DE2202079A1

DE2202079A1 - Messvorrichtung

Info

Publication number: DE2202079A1
Application number: DE19722202079
Authority: DE
Inventors: Moore Robert Roslyn
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1971-01-18
Filing date: 1972-01-17
Publication date: 1972-08-03
Also published as: US3747219A; JPS4840468A; FR2122938A5; CA937748A; GB1333016A; AU3790872A; AU452591B2

Description

Aronelderin: United States Atomic Energy Commission Washington D. C, USA

Messvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung· zum Messen von Körpern mit gekrümmten Flächen.

Die steigenden Anforderungen an möglichst geringe Toleranzen und grösste Genauigkeit von Maschinenelementen, Bauteilen und dergleichen erfordern eine sehr genaue Messung und Anzeige von Radinlabständen, Oberflächenabmessungen, Wandstärken u. a. m. Für die Messbeständigkeit grösserer Serien ist die automatische oder wenigstens ferngesteuerte Messprüfung günstig. Die für die entsprechenden Messgeräte erforderlichen beweglichen Teile, Lager usw. begrenzen aber die Messgenauigkeit. Das gilt besonders für Lagerteile vrie Achsen- oder Zapfenlager, Ausleger und dergleichen, besonders wenn eine grössere und schwere Messapparatur über einem Bewegungswinkel rotiert werden muss.

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Besonders schwierig ist die Messprüfune von Körpern mit p-ckrümmten Flächen, die aber zu einem Mittelpunkt symmetrisch oder nahezu symmetrisch mit konstantem oder unterschiedlichem Krümmungsradius der Innen- und Aussenflachen sind, wie z. "R. Ovalkörper, Kugeln, Halbkugeln usw.

Die Erfindung hat eine genau arbeitende automatische Messvorrichtung zur Messung von Radialabständen, Wandstärken u. a. m. derartiger Körper zur Aufgabe.

Die Aufgabe wird durch die Messvorrichtung der Erfindung dadurch gelöst, dass zu einem ersten, um eine Achse drehbaren Tisch unter einem bestimmten Winkel zu dieser Achse ein zweiter, um eine Achse drehbarer, das Messobjekt tragender Tisch angeordnet ist und nahe dem Messobjekt bei der Umdrehung der Tische erscheinende Abweichungen des Messobjekts, insbesondere dessen Wandstpärke anzeigende Mittel vorgesehen sind.

In den der weiteren Erläuterung dienenden Zeichnungen zeigen die Figur 1 die Messvorrichtung im vereinfachten Seitenriss;

die Figuren 2a, 2b, 2c schematisch die mit der Messvorrichtung abgetasteten Meßstrecken am Beispiel einer Halbkugel als Messobjekt;

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die Figuren 3a und 3b im Querschnitt den Messkopf mit der dazugehörigen Ootik;

die Figur 4 im Querschnitt die Lagerung· eines der drehbaren ringförmigen Tische;

die Fi[rur 5 in Aufsicht einen Teil der Lagerung für die drehbaren Tische;

die Figur 6 die Lagerung im Schnitt entlang der Schnittlinie 6-6 der Figur 5·

Das aus Werkstückteilen oder auch einer ganzen Vorrichtung bestehende Messobjekt ist mit der erfindungsgemässen Vorrichtung messbar, wenn es eine oder mehrere Flächen mit von einem auf einer Ebene liegenden Mittelpunkt ausgehenden Radien aufweist, die Radien mit der Ebene einen beliebigen Winkel von O - 90° bilden und bei allen Rotationswinkeln nicht mehr als die grösste Verschiebung der Meßspitzen der Messvorrichtung voneinander abweichen. Bei einem kugel- oder halbkugelförmigen Messobjekt liegt dieser Mittelpunkt gewöhnlich auf dem "Äquator", während der Pol des Messobjekts mit dem Mittelpunkt und der Ebene einen Winkel von 90° bildet. Als Beispiel wird die Erfindung für eine Halbkugel als Messobjekt erläutert; messbar sind aber auch andere Formen mit gekrümmter Fläche.

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Zur Abstützung der Messvorrichtung einschliesslich der optischen und elektrischen Bauteile und Anschlüsse dient eine Tragkonsole 10, auf der in den eine sehr genaue Drehung ermöglichenden Lagern 14 ein erster drehbarer, ringförmiger Tisch 12 angebracht ist. Ein zweiter ringförmiger drehbarer Tisch 16 ist in einem von dem ringförmigen Tragbügel 20 auf dem Tisch abgestütien Lager 18 unter einem Winkel von 4? zum ersten Tisch angeordnet. Auf einer Ringkonsole 24 oder unmittelbar auf dem Tisch 16 ist in geeigneter Weise das hier als Beispiel dienende halbkugelförmige Messobjekt 22 befestigt,

In den Lagern sind die Tische 12, 16 um die Achsen bzw. Mittellinien 26, 28 drehbar, auf deren Schnittpunkt der Mittelpunkt 30 des Messobjekts zu liegen kommt, so dass dessen gesamte Messfläche bearbeitet werden kann. Die diesen Mittelpunkt 30 enthaltende und durch den Achsenschnittpunkt gehende Ebene des Messobjekts verläuft vorzugsweise parallel zur Drehungsebene des Tische 16; im vorliegenden Beispielfall einer Kugel oder Halbkugel geht die Ebene durch deren Äquator. Solange die vom Mittelpunkt 3o ausgehenden Radien nicht mehr als die maximale Messverschiebung bzw. Messentfernung der Messköpfe schwanken, ist damit eine vollständige Messung aller Radien auf jedem beliebigen Punkt der Oberfläche des Messobjekts möglich.

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In einer öffnung 34 des Tischs 12 ist ein Tragarm 32 für den Messkopf 36 so angeordnet, dass sich der Tisch frei drehen und den Messkopf in alle erforderlichen Meßstellungen bringen kann. Ein entsprechender Tragarm 38 für einen zweiten Messkopf 40 ist ebenfalls auf der Tragkonsole 10 aber ausserhalb von dem Tisch 12 tind dem Lacer 14 vorgesehen. Die Messköpfe 36, 40 bestreichen somit mit ihren vorzugsweise entlang einem Radius des Messobjekts 22 auf dessen Basisebene am Äquator liegenden Meßspitzen einzeln oder beide zusammen die Innen- und/oder Aussenflächen des Messobjekts.

Der Ringträger 20 auf dem Tisch 12 kann gegebenenfalls durch geeignete Einstellmittel quer zur Achse 26 und der Träger 24 oder der Tisch 16 oder beide kann bzw. können quer und längs zur Achse 28 so verstellt werden, dass sich die Achsen 26, und die Ebene des Messobjekts im Mittelpunkt des Messobjekts 22 schneiden und diese Ebene die richtige Lage einnimmt.

Die Messköpfe 36, 40 geben z. B. auf elektrischem Wege oder in anderer geeigneter Weise eine Anzeige der Radiusänderungen der Oberfläche des Messobjekts. Am genauesten wird die Messung bei Verwendung des optischen Interferenzmessers der Figur 3a» 3^· Der optische Weg führt hierbei z. B. durch den Kanal 46 des Tragarms 32 und den Tragarm 38 und ist an eine geeignete Lichtquelle 48, z. B. eine optische Pumpe (Laser)

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angeschlossen. Die Tragarme nehmen auch elektrische Leiter zum Anschluss der Tragarme 36, 40 an einen Meßschreiber oder dergleichen 50 auf, der die Bewegung der Meßspitzen 42, 44 in bekannter Weise aufzeichnet und damit die Genauigkeit des Werkstücks bestimmenden Radialabstände, die Wandstärke usw. angibt.

Die Tische werden über einen geeigneten Riemen- oder Zahnradantrieb und einen Regler 52 angetrieben, der wahlweise einen oder beide Tische mit der gleichen oder verschiedener Geschwindigkeit antreibt. Wird der Tisch 12 um 360° gedreht, während der Tisch 16 in der Ruhelage bleibt, so beschreiben die Meßspitzen einen der Kurve 22a der Figur 2a entsprechenden Messweg von der Ausgangslage am Äquator des Messobjekts 22 entsprechend der Figur 1 zu dessen Pol und wieder zurück. Wird der eine Tisch schrittweise fortgeschaltet und der andere Tisch bei jeder Schaltung um 360 gedreht, so kann die gesamte Messobjektfläche mit von der Portschaltung bestimmter, mehr oder weniger grosser Entfernung von der Messfläche beim Durchlauf erfasst werden. Bei gleichzeitiger Umdrehung beider Tische ergibt sich eine spiralförmige Meßstrecke; wird z. B. der Tisch 12 bei zweimaliger voller Drehung des Tische 16 um 180° gedreht, so ergibt sich die doppelte Spiralbahn 22 der Figur 2c, ausgehend vom Äquator des Messobjekts.

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Durch entsprechende Kombination der Umdrehung eines oder beider Tische, der Umdrehungsgeschwindigkeit und gegebenenfalls stufenweiser Fortschaltung lassen sich sehr unterschiedliche Messbahnen gestalten, so dass die Flächen des Messobjekts voll erfasst werden. Die Messgenauigkeit wird nur durch die Empfindlichkeit der Messköpfe und die Genauigkeit der Lager 14 und 18 begrenzt; die Letztere ist aber g-poss, weil beide Tische auf nur einer Ebene umlaufen.

Anstelle der als Beispiel gezeigten Anordnung des Tischs unter einem Winkel von 45° zum Tisch 12 werden Je nach Lage des

zur vollständigen Erfassung der Messflächen andere Einstellwinkel in Frage kommen.

Die Messköpfe 36, 40 und Meßspitzen 42, 44 können z. B. gemäss der Figur 3a ausgebildet sein.

Die Meßspitze 42 ist in dem Gehäuse 60 längs beweglich auf dem ringförmigen Lagerkissen 62 aus porösem Kohlenstoff oder mit Luftkanälen versehenen Stahl- oder Metallkörpern angebracht. Durch die Leitung 64 wird Luft in das Lagerkissen geleitet, so dass die Meßspitze mit sehr geringer Reibung flotiert. Am äussersten Ende kann die Meßspitze in einer Kugel 66 enden, die das Messobjekt abtastet. Die grösete Meßstrecke

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wird dabei durch die Länge des Lagerkissens und der Meßspitze 42 festgelegt. Mit geeigneten Stellschrauben kann die Meßspitze 42 eingestellt und ausgerichtet werden. Zur Messanzeige dient vorzugsweise ein in der Figur 3b näher gezeigter optischer Interferenzmesser, der in dem Meßkopf 36 den von der Lichtquelle 48 erzeugten und durch den Kanal 46 des Tragarms 32 fallenden Lichtstrahl 69, z. B. vermittels eines verstellbaren Spiegels 68 reflektiert. Ein Strahlenleiter 70 teilt das reflektierte Licht in zwei Strahlengänge; der eine Strahlengang fällt auf einen gegenüber der Kugelspitze 66

im Messkopf 36 am Ende der Meßspitze 42 befestigten Spiegel 72, der andere Strahlengang auf einen verstellbaren Spiegel 74. Der vom Spiegel 72 reflektierte Lichtstrahl vereinigt sich nach Verzögerung durch eine 1/8 Wellenverzögerungsplatte 76 im Strahlenteiler 70 wieder mit dem von Spiegel 74 reflektierten Licht. Hierbei entstehen Interferenzstreifen, die durch einen weiteren Strahlenteiler aufgeteilt werden; ein Strahlengang fällt auf einen Photodetektor 80, der andere nach Reflexion durch einen Spiegel oder ein Prisma 82 auf einen zweiten Photodetektor 84, gegebenenfalls nach Durchgang durch optisch um 90° gegeneinander versetzte Linearpolarisatoren 86, 88. Die Ausgänge der Fhotodetektoren werden in den Meßschreiber 50 gegeben.

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Zur Stabilisierung der Interferenzstreifen in der Optik muss u. TJ. eine Verdrehung der Meßspitzen 4-2 infolge etwaiger ungenauer Einstellung des Spiegels 72 weitgehend ausgeschaltet werden. Dies kann z. B. durch Abflachung einer Seite der Meßspitze und Anbringen eines luftundurchlässigen Keils in entsprechender Lage auf dem ringförmigen Lagerkissen 62 erreicht werden. Selbst bei dem typischen Meßspitsenweg von ca. 3»8 cm ist dadurch noch eine gute Stabilität zu erzielen. Mit einem über die Leitung 65 angelegten positiven oder negativen Druck kann die Kugelspitze 66 beim Messdurchlauf ständig gegen die Messfläche gedrückt und nach Beendigung des Messlaufs wieder abgehoben werden.

Erzeugt die Lichtquelle z. B. linear polarisiertes Licht oder Laserlichtstrahlen, so gibt die Vorrichtung neben grosser Messgenauigkeit auch die Richtung der Meßspitzenbewegung an. Der Bezugsteil des vom Strahlenteiler 70 zum Spiegel 74- und zurück reflektierten Laserlichtbündels bleibt linear polarisiert, während der andere, verzögerte Teil elliptisch polarisiert wird und nach Reflexion durch den Spiegel 72 zurück durch die Verzögerungsplatte 76 vollkommen kreisförmig polarisiert wird und sich mit dem Bezugs strahlengang vom Spiegel 74- wieder vereinigt. Das entstehende Interferenzmuster wird durch den Strahlenteiler 78 aufgespalten und gelangt über die getrennten Polarisatoren 86, 88 auf die Photodetektoren 80,

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84. Zweckmässigerweise wird in der Regel das optische System einschliesslich der Detektoren so eingestellt, dass Jeder Detektor immer nur einen Interferenzstreifen zu einem gegebenen Zeitpunkt beobachtet. Die Meßschreiberschaltung enthält entsprechende Zähl- und Logikschaltungen, mit denen die Richtung der Meßspitzenbewegung und die Bewegungssumme bestimmt wird. Beispielsweise wird ein Zählwert abgezogen, wenn ein Interferenzstreifen zuerst über den Detektor 80 läuft, aber ein Zählwert dazugezählt, wenn ein Interferenzstreifen zuerst über den Detektor 84 läuft. Durch Quadratureinstellung der Detektorsignale erzeugt eine Viertel-Interferenzstreifenbewegung der Meßspitze einen Logikübergang in einem der Zähler. Die Vorrichtung kann dann eine Verschiebring von nur 1/4 oder 1/2 Wellenlänge messen, die je nach der verwendeten Lichtquelle in die entsprechende Entfernung übersetzt werden kann, z. B. 3 χ 10 Inch bei Helium-Neon-Laserlicht. Da die Wellenlänge bis zu einem gewissen Grade vom Brechungsindex und dieser wiederum von Temperatur, Druck und Wasserdampfgehalt der Luft abhängt, wird bei erwünschter grosser Messgenauigkeit die Vorrichtung entweder in entsprechend geregelter Atmosphäre bzw. Umgebung eingesetzt oder es werden die Zähler entsprechend eingestellt.

Die Figur 4 zeigt als Beispiel zur Abstützung und Umdrehung der Tische 12, 16 geeignete Lager 14, 18. In den Lagerbügeln

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96, 98, ICX) sind drei ringförmige Lagerkissen 90, 92, 94 aus porösem Graphit angeordnet. Durch den Kanal 102 und die Rinnen 104 in den Lagerbügeln wird auf die Oberfläche der Lager ein Druckluftkissen gelegt. Das Lagerkissen 96 besitzt vorzugsweise einen der Lagerfläche 93 des Tischs 12 angepassten, trapezoidfönnigen Querschnitt, damit die Tische 12, 16 achsial und radial stabilisiert werden. Die Druckluftversorgung der Lager 14, 18 und der Messköpfe 36, 40 erfolgt in geeigneter Weise. Es entsteht eine sehr genaue, hydrostatische Lagerung des Tischs 16, der mit nicht mehr feststellbar kleinen Toleranzen planrotie^t. Etwaige Abnntzungserscheinungen sind gering und überdies gleichmässig. Als Antrieb dient ein vom Bügel 20 oder 100 getragener und von der Regelvorrichtung 52 gesteuerter Motor 106 mit einem Zahnstangen- oder Zahnring- und Hitzelantrieb 108, 110, der den Tisch kontinuierlich oder schrittweise, mit gleicher oder verschiedener Geschwindigkeit und Richtung antreibt.

Mit der einstellbaren Tragvorrichtung der Figuren 5 und 6 kann die TJmdreftungsachse des Tischst6 verstellt werden. Der Ringbügel 20 ist mit einer an der beweglichen Platte 122 befestigten Verlängerung 120 beweglich auf dem Tisch 12 abgestützt. Die Platte 122 wird durch mehrere Bolzen 124 in den Längsschlitzen 126 auf dem Tisch 12 gehalten. Durch nicht gezeigte Schrauben können die Bolzen festgezogen oder glei-

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tend gehalten werden. Die Platte liegt zwischen durch Bolzen 130 am Tisch 12 befestigten Gleitschienen, die durch in Rillen 134 am Plattenrand eingreifende Schrauben 132 beweglich gehalten werden. Die Rillen und Schlitze 134-, 126 werden mit entsprechender Länge ausgelegt. Mit einem durch den Bügel am Tisch 12 befestigten Rad und Schraubenbolzen I36 kann die Platte zwischen den Schienen 128 entlang den Schlitzen 12 6 und Rillen 134- bewegt werden, indem n&ch Lockern der Bolzen 124 und Schrauben 132 das Rad mit den Bolzen 136 in die eine oder andere Richtung gedreht wird♦

Die Verlängerung 120 des ringförmigen Tragbügels 20 kann über nicht gezeigte Schlitze mit Bolzen 142 an der Platte 122 befestigt sein. Durch Lockern der Bolzen 142 und Schrauben 144 in der mit Bolzen 148 an der Platte 122 befestigten Stange
kann der Bügel 20 quer zur Verstellrichtung der Platte 122
verateilt werden. Nach Einstellung der Tische 12 und 16 werden die Schrauben 124, 142 und Bolzen wieder angezogen.

Das Lager 14 der Figur 6 ist dem der Figur 4 ähnlich. Auch
hier sind Lagerkissen 90', 98',100' aus porösem Graphit vorgesehen. Der Tisch 12 wird wie der Tisch 16 oder durch einen Motor 150 über den durch einen Tragring 156 unter dem Tisch gehaltenen Zahnstangenantrieb 152, Ι^Ά in Umdrehung versetzt.

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Claims

— j. j —

Patentansprüche

!^Vorrichtung zum Messen gekrümmter Messobjekte, dadurch gekennzeichnet, dass zu einem ersten, um eine Achse drehbaren Tisch (12) unter einem bestimmten Winkel zu dieser Achse ein zweiter, um eine Achse drehbarer, das Messobjekt tragender Tisch angeordnet ist und nahe dem Messobjekt bei der Umdrehung der Tische erscheinende Abweichungen des Messobjekts, insbesondere dessen Wandstärke anzeigende Mittel vorgesehen sind.
2. Vorrichtung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei gegenüberliegende Messköpfe der Anzeigemittel auf je einem Tragarm (32, 38) angebracht sind, von denen einer durch den ringförmigen zweiten Tisch reicht.
3. Vorrichtung gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Meßköpfe je einen, die Messobjektflächen bestreichenden Meßstift (42, 44) tragen.
4. Vorrichtung gemäss Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass an die Messköpfe bzw. Stifte optische Interferenzmesser angeschlossen sind.

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5. Vorrichtung gemäss Ansprüchen 1-4-, dadurch gekennzeichnet, dass die drehbaren Tische auf hydrostatischen Lagern angebracht sind.
6. Vorrichtung gemäss Ansprüchen 1 - 5> dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Tisch mit einem Winkel von 4-5° zum ersten Tisch angebracht ist.
7. Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 1-6, gekennzeichnet durch die Anwendung auf die Messung eines kugel- oder halbkugelförmigen Messobjekts, wobei die Anzeigemittel in einer Lage des zweiten drehbaren Tischs dem Äquator des Messobjekts und in einer anderen Lage dessen Pol gegenüber liegen.
8. Vorrichtung gemäss Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, da9s der eine Meßstift die Innenfläche und der andere Meßstift die Auesenflache des Messobjekts bestreicht.

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