Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vermessung eines dreidimensionalen Objekts, umfassend: die ortsfeste Fixierung des Objekts an einem um eine Drehachse rotierbaren Halter, die Abtastung mindestens einer Fläche des Objekts mittels eines Tasters, wobei das Objekt um die Drehachse ro- tiert wird und der Halter und der Taster relativ zueinander bewegt werden, und die Erfassung der Position des Tasters.

EP 1 103 781 B 1 offenbart ein Verfahren zum Messen einer V-Nutenform eines zu messenden Objekts durch Fixieren des Objekts auf einem Dreh- tisch und Verwenden einer Abtastsonde zum Messen der Position, während das Objekt auf dem Drehtisch gedreht wird. Mit dem bekannten Verfahren kann eine Außenfläche, insbesondere ein Außengewinde, am Objekt vermessen werden, wobei eine Steuerung zum Abtasten eines Zweiflanken- Kontaktes derart eingesetzt wird, dass das Messelement mit zwei Flanken in Kontakt kommt, um die V-Nut abzubilden.

Bei der Fertigung von Maschinenelementen, die typischerweise als Drehteile hergestellt werden und jeweils ein Gewinde aufweisen können, ist es entsprechend der gewählten Toleranzklasse bzw. Fertigungstoleranz erfor- derlich, geometrische Kenngrößen, insbesondere Gewindekenngrößen, eines gefertigten Maschinenelements zu messen. Wünschenswert ist eben- falls eine Messung der Ebenheit von Planflächen, da der Planlauf mit her ^¬ kömmlichen, in der Vielteilefertigung eingesetzten Prüfmethoden nicht messbar ist. Eine in einfacher Weise durchzuführende Messung des Planlaufs ermöglicht eine auch bei der Fertigung einer Vielzahl von Maschinen- elementen durchzuführenden Bestimmung der jeweil igen Fertigungstoleranz und folgl ich die Sicherung einer hohen Fertigungsqualität. Mitunter stellt die Messung des Planlaufs einen Wettbewerbsvorteil dar.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein mit einfachen Mitteln durchzufüh- rendes, bei der Fertigung einer Vielzahl von Objekten, wie Maschinenelementen, einsetzbares Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches die Ermittlung von geometrischen Kenngrößen, insbesondere eines Planverläufs, am jeweiligen Objekt ermöglicht. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 in seiner Gesamtheit. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der Halter und der Taster linear entlang einer Translationsachse zueinander bewegt werden, die mit der Drehachse des Halters einen spitzen Winkel einschließt und eine Ebene aufspannt, innerhalb der der Taster bewegbar ist.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Drehachse und der Transla- tions- bzw. Bewegungsachse in einer Ebene erfolgt eine Projektion in diese Ebene, anders ausgedrückt werden die zu vermessenden Koordinaten um eine Dimension, von 3 auf 2, reduziert. Somit ist der Einsatz eines kostenintensiven, mitunter einen langen Messzyklus erfordernden Werkzeugs zur dreidimensionalen Erfassung entbehrlich. Die Reduzierung auf zwei zu erfassende Dimensionen ermöglicht den Einsatz von einfachen preiswerten Werkzeugen zur Erfassung der Position des Tasters in der zweidimensiona- len, von Drehachse und Translationsachse aufgespannten Ebene sowie verkürzte Messzyklen. Zweckmäßigerweise erfolgt die Erfassung der Position des Tasters in einem Koordinatensystem und verläuft die Translationsachse parallel zu einer Koordinatenachse des Koordinatensystems, typischerweise eines kartesischen Koordinatensystems mit X-Achse, Y-Achse und Z-Achse. Erfindungsgemäß findet eine Projektion beispielsweise gemäß Z = 0 in die von X-Achse und Y-Achse aufgespannten Ebene statt. Der Winkel φ zwischen der Drehachse des Halters und der X-Achse und der radiale Abstand r eines Punkts auf der Drehachse zum Nullpunkt des Koordinatensystems stellt die jeweilige Posi- tion in Zylinderkoordinaten dar. Auf der Basis des Winkels φ und der Rotationsgeschwindigkeit ω des Objekts um die Drehachse sowie der Geschwindigkeit der Relativbewegung von Halter und Taster kann die vollständige dreidimensionale Ausgestaltung des zu vermessenden Objekts bestimmt bzw. errechnet werden.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, dass der Winkel zwischen der Translationsachse und der Drehachse 15° beträgt. Beispielsweise kann das zu vermessende Objekt, wie eine Stellmutter oder ein Gewindering, auf einem um 1 5° geneigten Plantisch montiert werden.

In einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mittels des Tasters eine quer zur Rotationsachse angeordnete Planfläche des Objekts abgetastet. Bei einer gleichzeitigen Rotation der Stell mutter und Verfahrbewegung des Tasters werden mittels des Tasters als Teil einer Konturmessvor- richtung das Gewinde der Stellmutter und ihre Planfläche abgetastet. Planfläche meint die kreiszylinderförmige Stirnfläche, welche quer, idealerweise senkrecht, zur Rotationsachse der Stellmutter angeordnet ist bzw. angeordnet sein soll. Aus der Verrechnung der Geometrie des Gewindes wird zunächst die Lage einer Bezugsachse, welche idealerweise mit der Drehachse zusammenfällt, bestimmt; anschließend wird die Planflächenkontur zum Planlauf bezogen auf die Bezugsachse berechnet. Hieraus ist insbesondere die gewünschte Information erhältlich, ob die Planfläche eben ausgebildet und senkrecht zur Rotationsachse bzw. Bezugsachse des Gewindes verlaufend angeordnet ist. In einer weiteren Variante wird mittels des Tasters eine insbesondere parallel zur Drehachse verlaufende Innenfläche oder eine Außenfläche des Objekts abgetastet. Hierbei kann ein an der Innenfläche oder der Außenfläche vorgesehenes Gewinde abgetastet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht neben einer Bestimmung der Form des jeweiligen Gewindes bzw. der Ausgestaltung der jeweiligen Fläche eine Aussage über deren Rotationssymmetrie in Bezug zur Drehachse bzw. die Bestimmung einer entsprechenden Bezugs- bzw. Rotationsachse. Demgemäß wird das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt für Objekte eingesetzt, welche eine zur Drehachse rotationssymmetrische Form, insbesondere eine Zylinderform, aufweisen, da hier erfindungsgemäß eine Qualitätskontrolle bei der Fertigung dementsprechender Objekte durchgeführt werden kann.

Das zu vermessende Objekt ist typischerweise ein Maschinenelement, wie eine Stellmutter oder ein Gewindering, und bevorzugt als Drehteil gefertigt. Aus den während einer bestimmten Rotationsbewegung des Halters und einer bestimmten Translationsbewegung zwischen Halter und Taster erfass- ten Positionen des Tasters können geometrische Kenngrößen des Objekts, wie Profilform, Bezugsachsen, Gesamtplanlauf, Koaxialität und Gesamt- ruhdlauf entsprechender Flächen, bestimmt werden. Von besonderem Inte- resse für Anwender sind die Profilformtoleranz eines Gewindes, der Winkel der Stirn- bzw. Planfläche zur Bezugs- bzw. Rotationsachse, die Ebenheit der Planfläche, die Rechtwinkligkeit der Planfläche zur Bezugsachse, der Gesamtlaufplan zur Bezugsachse. Die Erfindung betrifft weiter eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich durch einen vergleichsweise geringen konstruktiven Aufwand aus. Der Halter ist typischerweise Teil einer Aufspannvorrichtung, mittels derer eine Neigung entsprechend des gewünschten Winkels eingestellt werden kann sowie eine konstante Drehzahl von 0-60 Umdre- hungen pro Minute gewählt werden kann. Die Plan- und Rundlaufgenauigkeit beträgt weniger als 0,1 μι ^~ η; der Durchmesser typischerweise 1 50- 200 mm. Weiterer Bestandteil ist typischerweise eine Konturmessvorrichtung mit einer konstanten Vorschubgeschwindigkeit < 0, 1 mm pro Sekunde und einem Scheibentaster, welcher bei einer Auflösung von 0,1 μ ^η ι bei- spielsweise XY-Koordinaten in einem kartesischen Koordinatensystem ausgibt. Eine Auswerteeinheit als dritter Bestandteil der Vorrichtung kann nach Eingabe von Vorschub, Drehzahl, Punktwolke und Gewindedaten teilweise und insgesamt die Bezugsachsen, Tragflanken, Trag- und Sicherungsflanken sowie Kenngrößen ausgeben.

Zusammenfassend ist festzuhalten, dass erfindungsgemäß eine Methode zum direkten Ermitteln von Bezugsachsen und Fertigungstoleranzen insbesondere von Gewinden und von Planläufen in Bezug auf Gewinde bereitgestellt wird. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können sowohl zy- lindrische Geometrien nach DIN EN ISO 12180-2 als auch ebene Geometrien nach DIN EN ISO 12781 -2 erfasst werden. Mit der in die Vorrichtung implementierten Auswertelogik werden auf Basis der erfassten Geometrie Form- und Lageabweichungen sowie ein entsprechender Bezug ermittelt. Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit Vorrichtungen bzw. Maschinen durchgeführt werden, die aufgrund ihres einfachen Aufbaus hoch präzise und zugleich preiswert sind. Die Erfassung komplexer Geometrien kann ohne zusätzlichen Umrüstaufwand mit der Messung einfacher Geometrien kombiniert werden, so dass eine hohe Präzision bei vergleichsweise geringem Aufwand erreicht werden kann. Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nach ^¬ folgenden Beschreibung und den Figuren der Zeichnung. Die vorstehend genannten und die weiter angeführten Merkmale können erfindungsgemäß jeweils einzeln oder in beliebigen Kombinationen verwirklicht sein. Die in den Figuren gezeigten Merkmale sind rein schematisch und nicht maßstäblich zu verstehen. Es zeigt:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 2 die Veranschaulichung der erfindungsgemäßen Anordnung in einem Koordinatensystem;

Fig. 3a ein zu vermessendes dreidimensionales Objekt;

Fig. 3b ein Schnitt durch das Objekt aus Fig. 3a mit einem daran anliegenden Taster zur erfindungsgemäßen Vermessung; Fig. 4 eine mittels der in Fig. 3b gezeigten Anordnung vermessene Positions- bzw. Bahnkurve des Tasters;

Fig. 5 ein Ablaufschema des erfindungsgemäßen Verfahrens einschließlich der Bestimmung von geometrischen Kenngrößen des vermessenen dreidimensionalen Objekts;

Fig. 6a und 6b jeweils eine Messdatenkurve zur Veranschaulichung eines Auswerteschrittes des erfindungsgemäßen Ver- fahrens; Fig. 7a-7h jeweils einen Schnitt durch ein dreidimensionales Objekt mit einer erfindungsgemäß zu vermessenden Innengeometrie; Fig. 8a-8h jeweils einen Schnitt durch ein dreidimensionales Objekt mit einer erfind ungsgem ^' äß zu vermessenden Außengeometrie;

Fig. 9a-9d jeweils einen Schnitt durch ein weiteres Anwendungs- beispiel eines erfindungsgemäß zu vermessenden dreidimensionalen Objekts;

Fig.10a-10c jeweils eine Ansicht einer Gewindestellmutter als zu vermessendes Objekt.

Fig. 1 zeigt in Seitenansicht eine Vorrichtung zur Vermessung eines dreidimensionalen Objekts 10, welches auf einem spindelartigen Halter 12 einer Aufspannvorrichtung 14 ortsfest angeordnet, anders ausgedrückt fixiert, ist. Der Aufspannvorrichtung 14 mit dem auf dem Halter 12 befestigten Objekt 10 gegenüberliegend, in der Fig. 1 rechts gezeichnet, ist eine Konturmessvorrichtung 16 mit einem in X-Richtung verfahrbar geführten Schlitten 18 und einem an diesem angeordneten, zusätzlich in vertikal zur X-Richtung verlaufender Y-Richtung verschiebbar angeordneter Taster 20. Der Taster 20 ist in einer von X-Achse und Y-Achse aufgespannten Bewegungsebene B verschiebbar angeordnet und liegt am zu vermessenden dreidimensionalen Objekt 10 an. Aus Fig. 1 ist gut erkennbar, dass eine Drehachse R des Halters 1 2 für das Objekt 10 in der von X-Achse und Y-Achse aufgespannten Bewegungsebe- ne B angeordnet ist und mit der X-Achse einen spitzen Winkel φ einschließt. Zur Messung wird der Halter 12 mit dem daran befestigten Objekt 10 um die Drehachse R rotiert und gleichzeitig der Taster 20 entlang einer parallel zur X-Achse verlaufenden Translationsachse T bewegt. Mittels der Konturmessvorrichtung 16 wird die Position des Tasters 20 in der Bewegungsebene B zeitabhängig erfasst und aus der gemessenen Bahnkurve b (X, Y) wird mit einer in Fig. 1 nicht gezeigten Auswerteeinheit unter Berücksichtigung der Drehbewegung des Halters 1 2 und der Translationsbewegung des Tasters 20 die gewünschte geometrische Kenngröße, wie die Profilform, des vermessenen Objekts 10, bestimmt.

Fig. 2 verdeutlicht, dass die erfindungsgemäße Anordnung der Drehachse R und der Translationsachse T in der von der X-Achse und der Y-Achse eines kartesischen Koordinatensystems X, Y, Z aufgespannten Bewegungsebene B einer Projektion in die Ebene entsprechend Z = 0 entspricht. Durch die

Rotation des zu vermessenden, in Fig. 2 nicht gezeigten Objekts 10 um die Drehachse R mit der Winkelgeschwindigkeit ω wird eine am Objekt zu vermessene Fläche 22, 22' durch die Bewegungsebene B geführt und dort vermessen. Die Rotationsbewegung des Objekts ist mit Kreislinien angedeu- tet. In Fig. 2 ist anschaulich dargestellt, dass durch eine Translationsbewegung mit der Geschwindigkeit v entlang der Translationsachse T und eine Rotationsbewegung um die Rotations- bzw. Drehachse R, welche beide in der Bewegungsebene B liegen, die komplette dreidimensionale Information messtechnisch erfasst wird.

Das in Fig. 3a perspektivisch dargestellte dreidimensionale Objekt 10 ist als rotationssymmetrisches Drehteil mit Drehachse R ausgestaltet und weist eine kreisförmige Planfläche 24 auf. Die Rotationsbewegung r des Objekts 10 gemeinsam mit dem dieses ortsfest haltenden Halter 1 2 ist mit einem Pfeil verdeutlicht. In Fig. 3b ist in einem Schnitt durch das Objekt 10 eine Außenfläche 26 und eine Innenfläche 28, welche ein Innengewinde auf- weist, sowie die im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse R verlaufende Planfläche 24 gezeigt. Bei einer vorgegebenen Translationsbewegung t des am Objekt 10 anliegenden Tasters 20 entlang der Translationsachse T vollführt der Taster 20 eine mit Pfeil b veranschaulichte Abtastbewegung in der Bewegungsebene B und es wird eine Positions- bzw. Bahnkurve b (X, Y) des Tasters 20 im Koordinatensystem X, Y aufgezeichnet.

Die aufgezeichnete Bahnkurve b (X, Y) ist in Fig. 4 gezeigt. In einem ersten ansteigenden Abschnitt bi der Bahnkurve b (X, Y) ist die abgetastete Kontur des an der Innenfläche 28 abgetasteten Innengewindes erkennbar. Im zweiten Abschnitt b2 fällt die Bahnkurve b (X, Y) ab und weist entsprechend der ebenen Ausbildung der Planfläche 24 keinen periodischen, sondern einen geraden Verlauf auf. Der erste Abschnitt bi und der zweite Abschnitt b2 schließen mit den Koordinatenachsen X, Y jeweils einen Winkel α, ß ein. Bei einer gewünschten Ausgestaltung des vermessenen Objekts 10 fallen die Drehachse R und die Rotations- bzw. Bezugsachse des rotationssymmetrischen Objekts 10 zusammen, so dass der erste Winkel α mit dem Neigungswinkel φ zusammenfällt. Bei einer gewünschten senkrechten Ausrichtung der Planfläche 24 zur Rotationsachse R des an der Innenfläche 28 vor- gesehenen Innengewindes entspricht der zweite Winkel ß ebenfalls dem Neigungswinkel φ. Im gezeigten Beispiel beträgt der Neigungswinkel φ = 15°.

Dem in Fig. 5 gezeigten Ablaufschema sind nach den Messschritten MO und MI die Auswerteschritte A0 bis A7 entnehmbar, mittels deren geometrische Kenngrößen El bis E5 des vermessenen Objekts 10 ermittelt werden können. In den Fig. 6a und 6b ist der Auswerteschritt A4 zur Erzeugung einer dritten Dimension veranschaulicht. In Fig. 6a ist in Draufsicht die vom Taster 20 auf der Planfläche 24 abgefahrene spiralförmige Kurve gezeigt. Entsprechend der in Fig. 6b gezeigten Seitenansicht ergibt sich durch die Translationsbewegung t des Tasters 20 in X-Richtung ein schwingungsför- miger Bahnverlauf. Mit dem Verhältnis der Geschwindigkeit v der Transla ^¬ tionsbewegung t zur Rotationsgeschwindigkeit ω der Rotationsbewegung r kann die gemessene Y-Koordinate in zwei Achsrichtungen verlegt werden und somit von der in der Bewegungsachse B = (X, Y, Z = 0) erfassten 2D- Information auf eine 3 D-Information des gesamten Objekts 10 rückgerechnet werden.

In den Fig. 7a bis 7g sind jeweils ein um eine Drehachse R rotationssymmetrisches Objekt 10a mit einer planen Außenfläche 26a und einer indivi- duell ausgestalteten Innenfläche 28a dargestellt (nur in Fig. 7a bezeichnet). Die jeweilige Innenfläche 28a kann abschnittsweise plan, konkav, konvex, konisch, verjüngend, stufenförmig, mit einem Gewinde versehen, einem bogenförmigen Verlauf folgend ausgebildet sein. Bei dem in Fig. 7h gezeigten Objekt 10h ist die Außenfläche 28h rotationssymmetrisch und die In- nenfläche 26h mit unterschiedlichen Abständen zur Drehachse R ausgebildet. Die jeweiligen Gegenstücke zu den in Fig. 7a-7h gezeigten besonderen Innengeometrien sind in den Fig. 8a-8h gezeigt, anders ausgedrückt bilden das in Fig. 7a gezeigte Objekt 10a und das in Fig. 8a gezeigte Objekt 10a' mit der Außenfläche 26a' in der Zusammenschau einen Vollzylinder, ent- sprechend Fig. 7b und 8b, usw.

Den Fig. 9a-9d sind weitere Anwendungsbeispiele mit unterschiedlich ausgestalteten Außen- und Innengeometrien von rotationssymmetrischen Objekten gezeigt.

Die Fig. l Oa-I Oc veranschaulichen, dass mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens eine in Fig. 10a in Seitenansicht, in Fig. 10b in Draufsicht und in Fig. 10c in einem Schnitt gezeigte Gewindestellmutter vermessen werden kann. Die Gewindestellmutter ist rotationssymmetrisch zur Drehachse R ausgebildet und weist an ihrer Innenfläche 28 ein Innengewinde auf sowie entlang ihrer Erstreckung entlang der Drehachse R eine zweitstufige Unter- brechung auf, wodurch eine Spielfreiheit bei Verwendung der gezeigten Gewindestellmutter erreicht wird.