Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Messvorrichtung, mit dessen Hilfe ein Gewinde vermessen werden kann.

Es ist bekannt die Spindel eines Kugelgewindetriebs mit einem taktilen Messtaster abzutasten, um die Eigenschaften der Spindel, insbesondere die Position und Gewin- delage des Gewindes in der Spindel, zu überprüfen.

Es besteht ein ständiges Bedürfnis das Vermessen eines Gewindes zu beschleuni- gen.

Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen aufzuzeigen, die eine schnelle Vermes- sung eines Gewindes ermöglichen.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merk- malen des Anspruchs 1 und einer Messvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination ei- nen Aspekt der Erfindung darstellen können.

Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Vermessen eines Gewindes, insbesondere einer Spindel eines Kugelgewindetriebs, vorgesehen, bei dem ein berührungsloser Abstandssensor parallel zur Axialrichtung des Gewindes verfahren wird, ein zum Ab- stand des Abstandssensors zur Oberseite des Gewindes korrespondierendes Mess- signal erfasst wird, Schnittpunkte des Messsignals mit einem zwischen einem Maxi- malwert und einem Minimalwert des Messsignals liegenden Referenzwert erfasst werden, zwei einander unmittelbar nachfolgende Schnittpunkte in ein erstes Messwer- tetupel und zwei dem ersten Messwertetupel unmittelbar nachfolgende einander un- mittelbar nachfolgende Schnittpunkte in ein zweites Messwertetupel zusammenge- fasst werden, aus den Schnittpunkten des ersten Messwertetupels ein erster Mittel- wert und aus den Schnittpunkten des zweiten Messwertetupels ein zweiter Mittelwert berechnet werden und aus dem ersten Mittelwert und dem zweiten Mittelwert eine Zeit/Winkel-Auflösung berechnet wird.

Da die Vermessung des Gewindes berührungslos, beispielsweise mit Hilfe von Ultra- schall, und nicht berührungsbehaftet erfolgt, kann der Messvorgang bereits signifikant beschleunigt werden. Zudem werden keine absoluten Werte des Gewindes gemes- sen. Die Messung der exakten Position eines Fußgrundes des Gewindes ist schwierig und fehleranfällig. Hierzu müsste zudem in dem Messsignal ein dem Fußgrund ent- sprechender Extremwert ermittelt werden, wozu mehrere Rechenschritte erforderlich sind. Ein Zwischenbereich zwischen zwei Gewindegängen weist eine signifikante Er- streckung in axialer Richtung auf, so dass der dem Zwischenbereich entsprechende Messwert auf einem Plateau liegt. Dieser Messwert ist daher schlecht aufgelöst. Zu- dem kann der Anfang und das Ende des Zwischenbereichs zwischen nachfolgenden Gewindegängen gegebenenfalls nicht exakt bestimmt werden, wodurch sich aus der Bestimmung des Zwischenbereichs signifikante Ungenauigkeiten ergeben. Bei dem Verfahren werden stattdessen die Schnittpunkte der sich aus den Messwerten erge- ben Messkurve mit einem Referenzwert ermittelt. Sofern der Referenzwert zwischen einem bei der Messung auftretenden Maximalwert und einem bei der Messung auftre- tenden Minimalwert liegt, kann der Referenzwert grundsätzlich im Wesentlichen belie- big gewählt werden. Hierbei wird die Erkenntnis ausgenutzt, dass die Flanken der Gewindegänge des Gewindes im Wesentlichen symmetrisch ausgestaltet sind. Das bedeutet, dass ein Mittelpunkt zwischen zwei auf der selben Höhe angeordneten Punkten einander gegenüberliegender Flanken des selben Gewindegangs sehr genau dem Fußgrund des Gewindegangs entspricht. Ebenso liegt ein Mittelpunkt zwischen zwei auf der selben Höhe angeordneten Punkten voneinander weg weisender Flanken von nachfolgenden Gewindegängen sehr genau in der Mitte des Zwischenbereich zwischen den Gewindegängen. Hierbei ist es prinzipiell unerheblich auf welcher Höhe des Gewindegangs diese dem Referenzwert entsprechenden Punkte liegen. Zur Be- stimmung dieser Mittelpunkte werden jeweils paarweise die Messwerte, die zu dem Referenzwert des Abstandssensors führen, einem Messwertetupel zugeführt, wobei die jeweiligen einander nachfolgende Messwertetupel jeweils zwei dem Referenzwert entsprechende einander nachfolgende Messwerte aufweisen, die den Schnittpunkt der Messwertekurve mit dem Referenzwert darstellen. Aus den jeweiligen nachfol- genden Messwertetupel wird jeweils der Mittelwert bestimmt. Der Abstand des ersten Mittelwerts zum zweiten Mittelwert entspricht dem Abstand der in axialer Richtung nachfolgenden Gewindegänge. Zudem ist von dem untersuchten Gewinde die Gang- zahl bekannt, so dass der axiale Abstand der Gewindegänge unter Berücksichtigung der Gangzahl einem bestimmten Drehwinkelbetrag des Gewindes entspricht. Die Spindel eines Kugelgewindetriebes ist in der Regel eingängig, so dass eine Drehung der Spindel um 360° einem Vorschub in Höhe des axialen Abstand der nachfolgenden Gewindegänge entspricht. Zusätzlich sind aus der Messung des Abstandssensors und der der sich daraus ergeben Messkurve die Messzeitpunkte der Schnittpunkte mit dem Referenzwert bekannt, so dass aus deren Mittelung auch der zeitliche Abstand der Mittelwerte bekannt ist. Daraus lässt sich dann die Zeit/Winkel-Auflösung berech- nen. Wenn beispielsweise zusätzlich die Verfahrgeschwindigkeit und/oder der Ver- fahrweg des Abstandssensors bekannt ist und/oder gemessen wird, kann daraus mit Hilfe der berechneten Zeit/Winkel-Auflösung die Gewindesteigung des Gewindes oder weitere Eigenschaften des Gewindes bestimmt werden. Durch die berührungslose Messung der Flanken der Gewindegänge des Gewindes auf einer gemeinsamen Hö- he können schnell und präzise Eigenschaften des Gewindes vermessen werden, so dass eine schnelle Vermessung eines Gewindes ermöglicht ist.

Die Messwertetupel überschneiden sich nicht. Das heißt, dass sämtliche den Schnitt- punkt mit dem Referenzwert bildende Messwerte auf unterschiedliche Messwertetupel aufgeteilt werden. Hierbei schließt sich das zweite Messwertetupel unmittelbar an dem ersten Messwertetupel an, so dass zwischen nachfolgenden Messwertetupeln kein Schnittpunkt verbleibt, der nicht einem Messwertetupel zugeordnet ist. Dadurch ist si- chergestellt, dass in jedem Messwertetupel gleichartige Messwerte vorhanden sind, die entweder der fallenden und der ansteigenden Flanke eines gemeinsamen Gewin- degangs oder der ansteigenden Flanke und der fallenden Flanke verschiedener nach- folgender Gewindegänge entsprechen. Bei einem mergängigen Gewinde werden vor- zugsweise Messwertetupel miteinander verglichen, die dem selben Gewindegang zu- geordnet sind. Vorzugsweise wird jeder unabhängiger Gewindegang separat vermes- sen, besonders bevorzugt um daraus die Teilung des mehrgängigen Gewindes zu ermitteln. Aufgrund der schnellen Vermessung des Gewindes ist es insbesondere möglich die Gewinde in einem Mehrspindeldrehautomaten herzustellen und während oder nach der Fertigung zu vermessen, ohne dass die Stückzeiten signifikant anstei- gen.

Insbesondere werden die Messwerte in Abhängigkeit von einer Messzeit ab einem Startzeitpunkt oder in Abhängigkeit von einer axialen Verlagerung ab einem Startort ermittelt. Die von dem Abstandssensor ermittelte Messkurve kann zeitaufgelöst ermit- telt werden, das heißt ein Messwert des Abstandssensors, beispielsweise eine Span- nung, ist als Funktion der zeit aufgetragen. Alternativ ist es möglich die Messkurve ortsaufgelöst bereitzustellen, das heißt ein Messwert des Abstandssensors, bei- spielsweise eine Spannung, ist als Funktion des axialen Messwegs des Abstands- sensors aufgetragen. Wenn der Abstandssensor sowieso mit einer konstanten Ver- fahrgeschwindigkeit axial verlagert wird, kann es einfacher sein, die Messwerte in Ab- hängigkeit von der Messzeit zu ermitteln. Falls die Verfahrgeschwindigkeit während der Messung, beispielsweise durch externe Störungen oder bei Messproblemen, vari- ieren kann, kann die Messgenauigkeit leichter beibehalten werden, wenn die Mess- werte in Abhängigkeit von der axialen Verlagerung ermittelt werden.

Vorzugsweise wird die Zeit/Winkel-Auflösung aus einer Mittelung mehrerer Mittelwerte von mehr als zwei unmittelbar nachfolgenden Messwertetupeln berechnet. Durch die Einbeziehung mehrere Mittelwerte mehrerer Messwertetupel können entsprechend viele Abstände nachfolgender Gewindegänge und/oder der Abstand von über eine bestimmte Anzahl von betrachteten Messwertetupeln beabstandete Gewindegänge berücksichtigt werden. Durch die vielen berücksichtigten Mittelwerte kann die Genau- igkeit der aus der Mittelung der Mittelwerte bestimmten Zeit/Winkel-Auflösung verbes- sert werden.

Besonders bevorzugt weist das jeweilige Messwertetupel einen einer ansteigenden Flanke eines Gewindegangs zugeordneten Schnittpunkt und einen einer fallenden Flanke eines nachfolgenden Gewindegangs zugeordneten Schnittpunkt auf. Der Mit- telwert des jeweiligen Messwertetupels entspricht dadurch der Mitte des Zwischenbe- reichs zwischen zwei in axialer Richtung nachfolgenden Gewindegängen. Da der Mit- telbereich in der Regel eine deutlich größere axiale Erstreckung als die Gewinde- gangbreite aufweist, wirken sich in der Auflösungsgenauigkeit des Abstandssensors begründete Messungenauigkeiten weniger stark aus. Die Genauigkeit der Vermes- sung des Gewindes ist dadurch verbessert.

Insbesondere wird die Messung des Abstandssensors durch einen in Längsrichtung des Gewindes ortsfesten Trigger ausgelöst. Dadurch ergibt sich ein zeitlich und/oder örtlich genau definierter Startpunkt für die Messung des Abstandssensors. Dies er- möglicht es insbesondere verschiedene Messungen des selben Gewindes miteinan- der und/oder mit einer Referenzmessung zu vergleichen. Zudem kann die axiale Rela- tivlage des Gewindes, beziehungsweise der axiale Anfang und/oder das axiale Ende des Gewindes zu einer definierten Referenz vermessen und überprüft werden. Die Steigung und/oder Steigungsfehler des Gewindes können jedoch auch ohne den orts- festen Trigger bestimmt werden.

Insbesondere wird aus einem Versatz der Mittelwerte zu Mittelwerten einer Referenz- messung ein Winkelversatz des Gewindes in Umfangsrichtung zu einer Referenzwin- kellage eines Gewindes der Referenzmessung berechnet. Wenn das zu vermessende Gewinde zu der Referenzmessung um einen Winkelbetrag verdreht ist, sind die jewei- ligen Gewindegänge in axialer Richtung etwas versetzt positioniert. Dadurch erfolgt auch ein Schnittpunkt der Messkurve mit dem Referenzwert mit einer zeitlichen und örtlichen Phasenverschiebung. Aus dieser Phasenverschiebung kann wiederum auf den Winkelversatz des Gewindes zu der Referenzmessung und/oder einer damit ver- bundenen Referenzwinkellage geschlossen werden. Ein unerwünschter Winkelversatz kann rückgängig gemacht werden und/oder für nachfolgende Schritte berücksichtigt werden. Dies ermöglicht es ein für einen Kugelgewindetrieb vorgesehenes Gewinde sehr exakt in einer gewünschten Relativwinkellage zu einer Spindelmutter zu montie- ren, wodurch die Präzision des Kugelgewindetriebs verbessert sein kann. Insbesonde- re ist es dadurch möglich während der Herstellung des Gewindes, insbesondere einer Spindel eines Kugelgewindetriebs, eine gewünschte Winkellage einzustellen und/oder zu positionieren.

Vorzugsweise wird eine Verfahrgeschwindigkeit und/oder ein Verfahrweg und/oder ei- ne Verfahrzeit des Abstandssensors ermittelt, wobei aus dem Abstand des ersten Mit- telwerts zu dem zweiten Mittelwert und/oder aus einer Mittelung des Abstands mehre- rer einander nachfolgender Mittelwerte eine Gewindesteigung des Gewindes berech- net wird. Durch die Berücksichtigung des Bewegungsverhaltens des Abstandssensors können aus der Messkurve weitere Eigenschaften des Gewindes vermessen und überprüft werden. Insbesondere kann dadurch die Gewindesteigung und/oder bei ei- nem mehrgängigen Gewinde die Teilung berechnet werden.

Besonders bevorzugt wird das Gewinde einer Spindel eines Kugelgewindetriebs ver- messen. Durch die genaue Vermessung und Überprüfung des Gewindes kann das Gewinde höchsten Präzisionsansprüchen genügen. Dies ermöglicht es mit hohen Herstellungsgeschwindigkeiten Gewinde für Kugelgewindetriebe herzustellen, die ins- besondere in Werkzeugmaschinen und Hochpräzisionsanwendungen eingesetzt wer- den können. Eine bestimmte Linearstellung des Kugelgewindetriebs kann mit einer hohen Präzision angesteuert werden.

Die Erfindung betrifft ferner eine Messvorrichtung zum Vermessen eines Gewindes, insbesondere einer Spindel eines Kugelgewindetriebs, mit einer Halteeinrichtung zum Festhalten eines Gewindes, einem parallel zur Axialrichtung des Gewindes verfahrba- ren berührungslosen Abstandssensor und einer Auswerteeinrichtung zur Auswertung des von dem Abstandssensors detektierten Messsignals, wobei die Auswerteeinrich- tung zur Durchführung des Verfahrens, das wie vorstehend beschrieben aus- und wei- tergebildet sein kann, ausgestaltet ist. Durch die berührungslose Messung der Flan- ken der Gewindegänge des Gewindes auf einer gemeinsamen Höhe können schnell und präzise Eigenschaften des Gewindes vermessen werden, so dass eine schnelle Vermessung eines Gewindes ermöglicht ist.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung an- hand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels exemplarisch erläutert, wobei die nach- folgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigt:

Fig. 1 : ein schematisches Diagramm von mit einem Verfahren zum Vermessen eines Gewindes erhaltenen Messkurven.

In dem in Fig. 1 dargestellten Diagramm ist der eine Spannung in V darstellende Messwert eines berührungslosen Abstandssensors in Abhängigkeit von einer Mess- zeit 12 in s dargestellt. Die Messwerte des Abstandssensors ergeben eine Messkurve 14, die im Wesentlichen dem Verlauf eines zu vermessenden Gewindes entlang einer axialen Linie entspricht. Die Messkurve 14 schneidet einen Referenzwert 16, der na- hezu beliebig zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert der Messkurve 14 liegt. Die Messkurve 14 schneidet den Referenzwert 16 bei einer ansteigenden Flanke eines Gewindegangs mit einer positiven Steigung in einem ersten Schnittpunkt Fs und bei einer abfallend Flanke des Gewindegangs mit einer negativen Steigung in einem zweiten Schnittpunkt FF. Diese beiden Schnittpunkte Fs und FF bilden ein Messwer- tetupel, aus dem ein Mittelwert M _n bebildet wird, beispielsweise gemäß

F _F (M + 1)— F _s (n)

M _, + F _s (n)

2

wobei n der n-te betrachtete Gewindegang des Gewindes ist. Bei einer Gesamtanzahl von N betrachteten Gewindegängen, die in axialer Richtung hintereinander folgen, ergibt sich für ein eingängiges Gewinde bei einer Mittelung über die betrachteten Ge- windegänge eine Zeit/Winkel-Auflösung ZW von

1 yM„ ₊₁ -M _n

ZW

N - 1 i 360 °

Aus dem Abstand von zwei nachfolgenden Mittelwerten, beispielsweise M _n und M _{n+i ,} kann, insbesondere für ein eingängiges Gewinde, eine Gewindesteigung 18 bestimmt werden. Dies ist in dem dargestellten Diagramm zur besseren Übersichtlichkeit exemplarisch an den Mittelwerten M _n -i und M _n -2 dargestellt. Zudem kann die Messkur- ve 14 mit einer Referenzkurve 20 verglichen werden. Wenn das Gewinde bei der Messung um einen Winkelbetrag zu der Winkellage des Gewindes der Referenzkurve 20 verdreht ist, ergibt sich eine zeitliche Phasendifferenz t _s zwischen dem Mittelwert MPn der Messkurve 14 und dem dazu korrespondierenden Mittelwert MB _n der Refe- renzkurve 20, gemäß

ts ⁼ t(MBn)— t(MPn).

Daraus lässt sich wiederum ein Winkelversatz Df zwischen der Winkellage des Ge- windes der Messkurve 14 zu der Winkellage des Gewindes der Referenzkurve 20 in Umfangsrichtung bestimmten, gemäß

Df = t _s · ZW. Bezuqszeichenliste

10 Spannung

12 Messzeit

14 Messkurve

16 Referenzwert

18 Gewindesteigung

20 Referenzkurve

ZW Zeit/Winkel-Auflösung

Fs Schnittpunkt steigende Flanke

FF Schnittpunkt fallende Flanke

M _n Mittelwert

MP _n Mittelwert der Messkurve

MB _n Mittelwert der Referenzkurve

t _s Phasendifferenz

Df Winkelversatz