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Die
Erfindung betrifft einen Messtaster, der aus einem im wesentlichen
zylindrischen Grundkörper
besteht, der von einer Fläche
abgeschnitten ist, deren Oberflächennormale
zur Achse des zylindrischen Grundkörpers einen Winkel zwischen
60° und 95° einschließt, so dass
an dem einen axialen Ende des Messtasters eine Spitze gebildet wird.
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Zur
Messung von Oberflächen
von Werkstücken
wird häufig
das Tastschnittverfahren eingesetzt. Unter einem hierzu eingesetzten
Tastschnittgerät versteht
man ein Messgerät,
das Oberflächen
mit einer Tastspitze ertastet, Abweichungen in Form eines Oberflächenprofils
erfasst, Kenngrößen berechnet und
Profile aufzeichnen kann. Dabei werden gattungsgemäße Messtaster
verwendet, deren Grundkontur sich aus einem zylindrischen Grundkörper ergibt,
der von einer Fläche
unter spitzem Winkel abgeschnitten wird. Dabei bildet sich eine
elliptisch ausgeformte Spitze, mit der das zu vermessende Werkstück abgetastet
wird.
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Nachteilig
ist bei einem solchen Messtaster, dass er relativ empfindlich gegen
höhere
Belastungen ist. Zwar weisen vorbekannte Messtaster aus Hartmetall – in Richtung
senkrecht auf die Oberflächennormale
der Schnittfläche
und senkrecht auf die Achse des zylindrischen Grundkörpers betrachtet – eine Ausrundung
auf, um die Flächenpressung
zwischen Messtaster und zu vermessendem Werkstück herabzusetzen. Dennoch bleibt
die elliptisch ausgeformte Spitze sehr empfindlich, so dass bereits
bei relativ geringen Messkräften
ein Ausbrechen der Spitze nicht ausgeschlossen ist, was Messfehler
und Folgekosten nach sich zieht.
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Im
Lichte dieses Nachteils bei vorbekannten Messtastern liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, einen Messtaster der eingangs genannten Art
so fortzubilden, dass der Nachteil vermindert wird. Der Messtaster
soll also eine erhöhte
Sicherheit gegen Beschädigungen
der Tastspitze aufweisen.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass
der Messtaster aus keramischem Material besteht.
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Bevorzugt
kommt hierbei Zirkonoxid zum Einsatz, wobei es sich besonders bewährt hat,
wenn die Korngröße des Zirkonoxids
geringer als 1 μm
ist; bevorzugt liegt die Korngröße bei weniger
als 0,6 μm.
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Es
hat sich herausgestellt, dass bei einer solchen Ausgestaltung des
Messtasters eine erhöhte Festigkeit
bei gleichzeitiger Verbesserung der Gebrauchseigenschaften erreichbar
ist.
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Eine
Fortbildung sieht vor, dass der Messtaster durch Ultraschallabtrag
von Material von einem Grundkörper
hergestellt ist. Mittels des an sich bekannten Ultraschall-Erosionsverfahrens
kann eine präzise
geometrische Ausformung des Messtasters in wirtschaftlicher Weise
erreicht werden.
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Eine
Verbesserung der Messgenauigkeit und der Haltbarkeit kann erzielt
werden, wenn die Spitze des Messtasters weiterbildungsgemäß eine Abflachung
aufweist, die sich über
eine vorgegebene Breite senkrecht zur Oberflächennormalen und senkrecht zur
Achse des zylindrischen Grundkörpers
erstreckt. Hierdurch kann eine Toleranz gegen geringfügige Einmittfehler
bei der Abtastung eines Werkstücks
gewährleistet
werden. Weiterhin wird die Flächenpressung
zwischen Tastspitze und Werkstück
dadurch reduziert, so dass eine geringere Bruch- bzw. Beschädigungsgefahr
besteht.
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Die
Abflachung kann als gerade Anlagelinie ausgebildet sein. Die Fläche, mit
der der zylindrische Grundkörper
geschnitten wird, ist vorzugsweise eine Ebene. Der Winkel zwischen
der Oberflächennormalen
der Schnittebene und der Achse des zylindrischen Grundkörpers liegt
bevorzugt zwischen 70° und
80°. Dadurch
wird ein Messtaster der gattungsgemäßen Art geschaffen, bei dem
die Messspitze einen spitzen Winkel bildet, der in der Praxis zumeist größer oder
gleich 12° gewählt wird.
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Um
die Flächenpressung
zwischen Messtaster und zu vermessendem Werkstück herabzusetzen, ist gemäß einer
Fortbildung vorgesehen, dass die Abflachung, in Richtung senkrecht
zur Oberflächennormalen
und senkrecht zur Achse des zylindrischen Grundkörpers betrachtet, eine Ausrundung
aufweist. Diese hat bevorzugt einen Ausrundungsradius zwischen 2 μm und 100 μm, vorzugsweise
zwischen 20 μm
und 30 μm.
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Die
Breite der Abflachung beträgt
gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung in Abhängigkeit des Durchmessers des
zylindrischen Grundkörpers
zwischen 1 % und 5 % des Durchmesserwertes. Absolut ausgedrückt kann
die Breite der Abflachung zwischen 25 μm und 200 μm, vorzugsweise zwischen 40 μm und 60 μm, liegen.
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Besonders
bevorzugt ist die Oberfläche
des Messtasters an der Schnittfläche
zwischen dem zylindrischen Grundkörper und der Fläche konvex
ausgebildet. Dabei soll die Schnittfläche, mit der der zylindrische
Grundkörper
abgeschnitten wird, dennoch als Ebene angesprochen werden, da die
Balligkeit (Konvexität)
der Messtasteroberfläche
im Schnittbereich nur geringfügig
ist. Im Falle der balligen Ausbildung kann die Abflachung durch
Einbringen, beispielsweise durch Einschleifen, einer ebenen Spur
in die konvexe Oberfläche
gebildet sein.
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Mit
der erfindungsgemäßen Ausgestaltung eines
Messtasters ergeben sich diverse Vorteile gegenüber vorbekannten Lösungen:
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Die
zwischen dem Messtaster und dem Werkstück bei der Vermessung auftretende
Flächenpressung
sind durch die geometrische Ausbildung des Messtasters von Haus
aus relativ gering. Im Zusammenwirken mit dem erfindungsgemäß vorgesehenen
Material für
den Messtaster hat dieser eine erheblich längere Gebrauchsdauer, da er
unempfindlicher gegen Ausbrechungen der Messschneide ist. Auch die
Formtreue des Messtasters ist bei Einsatz des vorgeschlagenen Materials
erhöht.
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Die
Korngröße bei herkömmlichen
Messtastern aus Hartmetall liegt meist bei mindestens 1 μm. Hierdurch
liegt eine relativ große
Bruchempfindlichkeit, d. h. eine geringe Kantenfestigkeit vor. Gemäß dem Vorschlag
und dem Einsatz des beschriebenen Materials können kleinere Korngrößen realisiert
werden, was die Eigenschaften des Messtasters verbessert.
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Der
sich bei einem gattungsgemäßen Messtaster
ergebende Spitzenwinkel dient dazu, um an senkrechten Kanten des
zu vermessenden Werkstücks
aufsteigen zu können.
Dadurch sind prinzipbedingt keine Steigungswinkel geringer als solche mit
dem Winkel α zur
Führungsachse
messbar. Andererseits lässt
ein relativ hoher Reibungskoeffizient von Hartmetall kleinere Winkel α nicht zu.
Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung
wird es aufgrund des geringeren Reibungskoeffizienten von Keramik möglich, hier
eine Verbesserung zu erreichen. Die Gleitfähigkeit dieses Materials ist
verbessert. Ebenfalls können
geringere Oberflächenrauhigkeiten
realisiert werden, als dass dies bei Hartmetall möglich ist.
Dieser Effekt kann gegebenenfalls durch ein Polieren der Oberfläche des
Messtasters noch verbessert werden.
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Es
bilden sich ferner keine Aufbauschneiden an der Messspitze.
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Entsprechend
gering werden auch die durch Biegekräfte hervorgerufenen Messfehler.
Auch die Bruchdehnung ist beim vorgeschlagenen Messtaster geringer
als bei solchen aus Hartmetall.
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Positiv
macht sich auch das bessere Verschleißverhalten von Keramik gegenüber einem Hartmetall-Messtaster
bemerkbar. Das vorgeschlagene Material ist auch weniger stoßempfindlich
als Hartmetall. Die Zähigkeit
des vorgeschlagenen Materials ist höher als dasjenige von Hartmetall.
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Auch
das Messen von magnetischen Werkstücken ist mit der vorgeschlagenen
Ausgestaltung problemlos möglich,
da das Keramikmaterial nicht magnetisierbar ist. Positiv ist auch
die elektrische Isolationswirkung des vorgeschlagenen Messtasters. Von
Vorteil ist auch eine geringere Wärmeleitfähigkeit des Materials des Messtasters.
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Weiterhin
kann die Antastkraft beim Messen reduziert werden, da der erfindungsgemäße Messtaster
leichter ausführbar
ist als ein solcher aus Hartmetall.
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Der
vorgeschlagene Messtaster kann auch fertigungstechnisch einfach
und kostengünstig
hergestellt werden. Es kann dabei auf Handarbeit weitgehend verzichtet
werden; bei Hartmetall-Messtastern wird der Spitzenradius oft von
Hand angebracht, was bei dem erfindungsgemäßen Taster entbehrlich ist.
Bei der Fertigung des Messtasters kann auch auf Klebeverbindungen
zu anderen Elementen zurückgegriffen
werden.
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Insbesondere
in der Längenprüftechnik
und in der geometrischen Messtechnik ist es möglich, in genauerer Weise und
mit weniger Auswand die Messung durchzuführen. Durch die weiterbildungsgemäß vorgesehene
Abflachung liegt über
einen gewissen Breitenbereich eine definierte Antastgeometrie vor, so
dass eine geringfügige
Exzentrizität,
d. h. ein Mittenversatz, nicht zwangsläufig zu Messfehlern führt, wie
es bei vorbekannten Messtastern der Fall ist. Es ist daher nur ein
verringerter Aufwand erforderlich, um den Messtaster relativ zum
zu vermessenden Werkstück
zu positionieren.
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Durch
die vorgeschlagene Geometrie ergibt sich auch eine geringere Flächenpressung
zwischen Messtaster und Werkstück,
so dass ein geringerer Verschleiß gegeben ist und eine höhere Bruchstabilität der Messspitze
vorliegt. Dabei können
auch sehr kleine Tastspitzen bzw. kleine Schneidenradien zur Prüfung von
Mikroelementen realisiert werden, die dennoch eine hinreichende
Kantenfestigkeit aufweisen.
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Der
Antastradius kann mit einer höheren Formgenauigkeit
erzeugt werden. Seitliche Biegebelastungen des Messtasters sind
ebenfalls reduziert.
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Es
ist relativ einfach, ein Tastschnittverfahren unter Einsatz des
erfindungsgemäßen Messtasters
zu automatisieren.
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In
der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung dargestellt. Es zeigen:
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1 in
perspektivischer Ansicht die Grundgeometrie eines Messtasters für das Tastschnittverfahren,
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2 den
Messtaster in der Seitenansicht, nämlich in Richtung senkrecht
auf die Oberflächennormale
und senkrecht auf die Achse des zylindrischen Grundkörpers betrachtet,
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3 die
zu 2 zugehörige
Vorderansicht des Messtasters,
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4 den
Endbereich des Messtasters gemäß 3 in
einer vergrößerten Darstellung
und
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5 schematisch
einen Messvorgang mit dem vorgeschlagenen Messtaster bei korrekter
und fehlerhafter Positionierung des Messtasters.
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In 1 ist
die Grundgeometrie des vorgeschlagenen Messtasters 1 ersichtlich.
Er besteht aus einem zylindrischen Grundkörper 2, der von einer Fläche 3 in
seinem einen axialen Ende 6 abgeschnitten ist. Bei der
Fläche 3 handelt
es sich im wesentlichen um eine Ebene, wobei allerdings zu erwähnen ist,
dass die Oberfläche
der Schnittfläche
ballig ausgeformt ist, d. h. die Schnittfläche zwischen zylindrischem
Grundkörper 2 und
Fläche 3 ist
konvex ausgebildet. Diese an sich bei vorbekannten Messtastern der
gattungsgemäßen Art
vorhandene Balligkeit erleichtert das Gleiten des Messtasters 1 auf
der zu vermessenden Werkstückoberfläche. Die
Konvexität ist
von der Größenordnung
her in üblicher
Weise ausgeführt.
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Die
Oberflächennormale 4 und
die Achse 5 des zylindrischen Grundkörpers 2 schließen einen Winkel β ein, der
an dem einen axialen Ende 6 des Messtasters 1 eine
Spitze 7 ausbildet. Der Komplementwinkel zwischen dem Winkel β und dem
rechten Winkel, d. h. der Spitzenwinkel ist mit α bezeichnet. Der Winkel α liegt zumeist
im Bereich von ca. 12° oder
etwas mehr, was für
den Winkel β einen
Wert von ca. 88° oder
etwas weniger bedeutet.
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Der
Messtaster 1 ist erfindungsgemäß aus Keramikmaterial ausgebildet,
d. h. der zylindrische Grundkörper 2 besteht
aus diesem Material, aus dem dann die erläuterte Form des Tasters ausgebildet wird.
Das Material ist bevorzugt Zirkonoxid mit einer Korngröße von 0,5 μm.
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Wie
in den 2 bis 4 gesehen werden kann, weist
der Messtaster 1 im Bereich seiner Spitze 7 eine
Abflachung 8 auf. Diese Abflachung 8 erstreckt
sich als Gerade in Richtung senkrecht auf die Oberflächennormale 4 und
auf die Achse 5. Wie es am besten in 4 gesehen
werden kann, ergibt sich daher eine über eine Breite B erstreckende
gerade Anlagefläche
des Messtasters 1, mit der er am zu vermessenden Werkstück anliegt.
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Die
Breite B kann in Abhängigkeit
des Durchmessers D des zylindrischen Grundkörpers 2 gewählt werden.
Während
der Durchmesser D häufig zwischen
1 und 4 mm liegt, sind typische Werte für die Breite 40 bis 60 μm, beispielsweise
50 μm.
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Damit
die Flächenpressung
zwischen Abflachung 8 und zu vermessendem Werkstück möglichst gering
bleibt, weist die Abflachung 8 eine Ausrundung 9 auf,
wie es aus 2 hervorgeht. Der Ausrundungsradius
R liegt beispielsweise bei 25 μm.
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Die
Oberfläche 10 des
Messtasters 1, die sich aus dem Schnitt der Fläche 3 mit
dem zylindrischen Grundkörper 2 ergibt,
ist – wie
erwähnt – bevorzugt
ballig ausgebildet. Die Abflachung 8 kann dadurch erzeugt
werden, dass eine ebene Spur 11 in die ballig ausgebildete
Oberfläche 10 eingearbeitet, z.
B. eingeschliffen oder durch Ultraschallerosion eingebracht, wird.
Die Begrenzung der ebenen Spur 11 ist durch die Seitenkanten 13 und 14 in 3 und 4 markiert.
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In 5 ist
illustriert, wie ein Werkstück 12 mittels
des Messtasters 1 im Tastschnittverfahren vermessen wird. Namentlich
ist der Messpunkt 15 zu ermitteln, d. h. zu messen, der
den höchsten
Punkt des im Ausführungsbeispiel
zylindrisch ausgebildeten Werkstücks 12 darstellt.
Dieser Messpunkt 15 ist entlang der Längsachse des Werkstücks 12 zu
messen, d. h. in Richtung senkrecht auf die Zeichenebene in 5.
Es handelt sich also in diesem Falle um eine Messung der Kontur
der Mantelfläche
in Achsrichtung des Werkstücks 12.
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Der
Messtaster 1 ist mit ausgezogenen Linien in einer tatsächlichen
Positionierung eingezeichnet, während
die Messspitze mit gestrichelten Linien in der idealen Position
eingetragen ist. Wie zu erkennen ist, liegt ein durch fehlerhafte
Einstellung des Messtasters 1 relativ zum Werkstück 12 bedingter Versatz
X zwischen tatsächlicher
und idealer Position vor.
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Bei
kleinen Durchmessern des zu vermessenden Werkstücks 12 wirkt sich
bei vorbekannten Messtastern ein Versatz X auch als Messfehler verursacht
durch seitliche Biegung des Messtasters 1 aus.
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Ebenfalls
ist zu erkennen, dass der Versatz X aufgrund der Abflachung 8 zu
keinem Messfehler führt,
wie es bei vorbekannten Messtastern der gattungsgemäßen Art
der Fall wäre.
Solange die Abflachung 8 mit ihrer Breite B einen Versatz
X noch abdeckt, kommt es zu keinem Messfehler. Das bedeutet, dass
der Zentrieraufwand des Messtasters 1 relativ zum Werkstück 12 geringer
ausfallen kann, ohne dass die Gefahr von Messfehlern besteht.
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Infolge
von Querabweichungen des Messtasters 1 relativ zum Werkstück 12 kommt
es also – zumindest über einen
gewissen Breitenbereich des Messtasters 1 – zu keinen
Messfehlern. Durch die endliche Breite der Abflachung 8 kommt
es zu einer höheren
Formtreue gegenüber
vorbekannten Messtastern. Insgesamt bildet sich durch die Abflachung 8 eine
stabile und klar definierte Messlinie bzw. Messkante, mit der ein
genaues Messen möglich
ist.
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Aufgrund
der geometrischen Formung der Tastspitze ist auch eine höhere Schlagfestigkeit
der Tastspitze gegeben; es liegt ein gewisser flächiger Kontakt zwischen Tastspitze
und Werkstück
vor.
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Die
Herstellung des Messtasters kann beispielsweise durch Ultraschallerosion
erfolgen, wobei geringere Formabweichungen erzielbar sind, wenn die
Herstellung der Geometrie durch nur einen Bearbeitungsschritt erfolgt.
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- 1
- Messtaster
- 2
- zylindrischer
Grundkörper
- 3
- Fläche (Ebene)
- 4
- Oberflächennormale
- 5
- Achse
- 6
- axiales
Ende
- 7
- Spitze
- 8
- Abflachung
- 9
- Ausrundung
- 10
- Oberfläche
- 11
- Spur
- 12
- Werkstück
- 13
- Seitenkante
- 14
- Seitenkante
- 15
- Messpunkt
- α
- Winkel
- β
- Winkel
- B
- Breite
- R
- Ausrundungsradius
- D
- Durchmesser
- X
- Versatz