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Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Messung einer Längenabmessung eines Werkstücks.
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Zur Messung von Längen an einem Werkstück, beispielsweise auch eines Außen- oder Innendurchmessers eines Rings, insbesondere eines Lagerrings, sind im Stand der Technik mannigfaltige Lösungen bekannt. Beispielsweise werden Messtaster eingesetzt, die das Werkstück an den zu vermessenden Stellen antasten, woraus dann die Abmessung bestimmt wird.
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Eine Messvorrichtung zur Vermessung des Oberflächenprofils eines Objekts zeigt die
DE 602 16 123 T2 . Eine andere Messvorrichtung zum Messen der Positionier- und Bahngenauigkeit eines bewegten Maschinenteils offenbart die
EP 0 951 967 A1 .
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Schwierigkeiten können dann entstehen, wenn unter relativ rauen Umgebungsbedingungen, beispielsweise in einer Fertigungslinie, eine Vermessung einer großen Anzahl Werkstücke erfolgen muss, um den Fertigungsprozess zu überwachen. Wesentlich ist in diesem Zusammenhang auch ein einfacher und preiswerter Aufbau der Messvorrichtung, so dass im Fertigungsbetrieb keine übermäßig hohen Kosten durch den Messvorgang verursacht werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messvorrichtung der eingangs genannten Art vorzuschlagen, mit der in einfacher und präziser Weise Werkstücke prozessstabil vermessen werden können. Die Vorrichtung soll besonders für die Vermessung rotationssymmetrischer Werkstücke geeignet sein, wobei hier insbesondere an Lagerringe eines Wälzlagers gedacht ist.
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Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung umfasst:
- – ein Trägerelement, auf dem zwei parallel zueinander geführte Führungsleisten mit einer Längsachse angeordnet sind,
- – ein Messschlitten, der relativ zu den beiden Führungsleisten linear verschieblich in Richtung der Längsachse der Führungsleisten gelagert ist,
- – ein am Messschlitten fest angeordnetes erstes Kontaktelement, das zur Anlage an einer ersten Stelle des Werkstücks ausgebildet ist,
- – ein Messelement zur Messung der Verschiebung des Messschlittens relativ zu einer der Führungsleisten in Richtung der Längsachse,
- – eine Messauflage, die auf oder an den Führungsleisten angeordnet ist und die an einer nach oben gerichteten Seite eine Auflagefläche für das Werkstück aufweist, wobei die Messauflage aus zwei Schienen besteht, die in der Draufsicht auf die Messvorrichtung gesehen unter einem Winkel angeordnet sind, der zwischen 20° und 50° liegt,
- – ein zweites Kontaktelement, das zur Anlage an einer zweiten Stelle des Werkstücks ausgebildet ist und das direkt oder indirekt am Trägerelement fest angeordnet ist,
- – Mittel zur Einstellung eines Schwenkwinkels, den das Trägerelement zur Horizontalen einschließt,
- – Zentriermittel, mit denen ein rotationssymmetrisches Werkstück symmetrisch zu einer Mittenebene der Messvorrichtung positioniert werden kann, wobei die Zentriermittel zwei Elemente aufweisen, die symmetrisch zur Mittenebene anordenbar sind.
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Bevorzugt ist die Lagerung des Messschlittens relativ zu den Führungsleisten und/oder zum Trägerelement zumindest teilweise als Luftlagerung ausgebildet.
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Der Messschlitten ist vorzugsweise zwischen den beiden Führungsleisten angeordnet.
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In diesem Falle ist bevorzugt vorgesehen, dass der Messschlitten an der der einen Führungsleiste zugewandten Seite zwei voneinander beabstandet angeordnete Gleitelemente aufweist. Der Messschlitten kann an der der anderen Führungsleiste zugewandten Seite mit einer Anzahl Luftdüsen versehen sein, mit denen Luft zwischen einen sich zwischen dem Messschlitten und der anderen Führungsleiste ergebenden Spalt eingeblasen werden kann.
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Eine alternative Lösung stellt darauf ab, dass der Messschlitten an seinen beiden den beiden Führungsleisten zugewandten Seiten mit einer Anzahl Luftdüsen versehen ist, mit denen Luft zwischen einen sich zwischen dem Messschlitten und den Führungsleisten ergebenden Spalt eingeblasen werden kann. In diesem Falle kann vorgesehen sein, dass an den beiden Führungsleisten je ein Messelement zur Messung der Verschiebung des Messschlittens relativ zu der jeweiligen Führungsleiste in Richtung der Längsachse angeordnet ist. Die gemessene Verschiebung des Messschlittens ergibt sich dabei dann bevorzugt aus dem arithmetischen Mittel der beiden Messwerte der beiden Messelemente.
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Das Messelement ist bevorzugt als berührungslos arbeitendes Element ausgebildet, insbesondere als inkrementelles Messsystem.
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Der Messschlitten kann sich bevorzugt unterhalb der Auflagefläche der Messauflage befinden.
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Das Trägerelement ist zumeist eine Steinplatte, insbesondere eine Granitplatte.
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Die Erfindung schlägt also ein Längenmessgerät vor, das sich besonders für die Vermessung eines rotationssymmetrischen Werkstücks eignet, insbesondere für die Vermessung des Durchmessers eines ringförmigen Werkstücks. Die Messung erfolgt berührungslos, wofür bevorzugt ein inkrementeller Lesekopf eingesetzt wird.
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Die Führung der Maßverkörperung erfolgt durch den erläuterten Luftschlitten (Messschlitten). Die Einstellung der Messkraft kann durch Wahl des Winkels erfolgen, der zwischen dem Trägerelement und der Horizontalen eingestellt wird. Demgemäß bestimmt das Eigengewicht des Luftschlittens die Größe der Messkraft.
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Durch die Veränderung der Neigung des Trägerelements (um eine Achse, die horizontal ausgerichtet ist und senkrecht zur Längsachse der Führungsleisten verläuft) – nach Art einer Wippe – kann die Vorrichtung sowohl zur Messung eines Innendurchmessers als auch zur Messung eines Außendurchmessers eines ringförmigen Bauteils (Lagerring) eingesetzt werden.
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Die Vorrichtung hat eine sehr kompakte Bauweise. Sie ist einfach und somit kostengünstig herstellbar und leicht zu warten. Weiterhin eignet sich die vorgeschlagene Messvorrichtung für den fertigungsnahen Einsatz. Die Messauflage ist bevorzugt V-förmig ausgebildet; der Luftschlitten befindet sich bevorzugt unterhalb der Messauflage.
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Es sind nur wenige Verschleißteile vorhanden. Des Weiteren bestehen nur wenige potentielle Fehlerquellen bei der Messung.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
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1 die Draufsicht auf eine Messvorrichtung zur Messung einer Längenabmessung eines Werkstücks,
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2 die zu 1 zugehörige Seitenansicht und
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3 die Draufsicht auf eine alternativ ausgestaltete Messvorrichtung.
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In den 1 und 2 ist eine Messvorrichtung 1 dargestellt, die vorgesehen ist, ein Werkstück 2 in Form eines Lagerrings zu vermessen; namentlich soll der Außendurchmesser des Werkstücks 2 gemessen werden.
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Die Messvorrichtung 1 weist ein Trägerelement 3 auf, das eine Granitplatte ist. Auf dem Trägerelement 3 sind parallel zueinander zwei Führungsleisten 4 und 5 angeordnet, die sich in Richtung einer Längsachse L erstrecken.
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Zwischen den beiden Führungsleisten 4, 5 ist ein Messschlitten 6 (Luftschlitten) angeordnet. Der Messschlitten 6 trägt ein erstes Kontaktelement 7 (das ein Zylinder oder eine Kugel sein kann).
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Das erste Kontaktelement 7 ist vorgesehen, an einer ersten Stelle 8 des Werkstücks 2 dasselbe zu kontaktieren. Ein Messelement 9 in Form eines inkrementellen Messsystems ist zwischen dem Messschlitten 6 und der Führungsleiste 4 wirksam angeordnet, um die lineare Bewegung des Messschlittens 6 relativ zur Führungsschiene 4 zu erfassen.
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Auf dem Trägerelement 3 bzw. auf den Führungsleisten 4, 5 ist weiterhin eine Messauflage 10 angeordnet, die aus zwei Schienen 10' und 10'' besteht, die unter einem Winkel β (s. 1) angeordnet sind. Die beiden Schienen 10', 10'' definieren eine Auflagefläche 11, auf der das Werkstück 2 bei der Messung sauber aufliegen kann.
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An der Messauflage 10 ist weiterhin ein zweites Kontaktelement 12 befestigt (das wiederum ein Zylinder oder eine Kugel sein kann), das vorgesehen ist, das Werkstück 2 an einer zweiten Stelle 13 zu kontaktieren.
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Handelt es sich um ein rotationssymmetrisches Werkstück – wie vorliegend beispielsweise um einen Lagerring –, können Zentriermittel 20 sicherstellen, dass das Werkstück 2 genau symmetrisch zu einer Mittenebene M der Vorrichtung 1 zu liegen kommt.
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Zum Vermessen des Werkstücks 2 wird dieses auf die Messauflage 10 aufgelegt, so dass es das zweite Kontaktelement 12 kontaktiert. Die gesamte Vorrichtung 1 wird dann – wie es in 2 gesehen werden kann – um einen Schwenkwinkel α gegen die Horizontale H angestellt; der Schwenkwinkel kann beispielsweise zwischen 2° und 10° betragen.
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Um dies zu erreichen, sind Mittel 14 zur Einstellung des Schwenkwinkels α vorhanden. Diese Mittel 14 sind in 2 nur schematisch angedeutet. Zumeist werden hierfür mechanische Stellelemente in Frage kommen.
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Der Messschlitten 6 bewegt sich demgemäß infolge der Schwerkraft auf das Werkstück zu, bis das Kontaktelement 7 am Werkstück 2 mit definierter Messkraft anliegt.
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Zur Lagerung 15 des Messschlittens 6 ist noch anzumerken, dass hierfür an der der Führungsleiste 4 zugewandten Seite zwei Gleitelemente 16 und 17 vorgesehen sind, die sich in einem Abstand a befinden. Die Gleitelemente 16 und 17 können auf der Führungsleiste 4 gleiten, wenn sich der Messschlitten 6 in Richtung der Längsachse L bewegt.
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An der gegenüberliegenden Seite, also an dem der Führungsleiste 5 zugewandten Seite des Messschlittens 6, sind Luftdüsen 18 vorgesehen, mit denen ein Luftpolster in einem Spalt 19 (z. B. in der Größenordnung von 20 μm) zwischen Messschlitten 6 und Führungsleiste 5 erzeugt werden kann.
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Der Messschlitten (Luftschlitten) 6 ist also zwischen den beiden Führungsleisten 4, 5 angeordnet und auf dem Trägerelement 3 (Granitplatte) luftgelagert. Nur die Führungsleiste 4 dient zur präzisen Führung des Messschlittens 6. Zwischen der Führungsleiste 5 und dem Messschlitten 6 wird mittels der Luftdüsen 18 erreicht, dass sich hier ein Luftpolster aufbaut. D. h. Luft wird in den Spalt 19 zwischen Führungsleiste 5 und Messschlitten 6 gepresst, so dass ein definierter Anpressdruck des Messschlittens 6 an die Führungsleiste 4 gegeben ist. Hierdurch wird eine spielfreie Führung erreicht.
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Der Messschlitten 6 hat an der Führungsleiste 4 nur zwei Berührungspunkte. Diese werden durch die beiden Gleitelemente 16 und 17 verkörpert, die sich in einem Abstand a befinden. Hierdurch wird verhindert, dass der Messschlitten 6 relativ zur Führungsleiste 4 kippt bzw. sich verkantet; ferner wird Adhäsion vermieden.
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In 3 ist eine alternative Lösung dargestellt. Hier ist vorgesehen, dass jeweilige Luftlagerungen zwischen den beiden Führungsleisten 4, 5 und dem Messschlitten 6 zum Einsatz kommen. Demgemäß sind an beiden Seiten des Messschlittens 6, die den beiden Führungsleisten 5, 6 zugewandt sind, Luftdüsen 18 vorhanden. Weiterhin ist hier vorgesehen, dass zwei Messelemente 9 an besagten Seiten des Messschlittens 6 angeordnet sind. Die sich ergebende Verschiebung des Messschlittens 6 wird durch Bildung des arithmetischen Mittels beider Messelemente 9 ermittelt.
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Bei der Messung kann (bei einer Vorrichtung gemäß den 1 und 2) wie folgt vorgegangen werden:
Die Ermittlung des maximalen Messwerts kann durch zweimaliges Vor- und Zurückbewegen des Messobjekts (in Richtung der Längsachse L) erfolgen, woraus sich vier Messwerte ergeben. Anschließend wird der erste Messwert mit dem dritten Messwert verglichen. Weichen diese Werte voneinander ab, deutet dies auf einen Fehler in der Führung hin. Dies kann durch einen zu geringen Anpressdruck durch die Luftdüsen 18 bedingt sein, so dass der Messschlitten 6 geringfügig von der Führungsleiste 4 abhebt.
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Dann wird der zweite mit dem vierten Messwert verglichen. Dies sind die Werte, die ermittelt werden, wenn der Messschlitten 6 bedingt durch die Bewegungsrichtung des Messobjekts stärker gegen die Führungsleiste 4 gedrückt wird. Bei einer zu großen Abweichung der Messwerte voneinander deutet dies auf einen Mess- oder Bedienfehler hin.
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Bei fehlerfreier Messung ist das Messergebnis gleich dem Mittelwert aus der zweiten und vierten Messung.
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Bedingt durch den Montageort des Messelements 9 (Lesekopf) sind die erste und dritte Messung stets kleiner oder gleich der zweiten und vierten Messung (Vorwärtsbewegung des Messobjekts). Deshalb können für die erste und dritte Messung stets die beiden Minimalwerte und für die zweite und vierte Messung immer die beiden Maximalwerte aller vier Messwerte zugrunde gelegt werden. Daher ist es irrelevant, ob bei der Messung mit einer Vor- oder mit einer Rück-Bewegung des Messobjekts begonnen wird.
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Um Linearabweichungen auszugleichen, kann das Messergebnis einer Kompensationskurve überlagert werden. Damit nicht extra ein Referenzpunkt definiert werden muss, wird dieser bei der Kalibrierung der Vorrichtung übernommen.
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Der Index eines Datenarrays zur Korrektur entspricht dem Integerwert des momentanen Messwerts. Bei einer Messung des Innendurchmessers wird der Index um den zweifachen Durchmesser des Kontaktelements (Kugeldurchmesser) verschoben.
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Das Maß kann auf übliche Weise temperaturkompensiert werden. Dabei wird ein Temperaturgang der Messvorrichtung von beispielsweise 11 μm pro 100 mm und 10°C ermittelt. Die Vorrichtung ist mit einem Thermofühler ausgestattet. Die kalkulatorische Verschiebung bei einer gegebenen Temperatur wird bei der Berechnung der Messwerte entsprechend berücksichtigt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Messvorrichtung
- 2
- Werkstück
- 3
- Trägerelement
- 4
- Führungsleiste
- 5
- Führungsleiste
- 6
- Messschlitten
- 7
- erstes Kontaktelement
- 8
- erste Stelle des Werkstücks
- 9
- Messelement
- 10
- Messauflage
- 10'
- Schiene
- 10''
- Schiene
- 11
- Auflagefläche
- 12
- zweites Kontaktelement
- 13
- zweite Stelle des Werkstücks
- 14
- Mittel zur Einstellung eines Schwenkwinkels
- 15
- Lagerung des Messschlittens
- 16
- Gleitelement
- 17
- Gleitelement
- 18
- Luftdüse
- 19
- Spalt
- 20
- Zentriermittel
- L
- Längsachse
- H
- Horizontale
- M
- Mittenebene
- a
- Abstand
- α
- Schwenkwinkel
- β
- Winkel
