DE102019104949A1

DE102019104949A1 - Messkopf einer Messvorrichtung zur Formmessung an wellenartigen Werkstücken

Info

Publication number: DE102019104949A1
Application number: DE102019104949.0A
Authority: DE
Inventors: Raimund Volk
Original assignee: Jenoptik Industrial Metrology Germany GmbH
Current assignee: Movomatic Sa Ch
Priority date: 2019-01-07
Filing date: 2019-02-27
Publication date: 2020-07-09

Abstract

Ein Messkopf 102 einer Messvorrichtung 2 zur Formmessung an wellenartigen Werkstücken weist ein Messprisma 104 mit einem Grundkörper 106 mit einem Öffnungswinkel α (erster Winkel) und einer Symmetrieachse 100 und einen Messtaster 36 mit einem entlang einer linearen Achse 92 auslenkbaren Tastelement 108 auf, wobei die Ausrichtung der linearen Achse 92 relativ zu der Symmetrieachse 100 durch einen zweiten Winkel β gegeben ist und der erste Winkel α und der zweite Winkel β eine Winkelkonfiguration des Messkopfes 102 definieren. Erfindungsgemäß ist der Messkopf 102 derart ausgebildet ist, dass der erste Winkel α und/oder der zweite Winkel β einstellbar sind bzw. ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Messkopf der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art einer Messvorrichtung zur Formmessung an wellenartigen Werkstücken.
Messvorrrichtungen mit entsprechenden Messköpfen sind allgemein bekannt und werden beispielsweise in der Fertigungsmesstechnik zur Formmessung an wellenartigen Werkstücken verwendet.
Beispielsweise ist es bei der Herstellung von Kurbelwellen 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 0 859 689 A1 offenbart eine entsprechende Messvorrichtung.
Durch EP 1 370 391 A1 ist eine Messvorrichtung bekannt, die zur Inprozess-Messung von Kurbelzapfen während eines Schleifvorganges an einer Schleifmaschine dient. Die bekannte Messvorrichtung weist einen Messkopf auf, der über ein Gestänge um eine erste Schwenkachse schwenkbar mit einem Grundkörper der Messvorrichtung verbunden ist. Die bekannte Messvorrichtung weist ferner Mittel zum Ein- und Ausschwenken des Messkopfes in eine Messposition bzw. aus der Messposition auf. Zur Durchführung einer Inprozess-Messung an einem Kurbelzapfen wird der Messkopf durch die dafür vorgesehenen Mittel in eine Messposition eingeschwenkt, in der der Messkopf 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. Ähnliche Messvorrichtungen sind auch durch DE 2009/052254 A1 und DE 2010 013 069 A1 bekannt.
Durch EP 1 263 547 B1 ist eine Messvorrichtung zur Inprozess-Messung an Prüflingen während eines Bearbeitungsvorganges an einer Bearbeitungsmaschine bekannt, die einen Grundkörper und einen Messkopf aufweist, der zwischen einer Ruheposition und einer Messposition bewegbar ist und mit dem Grundkörper über ein Gestänge verbunden ist, das derart ausgebildet und eingerichtet ist, dass der Messkopf in Messposition Orbitaldrehungen des Prüflings um eine Drehachse folgt, wobei der Messkopf einen entlang einer linearen Achse auslenkbaren Messtaster zur Aufnahme von Messwerten während eines Messvorganges aufweist. Die aus der Druckschrift bekannte Messvorrichtung weist ferner eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung des Messvorganges auf, wobei die Messvorrichtung zur Durchmesser- und Rundheitsmessung von Kurbelzapfen einer Kurbelwelle während eines Bearbeitungsvorganges an einer Schleifmaschine vorgesehen ist.
Durch DE 10 2012 018 580 B4 ist ein Messkopf mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 einer Messvorrichtung zur Vermessung von wellenartigen Werkstücken bekannt. Der aus der Druckschrift bekannte Messkopf weist ein Messprisma mit einem Öffnungswinkel (erster Winkel) und einer Symmetrieachse und einen Messtaster mit einem Grundkörper und einem entlang einer linearen Achse auslenkbaren Tastelement auf, wobei die Ausrichtung der linearen Achse relativ zu der Symmetrieachse durch einen zweiten Winkel gegeben ist und der erste Winkel und der zweite Winkel eine Winkelkonfiguration des Messkopfes definieren
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Messkopf der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art anzugeben, durch dessen Verwendung die Messgenauigkeit verbessert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.
Die Erfindung geht von einem Messkopf aus, wie er beispielsweise aus der vorgenannten DE 10 2012 018 580 B4 bekannt ist. Die Vermessung eines wellenartigen Werkstücks unter Verwendung eines entsprechenden Messkopfes vollzieht sich so, dass während eines Messvorgangs das Messprisma an dem zu vermessenden Werkstück anliegt und bei einer Drehung des Werkstücks relativ zu dem Messkopf das Tastelement entsprechend der Oberflächenform des Werkstücks entlang der linearen Achse ausgelenkt wird und der Messtaster die Auslenkung repräsentierende Tasterrohdaten ausgibt. Anhand der Tasterrohdaten wird durch eine Auswertungseinrichtung eine die Oberflächenform des Werkstücks repräsentierende Randkurve des Werkstücks rekonstruiert. Die Rekonstruktion der Randkurve kann unter Anwendung einer Fourier-Transformation erfolgen, wie dies beispielsweise durch die Literaturstelle J. Seewig, „Automatisierte Dreipunktmessung zur Rundheitsbestimmung an Kolbenbolzen," Studienarbeit TU Hannover, 1992, und EP 1 263 547 B1 bekannt ist.
Eine exakte Rekonstruktion der Randkurve setzt dabei eine genaue Kenntnis der Winkelkonfiguration des Messkopfes, also des ersten Winkels und des zweiten Winkels, voraus. Selbst bei genauer Kenntnis der Winkelkonfiguration sind allerdings Randkurven mit einem ausgeprägten Spektrum an Oberwellen nur bedingt rekonstruierbar.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Ungenauigkeiten bei der Rekonstruktion der Randkurve vor allem in Bezug auf solche Frequenzen in dem die Randkurve repräsentierenden Signal entstehen, bei denen das Spektrum eine Nullstelle hat oder die Amplitude der zugehörigen Spektrallinie stark abgeschwächt ist und deshalb eine Rekonstruktion der entsprechenden Spektrallinien unter Verwendung eines Korrekturfaktors nicht mehr möglich ist. Die rekonstruierte Randkurve des Werkstücks ist dann bezogen auf diese Spektrallinie unsicher oder falsch.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass sich die Messgenauigkeit verbessern lässt, wenn bei der Auswertung entsprechende stark abgeschwächte Spektrallinien nicht herangezogen werden, die Auswertung sich also ausschließlich auf solche Spektrallinien stützt, deren Amplitude ausreichend ist, um eine im Rahmen der vorgegebenen oder gewünschten Messgenauigkeit hinreichend exakte Rekonstruktion der Randkurve zu ermöglichen.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung der Gedanke zugrunde, wenigstens zwei Messvorgänge an dem zu vermessenden Werkstück durchzuführen und die Konfiguration der Messvorrichtung so zu verändern, dass sich bei den unterschiedlichen Messvorgängen auf Basis der zu den Messvorgängen gehörigen Tasterrohdaten Spektren ergeben, bei denen Nullstellen oder stark abgeschwächte Spektrallinien bei unterschiedlichen Frequenzen liegen. Dann kann bei der Auswertung in Bezug auf eine Frequenz, bei der das zu einem Messvorgang gehörige Spektrum eine Nullstelle oder eine stark abgeschwächte Spektrallinie hat, das zu einem anderen Messvorgang gehörige Spektrum herangezogen werden.
Hierauf aufbauend liegt der Erfindung der weitere Gedanke zugrunde, dass das zu einem Messvorgang gehörige Spektrum von der Winkelkonfiguration des Messkopfes abhängt. Dementsprechend sieht die Erfindung vor, dass der Messkopf derart ausgebildet ist, dass der erste Winkel und/oder der zweite Winkel einstellbar sind bzw. ist.
Auf diese Weise lässt sich durch Veränderung der Winkelkonfiguration des Messkopfes das zu einem Messvorgang gehörige Spektrum in dem oben erläuterten Sinne beeinflussen.
Eine erfindungsgemäße Messvorrichtung zur Formmessung an wellenartigen Werkstücken ist im Anspruch 6 angegeben und weist wenigstens einen erfindungsgemäßen Messkopf auf. Beispielsweise und insbesondere ist hierbei vorgesehen, dass die Messvorrichtung eine Auswertungseinrichtung aufweist und derart ausgebildet und eingerichtet ist, dass

- während eines Messvorgangs das Messprisma an einem zu vermessenden Werkstück anliegt und bei einer Drehung des Werkstücks relativ zu dem Messkopf das Tastelement entsprechend der Oberflächenform des Werkstücks entlang der linearen Achse ausgelenkt wird und der Messtaster die Auslenkung repräsentierende Tasterrohdaten ausgibt und
- anhand der Tasterrohdaten durch die Auswertungseinrichtung eine die Oberflächenform des Werkstücks repräsentierende Randkurve des Werkstücks rekonstruiert wird,

- zur Generierung eines ersten Tasterrohdatensatzes ein erster Messvorgang mit einer ersten Winkelkonfiguration des Messkopfes durchgeführt wird,
- nach dem ersten Messvorgang die Winkelkonfiguration des Messkopfes zur Einstellung wenigstens einer zweiten Winkelkonfiguration verändert wird,
- zur Generierung wenigstens eines zweiten Tasterrohdatensatzes ein zweiter Messvorgang mit der zweiten Winkelkonfiguration des Messkopfes an derselben Messstelle des Werkstücks durchgeführt wird und
- die Randkurve des Werkstücks unter Heranziehung wenigstens des ersten Tasterrohdatensatzes und des zweiten Tasterrohdatensatzes rekonstruiert wird.

Bei den wenigstens zwei Messvorgängen wird jeweils aus den Tasterrohdaten zunächst ein zugehöriges Rohspektrum der Randkurve des Werkstücks ermittelt. Die so erhaltenen Rohspektren beschreiben, beispielsweise in Anwendung der Fourierkoeffizientenmethode, redundant die Randkurve des Werkstücks, allerdings mit individuellen Lücken bzw. Schwachstellen, an denen die Übertragung der durch das Messprisma und den Messtaster gebildeten Reiterlehre zu einer Nullstelle oder einer stark abgedämpften Spektrallinie führt. Für jede Spektrallinie gleicher Wellenzahl in den beiden Spektren kann beispielsweise nur die jeweils „bessere“ verwendet werden, also in der Regel die bei der jeweiligen Winkelkonfiguration des Messprismas besser oder überhaupt übertragene Spektrallinie, bzw. diejenige Spektrallinie, die für ihre Rekonstruktion einen kleineren Korrekturfaktor benötigt.
Alternativ kann bei den Spektrallinien, die nicht genau auf eine Nullstelle fallen, der Mittelwert oder eine sonstige Kombination der beiden individuellen Rekonstruktionen für die Spektrallinien der Randkurve des Werkstücks verwendet werden.
Es hat sich überraschend gezeigt, dass bereits kleine Änderungen der Winkelkonfiguration des Messprismas, also des ersten Winkels und/oder des zweiten Winkels, das Übertragungsverhalten der Reiterlehre signifikant verändern.
Auf diese Weise lässt sich mit besonders einfachen und kostengünstigen Mitteln die Messgenauigkeit, beispielsweise bei einer Rundheits- oder Welligkeitsmessung, verbessern. Insbesondere lässt sich durch Verwendung des erfindungsgemäßen Messkopfes die Messgenauigkeit bei höherfrequenten Strukturen in der Oberfläche des Werkstücks verbessern, sodass erfindungsgemäß beispielsweise und insbesondere die Erkennung bzw. Vermessung von Rattermarken verbessert ist.
Der Messkopf kann mit relativ einfachen Mitteln so ausgestaltet werden, dass die Veränderung der Winkelkonfiguration sich automatisch vollzieht. Dies spart bei der Durchführung von automatisierten Messungen Zeit und damit Kosten.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch das Prinzip eines kleinen Messkreises Störungen reduziert sind.
Die erfindungsgemäße Messvorrichtung kann im Rahmen eines Inprozess-Messverfahrens verwendet werden, bei dem ein Werkstück während eines Bearbeitungsvorganges auf einer Werkzeugmaschine, beispielsweise einer Schleifmaschine, vermessen wird. Die erfindungsgemäße Messvorrichtung kann jedoch auch für Messaufgaben verwendet werden, die sich außerhalb eines Bearbeitungsvorganges des Werkstücks vollziehen.
Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Messkopfes sind in den Ansprüchen 2 bis 5 angegeben.
Dabei sieht eine vorteilhafte Weiterbildung vor, dass der Grundkörper des Messprismas zwei Schenkel aufweist, die miteinander den ersten Winkel α definieren, und dass die Schenkel zur Einstellung des ersten Winkels relativ zueinander verstellbar sind. Bei dieser Ausführungsform sind die Schenkel des Prismas auseinander- bzw. zusammenklappbar, sodass die Winkelkonfiguration des Messprismas durch Veränderung des ersten Winkels α auf einfache und schnelle Weise verändert werden kann und sich außerdem ein platzsparender Aufbau ergibt.
Eine andere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Messkopfes sieht vor, dass zur Einstellung des zweiten Winkels β der Messtaster relativ zu dem Grundkörper des Messprismas verstellbar an demselben angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform wird die Winkelkonfiguration des Messprismas dadurch verändert, dass die Ausrichtung der linearen Achse des Messtasters relativ zu der Symmetrieachse und dadurch der zweite Winkel β verändert wird.
Erfindungsgemäß ist entsprechend den jeweiligen Anforderungen eine Veränderung des ersten Winkels α oder des zweiten Winkels β ausreichend, um die erfindungsgemäß beabsichtigte Wirkung zu erzielen. Entsprechend den jeweiligen Anforderungen ist es erfindungsgemäß jedoch auch möglich, zur Durchführung von Messvorgängen mit unterschiedlichen Winkelkonfigurationen sowohl den ersten Winkel α als auch den zweiten Winkel β zu verändern.
Um den ersten Winkel α bzw. den zweiten Winkel β auf besonders einfache Weise hochpräzise und reproduzierbar zu verändern, sieht eine andere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Messkopfes vor, dass jeder Verstellposition der Schenkel des Messprismas relativ zueinander und/oder des Messtasters relativ zu dem Grundkörper des Messprismas ein Anschlag zugeordnet ist. Es ist erfindungsgemäß jedoch auch möglich, eine Veränderung der Winkelkonfiguration des Messkopfes mit einer Winkelmessvorrichtung zu messen und in Abhängigkeit von dem Messergebnis die Einstellung der Winkelkonfiguration so zu steuern, dass sich die gewünschte Winkelkonfiguration ergibt.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Messkopfes ist wenigstens eine motorische, insbesondere elektromotorische Antriebseinrichtung zur Verstellung der Schenkel des Messprismas relativ zueinander und/oder zur Verstellung des Messtasters relativ zu dem Grundkörper des Messprismas vorgesehen. Auf diese Weise kann gesteuert durch eine Steuerungseinrichtung einer Messvorrichtung die Winkelkonfiguration des Messprismas automatisch verändert bzw. eingestellt werden. Dies spart Zeit und Kosten.
Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Messvorrichtung sind in den Ansprüchen 7 bis 12 angegeben.
Erfindungsgemäß ist es grundsätzlich ausreichend, wenn zur Erzielung der erfindungsgemäß beabsichtigten Wirkung zwei Messvorgänge mit unterschiedlichen Winkelkonfigurationen ausgeführt werden. Falls entsprechend den jeweiligen Anforderungen erforderlich oder wünschenswert, können erfindungsgemäß jedoch auch mehr als zwei Messvorgänge mit unterschiedlichen Winkelkonfigurationen ausgeführt werden. In diesem Sinne sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Messvorrichtung vor, dass die Auswertungseinrichtung und die Steuerungseinrichtung derart ausgebildet und programmiert sind, dass zur Generierung weiterer Tasterrohdatensätze weitere Messvorgänge durchgeführt werden und dass die Randkurve des Werkstücks unter Heranziehung der weiteren Tasterrohdatensätze rekonstruiert wird.
Die Rekonstruktion der Randkurve aus den Tasterrohdaten kann erfindungsgemäß mittels eines beliebigen geeigneten Auswertungsverfahrens erfolgen. In dieser Hinsicht sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Messvorrichtung vor, dass die Auswertungseinrichtung derart ausgebildet und programmiert ist, dass zur Rekonstruktion der Randkurve des Werkstücks jeder Tasterrohdatensatz zur Ermittlung eines Fourierspektrums der Randkurve einer Fouriertransformation unterzogen wird. Zu technischen Einzelheiten eines entsprechenden Auswertungsverfahrens wird insbesondere auf die Literaturstelle J. Seewig, „Automatisierte Dreipunktmessung zur Rundheitsbestimmung an Kolbenbolzen,“ Studienarbeit TU Hannover, 1992, verwiesen.
Alternativ kann die Auswertung auch unter Verwendung eines iterativen Verfahrens erfolgen. Insoweit sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Messvorrichtung vor, dass die Auswertungseinrichtung derart ausgebildet und programmiert ist, dass zur Rekonstruktion der Randkurve des Werkstücks jeder Tasterrohdatensatz mit einem Verfahren entsprechend dem Patent EP 2 278 262 B1 ausgewertet wird.
Eine außerordentlich vorteilhafte andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Messvorrichtung sieht vor, dass die Auswertungseinrichtung derart ausgebildet und programmiert ist, dass zur Rekonstruktion der Randkurve des Werkstücks bei einer Frequenz, bei der das zu einem Tasterrohdatensatz gehörige Fourierspektrum eine Nullstelle oder eine Spektrallinie mit einer unterhalb eines Schwellenwertes liegenden Amplitude aufweist, das zu einem anderen Tasterrohdatensatz gehörige Fourierspektrum bei der Auswertung herangezogen wird.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Messvorrichtung ist die Steuerungseinrichtung derart programmiert, dass sich eine Veränderung der Winkelkonfiguration des Messkopfes automatisch vollzieht.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Messvorrichtung zur Formmessung an wellenartigen Werkstücken, insbesondere zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung, ist im Anspruch 13 angegeben. Hierbei wird eine Messvorrichtung verwendet, die einen Messkopf aufweist, der

- ein Messprisma mit einem Öffnungswinkel α (erster Winkel) und einer Symmetrieachse und
- einen Messtaster mit einem Grundkörper und einem entlang einer linearen Achse auslenkbaren Tastelement, wobei die Ausrichtung der linearen Achse relativ zu der Symmetrieachse durch einen zweiten Winkel β gegeben ist und der erste Winkel und der zweite Winkel eine Winkelkonfiguration des Messkopfes definieren, aufweist,

α

β

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Ansprüchen 14 bis 16 angegeben. Es ergeben sich sinngemäß die gleichen Vorteile und Eigenschaften wie bei der erfindungsgemäßen Messvorrichtung und ihren Weiterbildungen.
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:

1 in stark schematisierter Darstellung eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispieles einer Messvorrichtung gemäß dem Stand der Technik in einer Ruheposition des Messkopfes,
2A bis 2E die Messvorrichtung gemäß 1 in verschiedenen kinematischen Phasen,
3 in gleicher Darstellung wie 1 die Messvorrichtung gemäß 1 während der Bewegung des Messkopfes in die Messposition,
4 eine blockschaltbildartige Darstellung von Bestandteilen der Messvorrichtung gemäß 1,
5 eine Ansicht eines Messprismas der Messvorrichtung gemäß 1 eines Messprismas der Messvorrichtung gemäß 1 in Kombination mit einem Flicknormal zur Verdeutlichung der geometrischen Verhältnisse,
6 den Verlauf der Abstandsfunktion bei der Kalibrierung der Messvorrichtung gemäß 1 unter Verwendung eines Flicknormals,
7 eine schematische Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Messkopfes,
8 in gleicher Darstellung wie 7 den Messkopf gemäß 7 zur Verdeutlichung einer Änderung der Winkelkonfiguration durch Einstellung des ersten Winkels α,
9 in gleicher Darstellung wie 7 den Messkopf gemäß 7 zur Verdeutlichung eine Änderung der Winkelkonfiguration durch Einstellung des zweiten Winkels β und
10 beispielhaft Übertragungsfunktionen, die sich bei Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens unter Anwendung einer Fouriertransformation ergeben.

1 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte 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 2A der Aufbau des Gestänges 14 näher erläutert. In den 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 3zweite
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 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 30 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 entlang einer linearen Achse linear auslenkbaren Messtaster 36 auf, der in 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 Bewegen des Messkopfes 12 aus einer Ruheposition in die Messposition auf, die bei diesem Ausführungsbeispiel Mittel zum Ein- und Ausschwenken des Messkopfes 12 aufweisen, die an dem Gestänge 14 angreifen und anhand von 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 aufweisen, die den Messkopf 12 über das Gestänge 14 in einer in 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 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. Die Art und Weise, wie entsprechende Messwerte ausgewertet werden, ist dem Fachmann allgemein bekannt und wird daher hier nicht näher erläutert.
Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 2 ist in einem Messmodus wie folgt:

In der in 1 und 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 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 1 nach rechts ausfährt. Beim Ausfahren der Kolbenstange 50 drückt die Feder 44 gegen den Hebelarm 34, so dass der Hebelarm 34 in 2 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 2 entgegen dem Uhrzeigersinn verschwenkt.
2B zeigt den Messkopf 12 in einer Position zwischen der Ruheposition und der Messposition.
Beim Erreichen einer vorgegebenen, in 2C dargestellten Winkellage läuft der Hebelarm 34 auf einen Anschlag 57, wobei beim Auflaufen des Hebelarmes 34 auf den Anschlag 57 ein Steuerungssignal an die Steuermittel übermittelt wird, aufgrund dessen der Hydraulikzylinder 48 stillgesetzt wird. 2C zeigt den Messkopf 12 in einer Suchposition, in der er sich noch nicht in Kontakt mit dem Kurbelzapfen 10 befindet.
2D zeigt den Messkopf 12 in seiner Messposition, in der er sich in Kontakt mit dem Kurbelzapfen 10 befindet.
2E entspricht 2C, wobei der Messkopf 12 in seiner Suchposition in Bezug auf einen Kurbelzapfen 10' größeren Durchmessers dargestellt ist.
3 zeigt die Messvorrichtung 2 in der Suchposition des Messkopfes 12, die auch in 2C dargestellt ist. Wie sich aus einem Vergleich von 1 mit 3 ergibt, wird der Hebel 54 mittels der Hebelanordnung 42 beim Ausfahren der Kolbenstange 50 des Hydraulikzylinders 48 in 1 entgegen dem Uhrzeigersinn verschwenkt, bis die in 3 dargestellte Winkellage des Hebels 54 erreicht ist. Wie aus 3 ersichtlich ist, ist in dieser Winkellage der Zapfen 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. 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 der 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 3 nach links bewegt. Hierbei wird der Hebel 54 mittels der Hebelanordnung 42 in 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 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 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.
Nachfolgend wird anhand der 5 näher erläutert, wie eine erfindungsgemäße Messvorrichtung in einem Kalibrierungsmodus mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens betrieben und dadurch kalibriert wird.
4 zeigt blockschaltartig Komponenten der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 2, die bei der Kalibrierung verwendet werden.
Die erfindungsgemäße Messvorrichtung 2 weist eine Steuerungseinrichtung 80 auf, die derart ausgebildet und eingerichtet ist, dass die Messvorrichtung 2 zwischen einem Messmodus, in dem ein Messvorgang ausführbar ist, und einem Kalibrierungsmodus, in dem ein Kalibrierungsvorgang ausführbar ist, umschaltbar ist. Die Steuerungseinrichtung 80 ist ferner dafür ausgebildet und eingerichtet, dass die Messvorrichtung in einem Kalibrierungsmodus kalibrierbar ist.
Während eines Messvorganges nimmt der Messtaster 36 fortlaufend Messwerte auf, die einer Auswertungseinrichtung 82 zugeführt werden, die anhand der Messwerte das Profil des Prüflings rekonstruiert. Die Rekonstruktion kann insbesondere mittels eines iterativen Verfahrens gemäß der DE 10 2009 032 353 A1 erfolgen. Die Rekonstruktion kann jedoch auch mittels einer Fourier-Analyse entsprechend EP 1 263 547 B1 erfolgen.
Um die Messvorrichtung 2 erfindungsgemäß zu kalibrieren, schaltet die Steuerungseinrichtung 80 die Messvorrichtung 2 aus dem Messmodus in den Kalibrierungsmodus. In dem Kalibrierungsmodus wird die Kalibrierung der Messvorrichtung 2 ausgeführt, und zwar bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel unter Verwendung eines Flicknormales, wie dies weiter unten unter Bezugnahme auf 5 näher erläutert wird. In dem Kalibrierungsmodus wird zunächst das Flicknormal mittels einer geeigneten Spannvorrichtung eingespannt, der ein Drehantrieb 84 zugeordnet ist, so dass das Flicknormal relativ zu dem Messkopf 12drehbar ist.
Ferner steuert die Steuerungseinrichtung 80 die Einschwenkvorrichtung 40 derart an, dass der Messkopf 12 eingeschwenkt und das Messprisma 38 und der Messtaster 36 in Kontakt mit dem Flicknormal gebracht wird. Daran anschließend steuert die Steuerungseinrichtung 80 den Drehantrieb 84 des Flicknormales derart an, dass sich dieses relativ zu dem Messtaster 36 dreht.
Während der Drehung des Flicknormales relativ zu dem Messtaster 36 tastet derselbe das Flicknormal ab. Die hierbei gewonnenen Messwerte bilden Kalibrierungsdaten, anhand derer in weiter unten näher erläuterter Weise eine Kalibrierung der Messvorrichtung ausgeführt wird. Die Kalibrierungsdaten werden in einem Speicher 86 der Steuerungseinrichtung 80 abgelegt, der mit der Auswertungseinrichtung 82 in Datenübertragungsverbindung steht. Nach Gewinnung der Kalibrierungsdaten schaltet die Steuerungseinrichtung 82 die Messvorrichtung 2 zurück in den Messmodus. Hierzu wird die Ausschwenkvorrichtung 42 angesteuert, die daraufhin den Messkopf 12 aus der Messposition zurück in die Ruheposition bewegt. Außerdem wird der Drehantrieb 84 stillgesetzt, so dass das Flicknormal ausgespannt und zur Durchführung eines Messvorganges an einem Prüfling derselbe eingespannt werden kann.
Die der Auswertungseinrichtung 82 zur Verfügung stehenden Kalibrierungsdaten werden in dem nachfolgenden Messvorgang zur Kalibrierung der Messvorrichtung 2 berücksichtigt. Die Kalibrierung der Messvorrichtung 2 kann bedarfsweise und/oder nach einer vorbestimmten Anzahl von Messvorgängen und/oder nach einem vorbestimmten Betriebszeitraum der Messvorrichtung 2 vorgenommen werden.
Die Kalibrierung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 5 näher erläutert.
5 stellt eine stark schematisierte Ansicht des Messprismas 38 zusammen mit einem Flicknormal 88 dar.
Bei dem Flicknormal 88 handelt es sich in dem Fachmann allgemein bekannter Weise um einen hinsichtlich der Kreisform seiner Kontur idealen Zylinder, der an einer Umfangsstelle 90 eine Abflachung mit einer vorgegebenen Ausdehnung (Tiefe) Pt aufweist. 5 dient zur Verdeutlichung der geometrischen Verhältnisse, die sich ergeben, wenn das Messprisma 38 an dem Flicknormal 88 anliegt, wobei die lineare Achse des Messtasters 36 in 5 mit dem Bezugszeichen 92 bezeichnet ist.
In 5 ist der Öffnungswinkel des Messprismas 38 α (erster Winkel) erkennbar. Ferner ist erkennbar, dass sich das Flicknormal 88 an zwei Kontaktpunkten 94, 96 in Kontakt mit dem Messprisma 38 befindet, während sich der Messtaster 36 an einem in Umfangsrichtung des Flicknormales 88 dazwischenliegenden Kontaktpunkt in Kontakt mit dem Flicknormal 88 befindet. Die Symmetrieachse des Messprismas 38 ist in 5 durch eine strichpunktierte Linie 100 symbolisiert und bildet für die nachfolgende Betrachtung die y-Achse eines rechtshändigen karthetischen Koordinatensystems. Die lineare Achse des Messtasters 36 verläuft unter einem Winkel β (zweiter Winkel) zur x-Achse dieses Koordinatensystems. Im Ergebnis ergeben sich in der in 5 dargestellten Konstellation damit drei Kontaktpunkte 94, 96, 98 zwischen dem Flicknormal 88 und der Messvorrichtung zweite
Die Bauteilkontur sei für die nachfolgende Betrachtung durch die Polarkoordinaten φ und R (φ) im Bauteilkoordinatensystem beschrieben. Der Messtaster 36 erfasst den Abstand A (φ) in Abhängigkeit des Drehwinkels φ des Bauteiles im Messprisma 38. Dementsprechend führen Rundheitsabweichungen zu einer charakteristischen Abstandsfunktion (Tasterauslenkung des Messtasters 36) A (φ). Mathematisch ergibt sich dann der folgende Zusammenhang zwischen der winkelabhängigen Bauteilkontur R (φ) und der Abstandsfunktion A (φ): $A (φ) = Ψ (α, β) \cdot R (φ+ \frac{α - π}{2}) + Ψ (α, - β) \cdot R (φ− \frac{α - π}{2}) - R (φ+ β)$
mit

α: erster Winkel
β: zweiter Winkel
φ: Drehwinkel des Bauteils
R(φ): Radius des Bauteils (Bauteilkontur) in Abhängigkeit des Drehwinkels
A(φ): Abstandsfunktion

In dem Messmodus besteht das Ziel der in der Auswertungseinrichtung 82 durchgeführten Auswertung bzw. Rekonstruktion darin, die Bauteilkontur R (φ) aus der Abstandsfunktion A (φ) rechnerisch zu rekonstruieren. Den bekannten Rekonstruktionsverfahren ist gemeinsam, dass die Winkel α und β für die Rekonstruktion bekannt sein müssen. Abweichungen der tatsächlichen Werte der Winkel α und β von angenommenen Werten dieser Winkel führen zu Messungenauigkeiten, die durch die erfindungsgemäß vorgenommene Kalibrierung vermieden werden.
Hat das Flicknormal 88 in den Bereichen, in denen seine Kontur kreisförmig begrenzt ist, den Radius R₀, so ist der kleinste Bauteilradius R₀ - Pt und tritt bei dem Winkel φ₀ auf. Hierbei wird vorausgesetzt, dass die Abflachung des Flicknormales immer nur einen Kontaktpunkt mit der Messvorrichtung 2 hat, was sich jedoch durch entsprechende Dimensionierung der Abflachung 90 ohne weiteres gewährleisten lässt.
Wird das Flicknormal um 360° gedreht, so ergibt sich der in 6 dargestellte Funktionsverlauf. Die Transformationsvorschrift nach Gleichung (erste1) gewährleistet, dass die Peaks in 6 die gleiche Gestalt, allerdings unterschiedliche Amplituden aufweisen. Die unbekannten Winkel können beispielsweise ermittelt werden, indem die lokalen Extrema identifiziert werden oder eine integrale Auswertung der Abstandsfunktion mithilfe der Fourier-Transformation ausgeführt wird.
Mithilfe der Fourier-Transformation kann eine integrale Auswertung der Abstandsfunktion wie folgt vorgenommen werden:

In der zuvor beschriebenen Weise wird eine Messung unter Verwendung des Flicknormales durchgeführt. Ergebnis dieser Messfunktion ist die Abstandsfunktion A(φ). Hiervon ausgehend kann der Median der Abstandsfunktion ermittelt und eine aperiodische Funktion ΔA(φ) ermittelt werden, die sich mathematisch in drei Teilfunktionen zerlegen lässt, wobei jede Teilfunktion den Verlauf der Relativbewegung für jeweils einen Kontaktpunkt beschreibt.

Die drei Teilfunktionen können dann einer Fourier-Transformation unterzogen werden. Es ergeben sich dann drei Fouriertransformierte der Teilfunktionen. Hiervon ausgehend können Einflüsse der Gestaltabweichung ΔR(φ) und des Winkels φ₀, bei dem die Messung beginnt, eliminiert werden, indem die Fourier-Transformierten der beiden Abstandsfunktionen, die den rechtsseitigen Prismenkontakt und den linksseitigen Prismenkontakt beschreiben, mit der komplex konjugierten Fourier-transformierten derjenigen Abstandsfunktion multipliziert wird, die den Kontakt mit dem Taster beschreibt. Das Ergebnis sind linearphasige Funktionen, deren Phasenterme ausschließlich die unbekannten Winkel α und β enthalten. Die Phasenterme ergeben im Phasenspektrum jeweils eine Gerade, die durch den Ursprung verläuft. Die unbekannten Geradensteigungen können durch eine Ausgleichsgerade berechnet werden, die ebenfalls durch den Ursprung verläuft. Hieraus werden die unbekannten Winkel α und β ermittelt.
Die dadurch ermittelten tatsächlichen Werte des ersten Winkels α und des zweiten Winkels β können dann bei der Rekonstruktion der Bauteilkontur entsprechend der obigen Gleichung (erste1) berücksichtigt werden, so dass die Messvorrichtung 2 damit kalibriert ist.
Messfehler, die auf einer Abweichung der tatsächlichen geometrischen Verhältnisse der Messvorrichtung 2 von angenommenen geometrischen Verhältnissen beruhen, sind damit zuverlässig vermieden
In den Figuren der Zeichnung sind gleiche bzw. sich entsprechende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die 2A bis 2E zeigen eine konstruktiv leicht abgewandelte Variante des Ausführungsbeispiels gemäß 1 und 3, die hinsichtlich des erfindungsgemäßen Grundprinzips jedoch mit dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 und 3 übereinstimmt.
Die Erfindung wird nachfolgend auf Bezugnahme insbesondere auf 7 bis 10 anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Ergänzend wird Bezug genommen auf 1 bis 6. Die erfindungsgemäße Messvorrichtung ist grundsätzlich so aufgebaut, wie in diesen Figuren gezeigt, und ihre Funktionsweise entspricht grundsätzlich ebenfalls derjenigen der in diesen Figuren gezeigten Messvorrichtung.
In 7 ist stark schematisiert ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Messkopfes 102 dargestellt, der ein Messprisma 104 mit einem Grundkörper 106 mit einem Öffnungswinkel α (erster Winkel) und einer Symmetrieachse 100 aufweist. Der Messkopf 102 weist ferner einen Messtaster 36 mit einem entlang einer linearen Achse 92 auslenkbaren Tastelement 108 auf, wobei die Ausrichtung der linearen Achse 92 relativ zu der Symmetrieachse 100 durch einen zweiten Winkel β gegeben ist und der erste Winkel α und der zweite Winkel β eine Winkelkonfiguration des Messkopfes 102 definieren.
Erfindungsgemäß ist der Messkopf 102 derart ausgebildet, dass der erste Winkel α und oder der zweite Winkel β einstellbar bzw. veränderbar sind bzw. ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind sowohl der erste Winkel α als auch der zweite Winkel β einstellbar.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Grundkörper 106 des Messprismas 104 zwei Schenkel 110, 112 auf, die miteinander den ersten Winkel α definieren und um eine Schwenkachse 114 verschwenkbar mit dem Grundkörper 106 des Messprismas 104 verbunden sind, sodass die Schenkel 110, 112 zur Einstellung des ersten Winkels α relativ zueinander verstellbar sind. Zur Verstellung der Schenkel 110, 112 zur Einstellung des ersten Winkels α ist den Schenkeln 110, 112 eine elektromotorische Antriebseinrichtung 116 zugeordnet, die in 7 rein schematisch dargestellt ist. Zur Einstellung des ersten Winkels α ist die elektromotorische Antriebseinrichtung 116 durch die Steuerungseinrichtung 80 der Messvorrichtung 2 ansteuerbar.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist ferner zur Einstellung des zweiten Winkels β der Messtaster 36 relativ zu dem Grundkörper 106 des Messprismas 104 verstellbar. Zur Verstellung des Messtasters 36 relativ zu dem Grundkörper 106 des Messprismas 104 kann dem Messtaster 36 eine separate elektromotorische Antriebseinrichtung zugeordnet sein. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Verstellung des Messtasters 36 durch die elektromotorische Antriebseinrichtung 116, die zwei voneinander unabhängig durch die Steuerungseinrichtung 80 ansteuerbare Antriebseinheiten aufweist, von denen die eine den Schenkeln 110, 112 zur Verstellung derselben relativ zueinander und zu dem Grundkörper 106 des Messprismas 104 (Einstellung des ersten Winkels α) und die andere dem Messtaster 36 zur Verstellung desselben relativ zu dem Grundkörper 106 des Messprismas 104 (Einstellung des zweiten Winkels β) zugeordnet ist.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist jeder Verstellposition der Schenkel 110, 112 des Messprismas 104 relativ zueinander und/oder des Messtasters 36 relativ zu dem Grundkörper 108 des Messprismas 104 ein Anschlag zugeordnet. Um eine Vielzahl von Verstellpositionen zu realisieren, kann jeder Anschlag für sich genommen verstellbar sein.
Der Messtaster 36 und das Messprisma 104 bilden zusammen eine Reiterlehre.
8 zeigt den Messkopf 102 in einer erste Winkelkonfiguration. Zur Veränderung der Winkelkonfiguration steuert die Steuerungseinrichtung 80 die elektromotorische Antriebseinrichtung 116 derart an, dass diese die Schenkel 110, 112 relativ zueinander verstellt zur Einstellung bzw. Veränderung des ersten Winkels α. In 8 ist in gestrichelten Linien eine Winkelkonfiguration dargestellt, in der der erste Winkel α' gegenüber dem Winkel α (durchgezogene Linien) vergrößert ist.
In 9 ist eine Veränderung der Winkelkonfiguration des Messkopfes 36 durch Einstellung bzw. Veränderung des zweiten Winkels β veranschaulicht. In 9 ist durch eine gestrichelte Linie eine Winkelkonfiguration dargestellt, in der der zweite Winkel β' gegenüber dem Winkel β (strichpunktierte Linie) vergrößert ist.
Die Vergrößerung des ersten Winkels α und des zweiten Winkels β ist aus Gründen der Veranschaulichung in 8 und 9 überhöht dargestellt. In der Praxis reichen bereits kleinere Änderungen, beispielsweise um wenige Grad, aus, um in der erfindungsgemäß beabsichtigten Weise das Übertragungsverhalten der Reiterlehre signifikant zu verändern.
Die Funktionsweise der mit einem erfindungsgemäßen Messkopf 102 ausgestatteten erfindungsgemäßen Messvorrichtung 2 ist wie folgt:

Zur Vermessung eines wellenartigen Werkstücks liegt während eines Messvorgangs das Messprisma an dem zu vermessenden Werkstück an, wobei bei einer Drehung des Werkstücks relativ zu dem Messkopf das Tastelement 108 entsprechend der Oberflächenform des Werkstücks entlang der linearen Achse 92 ausgelenkt wird und der Messtaster 36 die Auslenkung repräsentierende Tasterrohdaten ausgibt.

Anhand der Tasterrohdaten wird durch die Auswertungseinrichtung 82 eine die Oberflächenform des Werkstücks repräsentierende Randkurve des Werkstücks rekonstruiert. Die Rekonstruktion der Randkurve erfolgt grundsätzlich so, wie anhand der 1 bis 6 beschrieben.
Zur Generierung eines ersten Tasterrohdatensatzes wird erfindungsgemäß ein erster Messvorgang mit einer ersten Winkelkonfiguration des Messkopfes 36 durchgeführt.
Nach Durchführung des ersten Messvorganges wird die Winkelkonfiguration des Messkopfes 36 zur Einstellung wenigstens einer zweiten Winkelkonfiguration verändert.
Daran anschließend wird zur Generierung wenigstens eines zweiten Tasterrohdatensatzes wenigstens ein zweiter Messvorgang mit der zweiten Winkelkonfiguration des Messkopfes an derselben Messstelle des Werkstücks durchgeführt.
Erfindungsgemäß wird die Oberflächenform des Werkstücks unter Heranziehung wenigstens des ersten Tasterrohdatensatzes und des zweiten Tasterrohdatensatzes durch die Auswertungseinrichtung 82 rekonstruiert.
10 zeigt beispielshalber in der oberen Hälfte eine erste Übertragungsfunktion, die durch Fouriertransformation eines ersten Tasterrohdatensatzes gewonnen wurde, der mit einer Winkelkonfiguration des Messkopfes 36 generiert wurde, bei der der Winkel α 96° und der Winkel β 0° beträgt. Die Übertragungsfunktion zu den einzelnen Frequenzen bzw. Wellenlängen zeigt an, wie stark die im Rohsignal gemessene Amplitude der jeweiligen Sinuswelle abgeschwächt oder verstärkt wird. Es ist ersichtlich, dass die zu dem ersten Tasterrohdatensatz gehörige Übertragungsfunktion bei einer Frequenz von 59 Wellen pro Umfang eine Nullstelle hat, sodass eine Rekonstruktion der Randkurve für diese Frequenz nicht bzw. nicht mit der erforderlichen Genauigkeit möglich ist.
Demgegenüber zeigt 10 in der unteren Hälfte eine zweite Übertragungsfunktion, die durch Fouriertransformation eines zweiten Tasterrohdatensatzes gewonnen wurde, der mit einer Winkelkonfiguration des Messkopfes 36 generiert wurde, bei der der Winkel α 97° und der Winkel β 1° beträgt. Es ist ersichtlich, dass in der zweiten Übertragungsfunktion die in der ersten Übertragungsfunktion bei 59 Wellen pro Umfang erkennbare Nullstelle fehlt und vielmehr in der zweiten Übertragungsfunktion an dieser Stelle ein fast idealer Übertragungsfaktor nahe bei 1 vorliegt. Damit ist anhand der zweiten Übertragungsfunktion auch für die betreffende Frequenz eine Rekonstruktion der Randkurve des Werkstücks mit hoher Genauigkeit möglich.
Erfindungsgemäß ist es grundsätzlich ausreichend, wenn für zwei unterschiedliche Winkelkonfigurationen jeweils ein Messvorgang ausgeführt wird. Falls entsprechend den jeweiligen Anforderungen erforderlich oder gewünscht, können jedoch erfindungsgemäß auch weitere Messvorgängen mit unterschiedlichen Winkelkonfigurationen ausgeführt und gegebenenfalls in die Auswertung einbezogen werden.
Die erfindungsgemäß vorgenommene Rekonstruktion der Randkurve des Werkstücks unter Heranziehung wenigstens des ersten Tasterrohdatensatzes und des zweiten Tasterrohdatensatzes kann sich beispielsweise und insbesondere so vollziehen, dass für jede Spektrallinie gleicher Wellenzahl in den ermittelten Übertragungsfunktionen nur die jeweils „bessere“ verwendet wird, in der Regel also die besser oder überhaupt durch die Reiterlehre übertragene Spektrallinie. Alternativ kann bei Spektrallinien, die nicht genau auf eine Nullstelle der Übertragungsfunktion fallen, eine sonstige Kombination der beiden individuellen Rekonstruktionen für die Spektrallinien der Randkurve des Werkstücks verwendet werden.
Die Erfindung erhöht mit einfachen und kostengünstigen Mitteln die Messgenauigkeit insbesondere von Rundheits-, Welligkeits- oder Rattermarkenmessungen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0859689 A1 [0003]
EP 1370391 A1 [0004]
DE 2009/052254 A1 [0004]
DE 2010013069 A1 [0004]
EP 1263547 B1 [0005, 0009, 0066]
DE 102012018580 B4 [0006, 0009]
EP 2278262 B1 [0033]
DE 102009032353 A1 [0066]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

J. Seewig, „Automatisierte Dreipunktmessung zur Rundheitsbestimmung an Kolbenbolzen,“ Studienarbeit TU Hannover, 1992 [0009]

Claims

Messkopf (102) einer Messvorrichtung (2) zur Formmessung an wellenartigen Werkstücken, mit einem Messprisma (104) mit einem Grundkörper (106) mit einem Öffnungswinkel α (erster Winkel) und einer Symmetrieachse (100) und mit einem Messtaster (36) mit einem entlang einer linearen Achse (92) auslenkbaren Tastelement (108), wobei die Ausrichtung der linearen Achse (92) relativ zu der Symmetrieachse (100) durch einen zweiten Winkel β gegeben ist und der erste Winkel α und der zweite Winkel β eine Winkelkonfiguration des Messkopfes (102) definieren, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkopf (102) derart ausgebildet ist, dass der erste Winkel α und/oder der zweite Winkel β einstellbar sind bzw. ist.
Messkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (106) des Messprismas (104) zwei Schenkel (110, 112) aufweist, die miteinander den ersten Winkel α definieren, und dass die Schenkel (110, 112) zur Einstellung des ersten Winkels α relativ zueinander verstellbar sind.
Messkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung des zweiten Winkels β der Messtaster (36) relativ zu dem Grundkörper (106) des Messprismas (104) verstellbar an demselben angeordnet ist.
Messkopf nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Verstellposition der Schenkel (110, 112) des Messprismas (104) relativ zueinander und/oder des Messtasters (36) relativ zu dem Grundkörper (108) des Messprismas (104) ein Anschlag zugeordnet ist.
Messkopf nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch wenigstens eine motorische, insbesondere elektromotorische Antriebseinrichtung (116) zur Verstellung der Schenkel (110, 112) des Messprismas (104) relativ zueinander und/oder zur Verstellung des Messtasters (36) relativ zu dem Grundkörper (106) des Messprismas (104) .
Messvorrichtung zur Formmessung an wellenartigen Werkstücken, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (2) wenigstens einen Messkopf (102) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
Messvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (2) eine Auswertungseinrichtung (82) aufweist und derart ausgebildet und eingerichtet ist, dass - während eines Messvorgangs das Messprisma (104) an einem zu vermessenden Werkstück anliegt und bei einer Drehung des Werkstücks relativ zu dem Messkopf (102) das Tastelement (108) entsprechend der Oberflächenform des Werkstücks entlang der linearen Achse (92) ausgelenkt wird und der Messtaster (36) die Auslenkung repräsentierende Tasterrohdaten ausgibt und - anhand der Tasterrohdaten durch die Auswertungseinrichtung (82) eine die Oberflächenform des Werkstücks repräsentierende Randkurve des Werkstücks rekonstruiert wird, dass die Messvorrichtung (2) eine Steuerungseinrichtung (80) zur Steuerung des Messvorgangs aufweist, dass die Auswertungseinrichtung (82) und die Steuerungseinrichtung (80) derart ausgebildet und programmiert sind, dass - zur Generierung eines ersten Tasterrohdatensatzes ein erster Messvorgang mit einer ersten Winkelkonfiguration des Messkopfes (102) durchgeführt wird, - nach dem ersten Messvorgang die Winkelkonfiguration des Messkopfes (102) zur Einstellung wenigstens einer zweiten Winkelkonfiguration verändert wird, - zur Generierung wenigstens eines zweiten Tasterrohdatensatzes wenigstens ein zweiter Messvorgang mit der zweiten Winkelkonfiguration des Messkopfes (102) an derselben Messstelle des Werkstücks durchgeführt wird und - die Randkurve des Werkstücks unter Heranziehung wenigstens des ersten Tasterrohdatensatzes und des zweiten Tasterrohdatensatzes rekonstruiert wird.
Messvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinrichtung und die Steuerungseinrichtung derart ausgebildet und programmiert sind, dass zur Generierung weiterer Tasterrohdatensätze weitere Messvorgänge durchgeführt werden und dass die Randkurve des Werkstücks unter Heranziehung der weiteren Tasterrohdatensätze rekonstruiert wird.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinrichtung (82) und die Steuerungseinrichtung (80) derart ausgebildet und programmiert sind, dass zur Rekonstruktion der Randkurve des Werkstücks jeder Tasterrohdatensatz zur Ermittlung eines Fourierspektrums der Randkurve einer Fouriertransformation unterzogen wird.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinrichtung (82) derart ausgebildet und programmiert ist, dass zur Rekonstruktion der Randkurve des Werkstücks jeder Tasterrohdatensatz mit einem Verfahren entsprechend dem Patent EP 2 278 262 B1 ausgewertet wird.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinrichtung (82) derart ausgebildet und programmiert ist, dass zur Rekonstruktion der Randkurve des Werkstücks bei einer Frequenz, bei der das zu einem Tasterrohdatensatz gehörige Fourierspektrum eine Nullstelle oder eine Spektrallinie mit einer unterhalb eines Schwellenwertes liegenden Amplitude aufweist, das zu einem anderen Tasterrohdatensatz gehörige Fourierspektrum bei der Auswertung herangezogen wird.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (80) derart programmiert ist, dass die Winkelkonfiguration des Messkopfes automatisch verändert wird.
Verfahren zum Betreiben einer Messvorrichtung zur Formmessung an wellenartigen Werkstücken, insbesondere zum Betreiben einer Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, wobei die Messvorrichtung einen Messkopf aufweist, der - ein Messprisma mit einem Öffnungswinkel α (erster Winkel) und einer Symmetrieachse und - einen Messtaster mit einem Grundkörper und einem entlang einer linearen Achse auslenkbaren Tastelement, wobei die Ausrichtung der linearen Achse relativ zu der Symmetrieachse durch einen zweiten Winkel β gegeben ist und der erste Winkel α und der zweite Winkel β eine Winkelkonfiguration des Messkopfes definieren, aufweist, bei dem während eines Messvorgangs das Messprisma an einem zu vermessenden Werkstück anliegt und bei einer Drehung des Werkstücks relativ zu dem Messkopf das Tastelement entsprechend der Oberflächenform des Werkstücks entlang der linearen Achse ausgelenkt wird und der Messtaster die Auslenkung repräsentierende Tasterrohdaten ausgibt, bei dem anhand der Tasterrohdaten durch eine Auswertungseinrichtung eine die Oberflächenform des Werkstücks repräsentierende Randkurve des Werkstücks rekonstruiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messkopf verwendet wird, der derart ausgebildet ist, dass der erste Winkel α und/oder der zweite Winkel β einstellbar ist, dass zur Generierung eines ersten Tasterrohdatensatzes ein erster Messvorgang mit einer ersten Winkelkonfiguration des Messkopfes durchgeführt wird, dass nach dem ersten Messvorgang die Winkelkonfiguration des Messkopfes zur Einstellung wenigstens einer zweiten Winkelkonfiguration verändert wird, dass zur Generierung wenigstens eines zweiten Tasterrohdatensatzes ein zweiter Messvorgang mit der zweiten Winkelkonfiguration des Messkopfes an derselben Messstelle des Werkstücks durchgeführt wird und dass die Oberflächenform des Werkstücks unter Heranziehung wenigstens des ersten Tasterrohdatensatzes und des zweiten Tasterrohdatensatzes rekonstruiert wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Generierung weiterer Tasterrohdatensätze weitere Messvorgänge durchgeführt werden und dass die Randkurve des Werkstücks unter Heranziehung der weiteren Tasterrohdatensätze rekonstruiert wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Rekonstruktion der Randkurve des Werkstücks jeder Tasterrohdatensatz zur Ermittlung eines Fourierspektrums der Randkurve einer Fouriertransformation unterzogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zur Rekonstruktion der Randkurve des Werkstücks jeder Tasterrohdatensatz mit einem Verfahren entsprechend dem Patent EP 2 278 262 B1 ausgewertet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zur Rekonstruktion der Randkurve des Werkstücks bei einer Frequenz, bei der das zu einem Tasterrohdatensatz gehörige Fourierspektrum eine Nullstelle oder eine Spektrallinie mit einer unterhalb eines Schwellenwertes liegenden Amplitude aufweist, das zu einem anderen Tasterrohdatensatz gehörige Fourierspektrum bei der Auswertung herangezogen wird.