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Die
Erfindung betrifft ein Messgerät,
das zur Formmessung und dabei insbesondere zur Vermessung von zylindrischen
Prüfkörpern eingerichtet
ist.
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Zylindrische
Prüfkörper werden
beispielsweise als Prüfnormale
für Messmaschinen
eingesetzt. Diese Prüfnormale
müssen
mit höchster
Präzision vermessen
werden. Dies stößt wegen
der nie zu vermeidenden Eigenelastizität des Prüfnormals auf Schwierigkeiten,
wenn Genauigkeiten von deutlich besser als 1 μm gefordert sind.
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Davon
ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Messgerät zur präzisen Formmessung
zu schaffen. weitergehend kann die Aufgabe dahingehend spezifiziert
werden, dass die Formmessung an Prüfnormalen ermöglicht werden
soll.
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Diese
Aufgabe wird mit dem Messgerät
nach Anspruch 1 gelöst.
Dieses Messgerät
weist ein Grundgestell zur Aufstellung des Messgeräts auf einer
ruhenden, vorzugsweise ortsfesten Unterlage auf. An dem Grundgestell
ist ein Drehtisch gelagert, der eine vorzugsweise horizontal orientierte
Aufnahmefläche
für den
Prüfling
aufweist. Der Drehtisch legt eine Drehachse C fest, um den die Aufnahmefläche drehbar
ist. Die Drehachse C ist vorzugsweise vertikal orientiert während die
Aufnahmefläche
horizontal orientiert ist. Der vorzugsweise zylindrische Prüfling, der
typischerweise einen Durchmesser von etwa 75 mm und eine Länge von
350 mm aufweist, kann mit einer Stirnfläche auf die Aufnahmefläche gestellt
und somit mit dem Drehtisch gedreht werden.
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Parallel
zu dem aufgestellten Prüfkörper ist an
dem Messgerät
eine Linear-Führungseinrichtung angeordnet,
von der ein Tasterträger
geführt
wird. Dieser erstreckt sich etwa rechtwinklig von der Linear-Führungseinrichtung
weg. Mittels einer Verfahreinrichtung kann der Tasterträger in Schritten
oder kontinuierlich vertikal verstellt, d.h. auf und ab gefahren,
werden. Der Tasterträger
hält zumindest
einen messenden Taster mit federnd gelagertem Taststift und Tastkörper und
einem Messsystem, das die Auslenkung des Taststifts erfasst. Mit
diesem Taster, der mit der Mantelfläche des Prüflings in Berührung gebracht
werden kann, lassen sich Messwerte entlang einer Mantellinie des
Prüflings
erfassen, wenn der Tasterträger
auf- oder abwärts gefahren
wird. Eine in dem messenden Taster angeordnete Tastkrafterzeugungseinrichtung
sorgt dabei dafür,
dass der Tastkörper
mit vorbestimmter Kraft an die Oberfläche des Prüflings angedrückt wird.
Diese Kraft ist üblicherweise
sehr gering. Jedoch kann sie nicht Null sein, wenn eine sichere
Messung ermöglicht
werden soll.
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An
dem Tasterträger
ist außerdem
ein Gegenhalter vorgesehen, der wie bereits der Taster ebenfalls
einen beweglich gelagerten Taststift mit Tastkörper sowie eine Tastkrafterzeugungseinrichtung
aufweist, mit der der Gegenhalter-Tastkörper mit einer definierten
Kraft an die Oberfläche
des Prüflings
angelegt wird. Diese Kraft ist der von dem messenden Taster ausgehenden
Kraft entgegen gerichtet. Die Kraftsumme ist somit Null.
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Mit
dieser Maßnahme
kann ein sonst zu beobachtendes federndes Nachgeben des Prüfkörpers und/oder
der Linear-Führungseinrichtung
vermieden werden, das sonst im Bereich von wenigen Zehntel Mikrometern
liegt. Somit ermöglicht
die Einleitung einer Gegenhalter-Tastkraft in den Prüfling die
Kompensation der Tastkraft und somit eine Verminderung von Verformungen
im Messkreis uns somit eine Erhöhung
der Messgenauigkeit.
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Der
Gegenhalter kann in der einfachsten Ausführungsform der Erfindung als
passiver Taster ohne messendes System ausgebildet sein. Vorzugsweise
ist er jedoch als messender Taster ausgebildet, so dass zwei vorzugsweise
gleiche oder spiegelsymmetrisch ausgebildete Taster von dem Tasterträger gehalten
werden. Von den beiden Tastern ist wenigstens einer an dem Tasterträger verstellbar
gelagert, um eine Nullung der Taster zu ermöglichen. Die Taster kön nen auch
beide verstellbar gelagert sein, um eine Anpassung an unterschiedliche
Prüflingsdurchmesser
zu ermöglichen.
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Die
Linear-Führungseinrichtung
kann mit dem Grundgestellt fest verbunden sein. Es ist jedoch auch
möglich,
die Linear-Führungseinrichtung
auf einer weiteren Linear-Führungseinrichtung
zu lagern, die bezüglich
der Radialrichtung es Drehtischs verstellbar ist. Diese Verstellrichtung
ist jedoch zumindest bei Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Messgeräts überflüssig, bei
dem der Gegenhalter als messender Taster ausgebildet ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
wird ein und derselbe Prüfling
zumindest zweimal in zwei Positionen vermessen, die sich um eine
Drehung des Drehtischs um 180° unterscheiden,
wobei beide Tastkörper
auf einer Linie angeordnet sind, die die Drehachse schneidet. In
beiden Messpositionen werden die Taster bzw. der Taster und der
Gegenhalter entlang einer Mantellinie des Prüflings über dessen Länge geführt. In
beiden Messdurchläufen
werden die Messwerte aufgezeichnet. Unter idealen Verhältnissen
muss das Profil, das im ersten Durchlauf der erste Taster gemessen
hat, mit dem Profil übereinstimmen,
das der zweite Taster im zweiten Messdurchlauf misst und umgekehrt.
Aufgrund in der Regel vorhandener Führungsfehler ist dies jedoch
nicht exakt der Fall. Die Führungsfehler
lassen sich jedoch aus den beiden Messdurchläufen heraus rechnen, denn der Führungsfehler
tritt aufgrund der Drehung des Prüflings um 180° in beiden
Messdurchläufen
mit gleichem Betrag aber unterschiedlichem Vorzeichen in Erscheinung.
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Weitere
Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen
der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung, aus der zu gehörigen Beschreibung
oder aus Ansprüchen.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:
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1 ein
erfindungsgemäßes Messgerät in schematisierter
Seitenansicht,
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2 das
Messgerät
nach 1 in schematisierter Draufsicht,
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3 den
Prüfling
und einen zugehörigen Taster
in Prinzipdarstellung,
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4 einen
Prüfling
mit zwei Tastkörpern und
zugehöriger
Linear-Führungseinrichtung
mit Form- und Führungsfehlern
in etwa 10.000fach überhöhter Darstellung
in einer ersten Messposition und
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5 einen
Prüfling
mit zwei Tastkörpern und
zugehöriger
Linear-Führungseinrichtung
mit Form- und Führungsfehlern
in etwa 10.000fach überhöhter Darstellung
in einer zweiten Messposition.
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In 1 ist
ein Messgerät 1 veranschaulicht, das
zur Messung eines Prüflings 2 dient.
Der Prüfling 2 ist
ein zylindrischer Prüfkörper mit
einem Durchmesser von beispielsweise 75 mm und einer Länge von
beispielsweise 350 mm. Er ist mit einer Messunsicherheit von deutlich
weniger als 1 μm,
beispielsweise weniger als 0,2 μm
zu vermessen. Dazu ist er von einem Drehtisch 3 aufgenommen,
der eine horizontal orientierte ebene Aufnahmefläche 4 aufweist. Der
Drehtisch 3 ist mit einem Drehantrieb versehen, mit dem
er gezielt in langsame Drehung versetzt und an gewünschten
Drehpositionen gestoppt und in diesen gehalten werden kann.
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Neben
dem Drehtisch 3 ist eine Säule 5 angeordnet,
die eine vertikal orientierte Linear-Führungseinrichtung 6 enthält. Zu dieser
gehört
ein Führungskörper 7,
beispielsweise ein Form einer Führungsschiene,
an dem ein Schlitten 8 vertikal verfahrbar gelagert ist.
Zur gezielten Vertikalverstellung dient eine Verfahr- oder Antriebseinrichtung 9.
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Die
Säule 5 kann
Teil eines starren Grundgestells 10 sein, das auch den
Drehtisch 3 trägt
und über
Füße auf einer
Unterlage 11 aufgestellt ist. Wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel
angedeutet, kann die Säule 5 jedoch
auch über
eine horizontale Linear-Führungseinrichtung 12 linear
verstellbar sein.
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Der
Schlitten 8 trägt
einen Tasterträger 13, der
mit dem Schlitten 8 starr verbunden und auf und ab verfahrbar
ist. Der Tasterträger 13 erstreckt
sich an dem Prüfling 2 vorbei.
Er trägt,
wie aus 1 und 2 ersichtlich,
zumindest einen messenden Taster 14. Dieser weist einen
Taststift 15 und einen an dessen freien Ende gehaltenen
Tastkörper 16 auf. Der
Taststift 15 ist an einem Gestell 17 des Tasters 14,
wie aus 3 hervorgeht, schwenkbar gelagert. Er
weist dabei zumindest einen Freiheitsgrad auf. Der Tastkörper 16 ist
dadurch bezüglich
der Drehachse C des Drehtischs 3 in Radialrichtung schwenkbar. Mit
dem Taststift 15 ist eine Krafterzeugungseinrichtung 18 verbunden,
z.B. in Form einer steuerbaren Kraftgenerators oder einer Feder.
Des Weiteren ist mit dem innerhalb des Gestells 17 befindlichen
Ende des schwenkbar gelagerten Taststifts 15 eine Messeinrichtung 19 verbunden,
die jede Auslenkung des Taststifts 15 aus seiner Mittellage
in Messwerte umsetzt.
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Dem
messenden Taster 14 gegenüber liegend ist ein Gegenhalter 21 angeordnet,
der ebenfalls einen Taststift 22 mit einem daran gehaltenen Tastkörper 23 aufweist.
Der Aufbau des Gegenhalters entspricht dem des Tasters nach 3 unter Weglassung
des Messsystems 19. Die beiden Tastkörper 16, 23,
die von ihren jeweiligen Krafterzeugungseinrichtungen radial nach
innen vorgespannt sind, liegen auf einer Geraden, die die Drehachse
C unter einem rechten Winkel schneidet. Die von beiden Tastkörpern 16, 23 auf
den Prüfling 2 ausgeübten Kräfte sind
vorzugsweise gleich groß.
Während der
Gegenhalter 21 an dem Tasterträger 13 starr gelagert
ist, kann der messende Taster 14 beispielsweise mit einer
Verstelleinrichtung 24 an dem Tasterträger 13 verstellbar
gelagert sein.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Gegenhalter 21 ebenfalls als messender Taster 20 ausgebildet.
Sein Aufbau entspricht dann genau dem in 3 veranschaulichten
Aufbau des Tasters 14, wobei er entsprechend spiegelbildlich
angeordnet sein kann. Er enthält
eine Krafterzeugungseinrichtung und eine Messeinrichtung, die jede
Auslenkung des Taststifts 22 registriert.
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Der
Ablauf beispielsweise einer Geradheitsmessung des Prüflings 2 ist,
unter Bezugnahme auf die 4 und 5, wie folgt:
Zur
Veranschaulichung ist der Prüfling 2 in
den 4 und 5 verzerrt dargestellt. Seine
Abweichung von der Geradheit beträgt beispielsweise Bruchteile eines
Mikrometers. Sie ist in den 4 und 5 10.000fach überhöht veranschaulicht.
Ebenso sind Abweichungen von der Geradheit der Linear-Führungseinrichtung 6 weit überhöht dargestellt,
um eine Veranschaulichung dieser sonst im Mikrometerbereich liegenden
Abweichungen zu ermöglichen.
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Zur
Durchführung
der Messung werden die beiden Tastkörper 16, 23 an
die Mantelfläche
des Prüflings 2 angelegt.
Die Tastkräfte
wirken, wie durch Pfeile angedeutet ist, radial nach innen. Sie
sind gleich groß und
entgegen gesetzt gerichtet. Zur Aufnahme der Messwerte entlang einer
Mantellinie wird der Schlitten 8 entlang der Linear-Führungseinrichtung 6 in
Verstellrichtung Z parallel zu der Drehachse C verfahren. Der Drehtisch 3 wird
dabei nicht gedreht und der Prüfling 2 ruht.
Werden die Tastkörper 16, 23 jeweils
entlang von Mantellinien des Prüflings 2 über dessen
Oberfläche
geführt,
werden die Tastkörper 16, 23 dem
Oberflächenprofil
des Prüflings 2 entsprechend
gegen den Tasterträger 13 ausgelenkt.
Der Tasterträger 13 erfährt jedoch
durch die nicht vollkommende Geradheit der Linear-Führungseinrichtung 6 ebenfalls
eine Auslenkung, die die von den Messsystemen der beiden Taster 14, 20 gelieferten Werte überlagert.
Um diese Geradheitsfehler der Linear-Füh rungseinrichtung 6 unwirksam
zu machen werden die Tastkörper 16, 23 wieder
in ihre Ausgangsposition, beispielsweise am oberen Ende des Prüflings 2 zurück gefahren
und der Prüfling 2 wird mittels
des Drehtischs um 180° um
die Achse C gedreht. Nun wird der Messdurchlauf wiederholt, bei dem
der Schlitten 8 und mit ihm die Tastkörper 16, 23 Mantellinien
des Prüflings 2 abtasten.
Dabei fährt
der Tastkörper 16 nunmehr
die Mantellinie ab, die zuvor der Tastkörper 23 abgetastet
hat. Umgekehrt fährt der
Tastkörper 23 nun
diejenige Mantellinie ab, die zuvor der Tastkörper 16 abgetastet
hat. Durch die Drehung des Prüflings 2 um
180° treten
die Formfehler des Prüflings
nunmehr mit umgekehrten Vorzeichen, aber gleichem Betrag, zu Tage
während
die Geradheitsfehler der Linear-Führungseinrichtung 6 noch
immer mit gleichem Betrag gemessen werden. Durch Subtraktion beider
gemessener Messwertserien voneinander können somit die Geradheitsfehler der
Linear-Führungseinrichtung 6 eliminiert
werden.
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Bei
jedem Punkt der von den Tastern 14, 20 (oder Taster 14 und
Gegenhalter 21) zu durchlaufenden Bahn sind die von den
Tastkörpern 16, 23 auf den
Prüfling 2 ausgeübten Kräfte F1,
F2 gleich groß und
entgegen gesetzt gerichtet. Die Tastkräfte F1 und F2 heben sich somit
an dem Prüfling 2 auf.
Aus ihnen resultiert keinerlei, den Prüfling 2 verbiegendes Moment.
Ebenso heben sich die entsprechenden Gegenkräfte an dem Tasterträger 13 unmittelbar
auf. Weder F1 noch F2 wird auf den Schlitten 8 übertragen.
Eine Verbiegung der Linear-Führungseinrichtung 6 durch
die Antastkraft ist somit ebenfalls ausgeschlossen. Dadurch werden
zylindrische Körper
auch tatsächlich
als zylindrische Körper
gemessen. Sonst zu beobachtende Messfehler in Folge einer durch
die Antastkraft verursachten geringen Prüflingsver biegung, die ansonsten
in einer scheinbaren geringen Konizität des Prüflings von einigen Zehntel
Mikrometern in Erscheinung treten könnten, werden sicher vermieden.
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Mit
dem vorgestellten Messgerät
lassen sich Geradheitsmessungen mit einer Messgenauigkeit von besser
als 0,2 μm
durchführen.
Die Parallelität zwischen
der Z-Führungsrichtung
und der C-Achse spielt über
die gesamte Länge
des Messwegs von 350 mm keine Rolle. Außerdem ist mit dem Messgerät 1 eine
Rundheitsmessung möglich,
indem bei ruhendem Tasterträger 13 eine
Drehung des Drehtischs 3 veranlasst wird. Die hier zu erreichende
Genauigkeit liegt bei 0,02 μm.
Damit ist ein äußerst präzises, verlässliches
und leicht zu handhabendes Messgerät 1 geschaffen. Im
Falle der Ausführungsform
mit messendem Taster 14 und Gegenhalter sind z.B. beide
auf einem Trägerteil
angeordnet, das um 180° um
eine rechtwinklig zur C-Achse stehende Achse gedreht werden kann,
so dass der Taster 14 und der Gegenhalter 21 ihre
Plätze
tauschen. Die beiden zur Eliminierung der Führungsfehler erforderlichen
Messdurchläufe
werden nacheinander durchgeführt,
wobei zwischen beiden Durchläufen
sowohl das Trägerteil
als auch der Prüfling
jeweils um 180° gedreht
werden.
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Ein
Messgerät 1 zur
präzisen
Formmessung weist in seiner bevorzugten Ausführungsform einen Tasterträger 13 mit
zwei messenden Tastern 14, 20 auf, die einen zylindrischen
Prüfling 2 an
diametral gegenüber
liegenden Seiten antasten und dabei gleich große, jeweils radial nach innen
gerichtete Kräfte
auf den Prüfling 2 ausüben. Mit
diesem Doppeltastersystem kann der Prüfling entlang von Mantellinien
abgetastet werden, die parallel zu seiner Symmetrieachse und auch
parallel zu der Führungsrichtung
verlaufen. Durch die Verwendung zweier entgegen gesetzt wirkender
Taster 14, 21 kompensiert sich die Wirkung der
Antastkraft und es sind selbst geringste sonst aufgrund der Antastkraft
auftretende Prüflingsverbiegungen
bei der Messung zu vermeiden.