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Meßvorrichtung für Längen- oder Dickenmessung Die Erfindung bezieht
sich auf eine Meßvorrichtung für Längen- oder Dickenmessung mit einem unter Federkraft
mit dem zu messenden Gegenstand in Berührung gelangenden und an diesem beweglich
in Anlage gehaltenen Meßglied (Fühler, Meßschenkel od. dgl.) und mit einer die Bewegung
des Meßgliedes angebenden Anzeigevorrichtung, deren bewegliches Anzeigeorgan (Zeiger
oder Skala) unter der Spannung der das Meßglied verstellenden Feder in Anzeigestellung
bewegt wird.
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Bei einer bekannten Meßvorrichtung dieser Art dient zum Verstellen
des Meßgliedes und der Anzeigevorrichtung eine bei Uhren übliche Spiralfeder.
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Da sich bei einer Spiralfeder ihre Spannung in Ab hängigkeit von ihrer
Drehung ändert, gewährleistet sie nicht in einem größeren Meßbereich eine konstante
Kraft zur Verstellung des Meßgliedes und der Anzeigevorrichtung. Um die dadurch
bedingten Meßungenauigkeiten möglichst klein zu halten, ist bei der bekannten Meßvorrichtung
eine Spiralfeder von so großer Länge vorgesehen, daß sie über den gesamten Meßbereich
nur eine kleine Drehbewegung ausführen muß. Diese geringe Bewegung der Feder erfordert
aber die Einschaltung eines umfangreichen Übersetzungsgetriebes zwischen der Federwelle
und der Anzeigevorrichtung, um eine genügend große Bewegung des Anzeigeorgans zu
erhalten, und außerdem eine zusätzliche, entgegengesetzt wirkende Feder zum Vermeiden
der durch das Spiel der Zahnräder bedingten Anzeigefehler.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, diese Nachteile zu vermeiden
und auch bei einem großen Meßbereich der Vorrichtung zum Messen von Längen oder
Dicken das Meßglied sowie Anzeigeorgan mit einer konstanten Federkraft zu verstellen
sowie den Aufbau des Gerätes zu vereinfachen.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das bewegliche
Meßglied mit dem einen Ende einer Bandfeder, die in an sich bekannter Weise auf
einer oder mehreren Rollen mit einer Vorkrümmung, deren Halbmesser gleich oder kleiner
als der der Rollen ist, unter Vorspannung aufgewickelt ist und beim Abwickeln eine
gleichbleibende Antriebskraft liefert, entweder direkt über einen gestreckten Teil
der Feder oder einen wieder aufgewickelten Teil der Feder oder indirekt über ein
Zahnrad- oder Bandgetriebe und mit dem anderen Ende der Feder das bewegliche Anzeigeorgan
direkt oder indirekt verbunden ist.
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Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend an Hand
der Zeichnungen beschrieben.
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Fig. 1, 2 und 3 zeigen Formen von Federn, die bei
einer Meßvorrichtung
für Längen- oder Dickenmessung verwendet werden können; Fig. 4 bis 14 zeigen schematisch
verschiedene Beispiele der Anordnung der Federn bei Meßvorrichtungen der vorausgesetzten
Art.
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In diesen Zeichnungen sind die Windungen der Feder der Klarheit halber
etwas voneinander getrennt gezeichnet, aber bei allen diesen Federn stehen in Wirklichkeit
die aufeinanderfolgenden Windungen einer Spule in enger Berührung miteinander.
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In den Zeichnungen zeigt Fig. 1 eine einfache Feder, die aus einem
Metallstreifen 30 besteht, der dicht zu einer Vorratswalze 31 aufgewickelt ist,
die sich drehen kann. Die Feder wird durch eine Zugvorrichtung an ihrem freien Ende
32 abgewickelt und unter Spannung gesetzt. Wenn sie auf diese Weise abgewickelt
ist, hat sie die Neigung, sich wieder aufzuwickeln, übt also an ihrem freien Ende
32 einen konstanten Zug aus.
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Fig. 2 zeigt eine Anordnung, die angewandt wird, wenn die Feder zur
Erzeugung einer Drehbewegung dienen soll. Die Feder 30 ist wie in Fig. 1 auf einer
Vorratswalze aufgewickelt, aber das äußere Ende ist nicht frei, sondern an einer
Arbeitswalze 33 befestigt, die einen wesentlich größeren Durchmesser als die Vorratswalze
31 aufweist. Die Feder wird durch Drehung der Arbeitswalze 33 abgewickelt und gespannt,
wobei sie auf die Arbeitswalze 33 aufgewickelt wird. Sie hat nun die Neigung, sich
wieder auf die Vorratswalze aufzuwickeln, dreht somit die
Arbeitswalze
und übt hierbei eine konstante Drehkraft auf die Arbeitswalze aus.
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In Fig. 2 ist der Wicklungssinn auf den beiden Walzen der gleiche.
Bei einer anderen Antriebsform, die in Fig. 3 gezeigt ist, ist die Feder zurückgebogen
und wird in entgegengesetzter Richtung zur Wicklung der Vorratswalze 31 auf die
Arbeitswalze 34 aufgewickelt. Dies verändert die Eigenschaften der Feder, aber die
Wirkung bleibt die gleiche wie in Fig. 2, so daß auch in diesem Fall durch die Feder
eine konstante Drehkraft auf die Arbeitswalze 34 ausgeübt wird. Der Hauptunterschied
zwischen den Fig. 2 und 3 besteht darin, daß eine gegebene Feder, die wie in Fig.
3 angeordnet ist, eine größere Drehleistung ausübt, als wenn sie wie in Fig. 2 angeordnet
wäre. Der Einfachheit halber wird die Antriebsart nach Fig. 2 als A-Antrieb und
die nach Fig. 3 als B-Antrieb bezeichnet. Bei den meisten Verwendungen sind sie
austauschbar, wobei man den einen oder den anderen je nach der benötigten Charakteristik
auswählt.
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Eine weitere Eigenschaft einer Feder mit konstanter Spannung besteht
darin, daß die von ihr ausgeübte Kraft in kleinen Teilkräften jeweils in dem Teil
der Feder (in Fig. 1 mit »X« bezeichnet) erzeugt wird, an dem sie sich unmittelbar
von der Vorratswalze abwickelt und ihre Krümmung eine Änderung erfährt. Besitzt
die Vorratswalze irgendwelche Reibung (z. B. Achsenreibung), so muß die Spannung,
die beim Versorgen des Antriebs mit Energie ausgeübt wird, die Feder unter Spannung
setzen und auch die Reibung oder den Widerstand überwinden, und diese Gesamtspannung
muß in der Zone X übertragen werden.
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Wenn aber der Antrieb durch das Wiederaufwikkeln der Feder auf die
Vorratswalze Kraft liefert, wird die Kraft zur Überwindung der Reibung oder des
Widerstandes der Vorratswalze nicht in der Zone X übertragen. Die Federspannung
zwischen den beiden Walzen ist deshalb um das Doppelte der Spannung geringer, die
zur Überwindung der Reibung benötigt wird.
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Diese Spannungsänderung in der Feder verändert die Krümmung in der
Zone X sowie ihre effektive Länge, aber diese Änderung wird von der Ausgangswalze
aufgenommen und erzeugt die gleiche Wirkung wie ein Spiel im Übersetzungsgetriebe
zwischen dem Fühler und dem Zeiger. Dieser Effekt ist als »Hystereseeffekt« bekannt
und ist in den meisten Fällen vernachlässigbar klein.
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Die Anwendung einer oder mehrerer Federn mit konstanter Spannung
bei Meßinstrumenten für Längen- oder Dickenmessung ist schematisch in den weiteren
Figuren veranschaulicht.
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In Fig. 4 ist eine Grundform eines Skalenmikrometers veranschaulicht.
Der Fühler 35 ist in einem Stativ 36 in Richtung auf ein Tischchen 37 des Stativs
zu und in umgekehrter Richtung geradlinig beweglich angeordnet. Er wird durch das
an ihm befestigte freie Ende 38 einer Feder mit konstanter Spannung gesteuert, deren
Vorratswalze 39 sich in Lagern drehen kann. Die Feder ist so angeordnet, daß sie
den Fühler 35 gegen das Tischchen 37 preßt.
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An der Walze 39 ist ein Zeiger 40 befestigt, der sich entlang einer
Skala 41 bewegt. Jede Bewegung des Fühlers 35 erzeugt eine Drehung der Vorratswalze
39, welche durch die Bewegung des Zeigers 40 angezeigt wird. Bei dieser Anordnung
erfolgt keine Ver-
größerung der Bewegung des Fühlers bei der Anzeige, außer der,
die durch die Länge des Zeigers 40 erzeugt wird.
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Wünscht man eine zusätzliche Vergrößerung der Zeigerbewegung, so
kann man die in Fig. 5 veranschaulichte Anordnung verwenden. Anstatt einer einfachen
Feder kann man einen Federantrieb verwenden. Zur Veranschaulichung ist dieser als
B-Antrieb dargestellt. dessen Vorratswalze für die Feder bei 42 gezeigt ist. Das
freie Ende 45 der Feder 44 ist mit dem Fühler 46 verbunden, nachdem es um die Arbeitswalze
43 herumgeführt wurde. Die Bewegung des Fühlers 46 wird über ein auf der Achse der
Walze 43 angeordnetes Zahnrad 48, das in ein kleineres Zahnrad 49 eingreift, dessen
Achse den Zeiger 47 trägt, auf diesen übertragen. Das Zahnradvorgelege ist so bemessen,
daß es die gewünschte Vergrößerung ergibt. Bei einer derartigen Anordnung kann man
den A-Antrieb sowie den B-Antrieb verwenden.
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Bei der in Fig. 5 gezeigten Anordnung hat der Fühler 46 eine Reibungsbelastung
über die Feder 44 mit der Arbeitswalze 43, und man kann, wenn man diese vermeiden
will, eine Anordnung wie in Fig. 6 verwenden. In dieser Figur ist die Vorratswalze
der Feder 50 mit 51 und die Arbeitswalze mit 52 bezeichnet. Das Ende der Feder 50
ist unmittelbar an der Walze 52 befestigt, die mit einem Fühler 53 über ein Zahnrad
54 verbunden ist, das auf der Achse der Walze befestigt ist. Ein weiteres Zahnradvorgelege
55 und 56 überträgt die Bewegung des Fühlers und der Walze 52 unter Vergrößerung
auf das gewünschte Maß auf den Zeiger 57.
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An Stelle von Fühler und Zahnrad kann man eine Anordnung nach Fig.
7 verwenden. Das freie Ende der Feder 58 der Vorratswalze 59 ist an der Arbeitswalze
60 befestigt, die mit dem Fühler 61 durch ein Metallband 62 verbunden ist, das aber
keinen Teil der Feder mit der konstanten Spannung darstellt. Der Vorteil der Verwendung
eines flachen. ungespannten Metallbandes gemäß Fig. 7 gegenüber der Anordnung von
Fig. 5 ist der, daß der Belastungswechsel. der in Fig. 5 durch die Streckung der
Feder zwischen der Arbeitswalze 43 und dem Fühler 46 auftritt, vermieden und damit
die Lebensdauer der Feder erhöht wird. Gemäß Fig. 7 wird die Übertragung auf den
Zeiger durch ein Zahnradvorgelege 63 und 64 von der Achse der Arbeitswalze 60 aus
bewerkstelligt.
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Es ist ersichtlich, daß durch Verbindung des Zeigers mit der Arbeitswalze,
wie in den Fig. 5, 6 und 7 dargestellt, statt mit den Vorratswalzen jedes Auftreten
eines Hysteresefehlers vermieden wird.
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Fig. 8 zeigt eine weitere Abwandlung, bei der ein B-Antrieb mit einer
Vorratswalze 65, einer Feder 66 und einer Arbeitswalze 67 verwendet wird. Die Arbeitswalze
ist mit dem Fühler 68 über ein flaches Metallband 69 gekoppelt, das auf einer Walze
67 a auf der Achse der Arbeitswalze 67 befestigt ist. Der Zeiger ist mit der Arbeitswalze
in beliebiger Weise verbunden.
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Die Fig. 9 und 10 veranschaulichen schematisch eine Anordnung, die
verwendbar ist, wenn die Bewegung des Fühlers mehrere Umdrehungen des Zeigers erfordert.
Der Fühler 70 ist mit zwei Federn konstanter Spannung 71 und 72 versehen. wodurch
der Seitendruck auf die Führung des Fühlers kompensiert wird. Die Walze 73 der einen
Feder 72 trägt das Zahnrad 74 eines mehrstufigen Vorgeleges 75, 76 und 77. Das Zahnrad
77 trägt den Zeiger 78, der im
ganzen Bewegungsbereich des Fühlers
mehrere Umdrehungen auf der Skala 79 macht. Die Achse der Walze 80 der Feder 71
trägt einen Hilfszeiger 81, der über einer Skala 82 läuft, um die Anzahl der durch
den Zeiger 78 gemachten Umdrehungen anzuzeigen.
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Die Federn 71 und 72 sind so konstruiert, daß sie über den ganzen
Bewegungsbereich des Fühlers 70 weniger als eine Umdrehung machen, so daß für die
Stärke des Streifens der Feder 72, die die Bewegung auf den Zeiger 78 überträgt,
kein Spiel vorgesehen zu werden braucht und die Skala gleichmäßig eingeteilt werden
kann, so daß sie für den Zeiger, der mehrere Umdrehungen über ihr macht, geeignet
ist.
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Wenn es erwünscht ist, jeden toten Gang im Zahnradvorgelege 74 bis
77 auszuschalten, wird ein B-Antrieb mit einer Arbeitswalze 83 und einer Vorratswalze
84, die fest auf der Achse des Zahnrades 77 angebracht ist. vorgesehen. Da dieser
Antrieb nur dazu benötigt wird, um eine zur Aufhebung des toten Ganges ausreichende
Drehkraft zu erzeugen, kann er ganz klein sein. Jeder geringe Drehkraftüberschuß,
der durch den B-Antrieb ausgeübt wird, wirkt auf den Fühler in der gleichen Richtung
wie die Hauptfedern 71 und 72.
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Die Erfindung ist nicht auf solche Längen- oder Dickenmeßgeräte beschränkt,
bei denen die Bewegung des Fühlers linear verläuft. Fig. 11 und 12 zeigen schematisch
eine Konstruktion einer Schraubenlehre. Ein Arm 90 ist fest mit dem Gehäuse 91 verbunden.
Der andere Arm 92 ist bei 93 am Gehäuse drehbar gelagert und trägt einen Nocken
94 und ein Metallband 95, das ein Zahnradvorgelege 96, 97, 98, 99 bewegt, von dem
das letzte Rad auf der Achse der Arbeitswalze 100 eines A-Antriebes befestigt ist,
dessen Vorratswalze bei 101 gezeigt ist.
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Die Drehkraft dieses Antriebes wird über das Zahnradvorgelege auf
den Arm 92 übertragen und hat die Neigung ihn gegen den Arm 90 zu bewegen. Da diese
Drehkraft durch das Zahnradvorgelege auf den Arm 92 übertragen wird, braucht man
nur eine sehr kleine Antriebskraft zu verwenden. Diese übt eine konstante Drehkraft
auf alle Elemente des Zahnradvorgeleges aus und schaltet dadurch einen toten Gang
aus. Der Zeiger 102 ist wie üblich an der Achse der Arbeitswalze 100 des A-Antriebes
befestigt, und bei der verwendeten starken Übersetzung macht er im ganzen Bewegungsbereich
des Tastarms 92 mehrere Umdrehungen. Ein zweiter Zeiger 103 ist auf der Achse des
Zahnrades 96 angeordnet. Er zeigt die Anzahl der durch den Zeiger 102 gemachten
Umdrehungen an.
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Die besonderen Eigenschaften einer Feder mit konstanter Spannung
gestatten es, daß man sie in zahlreichen anderen Weisen (z. B. bei Mikrometerschrauben)
verwenden kann. Fig. 13 und 14 veranschaulichen schematisch eine Anordnung, bei
der nicht nur ein konstanter Druck auf den Fühler ausgeübt, sondern auch die Bewegung
der Feder selbst vergrößert wird und die Skala direkt auf der Feder drehbar angeordnet
ist.
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Wie in Fig. 13 gezeigt ist, ist der Fühler 110, der in einer Führung
angebracht ist, mit einer Achse oder Walze 111 gekoppelt, die ein großes Zahnrad
112 trägt, das mit einem Antriebsrad 113 auf der Arbeits-
walze 114 eines A-Antriebes
verzahnt ist, wobei die Feder 115 und die Vorratswalze bei 116 gezeigt sind.
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Eine Feder mit konstanter Spannung kann so konstruiert und mit einer
solchen beliebigen Länge hergestellt werden, daß sie einen konstanten Zug oder eine
Drehkraft von jedem gewünschten Wert hat. Bei dem Instrument nach Fig. 13 kann die
Feder etwa 3,0 bis 3,6 m lang und das Zahnradvorgelege so konstruiert sein, daß
praktisch die gesamte Länge der Feder zur Bewegung des Fühlers über seinen Bewegungsbereich
etwa 25 bis 50 mm verwendet wird. Das Gehäuse des A-Antriebes und des Zahnradvorgeleges
ist mit einem Fenster 118 versehen, durch das die Feder auf der Arbeitswalze 114
mit der darauf befindlichen Skala sichtbar ist. Es ist ein verstellbarer Arm 119
vorgesehen, der einen Index oder eine Zahlenreihe 120 für die Skalenablesungen trägt.
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Die Kopplung zwischen dem Fühler 110 und der Achse 111 ist als Metallband,
nicht als Feder dargestellt, und diese Bauweise ist die bevorzugte, da sie nicht
der Abnutzung unterworfen ist wie Fühler und Rad, weniger kostet und eine Sicherung
gegen Beschädigung bietet, wenn der Fühler mit größerer Geschwindigkeit nach unten
gedrückt wird, als sie die Vorratswalze 116 die von der Arbeitswalze 114 herausgedrückte
Feder aufnehmen kann. Ein solcher Druck nach unten kann dem Antrieb keinen nach
rückwärts gerichteten Schub erteilen.