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Verfahren zum Messen des Durchmessers oder der Stärke von Werkstücken
mit unterbrochener Oberfläche während der Bearbeitung Die Erfindung betrifft ein
Verfahren zum Messen des Durchmessers oder der Stärke von Werkstücken mit unterbrochener
Oberfläche während der Bearbeitung, bei dem der Tastbolzen eines Meßfühlers über
die Oberfläche des Werkstückes gleitet und in begrenztem Maße in die Unterbrechungen
einfällt, wobei der Tastbolzen wegen seines konischen oder abgerundeten Endteils
durch die die Unterbrechungen begrenzenden Kanten auf das Niveau der Oberfläche
des Werkstückes angehoben wird und durch die Bewegung des Meßfühlers ein elektromechanischer
Wandler beaufschlagt wird, der über eine elektrische Meßwertschaltung der vom Tastbolzen
aufgenommenen Meßgröße proportionale, trapezförmige Gleichspannungssignale erzeugt.
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Es sind bereits Einrichtungen zum Messen von sich dreh enden Werkstücken
mit unterbrochener Oberfläche während der Bearbeitung bekanntgeworden, bei denen
die zum Messen notwendigen Steuerimpulse von einer sich mit dem Werkstück drehenden
besonderen Steuerscheibe erzeugt werden.
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Die Steuerscheiben haben dabei die Aufgabe, die Meßfühler anzuheben,
bevor diese die Nuten erreichen, sie dann in dieser Lage zu halten und schließlich
nach Ankunft der Rippen des Werkstückes unter den Fühlerflächen wieder freizulassen
bzw. die Druckfeder der Fühler auszulösen. Bei der Feinbearbeitung von Werkstücken
mit vielen Oberflächenunterbrechungen und beim Flachschleifen wird die rechtzeitige
Sperrung (Arretierung) der Fühler durch sogenannte Reiter gesteuert, die entsprechend
den Unterbrechungen der zu bearbeitenden Oberfläche angeordnet sind. Diese bekannte
Einrichtung hät den Nachteil, daß das Wechseln und Einspannen der Werkstücke bei
Serien- oder Massenfertigung sehr viel Zeit beansprucht, womit die Nebenzeiten bedeutend
verlängert werden.
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Außerdem ist das für jedes neue Werkstück erforderliche Einstellen
der Steuerscheibe bzw. der Reiter eine ]angwierige und umständliche Arbeit. Einen
weiteren Mangel stellt die Zeitkonstante der Magnete dar, die die Fühler in gehobener,
d. h. in gesperrter Lage halten. Diese Zeitkonstante kann im allgemeinen nicht so
karz bemessen werden, daß damit die Bearbeitung sich verhältnismäßig schnell drehender
Werkstücke mit einer großen Zahl schmaler Rippen möglich wäre. Vieluiehr sind der
Bearbeitungsgeschwindigkeit in diesen Fällen enge Grenzen gesetzt, will man Ungenauigkeiten
infolge Trägheit der Meßeinrichtung vermeiden.
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Es sind auch Meßeinrichtungen bekanntgeworden, deren Fühler über
die Unterbrechungen reichen,
diese also überbrücken. Derartige Fühler sind jedoch
beim Messen von durch breite Unterbrechungen geteilten Oberflächen unbrauchbar,
da sie in solche Unterbrechungen hineinfallen würden, was eine Beschädigung oder
Zerstörung der Meßeinrichtung zur Folge hätte.
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Schließlich sind Meßeinrichtungen bekannt, bei denen der Fühler in
die Unterbrechungen der zu messenden Oberfläche hineinfallen kann, wobei der Fühler
derart abgerundet ausgebildet ist, daß er aus den Unterbrechungen durch die Werkstücke
selbst wieder herausgehoben wird. Hierbei wird der Zeiger eines Meßinstrumentes
auf dem Meßwertausschlag so lange festgehalten, bis die nächste Messung erfolgt
ist, wobei die Umsteuerung der Einrichtung zur Zeigerfesthaltung durch die Bewegung
des Fühlers beim Einfallen bewirkt wird. Diese Einrichtungen eignen sich jedoch
nicht zum automatischen Messen oder Steuern während der Bearbeitung, da sie die
dazu erforderlichen Impulse nicht herstellen und auf rasch aufeinanderfolgende Meßwerte
nicht ansprechen können.
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Die bisher bekannten Verfahren bzw. Einrichtungen zum Messen von
Werkstücken mit unterbrochener Oberfläche während der Bearbeitung entsprechen also
in vielerlei Hinsicht nicht den gestellten
zeitgemäßen Forderungen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Meßverfahren der eingangs genannten
Art zu schaffen, bei dem die Hebung und Senkung des Tastbolzens der Meßfühler durch
das Werkstück selbst durchgeführt wird und die Meßeinrichtungen mit dem Messen des
Durchmessers bzw. der Stärke des Werkstückes erst in dem Augenblick beginnen, wenn
der Tastbolzen die Werkstückoberfläche erreicht hat und über diese gleitet Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die trapezförmigen Gleichspannungssignale
in an sich bekannter Weise durch zweimalige elektrische Differentiation unter Abschneiden
der negativen Rechtecksignale in kurze positive und negative Impulse umgewandelt
werden, von denen die negativen Impulse ein polarisiertes Relais erregen, das einen
Schalter zur Weiterleitung der Meßspannungen zu einem Meßinstrument kurzzeitig schließt.
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Dadurch, daß der Schalter zur Weiterleitung der Meßspannungen zum
Meßinstrument immer erst dann kurzzeitig schließt, wenn der Tastbolzen des Meßfühlers
auf der zu messenden Oberfläche gleitet, wird der meßtechnische Vorteil erreicht,
daß alle nicht zur Messung gehörenden Impulse des Meßfühlers vom Meßgerät ferngehalten
werden. Ferner ist für die periodische Einstellung der Meßlage keine äußere Steuerung
notwendig, da diese Vorgänge das Werkstück selbst besorgt bzw. durch die Unterbrechungen
oder ausragenden Teile des Werkstückes selbsttätig durchgeführt werden. Es wird
insbesondere eine große Genauigkeit der Messung bei schnell bewegten Werkstücken
unter dem Taster während der Bearbeitung der Werkstücke erzielt. Dabei kann das
erfindungsgemäße Verfahren bei kleinen oder großen Unterbrechungen bzw. bei kurzen
und langen Meßflächen mit gleichem Erfolg benützt werden, da der Schalter zur Weiterleitung
der Meßspannung zum Meßinstrument nur kurzzeitig geschlossen wird, so daß Meßzeiten
von nur wenigen Millisekunden entstehen. Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus,
daß man keine besonderen Meßköpfe benötigt, sondern die für fortlaufendes, ununterbrochenes
Tastmessen entwickelten Meßköpfe verwenden kann.
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Zweckmäßigerweise werden zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
die trapezförmigen Gleichspannungssignale auf das erste Gitter einer Doppeltriode
zur Verstärkung der Signale gegeben, die durch einen nachgeschalteten Kondensator
und Widerstand differenziert werden, sodann die entstehenden negativen Rechteckspannungen
durch einen Gleichrichter unterdrückt und die positiven Spannungen auf das zweite
Gitter der Doppeltriode geleitet werden, der ein die verstärkten positiven Spannungen
differenzierender Kondensator sowie ein polarisiertes Relais nachgeschaltet ist.
Dabei ist durch die Abstimmung der Kapazität, der Selbstinduktivität des polarisierten
Relais und einen nachgeschalteten Widerstand die Ansprechzeit des polarisierten
Relais einstellbar.
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Um zu erreichen, daß auch bei Werkstücken von sehr kleinen Abmessungen
verläßliche Maße der zu messenden Stärke der Werkstücke erhalten werden, mißt die
Einrichtung nach dem Erfindungsgedanken nur eine kurze Zeit, d. h. etwa 5 bis 30
Millisekunden lang.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung an Hand eines Ausführungsbeispiels
veranschaulicht. Es zeigt
Fig. 1 schematisch die Ableitung des negativen Steuerimpulses
aus dem trapezförmigen Gleichspannungssignal des Tastkopfes gemäß der Erfindung,
Fig. 2 den elektrischen Schaltplan der Meß- und Steuereinrichtung.
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Die Hebung, Sperrung und Senkung des Meßfühlers 1 wird zum Zwecke
des schnellen Auswechselns der Werkstücke durch diese selbst durchgeführt. -Die
Darstellung gemäß Fig. 1 a zeigt beispielsweise verschieden brelte, aber gleich
hohe Werkstücke 2 auf dem Tisch 5 einer Planschleif- -maschine. Die Relativgeschwindigkeit
v zwischen dem Meßfühler 1 und dem Werkstück 2 kann während der Bearbeitung praktisch
als konstant angenommen werden. Der untere, konische Teil 3 des Meßfühlers 1 beginnt
im Augenblick der Berührung mit dem Werkstück 2 den Meßfühler 1 hochzuheben. Die
Aufwärtsbewegung hört auf, wenn die Spitze des Meßfühlers die Oberfläche 4 neben
den Ecken der Werkstücke 2 erreicht hat. Die in F i g. 1 schematisch dargestellten
Werkstücke 2 können aber noch so unregelmäßig auf dem Tisch 5 der Schleifmaschine
S aufgespannt werden, die erfindungsgemäße Meßeinrichtung beginnt das Messen immer
genau in dem Augenblick, in dem der Meßfühler die Oberfläche neben den Ecken 4 der
Werkstücke 2 erreicht hat.
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Durch die Bewegung des Meßfühlers 1 wird ein elektromechanischer
Wandler beaufschlagt, der über eine elektrische Meßwertschaltung elektrische Gleichspannungsimpulse
erzeugt.
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Der »selbstgesteuerte«, d. h. durch die Werkstücke selbst bewegte
Fühler erzeugt beim Auffahren auf die Oberfläche der Werkstücke einen Impuls, welcher
den elektronischen Teil der Einrichtung zum Messen einschaltet. Damit ist gesichert,
daß eine Messung nur dann erfolgt, wenn sich eine bearbeitete Oberfläche unter der
Spitze des - Meßfühlers 3 befindet (also keine Nut oder Unterbrechung). Nach Ende
der Messung schaltet der elektronische Meßteil so lange wieder ab, bis der Fühler
auf den nächsten Teil der Werkstäckoberfläche oder das nächste Werkstück auffährt
und damit einen neuen Impuls gibt.
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Wie aus Fig. 1 b ersichtlich, erzeugt der auf die Werkstücke 2 auffahrende
Meßfühler im Meßgerät ein trapezförmiges Gleichspannungssignal. Die Impulshöhe,
d. h. Amplitude, des erhaltenen Signals entspricht der zu messenden Abmessung, z.
B. Dicke, des Werkstückes-2. Bei der Auswertung der Messung werden die in F i g.
1 b dargestellten, der Zahl der Werkstücke entsprechenden trapezförmigen Gleichspannungssignale
elektrisch differenziert, so daß sich positive und negative Rechteckimpulse während
des Auflaufens auf die zu messenden Werkstückoberflächen bzw. beim Abrutschen in
die Unterbrechungen zwischen diesen Oberflächen ergeben (Fig. 1 c).
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Da die Signale, welche sich beim Verlassen des Fühlers von der Werkstückoberfläche
ergeben, für die weitere Behandlung der Signale überflüssig sind, werden die negativen
Signale der F i g. 1 c ausgefiltert, so daß nurmehr die positiven Rechtecksignale
übrigbleiben (Fig. led). Diese werden nun nochmals differenziert, wodurch sich die
in Fig. le dargestellten kurzen positiven und negativen Impulse ergeben, von denen
sodann die positiven Impulse unterdrückt werden und nurmehr eine in Fig. 1 f
dargestellte
Signalreihe von kurzen negativen Impulsen übrigbleibt, durch die gerade das Auftreffen
des Meßfühlers auf der Werkstückoberfläche gekennzeichnet ist, wie F i g. 1 zeigt.
Diese kurzen negativen Impulse werden sodann zur Erregung eines polarisierten Relais
verwendet, das einen Schalter schließt, so daß während der Zeit des geschlossen
gehaltenen Schalters die Meßspannung U an das Meßinstrument durchgegeben wird und
dieses die Stärke oder den Durchmesser des Werkstückes anzeigt, so lange, bis durch
das Abfallen des verzögerten polarisierten Relais (Meßzeit etwa 5 bis 30 Millisekunden)
der Schalter wieder öffnet und somit die Meßspannung U nicht mehr zum Meßinstrument
durchgelassen wird.
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In F i g. 2 ist das elektronische Schaltungsschema der Meß- und Steuereinrichtung
zur Verwirklichung des Erfindungsgedankens gemäß Fig. 1 dargestellt, wobei mit 6
der von der Bewegung des Meßfühlers 1 beaufschlagte elektromechanische Wandler bezeichnet
ist. Bei einer Verschiebung des Meßfühlers 3 wird die Induktivität der Spulen Lj
bzw. L2 und damit die Brückenspannung der von einem 3500-Hz-Generator 8 gespeisten
Wechselstrombrücke 7 geändert. Die der Fühlerverschlebung proportionale Brückenausgangsspannung
wird über einen Verstärker 9 und einen HF-Trafo 10 einem phasenempfindlichen Gleichrichter
11 zugeleitet, an dessen Ausgang die der Verschiebung des Meßfühlers 3 proportionalen
trapezförmigen Gleichspannungssignale erscheinen, die bei geschlossenem Schalter
12 auf den Speicher-Kondensator 13 und das Röhrenvoltmeter 14 bzw. Anzeigeinstrument
23 und Steuereinrichtung 24 gelangen. Das Schließen bzw. Öffnen des Schaltersl2
besorgt erfindungsgemäß das polarisierte Relais 15.
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Solange der Schalter 12 geöffnet ist, d. h. das polarisierte Relais
15 noch nicht erregt ist, gelangen die trapezförmigen Gleichspannungssignale (vgl.
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1, i g. 1 b) zunächst auf das erste Gitter einer Doppel triode 16.
Die hier verstärkten Spannungs signale werden sodann durch einen nachgeschalteten
Kondensator 17 und einen Widerstandl8 differenziert (vgl. F i g. 1 c). Ein Gleichrichter
19 unterdrückt anschlleßend - die entstandenen negativen Rechteck-Spannungen (vgl.
F i g. 1 d) und leitet die noch verbliebenen positiven Rechteck-Spannungen über
einen Widerstand 20 auf das zweite Gitter der Doppeltriode 16, wodurch sie erneut
verstärkt werden. Die positiven Rechteck-Spannungen werden anschließend durch einen
Kondensator 21 und eine Spule 22 des polarisierten Relais 15 nochmals differenziert,
so daß nunmehr eine Reihe kurzer positiver und negativer Impulse entsteht (vgl.
F i g. le). Die negativen Impulse erregen das polarisierte Relais 15, durch das
der Schalter 12 geschlossen wird. Nunmehr können die Meßspannungen U auf den Kondensator
13, das Röhrenvoltmeter 14 und von dort weiter auf das Zeigerinstrument 23 bzw.
über die Leitungen 24 zur Steuereinrichtung der Werkzeugmaschine gelangen.
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Der Abfall des polarisierten Relais 15 und damit das Öffnen des Schalters
12 erfolgt immer dann, wenn die Spannung des Kondensators 21 sich über einen Widerstand
25 entladen hat Somit kann durch die Abstimmung der Kapazität 21, der Selbstinduktivität
22
und Auslegung des Widerstandes 25 die Ansprechzeit des polarisierten Relais bzw.
die Schließzeit des Schalters 12 eingestellt werden (etwa 5 bis 30 Millisekunden).