DE10308419A1

DE10308419A1 - Dimensionally stable mounting for a measurement element, especially a carbon fiber rod used as a standard measurement length, has mounting partners of different thermal expansion rates whose expansions compensate each other

Info

Publication number: DE10308419A1
Application number: DE2003108419
Authority: DE
Inventors: Eckart Dr. Schütze
Original assignee: Schuetze GmbH
Current assignee: Schuetze GmbH
Priority date: 2003-02-27
Filing date: 2003-02-27
Publication date: 2004-09-09

Abstract

Dimensionally stable mounting for a precision measurement element comprises a rod (10) in which mounting partners of different coefficients of heat expansion and different matched lengths are mounted. The rod has lower thermal expansion than the various partners. The different partners and rod can expand due to heat relative to each other in an unhindered manner. The mounting comprises a housing (1) with a base (2) and an outer stop (3). Contained within the housing is an inner cylinder. Both partners are connected to a transverse plate (9) by a threaded rod (6) and a nut (8).

Description

Einleitung und Stand der Technik:Introduction and status of Technology:

In der Messtechnik werden Messnormale verwendet, deren Abmessungen sich in Abhängigkeit von der Temperatur möglichst nicht oder nur sehr wenig verändern sollen. Besonders interessant sind Messstäbe, deren Längen konstant bleiben. Die genaue Ermittlung der Stablängen erfolgt über Messelemente, die sich am Stabende befinden.Measurement standards are used in measurement technology, whose dimensions vary depending on the temperature if possible don't change or change very little should. Measuring rods whose lengths remain constant are particularly interesting. The exact determination of the rod lengths takes place via Measuring elements located at the end of the bar.

Stand der Technik ist es, Präzisionskugeln aus Stahl zu verwenden und sie in kalibrierten, metallischen Kugelpfannenringen aufzunehmen, die an den Enden von Stäben eingelassen sind. In der Mitte des Kugelpfannenrings befindet sich jeweils ein Magnet, der die Kugel in den Pfannenring zieht.State of the art is to make precision balls Use steel and place it in calibrated, metallic ball cup rings which are embedded at the ends of rods. In the In the middle of the ball socket ring there is a magnet that the ball pulls into the pan ring.

Es ist ebenfalls bekannt, Messstäbe aus carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) zu verwenden, da diese eine sehr geringe thermischen Ausdehnung besitzen.It is also known to use measuring rods made of carbon fiber reinforced plastic (CFRP) to be used because they have a very low thermal expansion have.

Aus solchen CFK-Messstäben – versehen mit Präzisionsstahlkugeln – lassen sich auch räumliche Maßkörper erstellen, mit deren Hilfe beispielsweise Messwerkzeuge in allen drei Koordinaten überprüft werden können.From such CFRP measuring rods - provided with Precision steel balls - let themselves spatial Create measuring bodies, with the help of which, for example, measuring tools can be checked in all three coordinates can.

Die einfachsten zusammensetzbaren, räumlichen Strukturen sind Tetraeder aus sechs Einzelstäben. Die in den CFK-Stab eingeklebten Metallelemente wie auch insbesondere die außenliegenden Stahlkugeln liefern jedoch unter Temperatureinwirkung eine zu große Längenänderung der einzelnen Stäbe und führen damit zu nicht vernachlässigbaren Formänderungen und Ungenauigkeiten der gesamten räumlichen Struktur.The simplest composable spatial Structures are tetrahedra made from six individual bars. The ones glued into the CFRP rod Deliver metal elements as well as in particular the external steel balls however, under the influence of temperature an excessive change in length of the individual rods and lead to non-negligible changes in shape and inaccuracies in the overall spatial structure.

Lösung des ProblemsSolution of problem

Eine Lösung des technischen Problems besteht darin, die thermische Ausdehnung aller an einem Längenmessstab beteiligten Komponenten durch eine Kopplung von Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen zu kompensieren.A solution to the technical problem consists of the thermal expansion of all on a length measuring stick involved components by coupling materials with to compensate for different thermal expansions.

1 zeigt ein Stabende mit einem Präzisionswürfel als Messelement. 1 shows a rod end with a precision cube as a measuring element.

In das Stabende ist eine Hülse (1) mit einem Boden (2) und einem äußeren Anschlag (3) eingelassen. In der Hülse (1) befindet sich ein Innenzylinder (4), der auf der einen Seite mit dem Messwürfel (5) und auf der gegenüberliegenden Seite mit dem Boden (2) der Hülse (1) verbunden ist. Der zur Verbindung von Hülse (1) und Innenzylinder (4) verwendete Gewindestift (6) mit Kontermutter (7) ist mit seinem freien Ende in eine Einklebmutter (8) eingeschraubt, die Bestandteil einer quergestellten, elastischen Platte (z.B. Faserverbundplatte) (9) ist. Der Innenzylinder (4) mit dem Wärmeaudehnungskoeffizient α₁ kann sich zur Hülse (1) mit dem Wärmeaudehnungskoeffizient α₂ ungehindert ausdehnen. Das gleiche gilt für die Hülse (1) im Stab (10).In the end of the rod is a sleeve ( 1 ) with a bottom ( 2 ) and an outer stop ( 3 ) embedded. In the sleeve ( 1 ) there is an inner cylinder ( 4 ) on one side with the measuring cube ( 5 ) and on the opposite side with the floor ( 2 ) the sleeve ( 1 ) connected is. The one for connecting sleeve ( 1 ) and inner cylinder ( 4 ) set screw used ( 6 ) with lock nut ( 7 ) is with its free end in an adhesive nut ( 8th ) screwed in, which is part of a transverse, elastic plate (e.g. fiber composite plate) ( 9 ) is. The inner cylinder ( 4 ) with the coefficient of thermal expansion α ₁ can become a sleeve ( 1 ) expand unhindered with the coefficient of thermal expansion α ₂ . The same applies to the sleeve ( 1 ) in the staff ( 10 ).

Hülse (1) und angeschraubter Innenzylinder (4) werden soweit in die Einklebmutter (8) geschraubt, dass sich die elastische Platte (9) zum Stabende hin durchbiegt und der äußere Anschlag (3) der Hülse immer gegen den CFK-Stab (10) gezogen wird. Um der vorgespannten Platte einen festen Sitz im Stab zu geben, stützt sie sich auf einer eingeklebten Hülse (11) ab.Sleeve ( 1 ) and screwed inner cylinder ( 4 ) are so far into the adhesive nut ( 8th ) that the elastic plate ( 9 ) bends towards the end of the rod and the outer stop ( 3 ) the sleeve always against the CFRP rod ( 10 ) is pulled. To give the prestressed plate a firm fit in the rod, it is supported on a glued-in sleeve ( 11 ).

Funktionsweise der Temperaturkompensationfunctionality temperature compensation

Wird beispielsweise die Umgebungstemperatur erhöht, dehnt sich der Messwürfel (5) aus und die verwendete Bezugsebene (z.B. Mittelebene oder auch Endfläche des Würfels) wandert nach außen. Gleichzeitig verlängert sich die in den Stab (10) verschieblich eingesetzte Hülse (1), deren äußerer Anschlag (3) durch die Federkraft der durchgebogenen, quergestellten Platte (9) gegen den Stab (10) gezogen wird und deren Hülsenboden (2) sich zur Stabmitte hin bewegt. Der mit dem Hülsenboden (2) befestigte Innenzylinder (4) mit äußerem Messwürfel (5) dehnt sich bei Temperaturerhöhung ebenfalls aus und macht die Ausdehnung der Hülse (1) teilweise wieder rückgängig.For example, if the ambient temperature is increased, the measuring cube expands ( 5 ) and the used reference plane (eg middle plane or end surface of the cube) moves outwards. At the same time, the lengthened in the rod ( 10 ) sliding sleeve ( 1 ), whose outer stop ( 3 ) by the spring force of the bent, transverse plate ( 9 ) against the staff ( 10 ) is pulled and its sleeve bottom ( 2 ) moves towards the middle of the bar. The one with the sleeve bottom ( 2 ) attached inner cylinder ( 4 ) with outer measuring cube ( 5 ) also expands when the temperature rises and expands the sleeve ( 1 ) partially reversed.

Im Fall der Verlängerung der Hülse (Temperaturerhöhung) nimmt die axiale Verschiebung der Einklebmutter (8) und damit die Federkraft geringfügig ab. Bei Temperaturerniedrigung treten die gleichen Verschiebungen in entgegengesetzter Richtung auf. Da die Vorverformung der elastischen Platte einige Zehntelmillimeter beträgt und sich die Verschiebungen infolge von Temperaturänderungen im Bereich einiger Mikrometer bewegen, sind die auftretenden Änderungen in der Federkraft minimal.If the sleeve is extended (temperature increase), the axial displacement of the adhesive nut ( 8th ) and thus the spring force slightly. When the temperature drops, the same shifts occur in the opposite direction. Since the pre-deformation of the elastic plate is a few tenths of a millimeter and the displacements due to temperature changes are in the range of a few micrometers, the changes in the spring force that occur are minimal.

Durch eine entsprechende Wahl der Materialpaarung (in Bezug auf thermische Ausdehnung) von Hülse (1) und Innenzylinder (4) und durch die entsprechenden Längen dieser Partner lässt sich die Gesamtdehnung so einstellen, dass sie in umgekehrter Richtung exakt der thermischen Ausdehnung des Messwürfels bzw. der hier gewählten Bezugsebene entspricht. Auch die thermische Ausdehnung des Stabes selbst lässt sich in der Gesamtdehnung berücksichtigen und entsprechend kompensieren.By a corresponding choice of the material pairing (in terms of thermal expansion) of the sleeve ( 1 ) and inner cylinder ( 4 ) and the corresponding lengths of these partners allow the total expansion to be set so that it corresponds exactly to the thermal expansion of the measuring cube or the reference plane selected here in the opposite direction. The thermal expansion of the rod itself can also be taken into account in the overall expansion and compensated accordingly.

Ein radiales Spiel zwischen den einzelnen Komponenten der Halterung hat nur einen geringen Einfluss auf die Längenkonstanz des Stabes. Um dennoch einerseits ein Spiel zwischen der Hülse (1) und dem Innenzylinder (4) und andererseits ein Verklemmen zwischen beiden Partnern zu verhindern, wird die Hülse (1) mit zwei oder mehreren Längsschlitzen versehen und der Innenzylinder (4) mit geringer Spannung eingepaßt. Die Reibung zwischen Hülse und Innenzylinder ist dabei so gering, dass ein Verklemmen ausgeschlossen werden kann. Ein Verklemmen der Hülse (1) im CFK-Stab (10) kann ebenfalls nicht auftreten, da einerseits die Umfangssteifigkeit des CFK-Sandwichstabes gering ist und sich der Stab daher leicht unterschiedlichen Durchmessern elastisch anpassen kann und andererseits der CFK-Sandwichstab (10) in Umfangsrichtung ein ähnliches thermisches Ausdehnungsverhalten hat wie die metallische Hülse (1) selbst.A radial play between the individual components of the bracket has only a minor influence on the length constancy of the rod. In order to, on the one hand, a play between the sleeve ( 1 ) and the inner cylinder ( 4 ) and on the other hand to prevent jamming between the two partners, the sleeve ( 1 ) with two or more longitudinal slots and the inner cylinder ( 4 ) fitted with low voltage. The friction between the sleeve and the inner cylinder is so low that jamming can be excluded. A jamming of the sleeve ( 1 ) in the CFRP staff ( 10 ) cannot occur either, because on the one hand the circumferential rigidity of the CFRP sandwich rod is low and the rod therefore has slightly different diameters can adapt elastically and on the other hand the CFRP sandwich bar ( 10 ) has a similar thermal expansion behavior in the circumferential direction as the metallic sleeve ( 1 ) self.

1. Ausführungsbeispiel1st embodiment

In 2 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt. Es zeigt einen CFK-Sandwichstab (10) mit einer sehr geringen Wärmedehnung (ca. – 0.1 × 10^–6 m/m °C), an dessen Ende sich eine Präzisionsstahlkugel (12) befindet. Die Kugel sitzt auf einem Kugelpfannenring (13), der Bestandteil eines Titan (Ti)-Innenzylinders (4) ist. Das Titanteil enthält zentral einen eingeklebten Magneten (14), der den vorgeschrieben Abstand zur Stahlkugel (12} hat. Der Ti-Innenzylinder (4) befindet sich gleitend in einer Aluminium (Al)-Hülse (1), die über einen äußeren Anschlag (3) gegen das Stabende gezogen wird. Auch die Al-Hülse (1) kann sich im CFK-Stab (10) verschieben. Der Ti-Innenzylinder (4) besitzt ein Innengewinde (15) und die Al-Hülse (1) eine Durchgangsbohrung (16). Mit Hilfe eines Gewindestiftes (6) und einer Kontermutter (7) werden Ti-Innenzylinder (4) und Al-Hülse (1) gegeneinander verschraubt und mit dem freien Ende des Gewindestiftes (6) in eine Anklebmutter (8) geschraubt, die Bestandteil einer quer in den CFK-Stab (10) eingeklebten elastischen CFK-Platte (9) ist.In 2 an embodiment is shown. It shows a CFRP sandwich stick ( 10 ) with a very low thermal expansion (approx. - 0.1 × 10 ^–6 m / m ° C), at the end of which there is a precision steel ball ( 12 ) is located. The ball sits on a ball socket ring ( 13 ), the component of a titanium (Ti) inner cylinder ( 4 ) is. The titanium part contains a glued-in magnet centrally ( 14 ), which is the prescribed distance from the steel ball ( 12 } Has. The Ti inner cylinder ( 4 ) is sliding in an aluminum (Al) sleeve ( 1 ) that have an external stop ( 3 ) is pulled towards the end of the rod. The Al sleeve ( 1 ) can be found in the CFRP staff ( 10 ) move. The Ti inner cylinder ( 4 ) has an internal thread ( 15 ) and the Al sleeve ( 1 ) a through hole ( 16 ). With the help of a grub screw ( 6 ) and a lock nut ( 7 ) become Ti inner cylinders ( 4 ) and Al sleeve ( 1 ) screwed together and with the free end of the grub screw ( 6 ) in an adhesive nut ( 8th ) screwed, which is part of a cross in the CFRP rod ( 10 ) glued elastic CFRP plate ( 9 ) is.

AL-Hülse (1) und Ti-Innenzylinder (4) werden so in die Anklebmutter (8) eingeschraubt, dass sich die quergestellte CFK-Platte (9) zum Stabende hin durchbiegt und so der äußere Anschlag (3) der Al-Hülse (1) gegen den CFK-Stab (10) gezogen wird. Um einen festen Sitz der CFK-Platte (9) in dem Stab (10) zu gewährleisten, stützt sie sich auf einer CFK-Hülse (11) ab, die mit der Platte in den Stab geklebt wird.AL sleeve ( 1 ) and Ti inner cylinder ( 4 ) in the adhesive nut ( 8th ) screwed in that the transverse CFRP plate ( 9 ) bends towards the end of the rod and so the outer stop ( 3 ) the Al sleeve ( 1 ) against the CFRP staff ( 10 ) is pulled. To ensure a tight fit of the CFRP plate ( 9 ) in the rod ( 10 ) to ensure it rests on a CFRP sleeve ( 11 ), which is glued into the rod with the plate.

Durch Temperatureinwirkung ändert sich aufgrund der Thermaldehnung der Al-Hülse (1) die Durchbiegung der quergestellten Platte (9) nur unwesentlich, da diese Veränderungen im Mikrometer-Bereich stattfinden, während die Gesamtdurchbiegung der Platte (9) einige Zehntelmillimeter beträgt. Aus dem Verhältnis der Gesamtverschiebung der CFK-Platte zu den Veränderungen durch die Temperatureinwirkung ergibt sich nur eine minimale Veränderung der Federkraft, mit der die Al-Hülse (1) gegen den Stab gezogen wird.The effect of temperature changes due to the thermal expansion of the Al sleeve ( 1 ) the deflection of the transverse plate ( 9 ) only insignificant, since these changes take place in the micrometer range, while the total deflection of the plate ( 9 ) is a few tenths of a millimeter. From the ratio of the total displacement of the CFRP plate to the changes due to the effect of temperature, there is only a minimal change in the spring force with which the Al sleeve ( 1 ) is pulled against the rod.

Das Problem der zentrischen und nicht klemmende Lagerung der einzelnen Komponenten wird im Ausführungsbeispiel dadurch gelöst, dass die Al-Hülse (1) in Längsrichtung geschlitzt ist und und der Ti-Innenzylinder (4) mit leichter Spannung in die Hülse (1) eingesetzt wird. Die Passgenauigkeit zwischen CFK-Stab (10) und Al-Hülse (1) stellt kein Problem dar, da beide Partner in radialer Richtung ähnliche thermische Ausdehnungen haben und darüber hinaus der CFK-Sandwichstab wegen seiner geringen Steifigkeit in Umfangsrichtung elastisch verformt werden kann.The problem of the central and non-jamming mounting of the individual components is solved in the exemplary embodiment in that the Al sleeve ( 1 ) is slotted in the longitudinal direction and and the Ti inner cylinder ( 4 ) with slight tension in the sleeve ( 1 ) is used. The accuracy of fit between the CFRP rod ( 10 ) and Al sleeve ( 1 ) is not a problem, since both partners have similar thermal expansions in the radial direction and, in addition, the CFRP sandwich bar can be elastically deformed in the circumferential direction due to its low rigidity.

Claims

Dimensionally stable holder for precision measuring elements, characterized in that in a rod ( 10 ) low thermal expansion there are different support partners with different thermal expansions and correspondingly adapted lengths so that the different partners can expand unhindered with each other and to the rod.

Dimensionally stable holder for precision measuring elements according to claim 1, characterized in that the one holder partner a sleeve ( 1 ) with a bottom ( 2 ) and an outer stop ( 3 ) is that the second partner has an inner cylinder ( 4 ) on the bottom of the sleeve ( 2 ) is firmly connected to the sleeve so that both partners have a fixed grub screw ( 6 ) with a nut thread ( 8th ) are connected, the part of an elastically deformable, transverse plate ( 9 ) is that both partners work together with the grub screw ( 6 ) so far into the mother ( 8th ) are screwed in so that the transverse plate ( 9 ) bends and with this tension the outer stop ( 3 ) the sleeve ( 1 ) against the staff ( 10 ) pulls.

Dimensionally stable holder for precision measuring elements according to claim 1 and 2, characterized in that the measuring element ( 5 ) in direct contact with the inner cylinder ( 4 ) is located.

Dimensionally stable holder for precision measuring elements according to claim 1 and 2, characterized in that the inner cylinder ( 4 ) an additional bracket for supporting a measuring element ( 5 ) has.

Dimensionally stable holder for precision measuring elements according to claim 1 and 2, characterized in that the measuring element ( 5 ) a precision ball ( 12 ) is.

Dimensionally stable holder for precision measuring elements according to claim 1 to 5, characterized in that for the holder partner sleeve ( 1 ) / Inner cylinder ( 4 ) the materials aluminum and titanium are used.

Dimensionally stable holder for precision measuring elements according to claim 1 to 6, characterized in that the rod ( 10 ) low thermal expansion is a CFRP sandwich rod, in which unidirectional, longitudinally oriented high-modulus carbon fibers are located on a round-cut foam core rod, which are made of a thin Glass fiber fabrics are held together.

Dimensionally stable holder for precision measuring elements according to claim 1 to 7, characterized in that the transverse, elastic plate ( 9 ) is a CFRP plate with a nut in the middle ( 8th ) is attached.

Dimensionally stable holder for precision measuring elements according to claim 1 to 8, characterized in that the sleeve ( 1 ) is provided with two or more longitudinal slots and the inner cylinder ( 4 ) under slight tension in the sleeve ( 1 ) can move.