DE60132073T3

DE60132073T3 - Vorrichtung und verfahren zum messen der dimensions- und formabweichung von kurbelzapfen am ort des schleifens

Info

Publication number: DE60132073T3
Application number: DE60132073.5T
Authority: DE
Inventors: Franco Danielli; Carlo Dall'Aglio
Original assignee: Marposs SpA
Current assignee: Marposs SpA
Priority date: 2000-03-06
Filing date: 2001-01-19
Publication date: 2014-09-18
Anticipated expiration: 2021-01-20
Also published as: ITBO20000112A1; WO2001066306A1; US7047658B2; DE60132073T2; EP1263547A1; JP4828072B2; EP1263547B2; US20030056386A1; WO2001066306A8; IT1321211B1; EP1263547B1; ATE381980T1; JP2003526094A; DE60132073D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Prüfung von Dimensions- und Formabweichungen eines Kurbelzapfens einer Kurbelwelle während Orbitaldrehungen um eine Hauptdrehachse auf einer numerisch gesteuerten Schleifmaschine, auf der der Kurbelzapfen bearbeitet wird, wobei die Schleifmaschine einen Schleifradschlitten, der ein Schleifrad trägt, und einen die Hauptdrehachse bildenden Arbeitstisch aufweist, mit einem Messkopf mit einer V-förmigen Bezugsvorrichtung, die mit dem zu prüfenden Kurbelzapfen in Eingriff treten kann, einem Fühler, der die Oberfläche des zu prüfenden Kurbelzapfens berühren kann, und einem Signalumformer, der Signale, die die Position des Fühlers relativ zur V-förmigen Bezugsvorrichtung anzeigen, liefern kann, einer Lagervorrichtung mit beweglichen Kopplungselementen, die den Messkopf beweglich lagern, einer Steuervorrichtung zum Steuern von automatischen Verschiebungen des Messkopfes von einer Ruhestellung in eine Prüfstellung und umgekehrt, einer Führungsvorrichtung zum Führen der Anordnung der V-förmigen Bezugsvorrichtung auf dem Kurbelzapfen im Verlauf der Orbitaldrehungen des letzteren und Verarbeitungs- und Anzeigevorrichtungen, die mit dem Messkopf verbunden sind und die vom Signalumformer zur Verfügung gestellten Signale empfangen und verarbeiten können.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Prüfen der Formabweichung eines Zapfens, der eine geometrische Symmetrieachse definiert und sich orbital um eine Hauptdrehachse parallel zur Symmetrieachse und im Abstand hiervon bewegt, in einer numerisch gesteuerten Schleifmaschine, die einen Schleifradschlitten, der ein Schleifrad trägt, und einen Arbeitstisch, der die Hauptdrehachse definiert, aufweist, mit Hilfe einer Prüfvorrichtung einschließlich einer Lagervorrichtung, einem Messkopf, der beweglich mit der Schleifmaschine über die Lagervorrichtung verbunden ist, und Verarbeitungs- und Anzeigevorrichtungen, die mit dem Messkopf verbunden sind, wobei der Messkopf eine V-förmige Bezugsvorrichtung, die mit dem zu überprüfenden Zapfen zusammenwirken kann, einen beweglichen Fühler, der die Oberfläche des zu prüfenden Zapfens berühren kann und sich entlang einer Translationsrichtung bewegen kann, und einen Signalumformer aufweist, der die Verarbeitungs- und Anzeigevorrichtungen mit Signalen versehen kann, die die Position des Fühlers relativ zur V-förmigen Bezugsvorrichtung wiedergeben.
Vorrichtungen mit den vorstehend genannten Merkmalen sind in der internationalen Patentanmeldung WO-A-9712724 beschrieben.
Die in dieser internationalen Patentanmeldung beschriebenen Ausführungsformen garantieren ausgezeichnete metrologische Ergebnisse und geringe Trägheitskräfte, und die Performancestandards der Vorrichtungen mit diesen Eigenschaften, die von der Anmelderin der vorliegenden Patentanmeldung hergestellt werden, bestätigen die beträchtliche Qualität und Zuverlässigkeit dieser Ausführungsformen.
In vielen numerisch gesteuerten Schleifmaschinen, die gegenwärtig zur Bearbeitung von Kurbelzapfen hergestellt werden, wird jedes zu bearbeitende Werkstück auf dem Arbeitstisch angeordnet und um seine Hauptdrehachse (die Achse, die von den Lagern gebildet wird) gedreht. Während der Drehung werden beide Zapfenlager und Kurbelzapfen geschliffen. Was die Kurbelzapfen betrifft, so erfordert eine richtige Bearbeitung extrem genaue Translationsbewegungen zwischen dem Schleifradschlitten und dem Arbeitstisch synchron mit Drehbewegungen der Welle unter der Steuerung der numerischen Steuerung (NC) der Maschine auf der Basis eines geeigneten Bearbeitungsprogramms, das das Ergebnis einer numerischen Interpolation darstellt. Unvermeidbare Abweichungen in den Dimensionen oder Formabweichungen der mechanischen Teile der Maschine bewirken Abweichungen in der Kreisform oder Rundheit der zylindrischen Oberfläche des geschliffenen Werkstückes. Um diese Abweichungen zu korrigieren (unter der Berücksichtigung, dass 2–3 μm einen typischen Toleranzwert für diese Art von Abweichungen bildet, der für Kurbelwellen, die in Kraftfahrzeugen verwendet werden, erforderlich ist), muss die Rundheit der bearbeiteten Kurbelzapfen überprüft und das Arbeitsprogramm der CN entsprechend korrigiert werden. Die Überprüfung der Rundheit der Kurbelzapfen wird gegenwärtig mit Hilfe von geeigneten metrologischen Vorrichtungen durchgeführt, die einen Drehtisch aufweisen, der sehr genaue Drehbewegungen durchführt, wobei derart auf die Kurbelwelle Bezug genommen wird und sie so festgelegt wird, dass der zu überprüfende Kurbelzapfen relativ zur Drehachse im wesentlichen zentriert ist. Eine Messeinrichtung mit einer radialen Messachse detektiert die Variationen entsprechend mindestens einem Querschnitt der Zapfenoberfläche, die im Verlauf einer 360°-Drehung des Drehtisches mit einer geeigneten Probennahmefrequenz abgetastet wird. Die detektierten Variationswerte werden verarbeitet, um den am besten geeigneten Umfang zu erhalten, d. h. den Umfang, der sich am besten dem geometrischen Ort der Punkte, die diesen Werten entsprechen, annähert. Abweichungen der detektierten Werte in Bezug auf die Werte des am besten geeigneten Umfanges werden berechnet, um den Rundheitsfehler der geprüften Oberfläche nach einer bekannten Technik zu definieren.
Um bei dem gegenwärtig verwendeten Verfahren die Rundheit zu prüfen, ist es erforderlich, eine spezifische, teure und voluminöse Vorrichtung zu verwenden und nacheinander die folgenden Vorgänge durchzuführen: Entfernen der zu prüfenden Kurbelwelle von der Schleifmaschine, auf der sie geschliffen wurde, Anordnen der Kurbelwelle auf der spezifischen Vorrichtung, wobei sorgfältige Operationen für eine geeignete Positionierung und Fixierung auf dem Drehtisch erforderlich sind, Durchführen des Prüfprozesses, Analysieren der Ergebnisse und manuelles Korrigieren des Schleifprogramms der CN auf der Basis dieser Ergebnisse. Folglich sind in geeigneter Weise instruierte Bedienungspersonen erforderlich, um die Prüfung und die Korrektur auszuführen. Darüber hinaus wird durch das Durchführen der vorstehend genannten Operationen der Arbeitsprozess negativ beeinflusst, wobei nicht vernachlässigbare Unterbrechungen erforderlich sind, was im Gegensatz zu den sogar noch ansteigenden Anforderungen in Bezug auf eine kontinuierliche und zeitgerechte Überprüfung des Produktionsprozesses steht.
Vorrichtungen und Verfahren zum Prüfen der Abweichung der Kreisform von rotierenden zylindrischen Teilen sind in der europäischen Patentanmeldung 00113379.2 beschrieben, die nach dem Prioritätsdatum der vorliegenden Anmeldung als EP-A-1063052 veröffentlicht wurde.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung betrifft die Schaffung einer Prüfvorrichtung und eines Prüfverfahrens, die eine genaue und zeitlich korrekte Prüfung der Rundheit oder Kreisform von Kurbelzapfen ermöglichen, wenn der Kurbelzapfen noch auf der Schleifmaschine, auf der er bearbeitet wird, angeordnet ist.
Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung betrifft die Schaffung einer Prüfvorrichtung und eines Prüfverfahrens, die sowohl die Prüfung der diametralen Abmessungen eines Kurbelzapfens, der sich während seiner Bearbeitung auf einer Schleifmaschine orbital dreht, als auch die Prüfung der Rundheit des geschliffenen Kurbelzapfens während einer zusätzlichen orbitalen Bewegung des Zapfens in der Schleifmaschine ermöglichen.
Diese und andere Ziele und Vorteile werden mit Hilfe einer Prüfvorrichtung und eines Prüfverfahrens gemäß den Patentansprüchen 1 und 11 erreicht.
Die Erfindung wird nunmehr in größeren Einzelheiten in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen zeigen bevorzugte Ausführungsformen, die in keiner Weise beschränkend sind. Es zeigen:
1 eine Seitenansicht einer Messvorrichtung, die auf dem Schleifradschlitten einer Schleifmaschine für Kurbelwellen montiert ist, wobei die Messvorrichtung in einem Betriebszustand während des Prüfens einer Kurbelwelle, die geschliffen wird, gezeigt ist;
2 eine Vorderansicht der Vorrichtung der 1, die auf dem Schleifradschlitten der Schleifmaschine montiert ist;
3 eine Teilschnittansicht der Messvorrichtung der Vorrichtung der 1 und 2;
4 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung, wobei deren Abmessungen und Proportionen nicht exakt denen der 1 entsprechen, während des Prüfens einer Kurbelwelle, die geschliffen wird;
5a, 5b, 5c und 5d schematisch den Querschnitt eines Bolzens mit einem evidenten Formfehler und graphische Darstellungen des Profils des Bolzens, das mit unterschiedlichen Vorrichtungen detektiert wurde;
6 ein Ablaufdiagramm, das die Schrittfolge eines Verfahrens der vorliegenden Erfindung zur Prüfung von Dimensions- und Formabweichungen eines Kurbelzapfens zeigt; und
7 eine Ansicht einer Messvorrichtung einer Vorrichtung der vorliegenden Erfindung gemäß einer Ausführungsform, die sich von der der 3 unterscheidet.
Wie die 1 und 2 zeigen, trägt der Schleifradschlitten 1 einer durch einen Computer numerisch gesteuerten (CNC) Schleifmaschine zum Schleifen von Kurbelwellen 34 eine Spindel 2, die die Drehachse M des Schleifrades 4 bildet. Der Schleifradschlitten 1 trägt über der Spindel 2 eine Lagervorrichtung einer Prüfvorrichtung einschließlich eines Lagerelementes 5 und eines ersten und zweiten Kopplungselementes 9, 12, die sich drehen. Das Lagerelement 5 lagert mit Hilfe eines Drehzapfens 6 das erste rotierende Kopplungselement 9. Der Zapfen 6 bildet eine erste Drehachse F parallel zur Drehachse M des Schleifrades 4 und zur Hauptdrehachse O der Kurbelwelle 34. Des weiteren bildet das Kopplungselement 9 mit Hilfe eines Drehzapfens 10 eine zweite Drehachse S parallel zu den Drehachsen M und O und trägt das zweite Kopplungselement 12. Das freie Ende des Kopplungselementes 12 ist mit einem Führungsgehäuse 15 verbunden, in dem sich in Axialrichtung eine Transmissionsstange 16 (3) bewegen kann, die einen Fühler 17 zum Kontaktieren der Oberfläche eines zu prüfenden Zapfens 18, insbesondere eines Kurbelzapfens einer Kurbelwelle 34, trägt, wie in 1 gezeigt. Die geometrische Symmetrieachse des Kurbelzapfens 18, der bearbeitet wird, ist in den Figuren mit dem Bezugszeichen C versehen. Das Führungsgehäuse 15, die Transmissionsstange 16 und der Fühler 17 bilden Komponenten eines Messkopfes 39, der auch einen Lagerblock 19 aufweist. Der Lagerblock 19 ist am unteren Ende des Führungsgehäuses 15 fixiert und lagert eine V-förmige Bezugsvorrichtung 20, die mit der Oberfläche eines zu prüfenden Kurbelzapfens 18 in Eingriff treten kann, und zwar mit Hilfe der von den Zapfen 6 und 10 ermöglichten Drehungen. Die Transmissionsstange 16 ist entlang der Mittellinie der V-förmigen Bezugsvorrichtung 20 beweglich.
Der Lagerblock 19 lagert ferner eine Führungsvorrichtung 21, die gemäß der Beschreibung der vorstehend erwähnten internationalen Patentanmeldung WO-A-9712724 dazu dient, die Bezugsvorrichtung 20 so zu führen, dass sie mit dem Kurbelzapfen 18 in Eingriff tritt und den Kontakt mit dem Kurbelzapfen 18 aufrechterhält, während sich die Bezugsvorrichtung 20 vom Kurbelzapfen wegbewegt, um die Drehung des ersten und zweiten Kopplungselementes 9, 12 um die von den Zapfen 6 und 10 gebildeten Drehachsen F, S zu begrenzen.
Die axialen Verschiebungen der Transmissionsstange 16 in Bezug auf eine Bezugsposition werden mit Hilfe eines Messsignalumformers, der am rohrförmigen Gehäuse 15 fixiert ist, beispielsweise eines Signalumformers 41 vom LVDT- oder HBT-Typ (die bekannt sind) mit festen Wicklungen 40 und einem ferromagnetischen Kern 43, der mit einem beweglichen Element oder einer Stange 42 verbunden ist, die mit der Transmissionsstange 16 (3) beweglich ist, detektiert. Die axiale Verschiebung der Transmissionsstange 16 wird durch zwei Buchsen 44 und 45 geführt, die zwischen dem Gehäuse 15 und der Stange 16 angeordnet sind, und eine Druckfeder 49 drückt die Stange 16 und den Fühler 17 in Richtung auf die Oberfläche des zu prüfenden Kurbelzapfens 18 oder in Richtung auf interne Anschlagflächen (in den Figuren nicht gezeigt), die eine Ruheposition des Fühlers 17 festlegen. Ein Metallbalg 46, der in Bezug auf Torsionskräfte steif ausgebildet ist und dessen Enden jeweils an der Stange 16 und am Gehäuse 15 (oder am Lagerblock 19) befestigt sind, führt die Doppelfunktion aus, dass er eine Drehung der Stange 16 relativ zum Gehäuse 15 verhindert (und somit verhindert, dass der Fühler 17 ungeeignete Positionen einnimmt) und dass er das untere Ende des Gehäuses 15 abdichtet.
Der Lagerblock 19 ist so befestigt, dass er das Gehäuse 15 mit Hilfe von Paaren von Schrauben 47 führt, die sich durch Schlitze 48 erstrecken, und lagert die Bezugsvorrichtung 20, die aus zwei Elementen 31 mit Schrägflächen besteht, an denen zwei Stäbe 32 befestigt sind. Die Ruheposition des Fühlers 17 kann mit Hilfe von Schrauben 47 und Schlitzen 48 eingestellt werden. Der Signalumformer 41 des Kopfes 39 ist an eine Verarbeitungs- und Anzeigevorrichtung 22 angeschlossen, die wiederum mit der numerischen Steuerung (NC) 33 der Schleifmaschine in Verbindung steht.
Bei den Kopplungselementen 9 und 12 handelt es sich grundlegend um lineare Arme mit geometrischen Achsen, die in Querebenen zur Drehachse O der Kurbelwelle und zur Drehachse M des Schleifrades 4 liegen. Um jedoch, wie schematisch in 2 gezeigt, Störungen mit Elementen und Vorrichtungen der Schleifmaschine zu vermeiden, umfassen die Kopplungselemente 9 und 12 Abschnitte, die sich in Längsrichtung erstrecken, und Abschnitte, die in unterschiedlichen Querebenen versetzt sind.
Eine Steuervorrichtung umfasst einen doppeltwirkenden Zylinder 28, beispielsweise vom hydraulischen Typ. Der Zylinder 28 wird durch den Schleifradschlitten 1 gelagert und umfasst ein bewegliches Element, insbesondere eine Stange 29, die mit dem Kolben des Zylinders 28 verbunden ist und am freien Ende eine Kappe 30 trägt. Ein Arm 14 ist an einem Ende am Element 9 fixiert und trägt am anderen Ende einen Anschlag mit einem leerlaufenden Rad 26. Wenn der Zylinder 28 aktiviert wird, um den Kolben und die Stange 29 nach rechts (in 1) zu verschieben, tritt die Kappe 30 mit dem leerlaufenden Rad 26 in Kontakt und bewirkt eine Verschiebung der Prüfvorrichtung in eine Ruheposition, gemäß der die Bezugsvorrichtung 20 im Abstand von der Oberfläche des Kurbelzapfens angeordnet ist. Ein Überhang 13 ist starr am Lagerelement 5 fixiert, und eine Schraubenrückzugsfeder 27 steht mit dem Überhang 13 und dem Arm 14 in Verbindung.
Wenn die Stange 29 zurückgezogen wird, um eine Verschiebung der Vorrichtung in den Prüfzustand zu ermöglichen, und die Kappe 30 mit dem Anschlag oder leerlaufenden Rad 26 außer Eingriff tritt, nähert sich der Lagerblock 19 dem Kurbelzapfen 18 durch die Drehung der Kopplungselemente 9, 12 und erreicht die Vorrichtung den Prüfzustand und hält diesen bei, wie im wesentlichen im einzelnen in der vorstehend erwähnten internationalen Patentanmeldung WO-A-9712724 beschrieben.
Die Zusammenwirkung zwischen dem Kurbelzapfen 18 und der Bezugsvorrichtung 20 wird aufgrund der Verschiebungen der Komponenten, die durch Schwerkraft verursacht werden, aufrechterhalten. Die Schraubenfeder 27, deren Dehnung mit der Absenkung des Lagerblocks 19 zunimmt, wirkt den Trägheitskräften der sich bewegenden Teile der Prüfvorrichtung nach den Verschiebungen des Kurbelzapfens 18 teilweise und dynamisch entgegen. Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich, Überspannungen zwischen der Bezugsvorrichtung 20 und dem Kurbelzapfen 18 entsprechend der unteren Position (die in 1 mit dem Bezugszeichen 18' versehen ist) zu vermeiden, die zu Verformungen der V-Form der Bezugsvorrichtung 20 führen könnten. Da andererseits während der Anstiegsbewegung der Vorrichtung (aufgrund der Drehung des Kurbelzapfens in Richtung auf die obere Position, in der der Kurbelzapfen 18 in 1 gezeigt ist) die Zugkraft der Feder 27 abnimmt, können die Trägheitskräfte, die entsprechend der oberen Position dazu neigen, den Eingriff zwischen der V-förmigen Bezugsvorrichtung 20 und dem Kurbelzapfen 18 freizugeben, in geeigneter Weise ausgeglichen werden. Im letztgenannten Fall ist darauf hinzuweisen, dass diese Ausgleichswirkung mit Hilfe der Feder 27 über eine Abnahme ihrer Zugkraft erreicht wird. Mit anderen Worten, die Schraubenfeder 27 übt aufgrund der Schwerkraft keinen Druck zwischen der Bezugsvorrichtung 20 und dem Kurbelzapfen 18, die miteinander zusammenwirken, wie vorstehend erwähnt, aus.
Wie schematisch in 2 gezeigt ist, wird die zu prüfende Kurbelwelle 34 auf dem Arbeitstisch 23 zwischen einer Antriebsvorrichtung mit einer Spindel 36 und einem Reitstock 37, die die Hauptdrehachse O bilden, koinzident mit der geometrischen Hauptachse der Kurbelwelle angeordnet. Infolgedessen führt der Kurbelzapfen 18 eine Orbitalbewegung um die Achse O aus. Eine Winkeldetektionseinheit besitzt einen Rotationssignalumformer, der schematisch in 2 gezeigt und mit dem Bezugszeichen 35 versehen ist sowie ein Beugungsgitterinterferometer aufweist. Der Rotationssignalumformer 35 detektiert die Winkelpositionen θ der Kurbelwelle 34 und ist an die NC 33 der Schleifmaschine sowie über die NC 33 an die Verarbeitungs- und Anzeigevorrichtung 22 angeschlossen. Ein Linearsignalumformer zum Detektieren von gegenseitigen translatorischen Bewegungen zwischen dem Schleifradschlitten 1 und dem Arbeitstisch 23 ist schematisch in 1 gezeigt und mit dem Bezugszeichen 38 versehen. Er ist an die NC 33 der Schleifmaschine angeschlossen. Die von dem Rotationssignalumformer 35 und Linearsignalumformer 38 abgegebenen Signale werden von der NC 33 benutzt, um die Bewegungen der Teile der Maschine während des Schleifens des Kurbelzapfens 18 in geeigneter Weise zu steuern.
Während der Prüfphase sendet der Signalumformer 41 des Messkopfes 39 Signale an die Verarbeitungs- und Anzeigevorrichtung 22, deren Werte die Position des Fühlers 17 wiedergeben. Die Werte dieser Signale können verarbeitet und korrigiert werden, d. h. auf der Basis von Kompensationswerten oder Koeffizienten, die in der Vorrichtung 22 gespeichert sind, um Messsignale zu erhalten, deren Werte die diametralen Abmessungen des Kurbelzapfens 18, der geschliffen wird, wiedergeben. Diese Messsignale werden von der NC 33 benutzt, um die Bearbeitung des Kurbelzapfens 18 zu stoppen, wenn eine vorgegebene diametrale Abmessung erreicht ist.
Danach wird eine Prüfung durchgeführt, die in Bezug auf die Rundheit der Kurbelzapfenoberfläche relevant ist. In der Rundheitsprüfphase werden die interpolierten Bewegungen der Schleifmaschinenteile (Schleifradschlitten, Arbeitstisch) so gesteuert, dass sich während der Orbitalbewegung des Kurbelzapfens 18 die Oberfläche des Schleifrades 4 bewegt, um eine vernachlässigbare Distanz gegenüber der Kurbelzapfenoberfläche aufrechtzuerhalten.
In der Rundheitsprüfphase erfährt die Kurbelwelle 34 eine Drehung um 360°, wobei im Verlauf dieser Drehung die Werte der vom Signalumformer 41 abgegebenen Signale detektiert und (nach möglichen Korrekturen, wie vorstehend erwähnt) gespeichert werden. Diese Werte werden in vorgegebenen beabstandeten Winkelpositionen, d. h. jedes Grad, unter der Steuerung des Rotationssignalumformers 35 detektiert, um eine Sequenz von „Rohwerten” rg(θ) zu erhalten, wobei θ = 0, 1, ..., 359 ist. Die Signale des Signalumformers 41 können auch auf andere geeignete Weisen detektiert werden, d. h. über eine zeitliche Abtastung bei einer konstanten Rotationsgeschwindigkeit der Kurbelwelle 43. Die Rohwerte rg(θ) betreffen radiale Abmessungen des Kurbelzapfens 18 bei vorgegebenen Winkellagen θ dieses Kurbelzapfens 18 und umfassen Abweichungen aufgrund von einigen Merkmalen der Prüfvorrichtung. Insbesondere werden die Rohwerte rg(θ) sowohl durch hin- und hergehende dynamische Schwingungen des Messkopfes 39 im Verlauf der Orbitalbewegungen des Kurbelzapfens 18 als auch durch Intermodulation der Formabweichungen der Oberfläche des Kurbelzapfens 18 infolge des Kontaktes zwischen der Bezugsvorrichtung 20 und dieser Oberfläche beeinflusst. Die Rohwerte rg(θ) werden an die NC 33 übertragen, um verarbeitet zu werden, wie in der nachfolgenden Beschreibung spezifiziert, so dass Profilwerte r(φ), die das tatsächliche Kurbelzapfenprofil wiedergeben, d. h. von Variationen der radialen Abmessungen des Kurbelzapfens 18 in Abhängigkeit von der Winkelposition um die geometrische Symmetrieachse C, erhalten werden. Die Profilwerte r(φ) können direkt von der NC 33 benutzt werden, um Rundheitsfehler zu detektieren, wie dies über spezielle bekannte Rundheitsprüfvorrichtungen durchgeführt werden kann, und um somit das Programm zu korrigieren, das die Arbeitsschritte steuert.
4 zeigt schematisch einige Teile der Vorrichtung während der Rundheitsprüfung eines Kurbelzapfens 18. Ferner zeigt 4 die Lagen der Drehachsen und geometrischen Achsen, einige spezielle Punkte (wie den Kontaktpunkt P zwischen dem Fühler 17 und der Oberfläche des Kurbelzapfens) und geometrische Parameter, wie Abstände und Winkel, die bei einem speziellen Anwendungsfall mit einer vorgegebenen Anordnung konstante Werte besitzen.

• α: Winkel zwischen jeder Seite des V der Bezugsvorrichtung 20 (oder besser von deren Projektion auf die Ebene der 4) und der Mittellinie des V;
• c: Exzentrizität OC des Kurbelzapfens 18 (oder Hub);
• r: Nennwert des Radius des Kurbelzapfens 18;
• m: Radius des Schleifrades 4;
• b: Abstand zwischen den Drehachsen M und F;
• γ: Winkelanordnung der Geraden, auf der sich der Abstand b befindet, oder des Winkels zwischen dieser Geraden und der Translationsrichtung des Schlittens 1 des Schleifrades;
• I: Abstand zwischen den Drehachsen F und S;
• a: Abstand zwischen der Drehachse S und der geometrischen Achse C des Kurbelzapfens 18;
• β: Winkelanordnung der Geraden SC in Bezug auf die Mittellinie der V-förmigen Bezugsvorrichtung 20 (oder Winkel SCP).

4 zeigt ferner die folgenden variablen Parameter:

• θ: Winkelanordnung der Kurbelwelle 34, wie vom Rotationssignalumformer 35 detektiert;
• ε: Winkel zwischen der sich durch die Achsen M des Schleifrades und C des Kurbelzapfens 18 erstreckenden Geraden und der Translationsrichtung des Schlittens 1 des Schleifrades;
• x(θ): Abstand zwischen den Achsen M (des Schleifrades 4) und O (der Kurbelwelle 34);
• z: Abstand zwischen der geometrischen Achse C des Kurbelzapfens 18 und der Drehachse F;
• φ: Winkelanordnung der sich durch die Achsen O der Kurbelwelle 34 und C des Kurbelzapfens 18 erstreckenden Geraden in Bezug auf die Mittellinie der V-förmigen Bezugsvorrichtung 20.

Wie vorstehend erläutert, werden die Rohwerte rg(θ) durch Fehler infolge der hin- und hergehenden dynamischen Schwingungen des Messkopfes 39 auf der Oberfläche des Kurbelzapfens beeinflusst. Da sich der Kurbelzapfen 18 um eine Drehachse (O), die durch die Exzentrizität c von ihrer eigenen geometrischen Symmetrieachse (C) beabstandet ist, während der vorstehend erwähnten gesteuerten interpolierten Bewegungen dreht (gemäß denen eine vernachlässigbare Distanz zwischen den Oberflächen des Schleifrades 4 und des Kurbelzapfens 18 aufrechterhalten wird), bewegt sich die Symmetrieachse C in Bezug auf das Schleifrad 4 hin und her und folgt einem Bogen des Radius MC um die Achse M des Schleifrades 4. Infolge von kinematischen und geometrischen Merkmalen der Lagervorrichtung und des Kopfes 39, die das Gelenkviereck MFSC definieren, steht die V-förmige Bezugsvorrichtung 20 mit dem Kurbelzapfen 18 mit einer Winkelanordnung in Eingriff, die sich generell während der Orbitaldrehung des Kurbelzapfens verändert.
Folglich ist keine vollständige Koinzidenz zwischen den Schrittwerten der Winkelanordnungen θ der Kurbelwelle 34, die vom Rotationssignalumformer 35 detektiert werden, und somit den Schrittwerten des Winkels φ, die die Position des Kontaktpunktes P um die Symmetrieachse C anzeigen, vorhanden. Der Effekt der Hin- und Herbewegung des Kopfes 39 auf dem Kurbelzapfen 18 führt zu Änderungen oder Abweichungen der Rohwerte rg(θ) in Bezug auf die tatsächlichen Profilwerte, wobei diese Abweichungen die Rohwerte rg(θ) in unterschiedlichen Augenblicken der Phase der Rundheitsprüfung beeinflussen. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung umfasst eine erste Verarbeitung der Rohwerte rg(θ), um die vorstehend erwähnten Abweichungen infolge der hin- und hergehenden dynamischen Schwingungen des Messkopfes 39 auf der Oberfläche des Kurbelzapfens zu eliminieren.
Hierzu werden die folgenden Operationen für jeden Wert des Winkels θ zwischen 0° und 359° ausgeführt:

• der Wert des Winkels ε wird mit Hilfe von bekannten und einfachen trigonometrischen Gleichungen in Verbindung mit dem Dreieck COM, bei dem zwei Schenkel (OC, CM) und ein Winkel (COM = θ) bekannte Werte besitzen, berechnet;
• nach Berechnung des Wertes des Winkels CMF (gleich 180° – ε – γ) und da die beiden Schenkel (CM, MF) des Dreieckes CMF bekannte Längen besitzen, werden die Werte von CF = z und des Winkels MCF = Ψ mit Hilfe von bekannten und einfachen trigonometrischen Gleichungen erhalten;
• in Kenntnis der Längen von allen drei Schenkeln des Dreieckes CFS wird der Wert des Winkels FCS = ω in einfacher Weise erhalten;
• es ist schließlich möglich, den Wert des Winkels φ als φ = β + ω + Ψ – θ – ε zu erhalten.

Durch Wiederholung der vorstehend erwähnten Schritte für jeden der 360 Werte von θ ist es möglich, eine Korrelationsfunktion φ = φ(θ) zu erhalten, die eine Korrektur (oder das „Inphasebringen”) der Sequenz der Rohwerte rg(θ) mit Hilfe von bekannten numerischen Interpolationstechniken ermöglicht, und eine Sequenz von winkelmäßig kompensierten Werten rf(φ) zu erhalten.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die Schritte zum Erhalten der Korrelation φ = φ(θ) nur einmal durchgeführt werden müssen, wenn die Nennabmessungen des zu prüfenden Kurbelzapfens 18 oder die geometrischen Merkmale der Vorrichtung (Lagervorrichtung und Kopf) variieren.
Wie bereits in der vorhergehenden Beschreibung erwähnt, wird die Sequenz der winkelmäßig kompensierten Werte rf(φ) noch durch weitere Änderungen infolge von Intermodulationen von Formabweichungen des Kurbelzapfens 18 als Konsequenz der Tatsache, dass die Position des Fühlers 17 unter Bezugnahme auf die V-förmige Vorrichtung 20 detektiert wird, wobei letztere die Oberfläche des zu prüfenden Kurbelzapfens 18 berührt, beeinflusst.
Im Gegensatz zu dem, das passiert, wenn der Kurbelzapfen 18 mit Hilfe einer bekannten Rundheitsmessvorrichtung gemessen wird, bei der der Kurbelzapfen an einem Drehtisch befestigt ist, der sich genau um eine Bezugsachse dreht (die Genauigkeit der Drehbewegung ist etwa zehnmal besser als die Herstelltoleranz), besitzt der Kopf 39 eine Bezugsvorrichtung 20 mit Oberflächen eines V-förmigen Elementes, das auf Abschnitten der Oberfläche des Kurbelzapfens 18 ruht (mit den Punkten A und B in 4 bezeichnet), die durch Formabweichungsfehler beeinflusst werden. Dies führt zu einer ziemlich komplexen Modulation der Formabweichungsfehler in den Kontaktpunkten A, B und P auf dem vom Signalumformer 41 zur Verfügung gestellten Messsignal, die vom Wert des Winkels α zwischen einer Seite des V und der Geraden, entlang der sich der Fühler 17 bewegt, und von der harmonischen Ordnung des Fehlers abhängt. Die 5a bis 5d zeigen schematisch das vorstehend erwähnte Merkmal, wobei ein Zapfen 18A (5a) mit einem lokalisierten Formfehler dargestellt ist. Eine Rundheitsmessvorrichtung des Standes der Technik kann in geeigneter Weise den Fehler, der vom Messkopf bei einer Drehung um 360° erzeugt wird, detektieren. Das Ausgangssignal besitzt den schematisch in 5b gezeigten Trend. Der gleiche Zapfen 18A, der mit Hilfe des Kopfes 39 (5c) geprüft wird, führt zu einem mehr komplexen Ausgangssignal (5d), das drei Unregelmäßigkeiten bei einer Drehung um 360° zeigt. Tatsächlich wird im zuletzt genannten Fall der (einzige) Fehler nicht nur „detektiert”, wenn der Fühler 17 (Punkt P) mit dem entsprechenden Oberflächenbereich in Berührung tritt, sondern auch – und mit entgegengesetztem Vorzeichen –, wenn dieser Bereich von den Punkten A und B der Seiten der V-förmigen Vorrichtung 20 berührt wird.
Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung werden die negativen Effekte der vorstehend erwähnten Intermodulationen der Formabweichungsfehler der Oberfläche des Kurbelzapfens 18 durch Durchführung einer harmonischen Analyse der winkelmäßig kompensierten Werte rf(φ) kompensiert.
Jede periodische Funktion, wie die Detektion des Zapfenprofils gemäß der vorliegenden Erfindung, kann als Fourier-Reihe ausgedrückt werden:
worin die Koeffizienten A_i, B_i die cartesischen Projektionen X, Y der i^ten harmonischen Komponente mit der Amplitude C_i und der Phase Φ_i bedeuten:

Um mit ausreichender Annäherung die Profile des Kurbelzapfens 18 zu beschreiben, kann es ausreichend sein, die ersten zehn/fünfzehn Harmonischen zu berechnen, da weitere Harmonische Informationen über nur sehr kleine Oberflächenfehler liefern können, die nicht als Rundheitsfehler definiert werden können, sondern Hinweise über die Rauheit liefern. Es ist darauf hinzuweisen, dass die harmonische Analyse die unterschiedlichen harmonischen Komponenten, die für den Formfehler relevant sind, getrennt hält, d. h. ein Ovalitätsfehler (zweite Harmonische) kann nur in seinen Projektionen A₂, B₂ und in keinen Harmonischen irgendeiner anderen Ordnung verdeutlicht werden. Es ist möglich, dieses Merkmal der harmonischen Analyse zu benutzen, um die harmonische Modulation, die durch die V-förmige Bezugsvorrichtung 20 des Kopfes 39 verursacht wird, zu kompensieren. In der Tat ist jede harmonische Komponente einer Amplitudenmodulation und einer Phasenverschiebung ausgesetzt, die nur vom Wert des Winkels α zwischen einer Seite des V und der Geraden, entlang der sich der Fühler 17 bewegt, sowie der harmonischen Ordnung abhängig sind. Als Beispiel führt die harmonische Analyse in Bezug auf ein V, das eine Symmetriewinkel von 80° (α = 40°) bildet, zu den in der nachfolgenden Tabelle aufgeführten Kompensationskoeffizienten:

Ordnung der Harmonischen I	Vergrößerungskoeffizient K_i	Phasendifferenz σ_i
2	1,270	180°
3	2,347	180°
4	2,462	180°
5	1,532	180°
6	0,222	180°
7	0,532	0°
8	0,192	0°
9	1,000	180°
10	2,192	180°
11	2,532	180°
12	1,778	180°
13	0,468	180°
14	0,462	0°
15	0,347	0°

Es ist darauf hinzuweisen, den Winkel α so auszuwählen, dass die Vergrößerungskoeffizienten K_i nicht zu stark geringer sind als 1 (insbesondere nicht gleich Null sind), mindestens so weit die Harmonischen der tatsächlich interessierenden Ordnungen betroffen sind.
Nachdem einmal und für alle für einen vorgegebenen Winkel α die Werte der obigen Tabelle berechnet worden sind, ist es möglich, die kompensierten Werte zu verwenden, um das „tatsächliche” Profil des Kurbezapfens 18 zu erhalten, d. h. das Profil, das mit Hilfe der vorstehend genannten Rundheitsprüfvorrichtungen des Standes der Technik erhalten werden kann.
Um dies zu erreichen, müssen die Amplitudenwerte C_i der harmonischen Analyse durch den entsprechenden Vergrößerungskoeffizienten K_i dividiert werden, und die Phasendifferenz σ_i muss zur Phase Φ_i addiert werden.
Zusammengefasst umfasst das Verfahren zum Ermitteln des Profils des Kurbelzapfens 18 zur Überprüfung von dessen Rundheit die folgenden Phasen:

• die Akquisition einer Sequenz von Rohwerten rg(θ) von den vom Signalumformer 41 im Verlauf einer Drehung um 360° der Kurbelwelle 34 abgegebenen Signalen,
• die Berechnung der Korrelation φ = φ(θ),
• die Kompensation des Pendelns der Rohwerte rg(θ) auf der Basis der Korrelation φ = φ(θ) zur Kompensation von Fehlern infolge der reziproken dynamischen Schwingungen des Messkopfes 39 auf der Kurbelzapfenoberfläche,
• das Aufstellen einer Empfindlichkeits- und Phasendifferenztabelle, die für Harmonische der Ordnungen 1–n (d. h. 1–15) in Abhängigkeit vom Winkel α zwischen einer Seite des V der Bezugsvorrichtung 20 und der Geraden, entlang der sich der Fühler 17 bewegt, relevant ist,
• die harmonische Analyse des „augenscheinlichen” Profils (der winkelmäßig kompensierten Werte rf(φ)) und die Berechnungen der Amplituden- und Phasenwerte der n Harmonischen,
• die Kompensation der Amplitudenwerte mit Hilfe der Vergrößerungskoeffizienten K_i,
• die Phaseneinstellung einer jeden Harmonischen durch die Werte σ_i,
• das Erhalten des „tatsächlichen” Profils r(φ) durch Synthese der n-Harmonischen mit Hilfe der Fourier-Formel.

Es ist darauf hinzuweisen, dass einige der vorstehend aufgeführten Phasen nicht wiederholt werden müssen, wenn sich die Geometrie der Vorrichtung und die Nennabmessungen des Kurbelzapfens 18 nicht verändern.
Als Ergebnis wird das „tatsächliche” Profil r(φ) des Kurbelzapfens 18 erhalten, das weiter verarbeitet, graphisch dargestellt (ausgedruckt) oder auf andere bekannte Weisen benutzt werden kann.
Das Ablaufdiagramm der 6 gibt die Schritte des Arbeitszyklus einschließlich der Dimensionsprüfung und Formprüfung im Prozess eines sich orbital bewegenden Kurbelzapfens 18 gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wieder. Die Blöcke des Ablaufdiagramms besitzen die folgende Bedeutung:

60 – Start;
61 – die Kurbelwelle 34 wird auf dem Arbeitstisch 23 angeordnet, mit diesem verbunden und um die Achse O gedreht, und die NC 33 steuert die Bewegungen des Schlittens 1 des Schleifrades;
62 – unter der Steuerung der NC 33 wird der doppeltwirkende Zylinder 28 betätigt, um den Kopf 39 in den Prüfzustand zu bringen, d. h. die V-förmige Bezugsvorrichtung 20 in Eingriff mit der Oberfläche des Kurbelzapfens 18 während der Orbitalbewegung der letzteren zu bringen;
63 – die Bearbeitung des Kurbelzapfens 18 wird durchgeführt, bis ein geeignetes Messsignal, das für die diametralen Abmessungen des Kurbelzapfens 18 relevant ist, vom Signalumformer 41 zur Verfügung gestellt und von der NC 33 detektiert wird;
64 – wenn keine Rundheitsprüfung erforderlich ist, endet der Zyklus (Block 73);
65 – Rohwerte rg(θ) werden während einer weiteren Orbitaldrehung des Kurbelzapfens 18 gespeichert;
66 – es wird geprüft, ob eine neue Korrelationsfunktion φ = φ(θ) berechnet werden muss, d. h. falls sie noch nie berechnet wurde oder falls die geometrischen Merkmale der Schleifmaschine und der Prüfvorrichtung und/oder die Nennabmessungen des Kurbelzapfens geändert wurden;
67 – es wird eine (neue) Korrelationsfunktion φ = φ(θ) berechnet;
68 – die Rohwerte rg(θ) werden auf der Basis der Korrelationsfunktion φ = φ(θ) kompensiert, um winkelmäßig kompensierte Werte rf(φ) zu erhalten, die für ein „augenscheinliches” Profil rf(φ) des Kurbelzapfens 18 relevant sind;
69 – die harmonische Analyse des „augenscheinlichen” Profils rf(φ) wird durchgeführt, und die Amplituden(C_i)- und Phasen(Φ_i)-Werte der n Harmonischen werden berechnet;
70 – es wird geprüft, ob eine geeignete Tabelle der Empfindlichkeits- und Phasendifferenzwerte in Verbindung mit der speziellen V-förmigen Vorrichtung 20 und dem relevanten Winkel α zur Verfügung steht;
71 – es wird eine (neue) Tabelle der Empfindlichkeits- und Phasendifferenzwerte erhalten;
72 – die Werte der Amplituden und Phasen der n Harmonischen werden auf der Basis des Inhaltes der Tabelle korrigiert, und das tatsächliche Profil r(φ) des Kurbelzapfens 18 wird erhalten;
73 – der Zyklus endet.

Es ist darauf hinzuweisen, dass das Ablaufdiagramm der 6 nicht die nachfolgende Phase der Korrektur des in der NC 33 auf der Basis der Fehler, wie diese während der Rundheitsprüfphase detektiert wurden und die die Oberfläche des Kurbelzapfens 18 beeinflussen, gespeicherten Arbeitsprogramms umfasst. Diese Korrektur kann auf unterschiedliche bekannte Weisen durchgeführt werden.
Das Folgende wird hiermit hervorgehoben. Wenn die Abmessungen und die Anordnung der Schleifmaschine, der Prüfvorrichtung und der Kurbelwelle so gewählt sind, dass unter Bezugnahme auf 4 a = b und I = (m + r) sind, bewirken die sich ergebenden „parallelogrammähnlichen” Bewegungen der Kopplungselemente 9 und 12 der Lagervorrichtung keine hin- und hergehenden dynamischen Schwingungen des Messkopfes 39 auf der Oberfläche des Kurbelzapfens 18. Folglich können die Schritte 66 bis 68 des Verfahrens gemäß 6 weggelassen werden. Es ist jedoch zu beachten, dass sogar geringfügige Veränderungen der nominellen diametralen Abmessungen des Kurbelzapfens 18 relativ zu der vorstehend beschriebenen Konfiguration reziproke dynamische Schwingbewegungen und somit eine Änderung der vom Kopf 39 detektierten Werte bewirken. Folglich ist die Durchführung der Schritte 66 bis 68 generell wichtig und vorteilhaft.
Die Prüfvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine V-förmige Bezugsvorrichtung 20' aufweisen, die eine V-Fläche besitzt, die in Bezug auf die Translationsrichtung des Fühlers 17 asymmetrisch ist. Ein die Vorrichtung 20' aufweisender Messkopf 39' ist in 7 gezeigt, wobei mit A, B, C und P die gleichen Punkte wie in den 4 und 5c bezeichnet sind. Im Beispiel der 7 entspricht der Gesamtwinkel zwischen den Seiten der V-Fläche der Vorrichtung 20' dem Winkel 2α = 80° der symmetrischen Vorrichtung 20. Die V-Fläche ist jedoch in Bezug auf die Translationsrichtung des Fühlers 17 um 7° gedreht. Mit anderen Worten, die Mittellinie des V ist zur Translationsrichtung winklig angeordnet, so dass die Winkel APC und BPC zwischen einer jeden Seite des V (oder besser ihrer Projektion auf die Ebene der 7) und dieser Translationsrichtung nicht mehr gleich sind (α = 40°), sondern unterschiedliche Werte besitzen, insbesondere APC = α1 = 47° und BPC = α2 = 33°.

Durch Verwendung der asymmetrischen Vorrichtung 20' ist es möglich, die Genauigkeit der Rundheitsprüfung zu verbessern, indem die Empfindlichkeit der Vorrichtung gegenüber Fehlern entsprechend Harmonischen in einem Bereich von Ordnungen verbessert wird, der größer ist als der Bereich, der durch den Messkopf 39 abgedeckt werden kann. In der Tat ist die Kompensationstabelle entsprechend der Bezugsvorrichtung 20' wie folgt:

Ordnung der Harmonischen I	Vergrößerungskoeffizient K_i	Phasendifferenz σ_i
2	1,241	170°
3	2,288	166°
4	2,392	165°
5	1,529	173°
6	0,807	–130°
7	1,166	–91°
8	0,958	–105°
9	0,861	175°
10	1,739	139°
11	2,013	133°
12	1,432	148°
13	1,272	–156°
14	1,902	–131°
15	1,825	–134°

Durch Vergleich des Inhaltes der Tabellen der Bezugsvorrichtung 20 und 20' wird deutlich, dass die Werte der Vergrößerungskoeffizienten K_i im letztgenannten Fall weit besser sind. So weit der Ordnungsbereich 2–15 betroffen ist, besitzen im zuletzt genannten Fall drei von vierzehn Koeffizienten einen Wert, der geringer ist als 1 (im zuerst genannten Fall erreichen nur acht Koeffizienten diesen Wert). Darüber hinaus ist der niedrigere Wert von K_i bei der asymmetrischen Vorrichtung 20' nicht so weit weg von 1 (d. h. 0,807) und größer als sechs der vierzehn Koeffizienten der symmetrischen Vorrichtung 20 (im „symmetrischen Fall” beträgt der niedrigere Wert 0,192).
Es versteht sich, dass der spezielle Rundheitsprüfzyklus, der die wechselseitigen Bewegungen des Schleifradschlittens und Arbeitstisches umfasst, die einen Arbeitszyklus simulieren (jedoch ohne, dass ein Kontakt zwischen dem Schleifrad und dem zu prüfenden Kurbelzapfen stattfindet), besonders vorteilhaft ist. In der Tat erfährt in einem derartigen Zyklus die Lagervorrichtung begrenzte Verschiebungen, so dass auf diese Weise die hin- und hergehenden dynamischen Schwingungen des Messkopfes 39 (oder 39') auf der Oberfläche des Kurbelzapfens begrenzt werden. Somit werden die Abweichungen, die eine derartige Schwingung in den Rohwerten rg(θ) verursacht, reduziert, und die Abweichungen können mit einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung einfacher kompensiert werden. Darüber hinaus kann die Konstruktion der gleichen Lagervorrichtung kompakt ausgebildet sein, da keine großen Bewegungen des Messkopfes 39 (oder 39'), die dem Kurbelzapfen 18 folgen, erforderlich sind.
Mit Hilfe einer Prüfvorrichtung und eines Verfahrens gemäß der Erfindung ist es möglich, eine Dimensionsprüfung des Kurbelzapfens 18 im Prozess sowie eine Rundheitsprüfung des gleichen Kurbelzapfens 18 auf eine besonders einfache und rasche Weise durchzuführen, ohne zusätzliche teure metrologische Vorrichtungen zu benötigen.
Die Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung können Merkmale aufweisen, die sich von denen unterscheiden, die vorstehend beschrieben wurden und in den Zeichnungen dargestellt sind. Beispielsweise können die Komponenten der Lagervorrichtung eine andere Form und/oder Anordnung besitzen, und es kann mindestens eine hiervon translatorisch und nicht rotatorisch bewegbar sein. Andere mögliche Unterschiede können die Führungsvorrichtung 21 betreffen, die weggelassen werden oder durch eine andere Vorrichtung ersetzt werden kann und Führungsflächen besitzen kann, die Abschnitte der Verbindungselemente (9 oder 12) oder von anderen Teilen der Vorrichtung berühren anstelle die Oberfläche des Kurbelzapfens 18 zu berühren.
Des weiteren kann die Lagervorrichtung mit einem anderen Teil der Schleifmaschine verbunden sein, d. h. einem Unterbau oder irgendeinem anderen Teil, der relativ zum Schleifradschlitten fixiert ist.
Die Probennahmefrequenz in der Akquisitionsphase der Rohwerte rg(θ) kann relativ zur beschriebenen Frequenz verschieden sein, und die Aktivitäten der Verarbeitungs- und Anzeigevorrichtung 22 können von irgendeiner anderen Verarbeitungseinrichtung mit den geeigneten Merkmalen, d. h. von einem im Handel erhältlichen PC, übernommen werden.

Claims

Vorrichtung zur Prüfung von Dimensions- und Formabweichungen eines Kurbelzapfens (18) einer Kurbelwelle (34), wobei der Kurbelzapfen (18) eine geometrische Symmetrieachse (C) bestimmt, während Orbitaldrehungen um eine im Abstand (c) von und parallele zu der Symmetrieachse (C) Hauptdrehachse (O) auf einer numerisch gesteuerten Schleifmaschine, auf der der Kurbelzapfen bearbeitet wird, wobei die Schleifmaschine einen Schleifradschlitten (1), der ein Schleifrad (4) trägt, und einen Arbeitstisch (23) besitzt, der die Hauptdrehachse (O) definiert, mit – einem Messkopf (39, 39') mit einer V-förmigen Bezugsvorrichtung (20, 20'), die mit dem zu prüfenden Kurbelzapfen (18) in Eingriff treten kann, einem Fühler (17), der die Oberfläche des zu prüfenden Kurbelzapfens (18) berühren kann, und einem Signalumformer (41), der Signale vorsehen kann, die die Position des Fühlers (17) relativ zur V-förmigen Bezugsvorrichtung (20, 20') anzeigen, – einer Lagervorrichtung (5, 9, 12) mit gemeinsam bewegbaren Kopplungselementen (9, 12), die den Messkopf (39, 39') beweglich lagert, – einer Steuervorrichtung (28) zum Steuern von automatischen Verschiebungen des Messkopfes (39, 39') aus einer Ruheposition in eine Prüfposition und umgekehrt, bei der im Prüfzustand des Kopfes (39, 39') die V-förmige Bezugsvorrichtung (20, 20') im wesentlichen aufgrund der Schwerkräfte einen Kontakt mit dem zu prüfenden Kurbelzapfen (18) aufrechterhalten kann, – einer Führungsvorrichtung (21) zum Führen der Anordnung der V-förmigen Bezugsvorrichtung (20, 20') auf dem Kurbelzapfen (18) im Verlauf der Orbitaldrehungen des letzteren, bei der die Führungsvorrichtung (21) zur Führung die V-förmigen Bezugsvorrichtung (20, 20') dient, um mit dem Kurbelzapfen (18) in Eingriff zu treten und einen Kontakt mit dem Kurbelzapfen (18) zu aufrechterhalten, während die V-förmige Bezugsvorrichtung (20, 20') sich vom Kurbelzapfen (18) wegbewegt, und – Verarbeitungs- und Anzeigevorrichtungen (22, 33), die mit dem Messkopf (39, 39') verbunden sind, und die vom Signalumformer (41) gelieferten Signale empfangen und verarbeiten können, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungs- und Anzeigevorrichtungen (22, 33) eine Verarbeitung der vom Signalumformer (41) gelieferten Signale (rg(θ)) durchführen können, um Werte (r(φ)) zu erhalten, die das Profil des zu prüfenden Kurbelzapfens (18) wiedergeben, wobei durch die Verarbeitung (66–72) die Werte der vom Signalumformer (41) gelieferten Signale (rg(θ)) in Bezug auf Änderungen kompensiert werden können, die durch die Bewegungen der Kopplungselemente (9, 12) und des Messkopfes (39, 39') während der Orbitaldrehungen des Kurbelzapfens (18) im Prüfzustand und durch den Kontakt (A, B) zwischen der V-förmigen Bezugsvorrichtung (20, 20') und der Oberfläche des zu prüfenden Kurbelzapfens (18) verursacht werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Lagervorrichtung ein Lagerelement (5), ein erstes Kopplungselement (9), das mit dem Lagerelement drehbar um eine Drehachse (F) parallel zur Hauptdrehachse (O) gekoppelt ist, und ein zweites Kopplungselement (12) aufweist, das den Messkopf (39, 39') trägt und mit dem ersten Kopplungselement drehbar um eine weitere Drehachse (S) parallel zur Hauptdrehachse (O) gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Lagervorrichtung (5, 9, 12) mit dem Schleifradschlitten (1) gekoppelt ist.
Vorrichtung nach einem der Anspruche 1 bis 3, bei der der Messkopf (39, 39') ein Führungsgehäuse (15), das an der Lagervorrichtung (5, 9, 12) befestigt ist, und eine Transmissionsstange (16) aufweist, die axial beweglich im Führungsgehäuse (15) ist, wobei der Fühler (17) an einem Ende der Transmissionsstange (16) befestigt ist, wobei der Signalumformer (41) ein bewegliches Element (43) aufweist, das mit dem gegenüberliegenden Ende der Transmissionsstange (16) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, zum Prüfen einer Kurbelwelle (34), die auf einem Arbeitstisch (23) angeordnet ist, der eine Winkeldetektionseinheit (35) zum Detektieren der Winkelposition der Kurbelwelle (34) besitzt, wobei die Verarbeitungs- und Anzeigevorrichtungen (22, 33) mit der Winkeldetektionseinheit (35) verbunden sind und eine Sequenz von Rohwerten (rg(θ)) entsprechend den vom Signalumformer (41) vorgesehenen Signale in vorgegebenen beabstandeten Winkelpositionen (θ) während der Drehung der Kurbelwelle (34) erhalten und speichern sowie diese Sequenz zum Vorsehen von Profilwerten (r(φ)) verarbeiten können.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der der Wert des Winkels (2α, α1 + α2) zwischen den Seiten der V-förmigen Bezugsvorrichtung etwa 80° beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der sich der Fühler (17) des Messkopfes (39) entlang einer Translationsrichtung entsprechend der Mittellinie der V-förmigen Bezugsvorrichtung (20) bewegen kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der sich der Fühler (17) des Messkopfes (39) entlang einer Translationsrichtung bewegen kann, wobei die Mittellinie der V-förmigen Bezugsvorrichtung (20') relativ zu dieser Translationsrichtung winklig angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der sich die Winkel (α1, α2) zwischen jeder Seite der V-förmigen Bezugsvorrichtung (20') und der Translationsrichtung des Fühlers (17) voneinander um mindestens 10° unterscheiden.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, bei der der zwischen der Mittellinie der V-förmigen Bezugsvorrichtung (20') und der Translationsrichtung des Fühlers (17) gebildete Winkel etwa 7° beträgt.
Verfahren zum Prüfen eines Zapfens (18), der eine geometrische Symmetrieachse (C) definiert und sich orbital um eine Hauptdrehachse (O) parallel zur Symmetrieachse (C) und im Abstand (c) hiervon bewegt, in einer numerisch gesteuerten Schleifmaschine, die einen Schleifradschlitten (1), der ein Schleifrad (4) trägt, und einen die Hauptdrehachse (O) definierenden Arbeitstisch (23) aufweist, mit Hilfe einer Prüfvorrichtung, die eine Lagervorrichtung (5, 9, 12), einen Messkopf (39, 39'), der über die Lagervorrichtung beweglich mit der Schleifmaschine verbunden ist, und Verarbeitungs- und Anzeigevorrichtungen (22, 33) aufweist, die mit dem Messkopf verbunden sind, wobei der Messkopf eine V-förmige Bezugsvorrichtung (20, 20'), die mit dem zu prüfenden Zapfen (18) zusammenwirken kann, einen beweglichen Fühler (17), der die Oberfläche des zu prüfenden Zapfens berühren und sich entlang einer Translationsrichtung bewegen kann, und einen Signalumformer (41) besitzt, der die Verarbeitungs- und Anzeigevorrichtungen mit Signalen versorgen kann, welche die Position des Fühlers relativ zur V-förmigen Bezugsvorrichtung wiedergeben, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zum Prüfen der Formabweichung des Zapfens (18) die folgenden Schritte umfasst: – das Detektieren von Winkelpositionen (θ) des Zapfens (18) um die Hauptdrehachse (O) und das Vorsehen von relevanten Signalen, – das Detektieren und Speichern (65) einer Sequenz von Rohwerten (rg(θ)) entsprechend den vom Signalumformer zur Verfügung gestellten Signalen in vorgegebenen Winkelpositionen (θ) des Zapfens (18), und – das Verarbeiten (66–72) der Sequenz der Rohwerte (rg(θ)) zum Erhalten von Profilwerten (r(φ)), die die Abweichungen der radialen Dimensionen des Zapfens (18) an entsprechenden Abschnitten der Oberfläche des Zapfens, die mit Winkelabständen um die Symmetrieachse (C) angeordnet sind, wiedergeben, durch Kompensation von Komponenten, die die Rohwerte (rg(θ)) infolge des Kontaktes (A, B) zwischen der V-förmigen Bezugsvorrichtung (20, 20') und der Zapfenoberfläche und infolge von Variationen in der Winkelanordnung der V-förmigen Bezugsvorrichtung im Verlauf der Orbitaldrehungen des Zapfens um die Hauptdrehachse (O) beeinflussen, wobei der Verarbeitungsschritt umfasst: – das Durchfuhren der harmonischen Analyse (69) einer Sequenz von Werten (rf(φ)), die für die radialen Dimensionen des Zapfens an den Abschnitten der Oberfläche des Zapfens, die winklig um die Symmetrieachse (C) beanstandet sind, relevant sind, und das Berechnen der Werte der Amplituden (C_i) und Phasen (Φ_i) der Harmonischen, – das Korrigieren (72) der Werte der Amplituden (C_i) und Phasen (Φ_i) auf der Basis von Kompensationskoeffizienten (K_i, σ_i), die für Winkel (2α, α1 + α2) relevant sind, welche von den Seiten der V-förmigen Bezugsvorrichtung (20, 20') und der Translationsrichtung des Fühlers gebildet werden, und – das Erhalten (72) der Profilwerte (r(φ)) mit Hilfe der Harmonischen mit den korrigierten Werten der Amplitude und Phase.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem der Verarbeitungsschritt des weiteren das Berechnen (71) der Kompensationskoeffizienten (K_i, σ_i) auf der Basis der Winkel (2α, α1 + α2), die von den Seiten der V-förmigen Bezugsvorrichtung (20, 20') und der Translationsrichtung des Fühlers gebildet werden, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, bei dem der Verarbeitungsschritt des weiteren das Verbessern (68) der Werte der Sequenz der Rohwerte (rg(θ)) zum Erhalten einer Sequenz von winklig kompensierten Werten (rf(φ)) an den Abschnitten der Oberfläche des Zapfens, die winklig um die Symmetrieachse (C) beabstandet sind, durch Kompensation der Veränderungen der Winkelanordnung der V-förmigen Bezugsvorrichtung im Verlauf der Orbitaldrehungen des Zapfens (18) um die Hauptdrehachse (O) umfasst, wobei die harmonische Analyse auf der Sequenz der winklig kompensierten Werte (rf(φ)) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der Verarbeitungsschritt das Berechnen (67) einer Korrelationsfunktion (φ = φ(θ)) auf der Basis von geometrischen Merkmalen und Dimensionen der Prüfvorrichtung, der Schleifmaschine und des zu prüfenden Zapfens umfasst, wobei die Korrelationsfunktion (φ = φ(θ)) zum Verbessern (68) der Werte der Sequenz der Rohwerte (rg(θ)) verwendet wird, um eine Sequenz von winklig kompensierten Werten (rf(φ)) zu erhalten.
Verfahren nach einem der Anspruche 11 bis 14, bei dem der Messkopf auch eine Dimensionsprüfung (63) der diametralen Dimensionen des Zapfens während dessen Bearbeitung auf der Schleifmaschine durchführen kann.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem der Zapfen der Kurbelzapfen (18) einer Kurbelwelle (34) ist, wobei das Verfahren des weiteren den Schritt der Überprüfung der diametralen Dimensionen des Kurbelzapfens im Prozess mit Hilfe der Prüfvorrichtung umfasst und der Schritt des Detektierens und Speicherns (65) der Sequenz von Rohwerten (rg(θ)) durchgeführt wird, – nachdem die Bearbeitung des Kurbelzapfens auf der Basis der von der Prüfvorrichtung gelieferten Signale gestoppt (63) wird, und – während Bewegungen des Schleifradschlittens und/oder Arbeitstisches derart, dass unter der Steuerung der numerischen Steuerung (33) der Maschine der Kurbelzapfen (18) eine Orbitalbewegung durchführt und die Oberfläche des Schleifrades (4) eine vernachlässigbare Distanz gegenüber der Oberfläche des Kurbelzapfens (18) einhält.