DE4317410C2

DE4317410C2 - Method and device for contactless measurement of workpieces with large diameter differences on machine tools

Info

Publication number: DE4317410C2
Application number: DE19934317410
Authority: DE
Inventors: Thomas Rother; Helmut Kobrow; Andreas Kirchuebel; Gunter Vales
Original assignee: Deutsche Bahn AG
Current assignee: Hoermann-Barkas Industrietechnik 09114 Chemn GmbH
Priority date: 1993-05-18
Filing date: 1993-05-18
Publication date: 1998-06-10
Anticipated expiration: 2013-05-19
Also published as: DE4317410A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur berührungslosen Mes sung von Werkstücken mit großen Durchmesserdifferenzen an Werkzeugmaschinen, wie sie zur Bearbeitung von Radsätzen bei Radsatzdrehmaschinen angewendet werden.The invention relates to a method and a device for non-contact measurement solution of workpieces with large diameter differences on machine tools, as they are used to machine wheelsets on wheelset lathes will.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die dazugehörende Vorrichtung sind sowohl im Instandhaltungswesen, insbesondere von Radsätzen in der Regenerierung - Re profilierung, der Bremsscheibenkorrektur, als auch in der Neufertigung von Rad sätzen und der Neubereifung derselben einsetzbar.The method according to the invention and the associated device are both in maintenance, in particular of wheel sets in regeneration - Re profiling, brake disc correction, as well as in the new production of wheel sets and the new tires can be used.

Nach DE 40 32 361 A1 "Distanzmeßkopf für Drehmaschinen" sind Anordnungen und Verfahren bekannt, die mittels Lasertechnik nach dem Triangulationsprinzip mit hoher Meßauflösung in einem begrenzten Meßbereich durch geeignete Wahl der Optik-Brennweite und evtl. Justage des Prismas zur Werkstückmessung in nume rischen Drehmaschinen, insbesondere am Revolver befestigt, angewendet werden. Die hohe Meßauflösung des Lasers erreicht im angegebenen Meßbereich ihr Opti mum. Bei Maschinen mit einem großen Meßbereich besteht hierbei allerdings der Nachteil, daß nicht der gesamte Arbeitsbereich der Maschine durch den Lasermeß bereich ohne Veränderungen der Optik-Brennweite bzw. Prismajustierung abge deckt wird.According to DE 40 32 361 A1 "distance measuring head for lathes" are arrangements and Process known using laser technology based on the triangulation principle high measurement resolution in a limited measuring range by suitable choice of Optical focal length and possible adjustment of the prism for workpiece measurement in number lathes, especially attached to the turret, can be used. The high measurement resolution of the laser reaches its opti in the specified measuring range mum. For machines with a large measuring range, however, this is the case Disadvantage that not the entire working area of the machine by the laser measurement range without changing the optical focal length or prism adjustment is covered.

Eine Anordnung des Lasers ohne zusätzliche CNC-Achse und eine Meßwertauf nahme unabhängig von der Position des Lasers in den Maschinenkoordinaten sowie die numerische Verarbeitung von Lasermeßwerten mit den Meßwerten der Maschi nenachse zum Anzeigen der Werkstückmaße sind nicht bekannt.An arrangement of the laser without an additional CNC axis and a measurement value regardless of the position of the laser in the machine coordinates as well the numerical processing of laser measured values with the measured values of the machine NEN axis for displaying the workpiece dimensions are not known.

Aus der DE 29 24 573 A1 "Positioniereinrichtung" sind ein Verfahren und eine Anord nung bekannt, bei denen mittels berührender Meßrolle Radsatzprofile und Durch messer erfaßt werden. Nachteilig wirkt sich hierbei der Verschleiß an der Meßrolle und den beweglichen mechanischen Trägerelementen sowie eine Verschmutzung des Radsatzes aus.DE 29 24 573 A1 "Positioning device" describes a method and an arrangement voltage known, in which by means of a measuring roller wheelset profiles and through knife can be detected. The wear on the measuring roller is disadvantageous here and the movable mechanical support elements as well as contamination of the wheelset.

Das US-Patent 5.124.524 beinhaltet ein Lasermeßsystem mit einer Meßfühlerein richtung, die linear gelenkig in zueinander vertikalen Achsen X, Y und Z in Bezug auf eine Referenzebene angeordnet ist. Als nachteilig stellt sich dabei heraus, daß für die Anwendung des Lasermeßsystems eine spezielle Meßfühlereinrichtung notwendig ist, die mindestens in drei Achsen gelenkig ist und als Laserstützkopf an eine Präzisionsmaschinenvorrichtung mit mindestens einer Rotationsachse montiert werden muß. Weiterhin muß ein Computer mittels Meßfühler Signale über die jeweilige Stellung des Lasers zum Meßpunkt am Objekt empfangen und über computergesteuerte Servomotoren den Laserstrahl in mehreren Achsen zu jedem Meßpunkt am Objekt senkrecht ausrichten.U.S. Patent 5,124,524 includes a laser measurement system with a probe direction that is linearly articulated in mutually vertical axes X, Y and Z in relation is arranged on a reference plane. It turns out to be disadvantageous that a special sensor device for the application of the laser measuring system is necessary, which is articulated in at least three axes and as a laser support head mounted a precision machine device with at least one axis of rotation must become. Furthermore, a computer must have signals via the sensor receive the respective position of the laser to the measuring point on the object and via computer controlled servo motors the laser beam in several axes to each Align the measuring point vertically on the object.

Das Ziel der Erfindung ist es, an Drehmaschinen, insbesondere Radsatzdreh maschinen für Eisenbahnradsätze, mit großem Arbeitsbereich und großen Werk stückabmessungsdifferenzen berührungslose Messungen über den gesamten Ar beitsbereich der Maschine zu erreichen.The aim of the invention is to turn on lathes, especially wheelset machines for railway wheel sets, with a large work area and large plant piece size differences non-contact measurements over the entire area reach the working area of the machine.

Der nützliche Effekt besteht darin, daß auf einer Meßstrecke, die den Meßbereich des Lasers übersteigt, ohne Veränderung der Laserdaten, wie Optik-Brennweite oder Prismeneinstellung, Werkstückmessungen mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden, die durch die Verarbeitung der Lasermeßwerte und der Werte der Stößel position durch die Maschinensteuerung unabhängig von der Position des Lasers im Maschinenkoordinatensystem sind.The useful effect is that on a measuring section, the measuring range of the laser, without changing the laser data, such as optics focal length or prism adjustment, workpiece measurements carried out with high accuracy by processing the laser measurement values and the values of the plunger position by the machine control regardless of the position of the laser in the Machine coordinate system are.

Durch die Anordnung des Meßlasers im Stößel der Radsatzdrehmaschine wird die ser gegen Späne geschützt.The arrangement of the measuring laser in the tappet of the wheelset lathe protected against chips.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, welche berührungslose Messungen vorwiegend an Radsatzdrehma schinen über den gesamten Arbeitsbereich der Maschine ermöglicht, ohne daß bei Überschreitung des nutzbaren Meßbereiches Veränderungen an der Meßeinrichtung vorgenommen werden.The invention has for its object to a method and an apparatus develop which non-contact measurements mainly on wheelset torque machines over the entire working area of the machine without Exceeding the usable measuring range Changes to the measuring device be made.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Meßlaser justierbar zu den Maschinenachsen in einem Laserhalterungselement aufgenommen wird. Dieses Laserhalterungselement befindet sich im Stößel, der über Verbindungselemente mit weiteren Stößeln auf einer gemeinsamen Führungsschiene verschiebbar ist. Der Meßlaser erfaßt nach dem Triangulationsprinzip die Konturen des in die Werkzeug maschine eingespannten Werkstückes. Zu seiner Justierung ist der Meßlaser in Richtung der Y-Achse zu verschieben, um die X-Achse zu drehen sowie um die Y- Achse zu schwenken und so zu fixieren. Mittels eines Wegmeßsystems ist der Verfahrweg des Stößels auf den Maschinenverfahrachsen zu ermitteln und über den Laser nach dem Triangulationsprinzip der Abstand zum Werkstück sowie Durchmes ser, Radial- und Planschlag desselben festzustellen. Die gemessenen Werte wer den als elektrisches Signal an die Maschinensteuerung übertragen. Nach der Signalverarbeitung wird die gemessene Werkstückgröße angezeigt, mit den Werk stücksolldaten verrechnet und die Bearbeitungsparameter durch die Maschinen steuerung festgelegt.According to the invention the object is achieved in that a measuring laser is adjustable the machine axes is accommodated in a laser holder element. This Laser holder element is located in the plunger, which is connected via connecting elements additional plungers can be moved on a common guide rail. Of the Measuring laser uses the triangulation principle to record the contours of the tool machine clamped workpiece. The measuring laser is in for its adjustment Direction of the Y axis to rotate the X axis and the Y- Swivel axis and fix it. By means of a position measuring system Determine the stroke of the ram on the machine travel axes and via the Laser based on the triangulation principle of the distance to the workpiece and diameter water, radial and flat lay of the same. The measured values wer transmitted to the machine control as an electrical signal. After Signal processing, the measured workpiece size is displayed with the factory set target data and the processing parameters are calculated by the machines control set.

Zur Durchführung des Verfahrens ist eine entsprechende Vorrichtung an der Rad satzdrehmaschine vorhanden.A corresponding device is on the wheel for carrying out the method set lathe available.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert wer den:The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment the:

In den zugehörenden Zeichnungen zeigen:In the accompanying drawings:

Fig. 1 "Anordnung des Meßlasers im Stößel" Fig. 1 "arrangement of the measurement laser in the tappet"

Fig. 2 "Gesamtansicht der Anordnung" Fig. 2 "general view of the arrangement"

Fig. 3 "Verfahren zur Meßwerterfassung und -verarbeitung". Fig. 3 "Method for data acquisition and processing".

Entsprechend der Darstellung nach Fig. 1 und 2 ist ein Meßlaser 7 in einer Auf nahme 8 im Stößel 9, der sich über Verbindungselemente 10 verschiebbar auf einem Führungselement 11 befindet, an einem Laserhalterungselement 1 befestigt. Mittels Gewindebolzen 2 und Stellmutter 3, 4 wird die Höheneinstellung des Meßlasers 7 in einem Bereich von vorzugsweise +/- 4 mm vorgenommen.According to the illustration of FIG. 1 and 2, a measuring laser 7 is taking in an up 8 in the ram 9, which is located above the connectors 10 on a guide member 11 fixed to a support member 1 laser. The height adjustment of the measuring laser 7 is carried out in a range of preferably +/- 4 mm by means of threaded bolts 2 and adjusting nuts 3 , 4 .

Der Laserstrahlaustritt 19 ist auf die Werkstücklängsachse-Z 12 gerichtet. Das rechtwinklige Ausrichten des Meßlasers 7 zur Werkstücklängsachse-Z 12 ist durch Gewindebolzen 2, Stellmutter 3, 4 und Justierelemente 18 gegeben, wobei die Schwenkbarkeit um die Y-Achse der Laserhalterung 16 vorzugsweise +/- 2° be trägt. Durch die Drehbarkeit des Bolzens 5 längs der X-Achse der Laserhalterung 15 und die Arretierung mittels Kegelstift 6 wird die Y-Achse 14 und die Y-Achse der Laserhalterung 16 des Meßlasers 7 in Übereinstimmung gebracht. Damit ist die erforderliche Justage des Meßlasers 7 in drei Ebenen zum Maschinenkoordinaten system gegeben.The laser beam exit 19 is directed onto the workpiece longitudinal axis Z 12 . The right-angled alignment of the measuring laser 7 to the workpiece longitudinal axis Z 12 is given by threaded bolts 2 , adjusting nuts 3 , 4 and adjusting elements 18 , the pivotability about the Y axis of the laser holder 16 preferably being +/- 2 °. Due to the rotatability of the bolt 5 along the X axis of the laser holder 15 and the locking by means of the taper pin 6 , the Y axis 14 and the Y axis of the laser holder 16 of the measuring laser 7 are brought into agreement. So that the required adjustment of the measuring laser 7 is given in three levels to the machine coordinate system.

Nach dem Einrichten, Nullen des Wegmeßsystems 21, der X-Achse 13 und dem Abgleich des Meßlasers 7 am Prüfnormal werden am Werkstück Abstände, Durch messer, Radial- und Planschlag an Scheiben innerhalb des Lasermeßbereiches 20 gemessen. Bei größeren Abständen wird der Stößel 9 mit dem Meßlaser 7 in der X- Achse 13 um einen Weg Δx 17 verfahren, so daß das eingespannte Werkstück 25 wieder im Lasermeßbereich 20 des Meßlasers 7 liegt. Der bei der Positionsbestim mung des Stößels 9 mittels Wegmeßsystems 21 aufgenommene Weg Δx 17 wird in der Maschinensteuerung 22, wie in Fig. 3 dargestellt, mit dem vom Meßlaser 7 aufgenommenen Meßwertsignal 26 verarbeitet und an der Ausgabe/Anzeige der Werkstückdaten 23 als gemessener Abstand, Durchmesser oder Profil dokumentiert. Desweiteren werden durch die Maschinensteuerung 22 nach Auswertung der Daten und Verrechnung mit gespeicherten Werkstücksolldaten die Bearbeitungsparameter festgelegt und an das Werkzeug 27 übertragen.After setting up, zeroing the displacement measuring system 21 , the X-axis 13 and the adjustment of the measuring laser 7 on the test standard, distances, diameters, radial and plane impacts on disks within the laser measuring range 20 are measured on the workpiece. At larger distances, the plunger 9 is moved with the measuring laser 7 in the X-axis 13 by a distance Δx 17 , so that the clamped workpiece 25 is again in the laser measuring range 20 of the measuring laser 7 . The path .DELTA.x 17 recorded in the position determination of the ram 9 by means of position measuring system 21 is processed in the machine control 22 , as shown in FIG. 3, with the measured value signal 26 recorded by the measuring laser 7 and on the output / display of the workpiece data 23 as a measured distance. Documented diameter or profile. Furthermore, the machine control 22 determines the processing parameters after evaluation of the data and calculation with stored workpiece target data and transfers them to the tool 27 .

Reference list

11

Laserhalterungselement
Laser bracket element

22nd

Gewindebolzen
Threaded bolt

33rd

Stellmutter
Adjusting nut

44th

Stellmutter
Adjusting nut

55

Bolzen
bolt

66

Kegelstift
Taper pin

77

Meßlaser
Measuring laser

88th

Aufnahme
admission

99

Stößel
Pestle

1010th

Verbindungselemente
Fasteners

1111

Führungselement
Guide element

1212th

Werkstücklängsachse-Z
Workpiece longitudinal axis-Z

1313

X-Achse
X axis

1414

Y-Achse
Y axis

1515

X-Achse der Laserhalterung
X-axis of the laser holder

1616

Y-Achse der Laserhalterung
Y-axis of the laser holder

1717th

Weg Δx
Path Δx

1818th

Justierelemente
Adjustment elements

1919th

Laserstrahlaustritt
Laser beam exit

2020th

Lasermeßbereich
Laser measurement range

2121

Wegmeßsystem
Position measuring system

2222

Maschinensteuerung
Machine control

2323

Ausgabe/Anzeiger der Werkstückdaten
Output / display of workpiece data

2424th

Bearbeitungsparameter
Machining parameters

2525th

Werkstück
workpiece

2626

Meßwertsignal
Measured value signal

2727

Werkzeug
Tool

Claims

1. Method for the contactless measurement of workpieces with large diameter differences on machine tools, in which

1. - a measuring laser ( 7 ) detects contours of the workpiece ( 25 ) clamped in the machine tool for machining according to the triangulation principle,
2. the measuring laser ( 7 ) is installed in the plunger ( 9 ) of the machine tool and this plunger ( 9 ) is moved parallel and at right angles to the longitudinal axis of the workpiece ( 12 ) as the Z axis,
3. - The measuring laser ( 7 ) for its adjustment to the longitudinal axis of the workpiece ( 12 ) in the direction of the Y-axis ( 14 ), rotated about the X-axis ( 13 ) and pivoted about the Y-axis ( 14 ) and thus fixed will, and
4. - Signals of a position measuring system ( 21 ) of the machine travel axes with the measured value signals ( 26 ) of the measuring laser ( 7 ) are processed and distance, diameter, radial and face lay of the workpiece ( 25 ) are displayed and / or output and / or processing parameters are defined.

2. Device for the contactless measurement of workpieces with large diameter differences on machine tools, with

1. - A measuring laser ( 7 ), which is installed in the plunger ( 9 ) of the machine tool, which detects the contours of the workpiece ( 25 ) clamped in the machine tool for processing according to the triangulation principle, this plunger ( 9 ) being parallel and at right angles to the longitudinal axis ( 12 ) of the workpiece as Z-axis,
2. - Means to move the measuring laser ( 7 ) for its adjustment on the workpiece longitudinal axis ( 12 ) in the direction of the Y axis ( 16 ), to rotate the X axis ( 15 ) and around the Y axis ( 16 ) to pivot and so fix, and
3. - A machine control system ( 22 ) which processes signals from a position measuring system ( 21 ) of the machine travel axes with the measured value signals ( 26 ) of the measuring laser ( 7 ) and displays and / or outputs the distance, diameter, radial and radial runout of the workpiece ( 25 ) and / or processing parameters.