ist, daß im Gegensatz zu der bisher erforderlichen globalen Lang­ zeitstabilität und hohen mechanischen Genauigkeit großer Baugruppen (Linearführungen, Drehtische, Maßstäbe) nunmehr nur noch lokale Langzeitstabilität (Kalibriernormale, Endmaße, Referenznormale) und globale Kurzzeitstabilität (vom Kraftfluß entkoppelte gemeinsame Meßbasis während der Dauer einer Messung in beispielsweise weniger als 5 Minu­ ten) notwendig sind. Da diese Anforderungen wesentlich besser und einfacher zu erfüllen sind als die früher not­ wendigen Anforderungen und zudem die Meßfehler erster Ordnung weitgehend online erfaßt und korrigiert werden, kann beim vorgestellten Verfahren die Meßunsicherheit bei der Bestimmung der Zylinderformabweichung kostengünstig auf einen Bruchteil des bisher erreichten Wertes reduziert werden.

Zudem bietet das Verfahren Sicherheit in der Aussage durch zuverlässige Möglichkeiten zur Selbstüberwachung mittels der oben beschriebenen Plausibilitäts- und Stabilitätsprü­ fung. Das Verfahren ist auch zur präzisen Bestimmung der Zylinderformabweichung bei in Umfangsrichtung nicht rota­ tionssymmetrisch unterbrochenen Profilen uneingeschränkt geeignet.

Claims (7)

1. Verfahren zur Messung der Form, Größe und Raumlage koaxialer Rotationsflächen und dazu senkrechter Stirnflächen an walzenförmigen Werkstücken (12) unter Verwendung von Sensoren (20, 21), die die Oberfläche des Werkstückes (12) in Abhängigkeit des Drehwinkels vermessen, bei dem an einer von einer Halterung (15, 23) des walzenförmigen Werkstückes (12) mechanisch entkoppelten, starren, sich mindestens über die Werk­ stücklänge axial erstreckenden Meßbrücke (18) mehrere Paare von sich diametral in bezug auf die Drehachse gegenüberliegende, im Abstand zueinander kalibrierte Sensoren (20, 21) in vorgebbaren Abständen entlang der Längsrichtung (11) des Werkstückes (12) ausge­ richtet sind, mit denen zugleich die Lage einer durch Elemente des Werkstückes selbst oder durch am Werk­ stück fest angebrachte Referenznormale (22) definier­ ten werkstückfesten Referenzachse und schnittweise an Punkten der Oberfläche des Werkstückes (12) in Abhän­ gigkeit vom Drehwinkel von den diametral zueinander ausgerichteten Sensoren getrennt und unabhängig von­ einander Einzelmeßwerte bezogen auf die Lage eines relativ zur Meßbrücke (18) räumlich festen Koordina­ tensystems erfaßt werden, und bei dem aus den jeweils zwei, denselben Punkt auf der Werkstückoberfläche betreffenden, in um 180° zueinander verdrehten Werk­ stücklagen aufgenommenen Einzelmeßwerten unabhängig von Taumelbewegungen des Werkstückes während der Messung der Abstand des betreffenden Oberflächenpunk­ tes von der werkstückfesten Referenzachse so bestimmt wird, daß dabei der Einfluß von Positionsabweichungen der Sensoren in Meß- bzw. Werkstücknormalenrichtung eliminiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (12) während der Messung in hori­ zontaler Lage auf Prismen-Rollenböcken (15) gelagert und von diesen angetrieben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (12) während der Messung in verti­ kaler Lage auf einem Drehtisch gelagert und von die­ sem angetrieben wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßbrücke (18) um das ruhende Werkstück (12) gedreht wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bestehend aus einer Werkstückaufnahme (14, 15, 23), einem Drehantrieb, einem Drehwinkelmesser, mehreren Paaren von diametral in bezug auf die Werkstücklängsachse (11) angeordne­ ten, im Abstand zueinander kalibrierbaren und diame­ tral zueinander messenden Sensoren zur Abtastung der Werkstückoberfläche, wobei der Drehwinkelmesser und die Sensoren (20, 21) mit einer Einheit zur Auswer­ tung der Meßwerte verbunden sind, sowie aus einer von der Werkstückaufnahme (14, 15, 23) mechanisch entkop­ pelten, starren, sich mindestens über die Länge des zu vermessenden Werkstückes (12) erstreckenden Meß­ brücke (18), an der die mehreren Paare von Sensoren (20, 21) in vorgegebenem Abstand voneinander angeord­ net sind und die Referenzmeßwertgeber (119) zur konti­ nuierlichen Erfassung von Lageänderungen eines werk­ stückfesten Koordinatensystems relativ zur Lage der Meßbrücke (18) aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstückaufnahme (14, 15, 23) den Drehan­ trieb aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßbrücke (18) drehbar um das fest einge­ spannte Werkstück (12) ist.