DE19532012C2 - Vorrichtung und Verfahren zur hochgenauen Abstandsmessung - Google Patents

Description

Abstandsmessungen, insbesondere Innenmessungen, d. h. die Bestimmung des Abstandes zwischen bspw. einander gegenüberliegenden Flächen von hochgenau zu fertigenden Werkstücken oder anderweitigen Prüflingen, werden in der Praxis häufig mit Längenmeßmaschinen vorgenommen. Solche Meßmaschinen weisen zwei mit dem jeweiligen Prüfling in Anlage zu bringende Taster auf, von denen wenigstens einer verstellbar gelagert ist. Zur Messung des gesuchten Ab­ standes wird der verstellbare Taster mit einer definierten Kraft beaufschlagt, wozu eine geeignete Antriebseinrich­ tung vorgesehen ist. Die Bewegung und die Stellung des Meßtasters wird von einer entsprechenden Sensoreinrichtung erfaßt und mit einer Maßverkörperung verglichen.

Als Folge der Ausübung der Meßkraft über die Taster auf den Prüfling tritt eine elastische Deformation des Prüflings und der an der Kraftübertragung beteiligten Elemente der Meßmaschine auf. Eine derartige Deformation verfälscht, insbesondere, soweit sie Elemente der Meßma­ schine betrifft, den Meßwert.

Die Ausübung einer Meßkraft auf den Prüfling ist vor allem in Fällen unerläßlich, in denen die Abmessungen eines Prüflings bestimmt werden müssen, die dieser im Be­ lastungsfall aufweist. Ein solches Maß ist bspw. das Arbeitsmaß von Rachenlehren. Das Arbeitsmaß ist dabei der Durchmesser einer sachgemäß gereinigten (mit Vaseline-Fetthauch versehenen und dann sorgfältig abgewischten) Prüflehre, über die die Rachenlehre unter Wirkung ihrer Gebrauchsbelastung gerade hinübergeht, wenn die Rachenleh­ re beim Anschäbeln vorsichtig in Ruhe gebracht und dann losgelassen wird, die Zylinderachse der Prüflehre waa­ gerecht liegt und die Rachenlehre senkrecht steht. In diesem Zustand übt die Prüflehre eine aufweitende Kraft auf die Meßflächen der Rachenlehre aus. Diese Kraft ruft eine im Mikrometerbereich liegende Verformung der Rachen­ lehre hervor. Wird das Arbeitsmaß der Rachenlehre mittels einer Längenmeßmaschine bestimmt, ruft diese Kraft eine entsprechende Verformung an Elementen der Meßmaschine, insbesondere an als Meßbügel ausgebildeten Tastern, her­ vor. Verformungen der Meßmaschine und deren Elemente können die Meßwerte verfälschen.

Darüber hinaus hat sich gezeigt, daß Längenmeßmaschi­ nen der genannten Bauart in der Regel sehr empfindlich gegen Temperaturschwankungen sind. In die Genauigkeit des Meßergebnisses gehen sowohl die Temperaturen des Prüflings und der Maßverkörperung ein, als auch die Temperaturen der Taster und anderer zum Meßkreis gehörender mechanischer Elemente. Während die Temperaturänderung der Maßverkörpe­ rung und des Prüflings mittels geeigneter Sensoren erfaßt und bei der Verarbeitung des Meßergebnisses berücksichtigt werden können, hat es sich als nicht praktikabel herausge­ stellt, Temperatur- und damit Dimensionsveränderungen von weiteren im Meßkreis liegenden Elementen zu berücksichti­ gen. Längenmeßmaschinen zum genauen Ausmessen von Lehren oder anderweitigen genau zu bearbeitenden bzw. auszumes­ senden Prüflingen sind deshalb jedenfalls dann, wenn sie nicht unter genau kontrollierten klimatischen bzw. thermi­ schen Verhältnissen eingesetzt werden können, in regelmä­ ßigen Zeitabständen nachzukalibrieren. In der Praxis ist dies alle zehn bis fünfzehn Minuten erforderlich, was bei einer Kalibrierzeit von jeweils einigen Minuten für einen flüssigen Produktionsablauf hinderlich ist.

Aus der DE 43 08 283 A1 ist eine Meßvorrichtung be­ kannt, die zwei auf einem sich horizontal erstreckenden Grundkörper gelagerte Halterungen aufweist. Wenigstens eine der Halterungen ist entlang des Grundkörpers ver­ stellbar befestigt. In den Halterungen sind Meßeinsätze angeordnet, wobei der den Meßwertgeber enthaltende Meßein­ satz fest und der zugehörige Meßeinsatz entgegen einer Federkraft für einen Meßhub beweglich angeordnet ist. Vor jeder Meßaufgabe wird eine Kalibrierung durch Endmaße oder ein Meisterstück vorgenommen. Dies erfolgt durch Einsetzen des Meisterstückes zwischen die Meßeinsätze.

Aus der DE 41 03 060 C2 ergibt sich ein Verfahren, bei dem unterschiedliche, durch die Meßkraft bedingte Deformationen mittels jeweils spezieller Formeln berück­ sichtigt werden. Die Formeln sind vorgegeben und dienen der Berechnung eines Kalibriermaßes.

Auch nach Kalibrierung sind diese Einrichtungen empfindlich gegen langfristige Temperaturschwankungen. Dies kann die Meßgenauigkeit beeinträchtigen.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Bestimmung von Län­ genabmessungen zu schaffen, das bzw. die eine hohe Meß­ genauigkeit sicherstellt. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, dies bei wechselnden Prüflingen zu ermögli­ chen. Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Bestimmung von Längenmaßen von Prüflingen zu schaffen, das bzw. die eine hohe zeitliche Verfügbarkeit ermöglicht.

Diese Aufgabe, insbesondere der an erster Stelle genannte Aufgabenkomplex, wird durch ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 oder 4 gelöst. Außerdem wird die Aufgabe speziell hin­ sichtlich ihres an zweiter Stelle genannten Teiles durch ein Verfahren und eine Meßmaschine mit den Merkmalen der Patentansprüche 11 oder 22 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Meßverfahren wird die Meßmaschine vor dem Messen eines größeren Loses von Prüf­ lingen auch unterschiedlicher Abmessungen einmalig kali­ briert und hinterlegt. Dazu wird eine Kalibrier- oder Prüflehre angetastet, die einen Sollwert aufweist. Danach werden die Taster so lange aufeinander zu verstellt, bis sie aneinander anliegen. Der durchlaufene Weg stimmt in der Regel nicht exakt mit dem Sollwert der Kalibrier-Lehre überein. Die Differenz, oder besser ausgedrückt, die vorzeichenbehaftete Summe, bildet einen Tasterkalibrier­ wert, der als hinterlegter fester Korrekturwert für die nachfolgenden Messungen des Prüflings ohne erneute Kali­ brierung verwendet wird. Bei Wartung kann er kontrolliert werden.

Die sich anschließenden Messungen laufen prinzipiell in ähnlicher Reihenfolge ab wie die Kalibrierung, die als Messung der Kalibrier-Lehre angesehen werden kann. Es wird bei jeder Messung zunächst der Prüfling angetastet, wonach der Prüfling entfernt und die Taster miteinander in Anlage gebracht werden. Der durchlaufene Weg wird mit dem Ta­ sterkalibrierwert korrigiert, indem dieser bspw. zu dem durchlaufenen Weg addiert wird. Längenänderungen von Elementen des Meßkreises infolge von Temperaturänderungen haben, sofern die Maßverkörperung selbst keinen Variatio­ nen unterliegt, keinen Einfluß auf die Genauigkeit des Meßergebnisses. Durch den Bezug jeder Messung auf den Meßwert, bei dem sich beide Taster berühren (d. h. einen Nullwert), werden Längenvariationen von Elementen des Meßkreises zwischen einzelnen Messungen eliminiert. Es kommen nur noch während einer Messung auftretende Längen­ änderungen in Betracht, die jedoch aufgrund der kurzen Meßzeit, die zwischen dem Antasten eines Prüflinges und dem Zusammenfahren der Taster vergeht, äußerst gering sind und für auch genaueste praktische Messungen im Submikrome­ terbereich keine Bedeutung haben.

Zur praktischen Ausführung kann die Meßmaschine jeweils beim Antasten der Kalibrier-Lehre als auch beim Antasten des Prüflings genullt werden, wobei danach die jeweiligen Meßwerte als negative Werte anfallen. Die entsprechenden Summen und Differenzbildungen sind dann vorzeichenbehaftet vorzunehmen.

Das Verfahren ermöglicht ein Messen von theoretisch beliebig vielen Prüflingen ohne Nachkalibrierung der betreffenden Meßmaschinen, auch wenn zwischenzeitlich erhebliche Temperaturveränderungen aufgetreten sind. Es wird deshalb die verfügbare Meßzeit zu Lasten der anson­ sten einzuplanenden Kalibrierzeit verlängert, wodurch die Verfügbarkeit der Meßmaschine erhöht wird.

Eine entsprechende Meßmaschine ist mit einer vorzugs­ weise elektronischen Verarbeitungseinheit versehen, die den erläuterten Meßablauf ermöglicht. Die Verarbeitungs­ einheit ermittelt durch Vergleich eines bekannten Lehren-Sollwertes mit einer Meßwertdifferenz aus einem Meßwert mit angetastetem Prüfling und einem Meßwert mit sich berührenden Tastern einen Tasterkalibrierwert, der bei nachfolgenden Messungen Berücksichtigung findet. Die Messungen von Prüflingen erfolgen ebenfalls durch Diffe­ renzbildung zwischen einem Meßwert bei angetastetem Prüf­ ling und einem Meßwert bei sich berührenden Tastern. Zu dieser Differenz wird der Tasterkorrekturwert addiert. Die Verarbeitungseinheit, die vorzugsweise einen Mikrorechner enthält, ist bspw. mittels eines entsprechenden Programmes zur Durchführung des obigen Verfahrens eingerichtet.

Um ein Antasten von Lehren und Prüflingen zu ermögli­ chen, ist wenigstens einer der Taster verstellbar gela­ gert, wobei es insbesondere für die automatisierte Durch­ führung von Messungen und für die definierte Erzeugung von Meßkräften von Vorteil ist, wenn die Meßmaschine eine Antriebseinrichtung für den verstellbaren Taster aufweist. Diese kann bspw. von der Verarbeitungseinheit gesteuert sein.

Der den Meßabläufen vorangehende Kalibrierablauf kann von der Steuereinrichtung automatisch veranlaßt werden, wonach die Meßmaschine praktisch unterbrechungsfrei ver­ fügbar ist.

Prinzipiell ist eine solche Meßmaschine sowohl zur Bestimmung von Außen- als auch zur Bestimmung von Innenma­ ßen verwendbar. Bei Innenmaßbestimmung sind einander gegenüberliegend angeordnete Pinolen vorgesehen, an denen als Taster abgewinkelte Meßbügel befestigt sind. Diese dienen der Bestimmung von Bohrungsdurchmessern, Maulweiten oder dergleichen und sie können aufeinander zu gefahren werden, bis sie sich berühren. Dazu sind die Meßbügel jeweils sowohl an ihrer Innen- als auch an ihrer Außen­ seite mit Tastkörpern versehen, die an einem quer zu der Meßrichtung ausgerichteten Trägerabschnitt des Bügels befestigt sind. Während die außenseitig an dem jeweiligen Meßbügel befestigten Tastkörper zum Antasten der Taster miteinander dienen, sind die innenseitig angeordneten Tastkörper zum Antasten des Prüflings vorgesehen. Um beides problemlos durchführen zu können, ist einer der außenseitigen Tastkörper plan und der gegenüberliegende sphärisch gewölbt ausgebildet. Die innenliegenden Tast­ körper hingegen sind beide sphärisch gewölbt.

Soll mit der Meßmaschine eine Abmessung eines Prüf­ lings unter Berücksichtigung seiner Elastizität ermittelt werden, übt die Längenmeßmaschine mit den Tastern eine Meßkraft auf den Prüfling aus. Dies ist insbesondere bei der Maßkontrolle von Lehren, bspw. Rachenlehren, von Bedeutung. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die auf den Prüfling auszuübende Meßkraft anhand des Gewichtes des Prüflings bestimmt. Damit wird es insbesondere, wenn als Prüflinge Rachenlehren auszumessen sind, möglich, die Meßkräfte zu bestimmen, die zur Ermittlung des jeweiligen Arbeitsmaßes erforderlich sind. Es wird dabei davon ausge­ gangen, daß das Arbeitsmaß bei einer Meßkraft erhalten wird, die gleich dem Quotienten aus dem Gewicht der Ra­ chenlehre und einem konstanten Faktor ist.

Bei der Messung des Prüflings, insbesondere der Rachenlehre, werden die den Taster haltenden Pinolen mit einer vorzugsweise stufenweise wachsenden Meßkraft beauf­ schlagt. Dadurch wird der Prüfling deformiert, wobei mehrere Wertepaare (Meßkraft, Längenmeßwert) erhalten werden. Diese beschreiben bei entsprechend steifer Aus­ legung der Längenmeßmaschine die Elastizität des Prüf­ lings. Das Arbeitsmaß wird nun bestimmt, indem anhand der Wertepaare ein Funktionsverlauf, vorzugsweise eine Gerade, festgelegt wird (Regressionsgerade) und indem anhand der Funktion derjenige Meßwert bestimmt wird, der zu der über das Gewicht des Prüflings bestimmten Meßkraft gehört.

Bei der Messung von Rachenlehren wird als der kon­ stante, den Zusammenhang zwischen der Gewichtskraft und der Meßkraft festlegende Faktor oder Quotient der Reibbei­ wert µ zwischen dem Prüfling und einer Prüflehre genommen.

Um Verfälschungen des anhand von gemessenen Wertepaa­ ren bestimmten, funktionalen Zusammenhanges zwischen Meßkraft und Längenmeßwert infolge der Eigenelastizität von verwendeten Pinolentastern oder anderweitigen Elemen­ ten der Längenmeßmaschine auszuschließen, ist es vorteil­ haft, diese zu berücksichtigen und den funktionalen Zu­ sammenhang entsprechend zu korrigieren. Dieses kann bspw. erfolgen, indem die Eigenelastizität der Meßmaschine einschließlich der Meßtaster bestimmt und berücksichtigt wird. Dazu werden die Taster in Meßrichtung durch ein z. B. unendlich steifes Kopplungsteil aneinander gekop­ pelt und mit mindestens zwei unterschiedlichen Meßkräften beaufschlagt, wobei die dabei auftretende Verformung anhand der sich ergebenden Meßwerte bestimmt wird.

Besonders einfach wird das Verfahren, wenn zur Kopp­ lung der Taster ein starres Element verwendet wird, so daß dessen Elastizität nicht weiter berücksichtigt zu werden braucht.

Die wenigstens zwei zur Messung der Eigenelastizität der Meßmaschine bei miteinander starr gekoppelten Tastern erhaltenen Meßwerte definieren eine Gerade, die die Eigen­ elastizität der Meßmaschine beschreibt. Zur Korrektur von bei der Messung eines Prüflings erhaltenen oder noch zu erhaltenden Meßwerten wird die Gerade von dem funktionalen Zusammenhang subtrahiert, der beim Messen des Prüflings erhalten wird. Die sich ergebende Differenzfunktion be­ schreibt das elastische Verhalten ausschließlich des Prüflings, unabhängig von Verformungen der Taster, von Meßbügeln oder anderweitigen in dem Meßkreis vorhandenen mechanisch deformierbaren Elementen.

Eine entsprechende Meßmaschine kann mit einer Ver­ arbeitungseinheit versehen sein, die vor oder nach einer Messung eines Prüflings einen Meßablauf veranlaßt, bei dem die Eigenelastizität des jeweiligen Meßkreises bestimmt wird. Die Verarbeitungseinheit kann dabei so ausgelegt sein, daß sie vor oder nach der Bestimmung der Meßkraft- Abmessungs-Wertepaare des Prüflings, zur Eingabe dessen Gewichts sowie zur starren Kopplung der Taster miteinander auffordert.

Wenn bei einem Meßverfahren bzw. bei einer Meßmaschi­ ne sowohl die der Eliminierung des Temperaturganges die­ nenden Merkmale als auch die Merkmale zur Bestimmung der geeigneten Meßkraft (Rachenlehren) und Maßnahmen zur Be­ rücksichtigung der Eigenelastizität der Meßmaschine ver­ wirklicht werden, wird ein Meßverfahren bzw. eine Meßma­ schine erhalten, mit dem bzw. mit der sich in einem lau­ fenden Fertigungsprozeß Rachenlehren oder anderweitige präzise zu bearbeitende Werkstücke präzise messen lassen. Das Verfahren bzw. die Meßmaschine ist variabel und un­ empfindlich gegen Temperaturschwankungen. Die Verfügbar­ keit ist hoch, weil nach einmaligem Kalibrieren keine Nachkalibriervorgänge erforderlich sind.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine Meßmaschine zum Bestimmen des Arbeitsmaßes von Rachenlehren, in Seitenansicht und in sche­ matisierter Darstellung;

Fig. 2 an der Meßmaschine nach Fig. 1 vorgesehene Meß­ bügel, in Draufsicht und in teilweise geschnit­ tener, schematisierter Darstellung;

Fig. 3 die Meßbügel nach Fig. 2 in Seitenansicht und in schematisierter Darstellung;

Fig. 4 eine Darstellung des Zusammenhanges zwischen von der Meßmaschine ermittelten Meßwerten, ihrer Eigenelastizität und des daraus ermittelten Verformungsverlaufes des Prüflings im Diagramm; und

Fig. 5 ein Meßbügelpaar für die in Fig. 1 dargestellte Meßmaschine zum Ausmessen von Innendurchmessern von Bohrungen, in schematisierter Darstellung und in einem anderen Maßstab.

In Fig. 1 ist eine Meßmaschine 1 dargestellt, die zum Ausmessen von Rachenlehren 2 eingerichtet ist. Die Meßma­ schine 1 weist eine von einer Grundplatte 4 getragene Pinoleneinheit 5 und eine im Abstand zu dieser angeordnete Pinoleneinheit 6 auf. Die Pinoleneinheit 5 ist selbst verstellbar gelagert oder mit einer axial verstellbar gelagerten Pinole 8 versehen, an der ein Meßbügel 9 befe­ stigt ist. Entsprechend ist die manuell oder motorisch bewegliche Pinoleneinheit 6 mit einer gegen die Pinolen­ einheit 6 beweglich gelagerten Pinole 11 versehen, auf die axial eine veränderliche Meßkraft aufgeschaltet werden kann. Die Pinole 11 trägt einen Meßbügel 12, der sich in gerader Verlängerung von der Pinole 11 erstreckt.

Die im Querschnitt kreisrund ausgebildeten Pinolen 8, 11 liegen mit ihrer Längsachse auf einer gemeinsamen Mittelachse 13 und sind aufeinander zu bzw. voneinander weg verstellbar.

Die Pinoleneinheiten 5, 6 enthalten jeweils Vorrich­ tungen zum gezielten Längsverstellen der jeweiligen Pinole 8, 11 sowie zur Bestimmung von deren Position. Außerdem sind Einrichtungen zur Lagebestimmung, wie bspw. Laserin­ terferometer oder ähnliches, vorgesehen, mittels derer eine Längsverstellung der jeweiligen Pinole 8, 11 mit hoher Genauigkeit erfaßt werden kann. Außerdem sind für sich bekannte Mittel vorgesehen, mit denen sich eine gewünschte Meßkraft mit hoher Genauigkeit einstellen und verändern läßt.

Die von den Einrichtungen zur Lagebestimmung gelie­ ferten Signale werden an eine nicht weiter dargestellte Verarbeitungseinheit geliefert, die diese in einer weiter unten erläuterten Art und Weise verarbeitet.

Etwa mittig ist auf der Grundplatte 4 eine Halterung 15 für die Rachenlehre 2 vorgesehen. Die Halterung weist eine Klemmeinrichtung 16 zur Befestigung der Rachenlehre 2 auf.

Die Meßbügel 9, 12 der Meßmaschine 1 sind in den Fig. 2 und 3 separat dargestellt. Der starr an der Pinole 8 gehaltene Meßbügel 11 weist einen in Draufsicht U-förmigen Grundkörper mit zwei im Abstand parallel zueinander ver­ laufenden Schenkeln 17, 18 auf. Die freien Enden sind mit einem Joch 19 verschraubt, das die beiden Schenkel 17, 18 miteinander verbindet. Das Joch 19 weist eine die Mittel­ achse 13 enthaltende zentrische Durchgangsbohrung auf, in die Tastkörper 21, 22 eingesetzt sind. Der Tastkörper 21 ist dabei an der zwischen den Schenkeln 17, 18 liegenden Seite des Joches 19 angeordnet und weist eine sphärisch oder kugelabschnittsförmig gewölbte Tastfläche auf. Der Tastkörper 22 liegt an der von den Schenkeln 17, 18 ablie­ genden Seite des Joches 19 und ist ebenfalls sphärisch oder kugelabschnittsförmig gewölbt.

Der Meßbügel 12 weist ebenfalls einen zweischenkligen Grundkörper auf, dessen Schenkel 24, 25 im Abstand par­ allel zueinander angeordnet sind. Die freien Enden der Schenkel 24, 25 sind über ein Joch 26 miteinander ver­ bunden, das mit den Schenkeln 24, 25 verschraubt ist. Das Joch 26 enthält eine koaxial zu der Mittelachse 13 liegen­ de Durchgangsbohrung, in der zwei Tastkörper 31, 32 gehal­ ten sind. Der Tastkörper 31 ist an der zwischen den Schen­ keln 24, 25 liegenden Seite des Joches 26 angeordnet und ist an seiner Oberfläche sphärisch gewölbt. Der Tastkörper 32 hingegen ist an der von den Schenkeln 24, 25 abliegen­ den Seite des Joches 26 angeordnet und an seiner Stirnsei­ te plan ausgebildet. Die Meßbügel 9, 12 definieren somit insgesamt drei sphärisch gewölbte und eine plane Tastflä­ che.

Die insoweit beschriebene Meßmaschine 1 dient bspw. dem Ausmessen von Bohrungen, wobei wie folgt verfahren wird:
Es werden dazu die in Fig. 5 dargestellten Meßbügel 33, 34 verwendet. Die Meßbügel 33, 34 unterscheiden sich von den vorstehend beschriebenen Meßbügeln 9, 12 dadurch, daß sie jeweils asymmetrisch ausgebildet sind und jeweils nur einen längsverlaufenden Schenkel 37, 38 aufweisen. Der Schenkel 37 des Meßbügels 33 verläuft dabei im Abstand parallel zu der von den Pinolen 8, 11 definierten Mittel­ achse 13. Gleiches gilt für den Schenkel 38 des Meßbügels 34. Der Schenkel 37 trägt an seinem von der Pinole 8 abliegenden Ende ein sich quer erstreckendes Trägerteil 39, das als einseitig gehaltenes Joch dient. Das Träger­ teil 39 weist eine koaxial zu der Mittelachse 13 angeord­ nete Durchgangsbohrung auf, in der zwei Tastkörper 41, 42 angeordnet sind. Während der der Pinole 8 zugewandte Tastkörper 41 eine Kugel ist und somit eine sphärische freiliegende Tastfläche aufweist, ist der Tastkörper 42 an der gegenüberliegenden Seite des Trägerteiles 39 angeord­ net und weist eine plane Tastfläche auf.

Entsprechend trägt der Schenkel 38 des Meßbügels 34 an seinem von der Pinole 11 abliegenden Ende ein Träger­ teil 40, das eine konzentrisch zu der Mittelachse 13 angeordnete Durchgangsbohrung aufweist. In dieser sitzen zwei Kugeln 51, 52 als Tastkörper.

Die Trägerteile 39, 40 der Meßbügel 33, 34 sind unterschiedlich ausgebildet. Während das Trägerteil 39 im Querschnitt etwa U-förmig und für Beanspruchungen in Richtung der Mittelachse 13 biegesteif ausgelegt ist, weist das Trägerteil 40 des Meßbügels 34 im Querschnitt ein T-Profil auf, dessen Mittelsteg in die von dem Träger­ teil 39 definierte Nut paßt. Damit können beide Meßbügel 33, 34 so weit aneinander angenähert werden, daß die Tastkörper 42, 52 miteinander in Anlage kommen. Damit können Bohrungen oder anderweitige Innenmaße unter Anwen­ dung des nachfolgend beschriebenen Kalibrier- und Meßver­ fahrens gemessen werden.

Vor Meßbeginn wird die Meßmaschine 1 zunächst kali­ briert. Dazu wird eine Lehre mit bekanntem Innenmaß auf einen Tisch an der Meßmaschine 1 aufgelegt. Darauf folgend wird die Lehre mit bekannter Meßkraft (z. B. 1N) angeta­ stet und der sich ergebende Meßwert wird genullt. Nachfol­ gend werden die Meßbügel 33, 34 so aufeinander zu ver­ fahren, daß die Tastkörper 22, 32 aneinander anliegen. Der von den Tastern insgesamt durchlaufene Verfahrweg wird als Meßwert M1 festgehalten. Die Differenz zwischen dem be­ kannten Ist-Wert der Rachenlehre, d. h. dem Sollwert Sw und dem Meßwert M1 ist gleich einem Tasterkalibrierwert, der abgespeichert wird:

TK = Sw - M1.

Die bekannte Lehre wird nun entfernt und es wird ein Werkstück mit einer messenden Öffnung eingesetzt. Zum Ausmessen derselben werden die Meßbügel 33, 34 so weit nach außen verfahren, daß die Taster 21, 31 mit ihren sphärisch gewölbten Tastflächen an der entsprechenden Innenumfangsfläche der Öffnung anliegen. In dieser Stel­ lung der Meßbügel 33, 34 wird der erhaltene Meßwert wie­ derum genullt und die Meßbügel 33, 34 werden aufeinander zu verstellt, bis die Tastkörper 22, 32 aneinander anlie­ gen. Wegen der Paarung der sphärisch gewölbten Meßfläche des Tastkörpers 22 und der planen Fläche des Tastkörpers 32 ist die Anlage definiert. Der erhaltene Meßwert wird nun um den Tasterkalibrierwert TK korrigiert, wodurch der wahre, von der Rachenlehre 2 definierte Abstand ermittelt wird:

D = M2 + TK.

Dieses Meßverfahren ist unempfindlich gegen Längenänderun­ gen der Meßbügel 33, 34 infolge von Temperaturschwankun­ gen. Es können weitere Messungen in großer Zahl aufgeführt werden, ohne daß die Meßmaschine 1 erneut kalibriert werden müßte. Jede Messung wird nach einmaligem Erhalt des Tasterkalibrierwertes TK jeweils auf einen Nullpunkt bezogen, der bei aneinander anliegenden Meßbügeln 33, 34 erhalten wird. Zum einmaligen Kalibrieren wird das Ist-Maß eines Kalibrier-Ringes verwendet. Zwischen einzelnen Messungen auftretende Längenänderungen von Elementen des Meßkreises, bspw. der Meßbügel 33, 34, infolge von Tempe­ raturänderungen werden durch das Verfahren eliminiert.

Mit der in der Fig. 1 dargestellten Meßmaschine 1 ist unter Verwendung der Taster 9, 12 außerdem bspw. das Arbeitsmaß von Rachenlehren bestimmbar. Nachdem Rachenleh­ ren eine gewisse Eigenelastizität aufweisen, ist das Arbeitsmaß direkt meßbar, wenn die angewendete Meßkraft mit der die Rachenlehre aufweitenden Kraft (Aufspreiz­ kraft) übereinstimmt, die auftritt, wenn die Rachenlehre in bestimmter Weise über eine Prüflehre entsprechenden Maßes geschoben wird. Das nachfolgend beschriebene Meßver­ fahren ermöglicht außerdem eine indirekte Bestimmung des Arbeitsmaßes durch Extrapolation.

Die Kraft F, mit der die Rachenlehre über die Prüf­ lehre geschoben wird, ist dabei die Gewichtskraft der Rachenlehre. Diese ist bei Maßübereinstimmung gerade gleich der Reibungskraft R zwischen der Rachenlehre und einer sorgfältig gereinigten, mit Vaseline-Fetthauch versehenen und abgewischten Prüflehre mit waagerecht er Mittelachse, wenn die Rachenlehre senkrecht steht. Die Reibungskraft teilt sich dabei auf beide Meßflächen gleichmäßig auf. Es gilt deshalb:

Der Reibbeiwert zwischen der Prüflehre und der Rachenlehre ist bestimmbar und bekannt und liegt bspw. bei µ=0,1 (Vaseline als Gleitmittel). Deshalb ist:

wobei F_N die Aufspreizkraft ist. Um die Reibungskraft zu bestimmen, wird die Rachenlehre zunächst gewogen, wobei infolge der oben angegebenen Prüfvorschrift die Gewichts­ kraft gleich der Reibungskraft ist.

Die Meßmaschine 1 ist herstellerseitig mit einem Lehrenring und entsprechenden Meßbügeln eingemessen wor­ den. Ausgehend von dieser, im Zusammenhang mit der Boh­ rungsmessung beschriebenen Messung, wird beim Hersteller einmalig eine Rachenlehre mit einer Meßkraft von bspw. 1N gemessen und der sich aus dieser Messung ergebende Taster­ korrekturwert in einem Speicher der Meßmaschine 1 abge­ legt.

Zu Beginn der eigentlichen, vor Ort stattfindenden Messung werden die Meßbügel 9, 12 mit einer Meßkraft von 1N zusammengefahren. Jetzt wird der Tasterkorrekturwert, der im Rechner (Speicher) abgelegt ist, als Wert in die Anzeige gesetzt. Danach wird die Rachenlehre angetastet und ausgerichtet (Umkehrpunktsuche).

Es schließt sich ein Meßvorgang mit stufenweise zunehmender Meßkraft an, der der Bestimmung der Kennlinie der Rachenlehre und daraus letztendlich des Arbeitsmaßes der Rachenlehre 2 dient.

Dazu wird die Rachenlehre 2 nun an der Halterung 15 befestigt und die Tastkörper 21, 31 der Meßbügel 9, 12 werden mit der Rachenlehre in Eingriff gebracht. Von dieser Stellung ausgehend wird die Meßkraft stufenweise bis in die Nähe der durch Wägung und Umrechnung ermittel­ ten Aufspreizkraft erhöht. Die ermittelten Wertepaare sind bspw. in Fig. 4 dargestellt. Nachfolgend wird aus der Menge der Wertepaare mittels linearer Regressionsrechnung eine Regressionsgerade I bestimmt, die die Summe aus der elastischen Aufweitung der Rachenlehre 2 und der elasti­ schen Deformation von im Meßkreis liegenden Elementen der Meßmaschine 1 beschreiben. Diese sind bspw. die Pinolen 8, 11 und die Meßbügel 9, 12.

Um nun aus der Regressionsgeraden I eine Funktion bestimmen zu können, die die elastische Aufweitung der Rachenlehre 2 beschreibt, werden vor oder nach der Messung der Rachenlehre die Meßbügel 9, 12 starr aneinander gekop­ pelt. Dies kann bspw. mit einem biegesteifen Bügel oder einer Zwinge geschehen. In diesem Zustand werden die Pinolen 8, 11 in derselben Richtung wie beim Messen des Prüflings, d. h. im Fall der Rachenlehre in Fig. 1 jeweils nach außen, und mit zwei unterschiedlichen Kraftwerten beaufschlagt. Das sich ergebende Meßwertepaar definiert eine Gerade. Die Meßwerte werden vorzugsweise mit größen­ mäßig sehr verschiedenen Meßkräften, wie bspw. einer sehr geringen Meßkraft von 1N und einer vergleichsweise großen Meßkraft von 11N bestimmt. Die von den Meßwerten defi­ nierte Gerade wird von der erhaltenen Regressionsgeraden I subtrahiert, womit die elastische Deformation E der Meßma­ schine 1 von der Regressionsgeraden I eliminiert wird. Es wird die in Fig. 4 strichpunktiert dargestellte, errech­ nete Kurve II erhalten, die das elastische Verhalten des Prüflings beschreibt. Anhand dieser Kurve II wird mit der zuvor rechnerisch aus dem Gewicht der Rachenlehre II bestimmten Aufspreizkraft auf einen Wert A geschlossen, der das Arbeitsmaß der Rachenlehre repräsentiert. Die rechnerisch bestimmte Aufspreizkraft kann größer oder kleiner als 11N sein.

Im einzelnen kann die die Rachenlehre beschreibende Gerade folgendermaßen bestimmt werden:
Die Regressionsgerade (Kurve I) wird durch die Glei­ chung

y = mx + n

beschrieben. Für die gesuchte Funktion der Rachenlehre gilt:

Y = Mx + N,

wobei y und Y Meßwerte in mm und x Meßkräfte in N repräsentieren. Während y und Y bei einer Meßkraft von bspw. 1N gleich sind, unterscheiden sie sich bei einer anderen Meßkraft x(11) von 11N um die Elastizität E. Der Anstieg m ist

während der Anstieg

ist.

Die Elastizität E der Meßmaschine (E=y(11)-Y(11)) wird an einer bekannten Rachenlehre ermittelt, deren bekannte Elastizität von erhaltenen Meßwerten subtrahiert wird.

Der gesuchte Anstieg der Funktion der zu messenden Rachenlehre ist

Der gesuchte Summand N ist:

N = m x(1) + n - M x(1),

wobei N das Eigenmaß der Rachenlehre ist.

Durch Einsetzen der Meßwerte in die vorgenannten Gleichungen erhält die Verarbeitungseinheit die Parameter M und N, die die Rachenlehre in ihrem Zusammenhang zwi­ schen Aufspreizkraft und Maß beschreiben. Wird anhand der Gewichtskraft die Aufspreizkraft wie oben beschrieben bestimmt, setzt die Verarbeitungseinheit nach Eingabe derselben die Aufspreizkraft F_N in die Gleichung Y=Mx+N für x ein und ermittelt das Arbeitsmaß A=Y, das ausgege­ ben wird. F_N kann dabei viel größer als x(11) sein, ohne daß die Genauigkeit wesentlich abnimmt. Dafür sorgt die Vielzahl der aufgenommenen Wertepaare während des Meßvor­ ganges.

Ist die zur Bestimmung des Arbeitsmaßes in die obigen Gleichungen eingesetzte Aufspreizkraft F_N größer als die größte beim Messen auf die Rachenlehre ausgeübte Meßkraft, wird genaugenommen eine Extrapolation vorgenommen. Auf­ grund des linearen Verhaltens (Federkennlinie) der Rachen­ lehre wird dabei eine gute Genauigkeit erreicht. Dies gilt insbesondere wegen des in dem Meßkraftbereich im wesentli­ chen linearen Verlaufs des elastischen Verhaltens der Meßmaschine 1. Nichtlinearitäten, die insbesondere bei kleineren oder gegebenenfalls auch bei größeren Meßkräften (d. h. kleiner 1N oder größer 11N) auftreten, beeinträchti­ gen weder die Genauigkeit der Messung noch der Extrapola­ tion. Bedarfsweise kann zur Erfassung des elastischen Verhaltens der Meßmaschine 1 anstelle der Geradenfunktion auch eine allgemeine Kurve, wie ein Polynom oder derglei­ chen, herangezogen werden.

Bei einer abgewandelten Ausführung kann die die Elastizität der Meßmaschine 1 beschreibende Gerade in einem Rechner (Speicher) der Meßmaschine abgespeichert sein. Bei der Arbeitsmaßbestimmung wird dann auf diese Funktion zurückgegriffen.

Das vorstehend beschriebene Meßverfahren ermöglicht die zuverlässige und genaue Bestimmung des Arbeitsmaßes von Rachenlehren auf eine für die laufende Fertigung geeignete Weise. Das Verfahren kann gleichermaßen zur Ausmessung anderweitiger in Grenzen elastischer Prüflinge verwendet werden. Beispielsweise kann bei dünnwandigen Teilen eine Extrapolation auf Meßkraft = 0N vorgenommen werden. Dazu können bspw. die in Fig. 5 dargestellten Meßbügel 33, 34 dienen.

Die beiden Meßverfahren sind problemlos kombinierbar, so daß bei der Bestimmung des Arbeitsmaßes von Rachenleh­ ren temperaturbedingte Längenänderungen von Elementen des Meßkreises in ihrer Wirkung auf den Meßkreis eliminiert werden können.

Bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Bestim­ mung von Längenmaßen von Prüflingen wird eine Meßmaschine verwendet, deren Meßbügel sowohl an den einander zuge­ wandten Seiten als auch an voneinander weg weisenden Seiten mit Tastkörpern versehen sind. Nach einmaligem Kalibrieren mittels einer entsprechenden Prüflehre werden die Meßbügel bei jeder Messung vor oder nach dem Antasten des Prüflings zur Anlage miteinander gebracht. Die Summe aus dem durchfahrenen Weg und einem zuvor bestimmten Tasterkalibrierwert ist unabhängig von der Temperatur der Meßbügel oder anderweitiger in dem Meßkreis liegender Elemente. Der Tasterkalibrierwert wird durch Antasten einer Prüflehre und nachfolgendes Antasten der Taster miteinander bestimmt, wobei die Differenz zwischen dem Sollwert der Prüflehre und dem durchfahrenen Weg den Tasterkalibrierwert repräsentiert.

Zur Berücksichtigung der Elastizität des Prüflings wird mit sich verändernder Meßkraft gearbeitet, wodurch mehrere Meßwertepaare erhalten werden. Diese können durch eine Funktion approximiert werden, die das elastische Verhalten des aus Meßkreis und Prüfling bestehenden Ge­ samtsystemes beschreibt. Von dieser Funktion wird die Elastizitätsfunktion der Meßmaschine subtrahiert, die durch Messung an einem starren Prüfling oder einem Prüf­ ling bekannter Elastizität erhalten worden ist. Die durch die Differenz gebildete Funktion beschreibt die Elastizi­ tät des Prüflings, wobei aus der Funktion das Maß bei einer bestimmten Meßkraft ablesbar ist.

Claims (23)

1. Verfahren zur Bestimmung von Ist-Maßen mittels einer Meßmaschine, die einen Meßkreis mit zwei Tastern enthält, von denen wenigstens einer axial verstellbar ausgebildet ist, bei dem
die Taster zur Kalibrierung der Meßmaschine eine einen Sollwert aufweisende Kalibrier-Lehre antasten,
die Taster danach aufeinander zu verstellt werden, bis sie aneinander anliegen,
aus beiden Tasterstellungen ein Lehren-Meßwert be­ stimmt wird,
ein Tasterkalibrierwert als Differenz zwischen dem bekannten Sollwert und dem Lehren-Meßwert bestimmt wird, und
die Taster zur Bestimmung einer Prüflingsabmessung bei jeder Messung den Prüfling antasten,
die Taster danach aufeinander zu verstellt werden, bis sie aneinander anliegen, wobei aus beiden Tasterstel­ lungen ein Prüflings-Meßwert ermittelt wird, und
das Maß des Prüflinges als Summe aus dem Tasterka­ librierwert und dem Prüflings-Meßwert bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßmaschine sowohl bei Antasten der Kalibrier-Lehre als auch bei Antasten des Prüflings genullt wird, so, daß sowohl der Meßwert für die Kalibrier-Lehre als auch der Meßwert für den Prüfling negative Meßwerte sind, daß die Differenz aus dem Tasterkalibrierwert und dem negativen Prüflings-Meßwert vorzeichenbehaftet bestimmt wird und daß die Summe aus dem Tasterkalibrierwert und dem Prüflingsmeßwert vorzeichenbehaftet gebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tasterkalibrierwert ohne erneute Bestimmung für eine Serie nachfolgender Messungen verwendet wird.

4. Meßmaschine (1) zur Bestimmung wenigstens eines Ist-Maßes eines Prüflinges (2),
mit einem Meßkreis, der zwei Taster (9, 12) zum Antasten des Prüflinges (2) enthält, von denen wenigstens einer axial verstellbar gelagert ist, so daß die Taster (9, 12) aufeinander zu und voneinander weg bewegbar sind, und der mechanische Übertragungsglieder (8, 11) und eine Sensoreinrichtung zum Vergleich der Position der Taster (9, 12) mit einer Maßverkörperung enthält,
mit einer Verarbeitungseinheit, die von der Sensor­ einrichtung abgegebene Signale empfangen und gemäß fest­ gelegter Regeln verarbeiten kann, so, daß die Verarbei­ tungseinheit bei einem Kalibrierablauf:
aus einem von der Sensoreinrichtung bestimmten Meß­ wert, bei dem die Taster (9, 12) eine Lehre mit einem Sollwert antasten, und einem Meßwert, bei dem die Taster (9, 12) aneinander anliegen, einen Lehren-Meßwert be­ stimmt,
aus dem bekannten Sollwert der Lehre und dem Lehren-Meßwert einen Tasterkalibrierwert bestimmt,
und so, daß die Verarbeitungseinheit bei sich an­ schließenden Meßabläufen:
aus einem Meßwert, bei dem die Taster (9, 12) den Prüfling zur Bestimmung einer Prüflingsabmessung antasten, und einem Meßwert, bei dem die Taster (9, 12) aneinander anliegen, einen Prüflings-Meßwert ermittelt, und das gesuchte Maß des Prüflinges aus dem Tasterkalibrierwert und dem negativen Prüflings-Meßwert bestimmt.

5. Meßmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Meßmaschine (1) eine Antriebseinrichtung ent­ hält, mittels derer die Verstellung des verstellbar gela­ gerten Tasters (9, 12) relativ zu dem jeweiligen anderen (9, 12) Taster steuerbar ist.

6. Meßmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Antriebseinrichtung von einer Steuereinrich­ tung gesteuert ist, die außerdem die Verarbeitungseinheit steuert.

7. Meßmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Steuereinrichtung vor einem ersten Meßvorgang den Kalibrierablauf veranlaßt und nach Ablauf dieses Kalibrierablaufes nachfolgende Meßabläufe steuert, ohne erneut einen Kalibrierablauf zu veranlassen.

8. Meßmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß sie zur Bestimmung von Innenmaßen eingerichtet ist.

9. Meßmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Taster (9, 12) als Meßbügel ausgebildet sind, die jeweils entlang einer gemeinsamen von der Bewegungs­ richtung (13) des wenigstens einen beweglich gelagerten Tasters (9, 12) bestimmten Meßrichtung (Achse 13) angeord­ net sind.

10. Meßmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jeder Meßbügel (9, 12) einen quer zu der Meßrichtung (13) ausgerichteten Trägerabschnitt (19, 26) aufweist, der mit wenigstens einem Tastkörper (21, 22, 31, 32) versehen ist, und daß an den Tastkörpern (21, 22, 31, 32) der Meßbügel (9, 12) zwei einander zugewandte Antast­ flächen sowie zwei einander abgewandte Antastflächen vor­ gesehen sind.

11. Verfahren zur Bestimmung eines Maßes eines Prüf­ linges bei Berücksichtigung der Prüflingselastizität mit­ tels einer Längen-Meßmaschine, bei dem
mittels Wägung das Gewicht des Prüflinges ermittelt wird, dessen Maß zu bestimmen ist,
anhand des Gewichtes des Prüflinges die für die Messung des Maßes erforderliche Soll-Meßkraft bestimmt wird, und
die Meßkraft während der Messung des mit den Antast­ flächen in Berührung stehenden Prüflinges verändert wird, so daß mehrere die Verformung und das Maß des Prüflings beschreibende Meßwerte erhalten werden, wobei das gesuchte Maß anhand des Meßwertverlaufes bestimmt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß die auszumessenden Prüflinge Lehren, insbesondere Rachenlehren, sind und daß das zu bestimmende Maß das Arbeitsmaß der Rachenlehre ist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich­ net, daß die zur Bestimmung des Arbeitsmaßes erforderliche Soll-Meßkraft bestimmt wird, indem die der Masse des Prüf­ linges entsprechende Gewichtskraft durch den vorgegebenen Reibbeiwert µ zwischen dem Prüfling und einer Prüflehre dividiert wird.

14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß bei der Bestimmung des Maßes des Prüflinges die Eigenelastizität der Meßmaschine für axial auf deren Taster einwirkende Meßkräfte bestimmt und bei der Bestim­ mung des Meßwertes berücksichtigt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich­ net, daß die Taster zur Bestimmung der Eigenelastizität der Meßmaschine in Meßrichtung mit bekannter Elastizität aneinander gekoppelt und mit einer Meßkraft beaufschlagt werden, und daß dabei die auftretende Verformung anhand sich ergebender Meßwerte bestimmt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeich­ net, daß die Taster zur Bestimmung der Eigenelastizität in Meßrichtung starr aneinander gekoppelt werden.

17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeich­ net, daß die Meßkraft zur Messung der Eigenelastizität auf wenigstens zwei voneinander unterschiedliche Werte einge­ stellt und eine entsprechende Anzahl Längen-Meßwerte bei den unterschiedlichen Meßkräften bestimmt wird.

18. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß die Meßkraft während der Messung des Prüflinges von einem geringen Wert aus ansteigend erhöht und mehrere Längen-Meßwerte bei unterschiedlichen Meßkräften bestimmt werden.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeich­ net, daß aus den Meßwerten bei der Messung des Prüflings eine Regressionskurve, vorrangig eine Gerade, bestimmt wird, die, um die Eigenelastizität der Meßmaschine kor­ rigiert, das Maß des Prüflings in Abhängigkeit von der Meßkraft ist.

20. Verfahren nach Anspruch 13 und 19, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Arbeitsmaß der Rachenlehre anhand der erhaltenen Regressionsgeraden bestimmt wird.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeich­ net, daß die Soll-Meßkraft höher ist als die auf die Rachenlehre ausgeübten Meßkräfte und daß das gesuchte Maß durch Einsetzen der Soll-Meßkraft in die korrigierte Regressionskurve erhalten wird.

22. Meßmaschine (1) zur Bestimmung wenigstens des Ar­ beitsmaßes und des Eigenmaßes von Lehren (2), insbesondere Rachenlehren,
mit einem Meßkreis, der zwei Taster (9, 12) zum Antasten des Prüflinges enthält, von denen wenigstens einer in Bezug auf den jeweils anderen axial verstellbar gelagert ist, so daß der Abstand zwischen den Tastern (9, 12) veränderbar ist, und der mechanische Übertragungsglie­ der (8, 4) und eine Sensoreinrichtung zum Vergleich der Position der Taster (9, 12) mit einer Maßverkörperung enthält,
mit einer Verarbeitungseinheit, die von der Sensor­ einrichtung abgegebene Signale empfangen und gemäß fest­ gelegter Regeln verarbeiten kann, so daß die Verarbei­ tungseinheit:
zum Kalibrieren die Eigenelastizität des Meßkreises bestimmt, indem die mit bekannter Elastizität und vorzugs­ weise starr aneinander gekoppelten Taster (9, 12) mit unterschiedlichen Meßkräften beaufschlagt und die sich ergebenden Meßwerte registriert werden,
zum Messen den Zusammenhang zwischen unterschiedli­ chen Meßkräften auf den von den Tastern angetasteten Prüfling und sich ergebenden Meßwerten festhält und
zum Auswerten einen funktionalen Zusammenhang zwi­ schen der ausgeübten Meßkraft und den Meßwerten ermittelt, der gemäß der vorher bestimmten Eigenelastizität der Meßmaschine (1) korrigiert wird und anhand dessen das Arbeitsmaß bestimmt wird.

23. Meßmaschine nach Anspruch 22, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Taster (9, 12) von Pinolen (8, 11) gehaltene Meßbügel sind, die jeweils wenigstens eine Antastfläche aufweisen.