DE202008005154U1

DE202008005154U1 - Vorrichtung zur Überprüfung der Maß-, Form- und Lagetoleranzen von Konturen an Werkstücken

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Publication number: DE202008005154U1
Application number: DE202008005154U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-04-15
Filing date: 2008-04-15
Publication date: 2008-07-24
Anticipated expiration: 2018-04-16

Abstract

Vorrichtung zur Überprüfung der Mal-, Form- und Lagetoleranzen von rotationssymmetrischen Innen- und/oder Außenkonturen eines Werkstückes, bestehend aus einem mit einer Welle einer Antriebseinheit verbindbaren Messdorn sowie einer dazugehörigen Mess- und Auswertelektronik, dadurch gekennzeichnet, dass der Messdorn (1) aus einem Messgeräteträger (3) und mindestens einem in einer Ebene frei beweglichen Tastbalken (5) mit zwei das Werkstück gleichermaßen berührenden Tastelementen (8a, 8b) sowie aus zwei in dem Messgeräteträger (3) des Messdornes (1) befindlichen und die Lage des Tastbalkens (5) in dieser Ebene erfassenden Messtastern (9a, 9b) gebildet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Überprüfung der Maß-, Form- und Lagetoleranzen von rotationssymmetrischen Innen- und/oder Außenkonturen eines Werkstückes, bestehend aus einem mit einer Welle einer Antriebseinheit verbindbaren Messdorn sowie einer dazugehörigen Mess- und Auswertelektronik.
Zu solchen Werkstücken gehören beispielsweise Zylinderköpfe von Verbrennungsmotoren und Kompressoren, Gehäuse von Regel- und Absperrventilen, Ventilsitzringe, Hydraulikkomponenten und dgl.
Es sind mechanische Vorrichtungen bekannt, die mittels eines drehbar gelagerten, im Ventilsitz und/oder in der Ventilschaftbohrung eines Werkstückes geführten Messdorns den Ventilsitz kontrollieren, um so die Rundheit im Ventilsitz und seinen Rundlauf zur Bohrung des Ventilschaftes ermitteln zu können. Die Messelemente derartiger Vorrichtungen können induktive Messtaster aber auch pneumatische Messdüsen sein. Die Nachteile dieser Vorrichtungen bestehen darin, dass die Ventilschaftbohrung als Bezugselement ungeeignet ist und ihre Maß- und Formabweichungen nicht oder nur unzureichend erfasst und berücksichtigt werden können und dass Lagetoleranzen der Werkstückkontur damit nicht überprüfbar sind. Darüber hinaus besteht auch keine Möglichkeit, den Ventilsitz in Bezug auf seinen Winkel und seine Breite zu kontrollieren sowie auch die ihm vorgelagerten Übergangsflächen zu erfassen.
Es sind ferner Messvorrichtungen bekannt, bei denen ein mit einem optischen Sensor bestückter drehbarer Messdorn von einem Roboter geführt wird, der längs der Rotationsachse die Werkstückoberfläche scannt und aus den dabei ermittelten Daten die Werkstücktoleranzen überprüft. Ein Nachteil dieser Messeinrichtungen sind die hohen Investitionskosten und der hohe Aufwand bei der Installation einer solchen Vorrichtung. Der scheinbar große Vorteil einer optischen Messvorrichtung, das berührungslose Messen, führt dazu, dass derartige Vorrichtungen nur in Labors oder ähnlich ausgestatten Räumen aufgestellt werden können, da durch die in Werkstätten auftretenden Schwingungen und Erschütterungen eine Überprüfung derartiger Werkstücke, bei denen die zu kontrollierenden Toleranzen im μm-Bereich liegen, kaum möglich ist.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Überprüfung der Maß-, Form- und Lagetoleranzen von Werkstücken mit rotationssymmetrischen Innen- und oder Außenkonturen so auszugestalten, dass sie problemlos in Fertigungswerkstätten aufgestellt werden und bei Verwendung handelsüblicher Komponenten alle relevanten Merkmale derartiger Konturen mit hoher Genauigkeit und in kürzester Zeit messtechnisch erfassen, überprüfen und räumlich zuordnen kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Gattung vorgeschlagen, dass der Messdorn aus einem Messgeräteträger und mindestens einem in einer Ebene frei beweglichen Tastbalken mit zwei das Werkstück gleichermaßen berührenden Tastelementen sowie aus zwei in dem Messgeräteträger des Messdornes befindlichen und die Lage des Tastbalkens in dieser Ebene erfassenden Messtastern gebildet ist.
Durch eine solche Ausgestaltung ist es möglich, die besten Voraussetzungen für eine einfache und effektive Vorrichtung zu schaffen, die mit ihren ihr zugeordneten Messtastern und dem frei beweglichen Tastbalken in der Lage ist, auch Konturen zu erfassen, denen auf Grund ihres geringen Querschnitts, ihrer großen Tiefe und ihrer besonderen Lage kein Messmittel mit einem entsprechend großen Messbereich zugeordnet werden kann, so dass auch Fluchtungsabweichungen zwischen der Vorrichtung und dem zu kontrollierenden Werkstück erfassbar sind, die möglicherweise noch vor der eigentlichen Messung mechanisch korrigiert und/oder dann bei der Messwertauswertung rechnerisch mit berücksichtigt werden können. Bei Änderungen der Maße eines Werkstücks oder bei Umrüstung der Vorrichtung auf ein anderes Werkstück ist es möglich, dass nur der Tastbalken und nicht der komplette Messdorn ausgetauscht werden muss.
Weitere Merkmale einer Vorrichtung gemäß dieser Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 15 offenbart.
Die Erfindung sowie weitere Vorteile derselben werden nachfolgend anhand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Dabei zeigen
1 einen Längsschnitt durch eine Vorrichtung gemäß der Erfindung und
2 eine andere Ausgestaltung eines Messdornes.
In der 1 der Zeichnung ist eine Vorrichtung zur Überprüfung der Maß-, Form und Lagetoleranzen eines nicht eingezeichneten Werkstückes mit rotationssymmetrischen Innenkontur dargestellt, die im Wesentlichen aus einem Messdorn 1 besteht, der beispielsweise mit einer Antriebseinheit 2 gekop gelt ist. Der Messdorn 1 besteht erfindungsgemäß aus einem als zweiteiliges Gehäuse ausgebildeten Messgeräteträger 3, der über einen Flansch 4 an die Antriebseinheit 2 angeschlossen ist. Dem Messgeräteträger 3 ist zumindest ein in einer Ebene frei beweglichen Tastbalken 5 zugeordnet, der in diesem Ausführungsbeispiel als ein in das Gehäuse des Messgeräteträgers 3 eingesetzter, stabförmiger, zweischenkliger Hebel ausgebildet ist und der über ein Drehgelenk 6 und einen Federstab 7 mit dem Flansch 4 verbunden ist und der auf der dem Flansch 4 abgewandten Seite aus dem Gehäuse des Messgeräteträgers 3 herausragt.
Das aus dem Gehäuse des Messgeräteträgers 3 herausragende Teil des Tastbalkens 5 ist mit zwei kugelförmigen Tastelementen 8a und 8b bestückt, die sich, das nicht gezeichnete Werkstück gleichermaßen berührend, in einem der Messaufgabe entsprechenden Abstand voneinander an die Wandung einer zu kontrollierenden Bohrung, beispielsweise einer Ventilschaftbohrung, anlegen. Der im Gehäuse des Messgeräteträgers 3 befindliche Teil des Tastbalkens 5 wird unter Einwirkung der Vorspannkraft des Federstabs 7 auf die Tastelemente der dort installierten Messtaster 9a und 9b gedrückt, die einen ähnlichen Abstand wie die Tastelemente 8a, 8b voneinander aufweisen und die die jeweilige Lage der Tastelemente 8a, 8b erfassen. Diese Messtaster 9a und 9b sind als induktive Einbaumesstaster ausgebildet.
Befindet sich beispielsweise das vom Federstab 7 belastete Drehgelenk 6 genau in der Mitte zwischen dem Tastelement 8a und dem Tastelement des Messtasters 9a und damit auch etwa in der Mitte zwischen dem Tastelement 8b und dem Tastelement des Messtasters 9b, legen sich die Tastelemente 8a und 8b mit etwa der gleichen Kraft an die Wandung der Bohrung an, mit der die beiden Messtaster 9a und 9b gegen den auf sie einwir kenden Tastbalken 5 drücken. Dementsprechend sollte die Vorspannkraft des Federstabes in etwa der doppelten Tastkraft beider Messtaster 9a oder 9b betragen. Das heißt, beträgt die Tastkraft eines beispielsweise als induktiven Einbaumesstasters ausgebildeten Messtasters 9a oder 9b 0,7 N und die Vorspannkraft des Federstabs 7 am Drehgelenk 6 2,8 N, so legt sich der Tastbalken 5 mit jeweils 0,7 N über seine Tastelemente 8a und 8b auf die zu kontrollierende Innenfläche der Bohrung an. Bei einer anderen Auslegung der Tastabstände können in etwa die gleichen Verhältnisse erreicht werden, wenn der Abstand zum Drehgelenk 6 dem angepasst und wie vorgesehen, die Vorspannkraft des Federstabes 7 entsprechend eingestellt wird. Diese Einstellung kann beispielsweise über eine Stellschraube 10 erfolgen, die im Flansch 4 eingeschraubt ist und auf den Federstab 7 drückt.
Der von dem Gehäuse des Messgeräteträgers 3 zumindest teilweise eingeschlossene Tastbalken 5 ist über eine Nut-Feder-Verbindung mit dem Flansch 4 gekoppelt und kann über nicht gezeichnete Justierschrauben rechtwinklig zu seiner Bewegungsebene zentriert und nahezu spielfrei fixiert werden. Diese Justierschrauben befinden sich dabei im vorderen, dem Flansch 4 abgewandten Ende des Gehäuses des Messgeräteträgers 3 und liegen genau fluchtend in einem Trennspalt zwischen den zwei Hälften des Gehäuses des Messgeräteträgers 3, so dass sie beim Verschrauben der beiden Hälften deren Fixierung in beiden Richtungen der Trennebene übernehmen, bevor sie selbst fixiert werden.
Der Messdorn 1 ist an seinem im Bereich des Flansches 4 befindlichen Ende mit einer Welle 11 der Antriebseinheit 2 verbunden, die zur Durchführung von Anschlusskabeln als Hohlwelle ausgebildet ist. Die Antriebseinheit 2 kann über eine nicht gezeichnete Führung gegen das nicht dargestellte Werkstück an gestellt werden, um sie in allen drei Achsen fixiert anzulegen oder in gleicher Weise messtechnisch kontrolliert, in die gewünschte Position zu bringen. In einem Gehäuse 13 der Antriebseinheit 2 ist die Welle 11 über zwei vorteilhaft als Schrägkugellager ausgeführte, vorgespannte Wälzlager 12a, 12b spielfrei gelagert, deren Außenringe prismenartig im Gehäuse 13 der Antriebseinheit 2 anliegen und von einer in einer in axialen Richtung des Gehäuses 13 verlaufenden Aussparung 14a eingebetteten, federbelasteten Leiste 15 in die prismenartige Anlage gedrückt werden. Die Leiste 15 ist im Bereich der Wälzlager 12a, 12b entsprechend dem Radius ihrer Außenringe ausgearbeitet, so dass die Leiste 15 weitgehend form- und kraftschlüssig anliegt.
Während der Außenring des als Festlagers dienenden Wälzlagers 12a mit seiner äußeren Stirnfläche an einem Deckel 16 des Gehäuses 13 fest anliegt, stützt sich ein eine Vorspannung erzeugender und mit Schraubenfedern 17 bestückter Ring 18 auf der äußere Stirnfläche des Außenrings des Wälzlagers 12b federelastisch und damit die axialen Laufungenauigkeiten ausgleichend ab. Um dem Außenring dieses Wälzlagers 12b die Möglichkeit zu geben, sich pendelnd darauf einzustellen, ist es sinnvoll, diesen Außenring leicht ballig auszubilden oder zumindest die Breite der prismenartigen Anlage im Gehäuse 13 möglichst schmal auszulegen. Die Anzahl der eingesetzten Schraubenfedern 17 kann bedarfsweise variiert werden.
Diese Ausbildung löst zwei markante Nachteile bei der üblichen Verwendung eines Fest- und eines Loslagers zur Lagerung einer Welle, die darin bestehen, dass zum einen der Außenring des Festlagers beim Eindrücken in das Lagergehäuse nicht durch die Unrundheit der Bohrung beeinträchtigt werden kann und zum anderen, dass das erforderliche Spiel, mit dem der Außenring des Loslagers, insbesondere bei Federvorspan nung, in das Gehäuse eingesetzt werden muss, nicht benötigt wird. Wenn dieses Spiel auch gering sein kann, wirkt es sich bei derartigen Anwendungen dennoch nachteilig aus, da es unkontrollierbar ist, unterschiedlich groß sein kann und sich mit einer beachtlichen Hebelwirkung auf die Lage und den Lauf der an eine Welle angeflanschten Teile, beispielsweise den Messdorn 1 auswirkt. Die prismenartige Anlage kann in vorteilhafter Weise dadurch erzeugt werden, dass die die Wälzlager 12a, 12b aufnehmende Bohrung des Gehäuses 13 im Durchmesser um ca. 0,05 bis 0,5 mm größer als die Durchmesser der Außenringe der Wälzlager 12a, 12b ausgelegt ist und sich auf der der Leiste 15 gegenüberliegenden Seite eine Aussparung 14b befindet. Jedem Außenring eines Wälzlagers 12a, 12b kann ein aufspannbares Segment 33 zugeordnet sein, welches in die vorerwähnte Aussparung 14b ragt und als Verdrehsicherung dient, um reproduzierbare Verhältnisse zu gewährleisten.
Für den Antrieb der Welle 11 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein nur teilweise dargestellter Schrittmotor 19 vorgesehen, da ein solcher Motor die Welle 11 in exakter, vorprogrammierbarer Schrittfolge auf einfachste und preiswerteste Art um 360° kraftvoll vor und zurück drehen kann und er damit den besonderen Vorteil bietet, die Messungen im Stillstand, das heißt zwischen den Schritten vornehmen zu können. So besteht die Möglichkeit bei Stillstand der Welle 11 mehrere, beispielsweise 3 bis 30 Messungen in rascher Folge von jeweils einer Millisekunde auszuführen, deren Ergebnisse auf ihre Schwankungsbreite zu kontrollieren und bei Einhaltung der vorgegebenen Schwankungstoleranz daraus den Mittelwert zu bilden und diesen dann als Messwert der bestreffenden Taster in dieser Winkelstellung abzuspeichern. Falls die Messwerte die zulässige Toleranz überschreiten, kann je nach Belieben die Messung als ungültig ausgewiesen oder abgebrochen werden. Es ist aber auch möglich, die tatsächliche Schwankungsbreite selbst zu kontrollieren und zu bewerten. Eine endliche Anzahl von Messschritten, beispielsweise 50, 100 oder 200 über den Bereich von 360°, ist meist voll ausreichend und kann die Messwertauswertung und -speicherung wesentlich vereinfachen.
Aber auch der Einsatz eines Gleichstrom-Servomotors mit einem entsprechenden fein auflösenden Impulsgeber und einem vorgeschalteten Getriebe ist möglich, jedoch besteht dabei die Gefahr, dass sich durch den diskontinuierlichen Betrieb das unvermeidliche Getriebespiel im Laufe der Zeit vergrößert und sich damit auch eine größere, nicht kontrollierbare Regelabweichung ergibt.
Die Übertragung der Drehbewegung des Schrittmotors 19 zur Welle 16 erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel über spiralverzahnte Kegelräder 20a, 20b. Es ist aber auch möglich, dafür gerade oder schräg verzahnte Stirnräder, einen Schneckentrieb oder einen Zahnriementrieb vorzusehen. Das Kegelrad 20a ist über eine Hülse 21a mit der Welle des Schrittmotors 19 verbunden. Das Kegelrad 20b ist in ähnlicher Weise auf einer Hülse 21b befestigt, die auf der Welle 11 für die wellenseitige Distanz der beiden Wälzlager 12a, 12b sorgt. Über eine Mutter 22 werden die Innenringe der Wälzlager 12a, 12b und die Hülse 21b gegen eine Schulter 23 der Welle 11 verschraubt und damit fixiert.
Um die realen, axialen Form- und Laufabweichungen der an der Lagerung der Welle 11 beteiligten Einzelteile, einschließlich der Wälzlager 12a, 12b summarisch zu erfassen, ist ein zusätzlicher Messtaster 24 vorgesehen, der die freie Stirnfläche der Welle 11 außermittig antastet und dessen Messwerte zur Korrektur der axialen Laufabweichung in die Messwertauswertung einbezogen werden können. Zur Begrenzung des Drehwinkels der Welle 11 auf 360 plus 5° bis 10° kann zwischen dem Schrittmotor 19 und dem Kegelrad 20a eine Anschlagscheibe 34 angeordnet sein, die über Ausnehmungen verfügt, in denen ein im Gehäuse 13 befindlicher Stift sowie ein im Kegelrad 20a stirnseitig eingesetzter Stift nach Erreichen des maximalen Winkels und der Ausgangsstellung zur Anlage gebracht werden.
Durch die Verwendung des vorbeschriebenen und als zweischenkeliger Hebel ausgebildeten Tastbalkens 5 ist es möglich, auch bei im Durchmesser kleinen und tiefen Bohrungen mit einem relativ großen Messbereich über zwei axial weit auseinander liegenden Tastpunkte die Lage der Bohrungswandung zum Messgeräteträger 3 und nach einer Umdrehung der Welle 11 auch den Durchmesser und die Rundheit einer Bohrung in diesen Tastebenen zu messen sowie ihre Lage zur Achse des Messgeräteträgers 3 und demzufolge auch zu den Konturen des Werkstückes festzustellen, die von weiteren, dem Messgeräteträger 3 zugeordneten Messtastern erfassbar sind. Dazu kann, wie in diesem Ausführungsbeispiel, dem Gehäuse des Messgeräteträgers 3 ein Anbaugehäuse 25 zugeordnet sein, in dem ein zweischenkliger Tasthebel 26 über zwei vorgespannte Schrägkugellager 27 spielfrei gelagert ist, der werkstückseitig mit einem Tastelement 28 bestückt ist. Das Tastelement 28 kann beispielsweise als Tastkugel oder als Radiusscheibe ausgebildet sein, welche in der Stirnfläche des Tasthebels 26 zentriert und über einen Stift oder einer Schraube 29 mit dem Tasthebel 26 verbunden ist, so dass das Tastelement 28 je nach Bedarf und Abnutzung umgesetzt, das heißt, um seine Symmetrieachse gedreht werden kann.
Am anderen Schenkel des Tasthebels 26 kann sich eine Einstellschraube befinden, die zur Abstimmung des Messweges auf den Messbereich eines weiteren, mit einem Taststift 30 versehenen Messtasters 31 vorgesehen ist. Eine Zugfeder 32 wirkt der Antastkraft des Messtasters 31 gegen die Einstell schraube entgegen und sorgt für die erforderliche Antastkraft des Tastelements 28 auf die Oberfläche des Werkstückes. Das Anbaugehäuse 25 kann mit einem nicht erkennbaren Deckel verschlossen sein, durch den die über eine Mutter feststellbare Einstellschraube auf eine am Tasthebel 26 befindliche Schräge die werkstückseitige Auslenkung des Tasthebels 26 begrenzen kann.
In Ergänzung des gezeichneten Ausführungsbeispieles kann entsprechend der 2 im vorderen Bereich des Gehäuses des Messgeräteträgers 3, beispielsweise zur Überprüfung eines Ventilsitzes, ein kugelförmiges Tastelement 35 vorgesehen sein, das in einer rechtwinklig zur Achse des Messdornes 1 verlaufenden Bohrung geführt und gegen Herausfallen gesichert ist. Dieses, beispielsweise als einseitig abgeflachte Kugel ausgebildetes Tastelement 35 stützt sich dann mit seiner Fläche lose aufliegend auf eine mit einer verlängerten Wippe eines weiteren, induktiven Einbaumesstasters 36 verbundenen Scheibe 37 ab. Durch eine solche Anordnung ist gewährleistet, dass die Messung exakt rechtwinklig zur Rotationsachse erfolgt und die Wippe des induktiven Einbaumesstasters weder tangential noch quer zur Messrichtung belastet wird. Bei einem Ventilsitzwinkel von 90° stützt sich das Tastelement mit der gleichen großen Kraft an der Wandung der radialen Bohrung wie auf der Scheibe 37 ab. Der induktive Einbaumesstaster 36 selbst ist weitgehend verdeckt in dem Gehäuse des Messgeräteträgers 3 installiert und wird in an sich bekannter Weise über Gewindestifte seitlich und damit in Wirkrichtung einstellbar festgeklemmt.
In gleicher Weise kann das Tastelement 35 auch als eine durchbohrte Kugel oder eine mit einem Stift fest verbundene Kugel ausgeführt werden. Auch ein solches Tastelement kann in der radial verlaufenden Bohrung geführt werden, die jedoch zum induktiven Einbaumesstaster hin aufgeschlitzt sein muss, um einen Durchlass für den Stift zur Aufnahme der durchbohrten Kugel oder den mit der Kugel verbunden Stift zu schaffen. Der induktive Einbaumesstaster verfügt dementsprechend über einen Stift zur Lagerung der durchbohrten Kugel oder eine Hülse zur Lagerung des mit der Kugel fest verbundenen Stiftes.
In beiden Fällen kommt es durch die Antastkraft zu einem kraftschlüssigen Kontakt zwischen Stift und Bohrung, so dass sich das erforderliche Lagerspiel nicht negativ auf das Messergebnis auswirken kann. Auch bei einer derartigen Vorrichtung ist gewährleistet, dass die Messung exakt rechtwinklig zur Rotationsachse erfolgt und die Wippe des induktiven Einbaumesstasters weder tangential noch quer zur Messrichtung belastet wird.
Zur Kalibrierung und Linearisierung der beschriebenen Vorrichtung wird die Verwendung eines an sich bekannten Meisters empfohlen, dessen Ausnehmungen vorher exakt vermessen und protokolliert wurden und der statt dem Werkstück zur Vorrichtung hin genau positioniert wird. In einer für die Kalibrierung geeigneten Position legt sich der Tastbalken 5 mit seinen Tastelementen 8a, 8b an die Wandung der Bohrung des Meisters, die beispielsweise einer Ventilschaftbohrung entspricht, und der Tasthebel 26 mit seinem Tastelement 28 an die Wandung der Bohrung, die zur Kalibrierung der Vorrichtung auf eine größere Ausnehmung dient, an. Eine solche Ausnehmung kann beispielsweise die Aussenkung eines Werkstücks für einen Ventilsitzring oder der Ventilsitz selbst sein.
Für eine solche Kalibrierung wird der Antrieb gestartet und der Messdorn 1 beispielsweise in 50, 100 oder 200 Schritten um 360° gedreht. Dabei werden nach jeden Schritt über die Messtaster 9a, 9b und 31 die Messwerte erfasst, die unter Einbeziehung der Tastabstände und der von der Meistermessung her bekannten Einzel-Istwerte abgeglichen werden können, so dass damit bereits alle radialen Form- und Laufabweichungen der an der Lagerung der Welle 11 beteiligten Einzelteile kompensiert sind. Aus den abgeglichenen Messwerten kann nun die Lage der Achse des Meisters zur Rotationsachse der Vorrichtung und damit der Mittenversatz ermittelt werden.
Um die Vorrichtung auf den Winkel des Meisters abgleichen zu können, wird sie dem Meister soweit zugestellt, dass das möglichst weit eingefahrene Tastelement 28 die kegelförmige Ausnehmung berührt. Ausgehend von dieser Position wird nun die Vorrichtung bei stillstehender, beispielweise in Drehwinkelstellung 0° befindlichen Welle 11 über eine vorgegebene Wegstrecke kontrolliert zurück gezogen. Die dabei erfassten Messwerte des Messtasters 31 werden mit der Wegstrecke entsprechend der gewählten Auflösung verrechnet und auf die von der Meistermessung her bekannten Werte abgeglichen. Dieser Vorgang wird danach bei einer Drehwinkelstellung der Welle 11 von 180° wiederholt. Mit diesem Abgleich werden auch alle Unlinearitäten und Empfindlichkeitsabweichungen kompensiert.
Die Summe beider Messreihen ergibt den Gesamtwinkel des Kegels, der nach dem Abgleich mit dem gemessenen Winkels des Meisters identisch sein muss. Aus der Differenz der beiden Teilwinkel lässt sich die Lage der Kegelmittelinie in dieser Ebene ermitteln.
Es ist aber auch möglich, den Abgleich dadurch vorzunehmen, dass die Vorrichtung schrittweise axial verfahren und die Welle 11 dabei jeweils um 180° vor- und zurückgestellt wird, um den Winkel mit den Messtaster 31 in dieser Weise erfassen und auf die Meisterwerte abgleichen zu können.
Bei der Messung des nicht gezeichneten Werkstücks wird in ähnlicher Weise verfahren. Die Vorrichtung wird so weit zugestellt, dass der Tastpunkt des Tastelements 28 in die Ebene der Ventilsitzlehrenlinie gelangt. Danach kann der Messvorgang mit dem Start des Antriebs eingeleitet werden. Der Messdorns 1 wird nun wiederum schrittweise um 360° gedreht. Die dabei von den Messtastern 9a, 9b und 31 erfassten und auf den Meister bereits abgeglichen Messwerte geben Aufschluss über die Maß-, Form- und Lageabweichung der Kontur des Werkstücks.
Bei der Überprüfung von rechtwinklig oder schräg zur Rotationsachse verlaufender Flächen, wie sie beispielsweise bei Ventilsitzen vorkommen, können die axialen Form- und Lageabweichungen der an der Lagerung der Welle 11 beteiligten Einzelteile dadurch kompensiert werden, dass die vom Messtaster 24 summarisch erfassten realen Abweichungen als synchroner Korrekturwert in die Messwertauswertung mit einbezogen wird.
So ist es möglich, nach einer Umdrehung des Messdorns 1 die Durchmesser und Rundheit der Ventilschaftbohrung in den Tastebenen sowie die sich daraus ergebende Konizität der Ventilschaftbohrung, den Ventilsitzdurchmesser und die Rundheit des Ventilsitzes auf der Lehrenlinie, die Lage des Ventilsitzes zur Ventilschaftbohrungsachse und damit den Rundlauf des Ventilsitzes zur Ventilschaftbohrung wie auch die Lage des Ventilsitzes und der Ventilschaftbohrung zum vorgegebenen Bezugselement zu bestimmen und auf Einhaltung der Toleranzen zu überprüfen.
Der Durchmesser einer solchen Ventilschaftbohrung liegt meist im Bereich von 4 bis 8 mm, der eines derartigen Ventilsitzes bei 20 bis 36 mm.
Es besteht ohne weiteres auch die Möglichkeit, den sich aus den Lageabweichungen ergebenden Mittenversatzfehlers zu ermitteln, um ihn zur Berechnung der tatsächlichen Maß- und Formabweichungen einsetzen zu können.
Das Bezugelement kann das Gestell sein, auf dem die Vorrichtung messtechnisch kontrolliert dem Werkstück zugeführt wird, die Werkstückaufnahme oder das Gestell auf dem das Werkstück messtechnisch kontrolliert der Vorrichtung zugeführt wird.
Zur Überprüfung des Ventilsitzwinkels, der Ventilsitzbreite und der Übergänge des Ventilsitzes zu den angrenzenden Fasen bzw. Flächen muss die Vorrichtung zum Werkstück hin soweit zugestellt werden, dass das Tastelement 28 des Tasthebels 26 die hinter dem Ventilsitz liegende Fläche berührt. Ausgehend von dieser Position wird nun die Vorrichtung und damit das Tastelement 28 bei stillstehender, beispielweise in Drehwinkelstellung 0° befindlichen Welle 11 über den Ventilsitz bis zu der dem Ventilsitz vorgelagerten Fläche kontrolliert zurück gezogen. Die dabei vom Messtaster 31 erfassten und auf den Meister bereits abgeglichen Messwerte werden mit der Wegstrecke entsprechend der gewählten Auflösung verrechnet. Dieser Vorgang wird, wie beim Kalibrieren, bei einer Drehwinkelstellung der Welle von 180° wiederholt.
Aus dem Verlauf der Messwerte über der Wegstrecke lassen sich die Ventilsitzbreite und der Teilwinkel des Ventilsitzes berechnen. Die Summe der Teilwinkel aus beiden Messreihen ergibt den zu überprüfenden Gesamtwinkel. Aus den in beiden Messreihen ermittelten Ventilsitzbreiten kann ein Mittelwert gebildet, aber auch der Breitenunterschied als Merkmal dargestellt werden. Die Messwerte des Messtasters 31 können darüber hinaus zur Berechung der Lage des Ventilsitzes zur Rotationsachse und der Lage der Lehrenlinie innerhalb der Ventilsitzbreite in dieser Ebene verwendet werden. Dies ist möglich, wenn die Lage der Lage der Lehrenlinie bezogen auf die Werkstückaufnahme vorgegeben ist, aber auch wenn die Lehrenlinie auf einen vorgegebenen Ventilsitzdurchmesser bezogen ist und ihre Lage dann zur Werkstückaufnahme oder zu einem anderen Bezugselement hin überprüft werden muss.
Dieser Messvorgang kann in mehreren, beliebig gewählten Drehwinkelstellungen durchgeführt werden, um die Ventilsitzkontur sektorweise oder nahezu vollständig kontrollieren zu können, wenn sicher gestellt ist, dass die Messreihen in jeweils diametral gegenüberliegenden Drehwinkelstellungen aufgenommen werden.
Beim Austausch eines Messgeräteträgers 3 oder Teile davon, wie beispielsweise eines Anbaugehäuses 25, kann es erforderlich sein, auch die Messtaster 9a, 9b mit auszubauen, das heißt die Kabel aus der Welle 11 heraus zu ziehen. Da sich die für den Abgleich der Taster erforderlichen Potentiometer aus räumlichen Gründen ohnehin außerhalb des Messgeräteträgers 3 befinden müssen, werden diese zusammen mit einem für einen kabellängenunabhängigen Anschluss erforderlichen Impedanzwandler in einer auf der dem Messgeräteträger 3 abgewandten Seite des Gehäuses 13 angeflanschten Kappe untergebracht. Um einen einfachen und sicheren Austausch der Taster und Kabel ohne spezielles Werkzeug oder eine Lötvorrichtung gewährleisten zu können wird vorgeschlagen den Impedanzwandler mit Federkraftklemmen zu bestücken.
Beim Austausch eines kompletten Messgeräteträgers 3 kann es sinnvoll sein, auch die dafür hergerichtete Kappe mit Potentiometer und den mit Federkraftklemmen bestückten Impedanzwandler als dazugehörige Baugruppe mit auszutauschen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist nicht nur zur Kontrolle fertiger Zylinderköpfe geeignet, sondern auch zur Überprüfung von nur vorbearbeiteten Werkstücken mit und ohne Ventilsitzringen oder andersartiger Stufenbohrungen, wie auch zur Vermessung von Ventilsitzringen außerhalb der Zylinderköpfe einsetzbar. Dazu kann ein weiterer Messtaster an ein anders geartetes Gehäuse des Messgeräteträgers 3 oder ein anderes gestaltetes Anbaugehäuse montiert werden, der beispielsweise die Planfläche einer Ausnehmung oder den Außendurchmesser eines Ventilsitzrings kontrolliert und dessen Messwerte mit denen des die Innenkontur überprüfenden Messtaster 9a, 9b, 31 verrechnet werden können. Falls bei derartigen Einsatzfällen der Tastbalken 5 nicht benötigt wird, kann dieser nach Lösen der Klemmung des Federstabs 7 vom Flansch 4 leicht herausgezogen werden, ohne dass die Messtaster 9a, 9b aus dem Messgeräteträger 3 ausgebaut werden müssen.

Claims

Vorrichtung zur Überprüfung der Mal-, Form- und Lagetoleranzen von rotationssymmetrischen Innen- und/oder Außenkonturen eines Werkstückes, bestehend aus einem mit einer Welle einer Antriebseinheit verbindbaren Messdorn sowie einer dazugehörigen Mess- und Auswertelektronik, dadurch gekennzeichnet, dass der Messdorn (1) aus einem Messgeräteträger (3) und mindestens einem in einer Ebene frei beweglichen Tastbalken (5) mit zwei das Werkstück gleichermaßen berührenden Tastelementen (8a, 8b) sowie aus zwei in dem Messgeräteträger (3) des Messdornes (1) befindlichen und die Lage des Tastbalkens (5) in dieser Ebene erfassenden Messtastern (9a, 9b) gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messgeräteträger als zweiteiliges Gehäuse (13) ausgebildet ist und einen Flansch (4) aufweist, über den der Messdorn (11) mit der Welle der Antriebseinheit (2) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Tastbalken (5) als ein zweischenkliger, über ein Gelenk (6) schwenkbarer Hebel ausgebildet und das Gelenk (6) über einen Federstab (7) mit dem Flansch (4) verbunden ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Tastbalken (5) zumindest teilweise von dem Gehäuse (13) des Messträgers (3) umschlossen, in seiner freibeweglichen Ebene über eine Nut-Feder-Verbindung mit dem Flansch (4) verdrehsicher gekoppelt, über den Federstab (7) und das Drehgelenk (6) axial fixiert und über Justierschrauben seitlich nahezu spielfrei geführt ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Messgeräteträger (3) mindestens ein weiterer Messtaster (36, 31) zur Erfassung weiterer Konturen des Werkstücks zugeordnet ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet dass dem Messgeräteträger (3) ein Anbaugehäuse (25) mit zumindest einem zweischenkligen, spielfrei gelagerter Tasthebel (26) und einem Messtaster (31) zugeordnet ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Tasthebel (26) ein tangential zu seiner Symmetrieachse verstellbares, als Tastkugel oder Radiusscheibe ausgebildetes Tastelement (28) auswechselbar verbunden ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einem im Messgeräteträger (3) befindlichen Messtaster (36) ein in einer rechtwinklig zur Achse verlaufenden Bohrung geführtes, und nur kraftschlüssig mit dem Messtaster (36) verbundenes, kugelförmiges Tastelement (35) zugeordnet ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (11) der Antriebseinheit (2) über zwei axial vorgespannte und im Gehäuse (13) der Antriebseinheit (2) radial prismenartig gehaltene Wälzlager (12a, 12b) gelagert und mit dem Messdorn (1) verbunden ist, wobei der Außenring eines Wälzlagers (12b) pendelnd im Gehäuse (13) gelagert ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die die Wälzlager (12a, 12b) in dem Gehäuse (13) der Antriebseinheit (2) aufnehmende Bohrung einen geringfügig größeren Durchmesser als die der Wälzlager (12a, 12b) aufweist und zwei in Längsrichtung verlaufende, sich diametral gegenüber liegende Ausnehmungen (14a, 14b) besitzt und eine Ausnehmung (14a) eine federbelastete Leiste (15) aufnimmt, durch die die Außenringe der beiden Wälzlager (12a, 12b) zur gegenüberliegenden Ausnehmung (14b) hin prismenartig anlegbar sind.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenring eines Wälzlagers (12b) in Längsachse konvex ausgebildet ist oder zumindest nur über einen schmalen Steg in der Bohrung anliegt.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass den Außenringen der Wälzlager (12a, 12b) als Verdrehsicherung aufspannbare und in der der Leiste (15) gegenüberliegenden Ausnehmung (14b) einsetzbare Segmente (33) zugeordnet sind.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass einer Stirnfläche der Welle (11) ein Messtaster (24) zur Kontrolle und Erfassung der realen, sich in axialer Richtung auswirkenden Form- und Laufabweichungen zugeordnet ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebseinheit (2) zum Antrieb der Welle (11) ein Schrittmotor (19) zugeordnet ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die den Messtastern (9a, 9b, 36, 31) zugeordneten Kabel durch eine zentrale Bohrung der Welle (11) geführt und über Federkraftklemmen mit einem in einer abnehm- bzw. austauschbaren Kappe befindlichen Impedanzwandler verbindbar sind.