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Einrichtung zur berührungslosen Bestimmung der Exzentrizitäten von
Prüflingen Die Neuerung betrifft eine Einrichtung zur berührungslosen
| Bestimmung der Exzentrizitäten von Prüflingen. |
| In vielen Fällen ist es erwünscht, das genaue Mass und die |
| genaue Lage von Exzentrizitäten und Prüflingen zu kennen, |
sei es um festzustellen, dass eine gewollte Exzentrizität eingehalten wurde, oder
dass der Prüfling innerhalb bestimmte Toleranzen von jeder Exzentrizität frei ist.
Unter Exzentrizitäten im letzteren Fall sollen dabei Rundlauffehler' aller Arten
verstanden werden. Bei langgestreckten Prüflingen z. B. bei Spinnspindeln, lassen
sich die Rundlauffehler dabei auf voneinander grundlegend verschiedene Ursachen
zurückführen, sodass dementsprechend auch die verschiedenartigsten Korrekturmassnahmen
erforderlich wären.
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Wenn z. B. eine Spinnspindel auf ihre Spitze einen leichten seitlichen
Schlag erhält, nimmt ihre Symmetrieachse einen leicht gekrümmten, geknickten oder
S-förmigen Verlauf an.
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Ihre Spitze beschreibt dementsprechend im Betrieb einen kleinen Kreis.
Liegt der Durchmesser desselben beispielsweise über 1/los mm ist die Spinnspindel
für viele Zwecke nicht mehr verwendbar. Um die Spinnspindel exakt"ausrichten" zu
können, müsste die Winkellage des"Schlages"und der Verlauf des"Schlages über die
gesamte Länge der Spindel bekannt sein.
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Der Rundlauffehler kann jedoch auch darauf zurückzuführen
| sein, dass irgendeine Stelle der Spindel im Querschnitt nicht |
| zu |
| exakt kreisrund gearbeitet ist. In diesen Fällen würde |
| ein"Ausrichten"der Spindel den Fehler nur vergrössern. |
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Es muss hier dementsprechend ein Ausgleich durch Nacharbeiten der
Oberfläche geschaffen werden. Weiterhin können Rundlauffehler auf eine fehlerhafte
Lagerung zurückzuführen seine In diesem Falle rotiert die Symmetrieachse des Prüflings
um die Lagerachse. Ein Ausrichten oder Nacharbeiten der Oberfläche des Prüflings
vergrössert auch hier im allgemeinen den Fehler. Weiterhin kann es vorkommen, dass
ein Prüfling in der Ruhe bei kleiner Drehzahl keinen Rundlauffehler hart. Bei hochtourigem
Betrieb treten jedoch Verformungen infolge Materialinhomogenitäten z. B. von kleinen
Luft-
| einschlüssen, und den darauf zurückzuführenden Unwuchtkräften |
| auf. |
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Bei der Prüfung von dünnen Prüflingen, wie Spinnspindeln, besteht
weiterhin die Schwierigkeit, dass der Anpressdruck eines Messfühlers oder dgl. bereits
genügt, um seinerseits erhebliche Rundlauffehlers in den Messvorgang einzubringen.
Die Messung des Rundlauffehlers muss also bei diesen Prüflingen berührungslos erfolgen.
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Obwohl die verschiedenartigsten Ausführungsformen von berührungslos
arbeitenden Rundlaufprüfgeräten bekannt sind, ist es bei den bekannten Geräten nicht
oder nur mit sehr grossem Aufwand möglich, die genaue Art, Winkellage und Grösse
des oder der Rundlauffehler zu bestimmen. Darüberhinaus treten bei den be-
| kannten Einrichtungen weitere Nachteile auf, die die Einsatz- |
| zu |
| möglichkeiten derselben erheblich beschränken. |
| Die auf optischer Basis arbeitenden bekannten Einrichtungen |
| haben den Nachteil, dass sie einen relativ grossen Aufwand |
| 3 |
| an teueren optischen Einrichtungen, z.. an Linsen oder Spiegeln, |
bedingten. Da die Optik bei jedem Wechsel der Gattung des Prüflings nachgestellt
werden muss, scheiden diese Einrichtungen im allgemeinen für Anwendungsgebiete aus,
bei denen jeweils nur kleine Stückzahlen einer bestimmten Gattung zu prüfen sind.
Ein weiterer Nachteil der optischen Einrichtung liegt darin, dass besondere Vorschriften
hinsichtlich der Beleuchtuhg des Arbeitsraumes eingehalten werden müssen, damit
die
Prüflinge beispielsweise auf einer Mattscheibe entsprechend
| abgebildet werden. Weiterhin sind die optischen Einrichtungen |
| CD |
schlecht zur Bestimmung von Rundlauffehlern, die erst bei hochtourigem Betrieb des
Prüflings auftreten, geeignet und darüberhinaus kann die Position des Fehlers nicht
gemessen werden.
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Die mit magnetischen, induktiven oder kapazitiven Abstandsmesseinrichtungen
arbeitenden Oberflächenprüfgeräte sind sehr schwierig zu eichen. Weiterhin sind
sie von dem Material des Prüflings abhängig. Prüflinge aus neutralem Material, z.
B. aus Kunststoffen, können mittels dieser Geräte nicht geprüft werden.
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Es sind weiterhin Schlagprüfgeräte bekannt, bei denen der sogenannte"Schlag
des Prüflings"als'-Funktion des Zentriwinkels nach den Gesetzen der harmonischen
Analyse gemessen wird, Bei diesen Einrichtungen ist jedoch Voraussetzung, dass der
Prüfling über eine Kupplung phasenstarr angetrieben wird, was jedoch bei vielen
Prüflingen z. B. bei sehr dünnen Prüflingen oder bei elastischen Prüflingen, nicht
möglich ist.
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Gemäss der Neuerung soll nun eine weitgehend universell anwendbare
Einrichtung zur berührungslosen Messung der Rundlauffehler vorgeschlagen werden,
bei welchem die Nachteile der bekannten Einrichtungen vermieden werden.
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Die Einrichtung gemäss der Neuerung unterscheidet sich von
vergleichbaren
bekannten Anordnungen im wesentlichen dadurch dass der Prüfling in einen senkrecht
oder auch schräg zu seiner Achse verlaufenden Lichtfluss angeordnet ist, wobei der
an der einen Seite des Prüflings vorbeigehende Lichtfluss von einer Fotozelle gemessen
wird, die an eine Mess-oder Auswerteeinrichtung angeschlossen ist.
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Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform ist an dem Prüfling oder
an einem mit diesem umlaufehden Teil eine Marke oder eine sich ganz oder teilweise
über den Umfang des Prüflings erstreckende Positionsmarkierung angebracht. Die Fotozelle
ist an das Gitter einer Röhre angeschlossen, welche eine Stroboskoplampe in Abhängigkeit
von den Nulldurchgängen, Maxima oder
| Minima des Fotozellenwechselstromes zündet. |
| "- |
| Im einzelnen befindet sich an einem Ständer, in welchem der |
| Rotationskörper drehbar angeordnet ist, mindestens eine An- |
ordnung aus einer Lichtquelle und einer Photozelle. Damit sämtliche Obe flächenstellen
des Prüflings überprüft werden können, enthält dabei vorzugsweise der Ständer eine
parallel zu dem Rotationskörper verlaufende Schiene, in welcher mehrere Schlitten
verschiebbar sind, die je eine Anordnung aus der Lichtquelle und der Photozelle
tragen. Jeder Schlitten ist zweckmässigerweise mit einem Schieber zur Abdeckung
des Lichtstromes auf der einen Seite des Prüflings versehen.
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Am Fusse des Ständers können mindestens ein Verstärker und ein Anzeigeinstrument
für den Ausgangsstrom des Verstärkers angeordnet sein. Für den Antrieb des Prüflings
ist eine Reibrolle vorgesehen, welche vorzugsweise zusammen mit einem zugeordneten
Elektromotor auf einem Schwenkhebel sitzt. Dem Verstärker kann eine Einrichtung
zur Steuerung einer Stroboskoplampe in Abhängigkeit von dem Photozellenstrom nachgeschaltet
sein.
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Für die Ueberprüfung von Prüflingen, die bereits mit einem betriebsmässigen
Drehlager versehen sind, besitzt der Ständer einen Ausleger zur Einspannung dieses
Drehlagers. Für die Ueberprüfung von Prüflingen, die erst nachher gelagert werden,
besitzt der Ständer eigene Lagermittel für den Prüfling, z. B.
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Körerspitzen.
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Auf der beiliegenden Zeichnung ist eine bevorzugte Ausführungsform
der Neuerung dargestellt.
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Es zeigen : Fig. 1 schematisch die der Neuerung zugrunde liegende
Messeinrichtung Fig. 2 eine Vorderansicht einer Ausführungsform eines Oberflächenprüfgerätes
gemäss der Neuerung Fig. 3 eine Seitenansicht der Ausführungsform gemäss Figo 2,
Fig. 4 eine Draufsicht auf die in Fig. 2 und 3 dargestellte Ausfithrungsf orm.
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Der rotationssymmetrische Prüfling A wird, wie Fig. l zeigt, in einem
Lichtfluss B gebracht, welcher von einer an eine Gleichstromquelle z. B. eine Batterie,
angeschlossenen Glühbirne C erzeugt und von einer Linse D gebündelt wird. Die Anordnung
ist dabei so gewählt, dass der Prüfling A einseitig in den Lichtfluss B eintaucht
oder dass der auf der einen Seite (im Sinne der Darstellung der Fig. 1 der oberen
Seite) an den Prüfling vorbeigehende Lichtstrom durch eine Blende oder dgl. abgedeckt
wird. Der an der anderen Seite des Prüflings A vorbeigehende Lichstrom trifft auf
eine Photozelle E. Die Ausgangsspannung der Photozelle E wird mittels eines Verstärkers
F verstärkt und durch ein Messinstrument G angezeigt.
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Wenn der Prüfling A exakt rotationssymmetrisch ist, wird sich bei
Drehung desselben um seine Rotationsachse der auf die Photozelle E treffende Lichtfluss
nicht ändern. Ist der Prüfling A dagegen nicht exakt rotationssymmetrisch oder fällt
seine Lagerachse nicht exakt mit der Rotationssymmetrieachse zusammen, ändert sich
bei Drehung des Prüflings A der auf die Photozelle fallende Lichtfluss. Die Große
dieses Rundlauffehler des Prüflings A ist nun der Lichtflussänderung und dem Effektivwert
der von der Photozelle abgegebenen Wechselspannung proportional, sodass dementsprechend
der Rundlauffehler des Prüflings direkt an dem Messinstrument G abgelesen werden
kann.
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Gemäss der in den Figuren 2 bis 4 dargestellten Ausftihrungsform ist
ein Ständer 1 mit einem Fuss 2 vorgesehen. Der
Ständer 1 besitzt
eine beispielsweise schwalbenschwanzförmig ausgesparte Schiene 3. Auf der schiene
3 gleiten Schlitten 41 und 42'Wenn erwÜnscht können selbstverständlich noch mehrere
Schlitten 4 vorgesehen werden. Jeder der Schlitten 4 enthält in einem Gehäuse eine
Glühbirne C bzw. C2 mit einer Linse D1 bzw. D2 und eine Photozelle E1 bzw. E2, sowie
einen Winkel 51 bzw. 52 zur Abdeckung der einen Hälfte des Schattenbildes des Prüflings
A auf der Photozelle E1 bzw. E2. Die Glühbirnen C1 und 02 sind über die Leitungen
61 bzw. 62 an eine Batterie angeschlossen. Die Photozellen E1 bzw. E2 sind über
die Leitungen 71 bzw. 72 mit dem Verstärker F verbunden.
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Der Ständer 1 enthält weiterhin einen Ausleger 8, in welchem das Lager
9 des Prüflings A-indemdargestellten Fall eine Spinnspindel-eingespannt werden kann.
Weiterhin ist in dem Ständer 1 ein Hebel lo drehbar gelagert, welcher einen Motor
11 und eine mit dem Motor 11 drehschlüssig verbundene Reibrolle 12 trägt. Der auf
dem Fuss 2 angeordnete Verstärker F enthält einen Schalter E1, mittels dessen er
wahlweise auf die Photozellen E1 oder E2 aufgeschaltet werden kann. Weiterhin trägt
der Fuss 2 das Messinstrument G. Die Empfindlichkeit des Messinstrumentes kann durch
den Empfindlichkeitswählschalter F2 des Verstärkers F entsprechend eingestellt werden.
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Die Wirkungsweise der dargestellten Ausführungsform ist folgende :
In
den Ausleger 8 wird eine Spindel A samt ihrer betriebsgemässen Lagerung 9 eingesetzt.
Durch die Verschwenkbarkeit der Reibrolle 12 ist dabei gewährleistet, dass auch
Spindeln mit unterschiedlichem Wirteldurchmesser geprüft werden können.
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Der Antrieb durch die Rolle 12 erfolgt dabei vorzugsweise rechtwinklig
zur Messrichtung und am Wirtel in Höhe des Halslagers, damit Bewegungen durch den
Antrieb aufgrund des Lagerspieles in das Messergebnis nicht eingehen. Der Antriebsmotor
11 ist in seiner Drehzahl regelbar, damit die zu prüfenden Spindeln A mit der gewünschten
Prüfdrehzahl angetrieben werden können. Die Prüfzahl richtet sich dabei einerseite
nach der Art des Prüflings und andererseits danach, ob
| der"statische"Rundlauffehler oder der"dynamische"Rundlauf- |
| fehler geprüft werden soll. |
| .. |
| Die Anzahl der Messtellen richtet sich nach der Anzahl der
zu |
| kontrollierenden Ebenen, wobei unabhängig von den Dimensionen |
des Prüfling A die Schlitten 4 durch Verschiebung in der Schiene 3 auf die gewünschte
Messebene eingestellt werden
| können. Durch Betätigung des Schalters F1 können nun die |
verschiedenen Messtellen auf den Verstärker F aufgeschaltet werden. Der Schalter
F2 wird auf die gewünschte Empfindlichkeit entsprechend der Prüfaufgabe und den
festgelegten Toleranzen eingestellt.
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In vielen Fällen genügt es nun, die Grösse des Rundlauffehlers des
Prüflings A zu messen. Wenn jedoch aufgrund der Messuhgen
nachfolgende
Korrekturen, sei es durch Richten oder durch Bearbeiten, vorgenommen werden sollen
kann die Winkellage des
| . CI |
| Unwuchtfehlers durch langsames Durchgehen des Prüflings A |
unter Beobachtung des Zeigerausschlages des Messinstrumentes G festgestellt werden.
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Für die Messung der Position des Rundlauffehlers im Bereich hoher
Drehzahlen wird die von der Photozelle erzeugte Spannung beispielsweise zur Steuerung
eines Stroboskopes üblicher Bauart verwendet. Das Stroboskop kann dabei über eine
Zusatzeinrichtung an den Verstärker F angeschlossen sein. Die Zusatzeinrichtung
kann selbstverständlich auch in dem Verstärker F enthalten sein. Die Zusatzeinrichtuhg
ist dabei in bekannter Weise so ausgebildet, dass die Stroboskoplampe jedesmal zündet,
wenn der von den Fotozellen E1 oder E2 gelieferte Strom ein Maximum oder Minimum
durchläuft oder durch Null geht. Selbstverständlich kann auch mit einem definierten
Phasenwinkel zwischen der Zündung der Stroboskoplampe und diesem Maximum oder Minimum
gearbeitet werden. Wenn nun irgendwo an dem Prüfling A, beispielsweise an dem Wirtel
desselben, eine Markierung angebracht ist, wird diese Markierung im visuellen Eindruck
in einer bestimmten Winkellage stillstehen, woraus unmittelbar auf die Winkellage
des Rundlauffehlers geschlossen werden kann. Die Position des Rundlauffehlers kann
auch durch andere Einrichtungen, wie sie beispielsweise in der Auswuchttechnik verwendet
werden, bestimmt werden. Hierzu ist jedoch erforderlich, dass eine mit dem Umlauf
des Prüflings synchrone
und phasengetreue Phasenvergleichsspannung
abgeleitet wird.
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Dies kann auf folgende Art und Weise geschehen : An dem Prüfling,
beispielsweise an dem Wirtel der Spinnspindel, wird eine Marke angebracht, die mittels
einer Fotozelle abgetastet wird. Die Fotozelle liefert also bei jedem vollen Umlauf
des Prüflings einen Impuls. Aus dieser impulsförmigen Abtastspannung können über
einen Sägezahngenerator und Multivibratoren zwei um 900 gegeneinander phasenverschobene
Rechteckspannungen hergestellt werden, welche in ihrer Frequenz der jeweiligen Umlaufdrehzahl
des Prüflings entsprechen und deren Phase je einem bestimmten Radiusvektor des Prüflings
entspricht.
| Im einzelnen erfolgt die Umwandlung dabei folgendermassen : |
| i |
| Die Sägezahnspannung wird über einen Kondensator erdgemittelt |
| CD |
und über eine Wendeeinrichtung, z. B. eine Triode, in eine spiegelbildliche Sägezahnspannung
umgesetzt. Die beiden erdgemittelten Sägezahnspannungen werden über Gleichrichter
gemischt. Nach der Mischung erhält man eine dreieckförmige Spannung. deren Nulldurchgänge
genau um 9o° phasenverschoben zu den Nulldurchgängen der ersten Sägezahnspannung
liegen. Die beiden um 900 phasenverschobenen Rechteckspannungen werden dann von
Multivibratoren erzeugt, die einerseits von der ersten Sägezahnspannung direkt und
andererseits von der Mischspannung gesteuert werden. Obgleich auch andere Einrichtungen,
beispielsweise mechanische Unterbrecher zur Erzielung der Rechteckspannungen verwendet
werden können, hat die geschilderte Anordnung die
besonderen Vorteile,
das, keinerlei mit dem Prüfling mechanisch gekuppelte Einrichtungen verwendet werden
müssen und dass der Phasenwinkel von 900 zwischen den beiden Rechteckspannungen
völlig unabhängig von der Drehzahl des Prüflings ist. Die bekannten anderen Phasenschiebermittel
sind dagegen im allgemeinen frequenzabhängig.
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Man kann nun beispielsweise je eine der beiden Rechteckspannungen
auf eine Spule eines Wattmeters aufschalten. Die andere Spule des Wattmeters wird
dann von der verstärkten Spannung der Photozelle E gespeist. Durch die in den Wattmetern
stattfindende Muliplikation erhält man dann unmittelbar die Komponenten des Unwuchtfehlers
in zwei rechtwinklig
| zueinander stehenden Radiusvektoren (bzw. infolge der Plus- |
| zu |
| Minus-Anzeige der Wattmeter in vier Radiusvektoreno) Voraus- |
| setzung ist selbstverständlich, dass in Drehzahlbereichen ge- |
arbeitet wird, bei denen die beiden Spulen der Wattmeter als identische komplexe
Widerstände anzusehen sind und bei denen Rückwirkungen der beiden Spulen aufeinander
und die Hysterese des Eisenkern zu vernachlässigen sind. Will man von der Umlaufdrehzahl
des Prüflings weitgehend unabhängig sein und speicherbare über längere Zeiträume
hinweg ablesbare Messwerte erhalten, kann man folgendermassen vorgehen : Die Spannung
der Photozelle E wird je im Rhythmus der beiden Rechteckspannungen zerhackt. Die
beiden zerhackten Spannungen werden je für sich mittels RC-Gliedern integriert,
wobei die in den Kondensatoren der RC-Glieder gespeicherten Spannungen
charakteristisch
für den Rundlauffehler nach Grösse und Winkellage sind. Die Spannungen können beispielsweise
unmittelbar auf die Plattenpaare einer Oszillographenröhre aufgeschaltet werden.
Auf den Schirm derselben kann dann der Rundlauffehler nach Grösse und Winkellage
unmittelbar abgelesen werden. Es können jedoch auch andere Auswerteinrichtungen
den RC-Gliedern nachgeschaltet werden, wie sie in der Auswuchttechnik bekannt
Zur Erleichterung <ä). es Verständnisses der Erfindung wurde das auf den Zeichnungen
dargestellte Ausführungsbeiwpiel bewusst einfach gehalten. Die Schlitten 4 können
jedoch auch in der Schiene 3 mittels einer mechanischen Einrichtung verschoben werden,
welche gleichzeitig ein Papierband verschiebt. Wenn anstelle des Messgerätes G eine
auf dieses Papierband arbeitende Schreibeinrichtung verwendet wird, kann auf dem
Papierband die Grösse des Rundlauffehlers über die gesamte Länge des Prüflings hinweg
abgelesen werden.
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Weiterhin können Blenden vorgesehen werden, welche den Lichtfluss
B einengen, sodass der Rundlaffehler nur in einem sehr schmalen Bereich des Prüflings
A gemessen wird, oder, wenn erwünscht, der über eine gewisse Strecke gemittelte
Rundlauffehler gemessen wird. Die Blenden können wiederum mechanisch angetrieben
werden, wobei dann der Verstärker F über eine Zusatzeinrichtung die Einrichtung
zur Verschiebung der Schlitten 4 und/oder die Einrichtung der lendenverstellung
beispielsweise
so steuern kann, da. es der Schlitten 4 an der Stelle
des grössten liundlauffehlers stehen bleibt und/oder dass die Öffnungsweite der
Blende den Bereich anzeigt, über den sich der Rundlaffehler erstreckt, vorausgesetzt,
dass es sich bei dem Rundlauffehler um einen Oberflächenfehler handelt. Die Schiene
3 kann beispielsweise in Kupplung mit der Bewegung der Schlitten 4 relativ zu dem
Fuss 2 so verschoben werden, dass die Kontur des Prüflings abgetastet wird. Die
Schiene 3 kann weiterhin an dem Fuss 2 über eine Drehverbindung befestigt sein,
sodass sie beispielsweise bei der Prüfung von kegelförmigen Prüflingen in dem Dffnungswinkel
des Kegels schräggestellt werden kann. Es ist ohne weiteres ersichtlich, dass auf
diese Weise die Einrichtung gemäss der Erfindung sämtlichen der eingan s geschilderten
Prüfaufgaben angepasst werden kann.
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Das Messinstrument G kann in Zuordnung zu dem Empfindlichkeitsbereichen
in Längeneinheiten geeicht werden. (z.B. ein Teilstrich = 0,001 mm), sodass die
Grösse des Rundlauffehlers unmittelbar abgelesen werden kann.
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Die bei der dargestellten Ausführungsform gewählte Anordnung kann
sinngemäss für die Prüfung anderer Rotationskörper abgewandelt werden. Die dargestellte
vertikale Anordnung der Spindel entspricht der Art des Prüflings. Die Anordnung
kann selbstverständlich auch horizontal oder in einer Neigung zur Vertikalen oder
Horizontalen erfolgen, falls der Prüfling diese
Lage vorschreibt.
Anstelle der Betriebslagerung können auch Prismenlager oder Körnerspitzen zur Aufnahme
des Prüflings dienen. Anstelle des Umschalters F2 können auch zwei oder mehrere
Anzeigegeräte G vorgesehen werden, sodass die Rundlauffehler für mehrere Messtellen
gleichzeitig angezeigt werden.
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Die Prüfeinrichtung gemäss der Neuerung kann auch als Ueberwachungsgerät
oder Zusatzgerät an Maschinen oder Vorrichtungen der verschiedenartigsten Gattung
Verwendung finden. So kann z. B. der Lauf eines Kreisels oder einer Turbine ständig
überwacht werden, indem an irgendwelchen geeigneten Stellen eine Lichtquelle und
eine Photozelle so angeklemmt werden, dass die Lichtquelle einen Schatten eines
Teiles der Peripherie des Kreisels oder der Turbine auf der Photozelle abbildet.
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Bei Auswuchtmaschinen kann eine entsprechende Zusatzeinrichtung der
Klärung der Frage dienen, ob eine aufgefundene Unwucht auf eine Formungenauigkeit
oder auf Materialinhomogenitäten zurückzuführenisto