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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen
der Länge,
der Dicke oder ähnlicher
linearer Abmessungen eines Gegenstandes, insbesondere eine Schub-
oder Schraublehre mit elektronischer Kompensation.
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Bei
Längenmessungen
mit Handmeßmitteln wie
beispielsweise Schublehren, die auch als Schieblehren oder Meßschieber
bezeichnet werden, treten Ungenauigkeiten auf, und zwar sowohl hinsichtlich
des Meßwertes
in Bezug auf das tatsächliche
Maß selbst,
als auch hinsichtlich der Reproduzierbarkeit von Meßwerten
am selben Gegenstand, insbesondere bei Messung durch unterschiedliche Personen
und deren individuell aufgebrachte Kraft beim Betätigen der
Meßvorrichtung.
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Die
Ursache für
diese Ungenauigkeiten ist insbesondere die beim Anlegen der Meßmittel
an den zu vermessenden Gegenstand, bei einer Schublehre insbesondere
der Meßschnäbel an dem
zu vermessenden Gegenstand, als Reaktio auftretende Kraft. Diese
Reaktio kann einerseits zu einer Verformung der Meßmittel
führen,
andererseits zu einer Verkippung des Meßschlittens gegenüber dem
Grundkörper
der Meßvorrichtung.
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Die
Verformung der Meßmittel
kann durch entsprechende konstruktive Versteifung weitgehend verhindert
werden. Die Verkippung ist demgegenüber schwieriger zu vermeiden,
insbesondere bei Meßvorrichtungen,
bei denen die manuell eingeleitete Kraft und die Reaktio zu einem
resultierenden Drehmoment auf den Schlitten führen.
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Aus
der
JP 09049720 A ist
eine Schublehre bekannt, bei welcher mit Dehnungsmessstreifen die Messkraft
gemessen wird und daraus die Verbiegung der Messschnäbel berechnet
wird und bei der Anzeige des Messwerts berücksichtigt wird. Hierbei wird der
Anlagepunkt des Meßobjekts
an den Backen der Meßschnäbel abgeschätzt.
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Aus
der
US 5,433,015 A ist
ein Kraftmesser bekannt, der zur Justierung der Klemmkraft einer Schraublehre
temporär
auf diese aufgesetzt wird.
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Der
Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
bereitzustellen, insbesondere eine Schub- oder Schraublehre, welche
die Nachteile des Standes der Technik überwinden und insbesondere
eine möglichst
genaue Messung gewährleisten
und dennoch einfach zu bedienen und robust ist.
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Das
Problem ist durch die in dem unabhängigen Anspruch bestimmte Vorrichtung
sowie durch das im nebengeordneten Anspruch bestimmte Verfahren
gelöst.
Besondere Ausführungsarten
der Erfindung sind in den Unteransprüchen bestimmt.
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Das
Problem ist bei einer Vorrichtung zum Messen der Länge, der
Dicke oder ähnlicher
linearer Abmessungen eines Gegenstandes, insbesondere bei einer
Schub- oder Schraublehre, mit einer elektronischen Meßeinrichtung
und einem Grundkörper, an
dem eine an einem Führungselement
festgelegte oder einstückig
von dem Führungselement
ausgebildete Meßfläche zur
Anlage an den zu vermessenden Gegenstand beweglich geführt ist,
wobei an der Meßfläche, dem
Führungselement
und/oder dem Grundkörper
ein Kraft- oder Drehmomentsensor angebracht ist, dessen Ausgangssignal
der elektronischen Meßeinrichtung
zugeführt
wird zwecks Kompensation eines durch Verformung oder Verkippung der
Meßfläche, des
Führungselements,
des Grundkörpers
oder des zu vermessenden Gegenstandes bedingten Meßfehlers,
dadurch gelöst,
daß bei
einer Anlage der Meßfläche an dem
zu vermessendem Gegenstand außerhalb
der Führungsebene
der Vorrichtung die als Reaktion auf die Betätigungskraft in die Meßfläche eingeleitete
Kraft bzw. das dadurch wirkende Drehmoment durch geeignete Anordnung von
mindestens zwei Kraft- oder Drehmomentsensoren in eine Kraftkomponente
in der Führungsebene und
in eine Drehmomentkomponente in der Führungsebene zerlegbar ist,
und daß aus
der Kraftkomponente und der Drehmomentkomponente der für die Kompensationsrechnung
erforderliche Abstand zwischen dem Anlagepunkt des zu vermessenden
Gegenstandes an der Meßfläche und
der Führungsebene
ermittelbar ist.
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Aus
diesem Komponentenpaar läßt sich
beispielsweise eine Verkippung der Meßfläche, bei einer Schublehre des
Meßschnabels,
ermitteln. Außerdem läßt sich
aus diesem Komponentenpaar der Abstand des Anlagepunktes der Meßfläche und
des zu vermessenden Gegenstandes von der Kippachse ermitteln, der
zusammen mit dem Kippwinkel für
die Berechnung des Meßfehlers
bzw. des Kompensationswertes entsprechend einfacher trigonometrischer
Beziehungen erforderlich ist.
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Der
Kraft- oder Drehmomentsensor ist insbesondere galvanisch mit der
Meßeinrichtung
oder einer zugehörigen
Recheneinheit verbunden. Darüberhinaus
wird ein Meßrohwert,
der beispielsweise anhand einer an dem Grundkörper festgelegten Maßverkörperung
gemessen wird, der Meßeinrichtung zugeführt. Entsprechend
dem zugehörigen
erfindungsgemäßen Betriebsverfahren
wird ausgehend von dem Ausgangssignal des Kraft- oder Drehmomentsensors
mittels in der Meßeinrichtung
gespeicherter Daten, insbesondere in Form einer Nachschlagtabelle
(look-up table), ein Kompensationswert errechnet. Dieser Kompensationswert
dient zur Kompensation des durch Verformung oder Verkippung der
Meßfläche, des
Führungselements,
des Grundkörpers
oder des zu vermessenden Gegenstandes bedingten Meßfehlers
des Meßrohwertes.
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Dementsprechend
repräsentieren
die dem Ausgangssignal des Kraft- oder Drehmomentsensors zugeordneten
abgespeicherten Kompensationswerte den durch die Verformung oder
Verkippung verursachten Meßfehler
unter Berücksichtigung
des Einflusses der Geometrie oder des Werkstoffes der Vorrichtung.
Die abgespeicherten Daten können
für jede Vorrichtung
individuell oder für
mehrere oder alle Vorrichtungen einer Baureihe oder einer Produktionsserie
empirisch oder analytisch ermittelt werden. Vorzugsweise sind die
Daten in einem programmierbaren Nur-Lese-Speicher (PROM), in einem löschbaren PROM
(EPROM) oder in einem elektrisch löschbaren PROM (EEPROM) abgespeichert
sein. Insbesondere im letztgenannten Fall können die Kompensationswerte
auch nachträglich
eingespeichert, abgeändert oder überarbeitet
werden. Erforderlichenfalls kann die Meßeinrichtung auch eine Interpolation
ausführen,
um Zwischenwerte zu errechnen.
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In
einer besonderen Ausführungsart
der Erfindung ist an dem Grundkörper
eine weitere Meßfläche festgelegt
oder einstückig
von dem Grundkörper ausgebildet,
und beide Meßflächen sind
in Anlage an den zu vermessenden Gegenstand bringbar. Erforderlichenfalls
ist auch an der weiteren Meßfläche ein Kraft-
oder Drehmomentsensor angebracht. Mindestens ein Teil der Kraft-
oder Drehmomentsensoren kann durch einen Dehnungsmeßstreifen
realisiert sein. Vorzugsweise werden insbesondere Dünnschicht-Dehnungsmeßstreifen
eingesetzt, die entweder auf die Vorrichtung, den Grundkörper, das
Führungselement
oder die Meßfläche, aufgebracht
werden oder in die Vorrichtung integriert werden.
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Bei üblichen
Dehnungsmeßstreifen
tritt eine Widerstandsänderung
aufgrund einer Dehnung oder Stauchung der Widerstandsbahn auf, die
in bekannter Weise ausgewertet werden kann, beispielsweise mittels
einer Wheatstone-Meßbrücke. In
Abhängigkeit
von dem Widerstandsmaterial tritt ein sogenannter piezoresistiver
Effekt hinzu, durch den deutlich höhere Widerstandsänderungen
bei gegebener Dehnung hervorgerufen werden, als dies allein durch
die geometrische Dehnung oder Stauchung der Widerstandsbahn gegeben
ist. Alternativ oder ergänzend kommen
auch piezoelektrische, magnetische, magnetoresistive oder vergleichbare
Meßprinzipien
für die
Kraft- oder Drehmomentsensoren in Betracht.
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In
einer besonderen Ausführungsart
der Erfindung ist auf der Meßfläche ein
weiterer Sensor angeordnet, mit dem der Anlagepunkt des zu vermessenden
Gegenstandes an der Meßfläche ermittelbar ist,
insbesondere der Abstand zwischen dem Anlagepunkt des zu vermessenden Gegenstandes
an der Meßfläche und
der Führungsebene.
Beispielsweise können
hierfür
taktile Sensoren oder Näherungsschalter
in die Meßfläche integriert
werden.
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Vorzugsweise
ist weiterhin ein Sensor derart angeordnet, daß er die auftretende Lagerkraft
der Führung
des Führungselements
an dem Grundkörper
erfaßt.
Der durch eine Verkippung hervorgerufene Meßfehler bzw. der zugehörige Kompensationswert
läßt sich
dann beispielsweise allein aus der Lagerkraft und dem gemessenen
Abstand der Anlage des Gegenstandes an der Meßfläche von der Führungsebene
errechnen oder aus gespeicherten Nachschlagtabellen auslesen.
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In
einer besonderen Ausführungsart
der Erfindung wird durch eine weitere Meßeinrichtung eine Verkippung
des die Meßfläche tragenden
Führungselements
gegenüber
dem Grundkörper
unmittelbar erfaßt
und der elektronischen Meßeinrichtung zwecks
Kompensation der zugehörigen
Fehlerursache zugeführt.
Zur Ermittlung der Verkippung kann beispielsweise ebenfalls eine
Art Maßverkörperung vorgesehen
sein, insbesondere auch rechtwinklig zu der eigentlichen Maßverkörperung
zum Messen der linearen Abmessung des Gegenstandes. In diesem Fall
wäre für die Ermittlung
oder Berechnung des Kompensationswertes nur noch der Abstand des
Anlagepunktes des Gegenstandes der Meßfläche zu der Führungsebene
zu berücksichtigen,
für den
unter Berücksichtigung
der Geometrie der Meßfläche bzw. der
Vorrichtung auch ein Mittelwert angenommen werden könnte.
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In
einer besonderen Ausführungsart
der Erfindung ist bei einer Anlage der Meßfläche an den zu vermessenden
Gegenstand innerhalb der Führungsebene
der Vorrichtung, wie dies beispielsweise bei einer Schraublehre
gegeben ist, der Sensor so angeordnet, daß er die als Reaktio auf die
Betätigungskraft
in die Meßfläche eingeleitete
Kraft bzw. das auf das Führungselement
wirkende Biegemoment ermittelt. Beispielsweise kann das Führungselement
einen Bügel
aufweisen, wie dies bei bekannten Schraublehren üblich ist. Vorzugsweise ist
der Sensor im mittleren Bereich des Bügels angeordnet, und kann dadurch
die Aufbiegung des Bügels
bzw. den entsprechenden Meßfehler
kompensieren.
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Besonders
vorteilhaft ist die Anwendung der vorliegenden Erfindung auf Handmeßmittel
wie beispielsweise Schublehren, Schraublehren, Innenmeßschrauben
und dergleichen.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen
sowie der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf
die Zeichnung zwei Ausführungsbeispiele
im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und
in der Beschreibung erwähnten
Merkmale jeweils einzeln für
sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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1 zeigt eine gattungsgemäße Vorrichtung,
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2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der
Vorrichtung der 1 im
Bereich der beiden Meßschnäbel,
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3 zeigt ausschnittsweise
eine erfindungsgemäße Vorrichtung,
nämlich
eine Schublehre, und
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4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Vorrichtung,
nämlich
eine Schraublehre.
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Die 1 zeigt eine gattungsgemäße Vorrichtung 1 zur
Messung der Länge,
der Dicke oder ähnlicher
linearer Abmessungen eines Gegenstandes 2, insbesondere
eine Schublehre. Die Vorrichtung 1 weist einen, einen ersten
Meßschnabel 3 aufweisenden
Grundkörper 4 auf,
an dem ein Schlitten 6 mittels einer in der 1 nicht sichtbaren Längsführung bewegbar
ist. Der Schlitten 6 weist einen zweiten Meßschnabel 5 auf,
wobei im unbelasteten Zustand die beiden Meßschnäbel 3, 5 in
vorgebbarer Weise zueinander ausgerichtet sind, im dargestellten Ausführungsbeispiel
parallel zueinander ausgerichtet sind.
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Die 2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt
der Vorrichtung 1 der 1 im
Bereich der beiden Meßschnäbel 3, 5.
Beim In-Anlage-Bringen der beiden Meßschnäbel 3, 5 an
dem zu vermessenden Gegenstand 2, im dargestellten Ausführungsbeispiel
ein kreiszylindrischer Stift, dessen Außendurchmesser gemessen werden
soll, kommt es zu Meßungenauigkeiten
aufgrund von verschiedenen Effekten. Einerseits kann es zu einer
Verformung der Meßschnäbel 3, 5 kommen,
wie dies in der 2 schematisch
durch die Kontur 3' des
ersten Meßschnabels 3 bzw.
durch die Kontur 5' des
zweiten Meßschnabels 5 dargestellt
ist. Diese Verformung kann durch konstruktive und/oder werkstoffmäßige Versteifung
der Meßschnäbel 3, 5 weitgehend
verhindert werden.
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Eine
weitere Ursache für
Meßungenauigkeiten
ist ein Verkippen des Schlittens b, was in der 2 strichpunktiert mit der Kontur 6' angedeutet
ist. Da der erste Meßschnabel 3 starr
mit dem Grundkörper 4 verbunden
ist oder sogar einstückig
mit diesem ausgebildet ist, führt
das Verkippen des Schlittens 6 insbesondere zu einem Verkippen
des zweiten Meßschnabels 5,
was in der 2 gestrichelt
mit der Kontur 5'' angedeutet
ist. Der Schlitten 6 ist mittels einer Betätigungsnase 10 entlang
dem Grundkörper 4 verschiebbar.
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Die 3 zeigt ausschnittsweise
eine erfindungsgemäße Vorrichtung 101,
nämlich
eine Schublehre, im Bereich der beiden Meßschnäbel 103, 105. Der
Grundkörper 104 bildet
darüber
hinaus vorzugsweise einstückig
die Führungsschiene 111 aus,
an welcher der Schlitten 106 mit dem daran festgelegten zweiten
Meßschnabel 105 längsgeführt beweglich ist.
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Der
Schlitten 106 bildet dabei das anspruchsgemäße Führungselement
mit der Meßfläche 113,
das mit der Führungsschiene 111 zusammenwirkt.
Die zugehörigen
vorzugsweise federkraftbelasteten Gleitstücke der Längsführung sind nicht dargestellt.
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Im
Ausführungsbeispiel
ist an dem Führungselement
an der, der Führungsschiene 111 zugewandten
Ende des zweiten Meßschnabels 105 und
mithin nahe bei der Längsführung ein
erster Kraft- oder Drehmomentsensor 112 angeordnet. Weiterhin
an dem Führungselement,
nämlich
an dessen von der Anlagefläche 113 entfernten
Ende ein zweiter Kraft- oder Drehmomentsensor 114 angeordnet,
insbesondere ein reiner Kraftsensor.
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Die
als Reaktio auf die Betätigungskraft durch
den zu vermessenden Gegenstand 2 aufgebrachte und in die
Meßfläche 113 eingeleitete
Kraft F1, die außerhalb der durch die strichpunktierte
Linie 115 angedeuteten Führungsebene der Vorrichtung 101 liegt,
ist äquivalent
zu dem Komponentenpaar der Kraft F2, die
wie dargestellt parallel oder auch rechtwinklig zur Führungsebene 115 verlaufen
kann, und dem Drehmoment M2 in der Führungsebene 115.
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Aus
dem Ausgangssignal des ersten Kraft- oder Drehmomentsensors 112 kann
das Drehmoment M2 ermittelt werden. In entsprechender
Weise kann aus dem Ausgangssignal des zweiten Kraft- oder Drehmomentsensors 114 die
Kraft F2 ermittelt werden. Bei der Ermittlung
des Wertepaares M2, F2 kann
auch eine in die Meßeinrichtung 116 integrierte Nachschlagtabelle
herangezogen werden, welche die Geometrie der Anordnung der Meßflächen 113 und
den Elastizitätsmodul
der für
die Meßflächen 113 verwendeten
Werkstoffe berücksichtigt.
Außerdem kann
aus dem Komponentenpaar M2, F2 auch
der Abstand a der Einleitung der Kraft F1 in
die Meßfläche 113 von
der Führungsebene 115 ermittelt
werden. Dieser Abstand a ist erforderlich, um bei einer beispielsweise
aus dem errechneten Drehmoment M2 abgeleiteten
Verkippung des Führungselements
bzw. des Schlittens 106 gegenüber der Führungsschiene 111 den
Meßfehler
zu berechnen.
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Alternativ
oder ergänzend
kann eine weitere Meßeinrichtung 118 eine
Verkippung des Führungselements
bzw. des Schlittens 106 gegenüber der Führungsschiene 111 unmittelbar
erfassen. Hierzu kann die weitere Meßeinrichtung 118 beispielsweise
eine Maßverkörperung
auslesen, die rechtwinklig zu der Längserstreckung der Maßverkörperung 117 verläuft. Ggf.
kann eine Verkippung des Schlittens 106 auch unmittelbar
durch Auswertung der Signale der beiden Meßeinrichtungen 116, 118 ermittelt
werden, wenn diese einen ausreichend großen Abstand voneinander aufweisen,
der mit ausreichender Genauigkeit die Detektion einer Verkippung
ermöglicht.
Hierzu kann gegebenenfalls sogar auf die eigentliche Maßverkörperung 117 zurückgegriffen
werden; da sich im Falle einer Verkippung des Meßschlittens 106 die
Differenz der von den Meßeinrichtungen 116 bzw. 118 von
der Maßverkörperung 117 abgelesenen Werte
geringer ist als der tatsächliche
Abstand der beiden Meßeinrichtungen 116, 118 auf
dem Schlitten 106.
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Die 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung 201,
nämliche
eine Schraublehre. Das Führungselement 205 ist
in diesem Ausführungsbeispiel
durch eine entsprechend dem Doppelpfeil 219 durch Drehen
der Betätigungsschraube 220 aus-
und einfahrbare Spindel gebildet, die an ihren stirnseitigen Ende
eine beispielsweise plan geschliffene Meßfläche 213 aufweist.
Der Grundkörper 204 weist
einen Bügel 221 auf,
und der Kraft- oder Drehmomentsensor 212 ist im mittleren
Bereich des Bügels 221 angeordnet
und erfaßt
dort eine Aufbiegung des Bügels 221 aufgrund der
als Reaktio in die Anlagefläche 213 bzw.
die weitere Anlagefläche 222 eingeleiteten
Kraft. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
weist die Vorrichtung 201 ein Flüssigkristall-Display 223 auf,
zur Anzeige des elektronisch kompensierten bzw. korrigierten Meßwertes.