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WO2001004568A1 - Vorrichtung zur ermittlung der form und lage von werkstücken - Google Patents

Vorrichtung zur ermittlung der form und lage von werkstücken Download PDF

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WO2001004568A1
WO2001004568A1 PCT/DE2000/001339 DE0001339W WO0104568A1 WO 2001004568 A1 WO2001004568 A1 WO 2001004568A1 DE 0001339 W DE0001339 W DE 0001339W WO 0104568 A1 WO0104568 A1 WO 0104568A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
sensors
detecting
cylinder
deformations
cylinder wall
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/DE2000/001339
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jochen Ehrenpfordt
Peter Ulmer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SENTEC ELEKTRONIK GmbH
UKON VERTRIEB
Original Assignee
SENTEC ELEKTRONIK GmbH
UKON VERTRIEB
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SENTEC ELEKTRONIK GmbH, UKON VERTRIEB filed Critical SENTEC ELEKTRONIK GmbH
Publication of WO2001004568A1 publication Critical patent/WO2001004568A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q17/00—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools
    • B23Q17/22—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools for indicating or measuring existing or desired position of tool or work

Definitions

  • the invention relates to a device for determining the position and shape of
  • the invention can advantageously be used for determining the shape and position of workpieces to be machined, the position of which is to be fixed automatically and with high accuracy before machining.
  • Proximity switches contact switches or dynamometers in the form of load cells are used.
  • Proximity switches have the disadvantage that they can only be used with certain materials, such as steel and aluminum.
  • a disadvantage of contact switches is that they only have a low reproducibility of the switching path and are subject to mechanical wear.
  • switches generally have the disadvantage that quantitative statements about the conditions at the investment point cannot be made.
  • a disadvantage of load cells is that they require a relatively long way to be able to generate a usable signal, which severely limits the function of the system sensor for applications with higher accuracy requirements.
  • the sheet metal processing device is a sheet metal forming and / or punching device, the perforated sheet metal part lies on a stationary sheet metal part shelf during the test, radiation receivers are assigned to the underside of the sheet metal part shelf of each opening of the sheet metal part, and an evaluation device is equipped with an electro-optical and / or Electro-acoustic display device equipped.
  • a disadvantage here is the high
  • G 81 26 119.5 a hollow measuring body formed from a ring with a triangular cross section with two independent partial windings arranged on the outside of the wall is known, which serves to absorb a force acting in the axial direction.
  • the disadvantage of this device is that it is complex due to its construction
  • a force transducer with elastic properties is known, which is designed as a compression body with depressions or recesses, strain gauges being arranged in the depressions or recesses for determining force-dependent deformations.
  • strain gauges have to be encased by a casting compound to protect them from mechanical influences, so that a subsequent exchange of the strain gauges is only possible with great effort.
  • the invention is based on the object of specifying a device of the type mentioned at the outset which is distinguished by a simple external geometry and which enables both a statement about an investment condition and a quantitative statement about the contact force with negligible deformations of the device and which provides protection ensures that the sensors used are protected from mechanical influences without complex additional measures.
  • the invention enables both quantitative statements about the investment condition and qualitative statements about the size of the investment force exerted on the investment bolts.
  • the invention has a number of advantages. In particular, due to the small deformations of the device according to the invention which are sufficient to determine the contact force, the position determination of a workpiece to be machined with deviations of less than 10 ⁇ m is made possible and at the same time by the arrangement according to the invention of the sensitive sensors and
  • FIG. 1 shows a longitudinal section of the device with an axis of rotational symmetry
  • FIGS. 2 to 4 are top views of three different design variants of the device.
  • FIG. 5 spherical contact surfaces for probing flat surfaces
  • FIG. 6 cylindrical contact surfaces for probing flat or curved surfaces
  • FIG. 7 shows a flat contact surface for probing round bodies
  • FIG. 8 shows a two-coordinate probing with two sensors
  • Figure 9 shows an arrangement for determining the position of bores
  • Figure 10 shows an arrangement for determining the position of waves.
  • 1 to 4 show a rotationally symmetrical housing formed from a cylinder wall 1, a cylinder base 2 and a hollow cylindrical flange 4, 1.2 strain gauges being arranged on the cylinder wall 1 and / or on the cylinder base 2 within the cylinder.
  • the device according to the invention it is determined whether the workpiece is in contact with the points required for the exact position determination in order to subsequently release a machining process.
  • the transverse forces occurring during the position determination are absorbed by the device according to the invention without this leading to failure of the system sensor
  • Cylinder wall 1 and / or the deflection of the cylinder base 2 determined The sensitivity of the strain gauges is so high that strains in the range of a few ⁇ m can already be determined by means of the electronics 5, which is arranged in a protected manner within the flange 4 and with a closure element 6 can be covered, taking into account the rigidity of the
  • Housing 1,2,4 determined an associated contact force from the measured deformations
  • the small deformations of the device enable a precise determination of the position of the workpieces to be machined to a few ⁇ m as well as an exact statement about the existing system condition Figures 5 to 10 explain different applications for probing different workpieces.
  • FIG. 5 shows an exemplary embodiment in which a flat surface is touched.
  • the cylinder base is provided with a spherical cap-shaped surface.
  • FIG. 6 shows an embodiment in which a flat or curved surface is touched.
  • the cylinder base is provided with a cylindrical surface.
  • FIG. 7 shows an exemplary embodiment for probing a round body.
  • the cylinder base is provided with a flat surface, so that a defined contact with a spherical or cylindrical surface is made possible.
  • FIG. 8 shows an application example for a two-coordinate determination with the device according to the invention using the example of a shaft and a prismatic workpiece. For this purpose, two devices are arranged at an angle of 90 °, so that the position can be determined in two independent coordinates.
  • Figure 9 shows an example of the position determination of bores. For this purpose, three sensors, which are offset by 120 °, are positioned inside the bore, each of which is arranged so as to be longitudinally displaceable in the direction of their axis of symmetry.
  • FIG. 10 shows an arrangement which is reversed compared to FIG. 9. This arrangement contains three sensors which are offset by 120 ° and which can be used for determining the position of cylindrical bodies, for example for determining the position of shafts. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)

Abstract

Vorrichtung zur Ermittlung der Form und Lage von Werkstücken in einer Aufnahmeeinrichtung in einer Bearbeitungs- oder Prüfeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Anlagefühler aufweist, an denen ein einseitig geschlossener Hohlzylinder (1, 2) angebracht ist, bei dem im Inneren Sensoren (3) zur Erfassung von Dehnungen angeordnet sind, mit denen die Anlagekraft des Werkstücks am Anlagefühler ermittelt wird.

Description

Vorrichtung zur Ermittlung der Form und Lage von Werkstücken
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung der Lage und Form von
Werkstücken in einer Aufnahmeeinrichtung, vorzugsweise in einer Bearbeitungsoder Prüfeinrichtung.
Die Erfindung kann vorteilhaft zur Form- und Lagebestimmung zu bearbeitender Werkstücke, deren Lage vor der Bearbeitung automatisch und mit hoher Genauigkeit fixiert werden soll, angewendet werden.
Im Stand der Technik ist es bekannt, die Lage von zu bearbeitenden oder zu prüfenden Werkstücken dadurch zu fixieren, dass die Werkstücke an Anlagebol- zen gedrückt werden. Diese Bolzen schränken die Freiheitsgrade des Werkstücks ein, bis die gewünschte Lage erreicht ist. Durch die eindeutige Fixierung des Werkstückes wird dann die exakte Bearbeitung oder Prüfung des Werkstücks ermöglicht.
Derzeit werden zur Bestimmung der Anlage des Werkstückes an Anlagebolzen
Näherungsschalter, Kontaktschalter oder Kraftmesser in Form von Kraftmessdosen verwendet. Näherungsschalter haben dabei den Nachteil, dass sie nur bei bestimmten Werkstoffen, wie z.B. Stahl und Aluminium, einsetzbar sind. Bei Kontaktschaltern ist nachteilig, dass diese eine nur eine geringe Reproduzierbar- keit des Schaltweges aufweisen und mechanischem Verschleiß unterliegen. Schalter weisen darüber hinaus grundsätzlich den Nachteil auf, dass quantitative Aussagen über die Verhältnisse am Anlagepunkt nicht gemacht werden können. Bei Kraftmessdosen ist nachteilig, dass diese einen relativ großen Weg benötigen, um ein verwertbares Signal erzeugen zu können, was die Funktion des Anlagefüh- lers für Anwendungen mit höheren Genauigkeitsforderungen stark eingeschränkt.
Nach DE 37 16 389 C 2 ist eine Anordnung zum automatischen Prüfen von Blechteilen in einer Blechverarbeitungslinie mit Prüfstation bekannt, die nach dem Lichtschrankenprinzip arbeitet und das Ergebnis des Blechverarbeitungsvorgangs überprüft. Die Blechverarbeitungsvorrichtung ist hierbei eine Blechverformungsund/oder Stanzvorrichtung, das gelochte Blechteil liegt während der Prüfung auf einer ortsfesten Blechteil-Ablage, in die Blechteil- Ablage jeder Öffnung des Blechteils sind an dessen Unterseite zugeordnete Strahlungsempfänger eingebaut und eine Auswertevorrichtung ist mit einer elektrooptischen und/oder elektro-akusti- sehen Anzeigevorrichtung ausgestattet. Nachteilig ist hierbei neben dem hohen
Aufwand der Anlage, dass keine Aussage über die vorhandene Anlagekraft möglich ist.
Spezielle Vorrichtungen zur Kraftaufnahme sind im Stand der Technik in vielfälti- gen Ausführungsformen bekannt.
Nach G 81 26 119.5 ist ein aus einem Ring mit dreieckigem Querschnitt gebildeter hohler Messkörper mit zwei an der Außenseite der Wandung angeordneten selbstständigen Teilwicklungen bekannt, der zur Aufnahme einer in axialer Richtung wirkenden Kraft dient. Nachteilig bei dieser Vorrichtung sind die konstruktionsbedingt aufwendige
Geometrie des Messkörpers und die außenseitige Anordnung der zur Dehnungsmessung verwendeten Teilwicklungen, die zusätzlich aufwendige Maßnahmen zum Schutz der Wicklungen vor mechanischen Verletzungen durch zu bearbeitende Werkstücke erforderlich macht. Weiterhin ist nach G 80 30 920.2 ein Kraftaufnehmer mit elastischen Eigenschaften bekannt, der als Stauchkörper mit Vertiefungen oder Ausnehmungen ausgebildet ist, wobei in den Vertiefungen oder Ausnehmungen Dehnmessstreifen zur Ermittlung kraftabhängiger Verformungen angeordnet sind.
Nachteilig ist auch bei dieser Vorrichtung, dass die Dehnmessstreifen zum Schutz vor mechanischen Einwirkungen durch eine Vergussmasse ummantelt werden müssen, wodurch ein nachträglicher Austausch der Dehnmessstreifen nur unter großem Aufwand möglich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die sich durch eine einfache äußere Geometrie auszeichnet und sowohl eine Aussage über einen Anlagezustand als auch eine quantitative Aussage über die Anlagekraft bei vernachlässigbar geringen Deformationen der Vorrichtung ermöglicht und die einen Schutz der verwendeten Sensoren vor mechanischen Einwirkungen ohne aufwendige zusätzliche Maßnahmen sicherstellt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung ermöglicht sowohl quantitative Aussagen über den Anlagezustand als auch qualitative Aussagen über die Größe der auf den Anlagebolzen ausgeübten Anlagekraft. Die Erfindung weist eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere werden auf Grund der geringen, zur Ermittlung der Anlagekraft jedoch ausreichenden Deformationen der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Lagebestimmung eines zu bearbeitenden Werkstücks mit Abweichungen von weniger als lOμm ermöglicht und gleichzeitig durch die erfindungsgemäße Anordnung der empfindlichen Sensoren sowie der
Elektronik innerhalb des Zylinders ein wirksamer Schutz vor mechanischen Einwirkungen und somit eine große Dauerhaftigkeit sichergestellt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausfuhrungsbeispieles näher erläutert.
In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
Figur 1 einen Längsschnitt der Vorrichtung mit Rotationssymmetrieachse,
die Figuren 2 bis 4 die Draufsicht auf drei verschiedene Gestaltungsvarianten der Vorrichtung,
Figur 5 kugelförmige Anlageflächen zur Antastung ebener Flächen,
Figur 6 zylinderförmige Anlageflächen zur Antastung ebener oder gekrümmter Flächen,
Figur 7 eine ebene Anlagefläche zur Antastung runder Körper,
Figur 8 eine Zweikoordinatenantastung mit zwei Fühlern,
Figur 9 eine Anordnung zur Lagebestimmung von Bohrungen und
Figur 10 eine Anordnung zur Lagebestimmung von Wellen. In den Figuren 1 bis 4 ist ein aus einer Zylinderwandung 1, einem Zylinderboden 2 und einem hohlzylinderformigen Flansch 4 gebildetes rotationssymmetrisches Gehäuse dargestellt, wobei innerhalb des Zylinders 1,2 Dehnmessstreifen an der Zylinderwandung 1 und/oder am Zylinderboden 2 angeordnet sind Innerhalb des hohlen Flansches 4, der der Befestigung der erfindungsgemaßen Vorrichtung an einer Spannvorrichtung dient, befindet sich die zur Auswertung der durch die Sensoren 3 ermittelten Dehnungen erforderliche Elektronik 5 Der Zylinderboden 2 bildet eine Anlageflache zur Begrenzung eines Freiheitsgrades des zu bearbeitenden Werkstucks innerhalb der mechanischen Spannvorrichtung, welche mehrere Anlageflachen zur eindeutigen Lagebestimmung und Fixierung zu bearbeitender
Werkstucke beinhaltet
Mit der erfindungsgemaßen Vorrichtung wird festgestellt, ob das Werkstuck an den für die exakte Lagebestimmung notwendigen Punkten anliegt, um anschlie- ßend einen Bearbeitungsvorgang freizugeben Die bei der Lagebestimmung auftretenden Querkrafte werden von der erfindungsgemaßen Vorrichtung aufgenommen, ohne dass dies zum Versagen des Anlagefühlers führt
Zur Ermittlung der den Anlagezustand bestimmenden Anlagekraft der zu bearbei- tenden Werkstucke werden mittels der Dehnmessstreifen 3 die Stauchung der
Zylinderwandung 1 und/oder die Durchbiegung des Zylinderbodens 2 ermittelt Die Empfindlichkeit der Dehnmessstreifen ist dabei so hoch, dass bereits Dehnungen im Bereich weniger μm ermittelt werden können Mittels der Elektronik 5, die innerhalb des Flansches 4 geschützt angeordnet ist und mit einem Verschlussele- ment 6 abgedeckt werden kann, wird unter Berücksichtigung der Steifigkeit des
Gehäuses 1,2,4 aus den gemessenen Verformungen eine zugehörige Anlagekraft ermittelt
Die geringen Verformungen der Vorrichtung ermöglichen eine auf wenige μm genaue Lagebestimmung der zu bearbeitenden Werkstucke sowie eine exakte Aussage zum vorhandenen Anlagezustand Die Figuren 5 bis 10 erläutern verschiedene Einsatzfälle zur Antastung unterschiedlicher Werkstücke.
In Figur 5 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem eine ebene Fläche angetastet wird. Hierzu ist der Zylinderboden mit einer kugelkalottenförmigen Fläche versehen.
Figur 6 zeigt eine Ausführungsform, bei der eine ebene oder gekrümmte Fläche angetastet wird. Hierzu ist der Zylinderboden mit einen zylinderförmigen Fläche versehen.
In Figur 7 ist ein Ausführungsbeispiel für die Antastung eines runden Körpers dargestellt. In diesem Fall ist der Zylinderboden mit einer ebenen Fläche versehen, so dass eine definierte Anlage an eine kugel- oder zylinderförmige Fläche ermöglicht wird. Figur 8 zeigt ein Anwendungsbeispiel für eine Zweikoordinatenbestimmung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung am Beispiel einer Welle und einem prismatischem Werkstück. Hierzu sind zwei Vorrichtungen im Winkel von 90° angeordnet, so dass die Lagebestimmung in zwei unabhängigen Koordinaten ermöglicht wird. Figur 9 zeigt ein Beispiel für die Lagebestimmung von Bohrungen. Hierzu sind drei um 120° versetzt angeordnete Fühler im Inneren der Bohrung positioniert, die jeweils in Richtung ihrer Symmetrieachse längsverschieblich angeordnet sind. In Figur 10 ist eine gegenüber Figur 9 umgekehrte Anordnung dargestellt. Diese Anordnung enthält drei um 120° versetzt angeordnete Fühler, die zur Lagebestim- mung von zylindrischen Körpern, beispielsweise zur Lagebestimmung von Wellen, angewendet werden können. BEZUGSZEICHENLISTE
1 Zylinderwandung
2 Zylinderboden
3 Sensor
10
4 Flansch
5 Elektronik zur Messungsauswertung
15 6 Verschlusselement
20
25
ERSATZBLAπ (REGEL 26)

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Vorrichtung zur Ermittlung der Form und Lage von Werkstücken in einer
Aufnahmeeinrichtung, vorzugsweise in einer Bearbeitungs- oder Prüfeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Anlagefühler aufweist, an denen ein einseitig geschlossener Hohlzylinder (1,2) angebracht ist, bei dem im Inneren Sensoren (3) zur Erfassung von Dehnungen angeordnet sind, mit denen die Anlagekraft des Werkstücks am Anlagefühler ermittelt wird, wobei der Hohlzylinder an den Stellen, an denen die Sensoren angebracht sind, so verformbar ist, dass die von der aufgebrachten Anlagekraft verursachten Dehnungen im Verhältnis zur Genauigkeit der Lagebestimmung des Werkstücks vernachlässigbar sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderwandung (1) mit einer im Verhältnis zur Biegesteifigkeit des Zylinderbodens (2) geringen Dehnsteifigkeit ausgebildet ist und Sensoren (3) zur Erfassung von Längenänderungen der Zylinderwandung (1) an der Innenseite der Zylinderwandung (1) angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderwandung (1) mit einer im Verhältnis zur Biegesteifigkeit des Zylinderbodens (2) hohen Dehnsteifigkeit ausgebildet ist und Sensoren (3) zur Erfassung von Durchbiegungen des Zylinderbodens (2) an der Innenseite des Zylinderbodens (2) angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am offenen Ende der Zylinderwandung (1) ein rotationssymmetrischer Flansch (4) hoher Steifigkeit angeordnet ist und innerhalb des Flansches (4) eine mit den Sensoren (3) in Verbindung stehende Elektronik (5) zur Auswertung ermittelter Verformungen angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass als Sensoren (3) zur Erfassung der Verformungen Dehnmessstreifen verwendet werden.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensoren (3) zur Erfassung der Verformungen Kondensatoren verwendet werden und die Verformung durch eine Veränderung der Kapazität erfasst wird.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensoren (3) zur Erfassung der Verformungen Spulen verwen- det werden und die Verformung durch eine Veränderung der Induktivität erfasst wird.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensoren (3) zur Erfassung der Verformungen Schwingquarz- bauelemente verwendet werden.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensoren (3) zur Erfassung der Verformungen piezoelektrische Kristalle mit Fingerstrukturen zur Erzeugung einer akustischen Oberflächenwelle verwendet werden, bei der die Übertragung der Sensorinformation drahtlos und passiv erfolgen kann.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensoren (3) zur optischen Erfassung der Verformungen faseroptische Elemente verwendet werden.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronik mit einem Verschlusselement (6) gegen eindringende Medien abgedichtet wird.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderboden (2) kugelförmig ausgebildet ist.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderboden (2) zylinderförmig ausgebildet ist.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderboden (2) flach ausgebildet ist.
ERSATZBLAπ (REGEL 26)
PCT/DE2000/001339 1999-07-08 2000-05-02 Vorrichtung zur ermittlung der form und lage von werkstücken Ceased WO2001004568A1 (de)

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