DE2357837C2

DE2357837C2 - Meßvorrichtung

Info

Publication number: DE2357837C2
Application number: DE19732357837
Authority: DE
Inventors: Cesare Florenz Anichini
Original assignee: Finike Italiana Marposs SpA
Current assignee: Marposs SpA
Priority date: 1972-12-01
Filing date: 1973-11-20
Publication date: 1991-04-18
Also published as: JPS49110369A; DE2357837A1; CH570606A5; FR2209092B1; FR2209092A1; SE392968B; GB1457444A; IT969124B

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Bekannte »In-Prozeß«-Meßvorrichtungen sind ganz allgemein Komparatoren, die entweder rein mechanisch aufgebaut sind oder mit Wandlern pneumatischer, elektronischer oder einer anderen Bauart ausgestattet sind, welche die Abweichungen bezüglich vorgegebener Maße bestimmen (derartige gemessene Abweichungen liegen z. B. im Bereich von 1/100 und/oder 1/1000 rnm).

Di« Verwendung von Komparatoren machte die Durchführung einer mechanischen und elektrischen »Nulleinstellung« erforderlich, wenn von einer Bezugsgröße zu einer anderen übergegangen werden soll. Diese Einstellungen sind sehr heikel und erfordern im ganzen auch einen Zeitaufwand von einigen Minuten.

Andererseits sind die Werkzeugmaschinen in so großem Ausmaß verbessert worden, daß die tatsächlichen Maschinenzeiten nur wenige Sekunden in Anspruch nehmen. Wenn daher viele Teile eines Werkstückes mit unterschiedlichen Größen oder andererseits nur geringe Stückzahlen von Werkstücken auf ein und derselben Werkzeugmaschine bearbeitet werden sollen, ist klar, daß im ersten Falle notwendigerweise eine der Anzahl der Teile des auszumessenden Werkstückes entsprechende Anzahl von Komparatoren benutzt werden muß und daß im zweiten Falle für jeden Werkstützsatz eine Nulleinstellung durchgeführt werden muß.
Dasselbe gilt für überprüfende Bankmessungen.
Um diese technischen und wirtschaftlichen Nachteile

is zu vermeiden, wurde bereits versucht, die Null-Einstellungs-Gänge automatisch durchzuführen, indem Motoren, Lagewandler und Servosteuersysteme benutzt wurden, die für eine schnelle und genaue Verschiebung der Meßköpfe der Komparatoren in jede beliebige notwendige Position längs mechanischer Führungen geeignet waren. Die nach diesen Ideen aufgebauten Vorrichtungen fanden aber niemals industrielle Anwendung und stellen bisher nichts anderes als labormäßige Prototypen dar.

Zur Durchführung solcher Positionierschritte mit einer Genauigkeit ir der Größenordnung von 1 Micron oder weniger sind in der Tat mit elektronischen Rechnern vergleichbare sehr komplexe Steuer- und Verarbeitungsschaltkreise erforderlich, die gegenüber Störungen sehr empfindlich sind und eine nicht ausreichende Wiederholbarkeit der Einstellung besitzen; darüberhinaus sind sie sehr teuer.

Es wurden auch einige Meßvorrichtungen mit großem Meßbereich entwickelt, die auf der Benutzung besonderer Wandler basieren, die von relativ gegeneinander bewegbaren Elementen gebildet werden und einen relativ großen Bereich überdecken. Diese werden als sog. »Absolutmeßvorrichtungen« bezeichnet, da sie anstelle von Abweichungsmessungen mit Bezug auf Nennmaße mittels ihrer Wandler reale Größenmessungen durchführen. Absolutmeßvorrichtungen haben aber auch bisher keinerlei praktische Anwendung in der Industrie gefunden, und zwar aus den oben erwähnten Gründen, wegen ihrer Übergröße, der großen Massen der beweglichen Organe und des Bauaufwandes, die sie für die Verwendung zur Messung von auf Werkzeugmaschinen zu bearbeitenden Werkstücken ungeeignet machen.
Bei der bekannten Meßvorrichtung (DE-OS 18 14 096), von der die Erfindung ausgeht, wird der Antriebsmotor für die Schlittenverstellung von dem ersten Meßsystem mit dem kleinen Meßbereich angesteuert, wobei der Antriebsmotor so betätigt wird, daß das Meßsignal zu Null wird. Zur Anzeige gelangt der von dem zweiten Meßsystem mit dem großen Meßbereich gelieferte Meßwert. Wird bei der Verstellung der Nullpunkt nicht ganz erreicht, so werden die von beiden Meßwerten gelieferten Meßwerte summiert und angezeigt.
Zur Grob- und Feinmessung ist es auch bekannt (US-PS 31 65 834), einen den Meßtaster tragenden Schlitten in Anschlag auf einsteckbare Stifte zu fahren und den genauen Abstand mittels Mikrometer zu messen. Dabei handelt es sich um eine von Hand zu bedienende Meßvorrichtung, bei der der Zeitaufwand zum Messen sehr groß ist.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Meßvorrichtung mit großem Meßbereich zu schaffen, die mit einer solchen Präzision, Schnelligkeit und

Sicherheit arbeiten kann, daß sie für die Messung von Abmaßen auf einer Werkzeugmaschine oder einer Bank geeignet ist, selbst wenn die Abmaße in beachtenswertem Ausmaß voneinander abweichen und bei der gleichzeitig Schritte zur Nulleinstellung auf Lehrstücken nicht erforderlich sind.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angeführten Merkmale gelöst Mittels des zweiten Meßsystems wird also der Schlitten auf bestimmte, beispielsweise einem Teilstrich einer Skala entsprechende Bezugspositionen eingestellt und darauf der Antriebsmotor stillgesetzt Anschließend erfolgt die Feinmessung. Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung zeichnet sich durch hohe Genauigkeit und sehr schnelle und zuverlässige Messungen aus.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine Seitenansicht einer Meßvorrichtung, teilweise im Schnitt,

F i g. 2 eine Rückansicht, teilweise im Schn'tt, der in F i g. 1 dargestellten Meßvorrichtung

F i g. 3 einen horizontalen Schnitt durch die Meßvorrichtung gemäß F i g. 1 und 2,

F i g. 4 ein Blockschaltbild der Meßvorrichtung,

F i g. 5 Einzelheiten des Blockschaltbildes der F i g. 4 und

F i g. 6 eine Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform mit schematisch dargestellten elektrischen Verbindungen, welche für die Ausmessung von mechanischen Werkstücken während ihrer Bearbeitung geeignet ist

Gemäß den F i g. 1 bis 3 weist die Meßvorrichtung einen Grundkörper 11 auf, auf dem eine kfeisförmige Platte 12 zur Lagerung der Werkstücke angeordnet ist Der Grundkörper 11 stützt eine sich vertikal erstrekkende Welle 15 über ein Axiallager i3 und ein Radiaiiager 14 ab. Die Welle ist bis auf ihre Endabschnitte mit einem Gewinde versehen. Weiterhin trägt der Grundkörper 11 e^ne sich vertikal erstreckende zylindrische Säule 16 und eine Runge 17, der eine Fußplatte 18 zugeordnet ist Mittels eines an ihr befestigten Winkels 19 trägt die zylindrische Säule 16 einen Antriebsmotor 20 derart, daß sich dessen Welle 21 vertikal erstreckt

Die Welle 21 ist mit der Welle 15 durch eine elastische Kupplung 22 verbunden. Eine sich horizontal erstrekkende Platte 23 umgibt die zylindrische Säule 16 und die Welle 15, wobei die Welle von einem Radiallager 24 gehalten wird, das in einem in der Platte ausgebildeten Lager sitzt. Das obere Ende der Runge 17 ist mit der Platte 23 durch Schrauben 25 verbunden, wobei zwischen der Runge 17 und der Platte 23 Abstandsstücke 26 angeordnet sind. Ein Schlitten 27 ist auf der zylindrischen Säule 16 verschiebbar gelagert und somit in vertikaler Richtung auf- und abbewegbar. An dem Schlitten 27 ist mit Hilfe eines Arms 28 ein Meßkopf 29 befestigt, der aus einer axialbeweglichen vertikalen Welle 30 und einem Taster 31 besteht.

Mit dem Schlitten 27 ist eine Mutter 32 verbunden, die auf die Gewindewelle 15 aufgeschraubt ist. Bei Drehung der Welle 15 wird der Sehlitten 27 in eine Richtung bewegt, während er bei Drehung der Welle 15 in anderem Drehsinn in die andere Richtung bewegt wird. Wie aus den F i g. 1 und 3 ersichtlich ist, ist mit dem Schlitten 27 auch noch der Schieber 33 eines Meßsystems 34 verbunden. Zu dem Mebsystem 34 gehört eine Strichskala 35, die mit der Runge 17 verbunden ist.

Nun sollen die elektrischen Schaltkreise gemäß F i ε. 4 und 5 genauer beschrieben werden.

Ein über die EingangskJemmen 41 gespeister Oszillator 40 ist ausgangsseitig mit der Primärwicklung 42 eines Differentialtransformators verbunden, der das Meßsystem 43 des Meßkopfes 29 darstellt Zu dem Differentialtransformator gehört ein Kern 44, der mit der in der F i g. 1 gezeigten Welle 30 verbunden ist und sich daher mit ihr zusammen bewegt Weiterhin gehören zu dem Differentialtransformator zwei in Reihe geschaltete, aber gegenphasige Sekundärwicklungen 45 und 46. Der

ίο Ausgang des Differentialtransformators ist mit einem Gleichrichterkreis 47 verbunden. Dieser gibt an seinem Ausgang eine Gleichspannung ab, deren Amplitude von der Lage des Kerns 44 abhängt. Die Amplitude ändert sich symmetrisch bezüglich Null; die Null-Amplitude wird erreicht wenn sich der Kern 44 in einer Mittellage befindet Die Gleichspannung wird auf ein Lese- bzw. Anzeigegerät 48 gegeben. Weiterhin wird die Gleichspannung auf die Eingänge zweier elektronischer Schwellenditektoren bzw. Schwellwertschalter 49 und 50 gegeben, von denen der erste L^.·». Erreichen eines vorgegebenen positiven Spannungswertis und der andere bei Erreichen eines Spannungswertes durchschaltet, der gegenüber dem vorhergehenden ein anderes Vorzeichen aufweist Die elektronischen Schwellwertschalte: 49 und 50 sind abgeschaltet, wenn die Eingangsspannung zwischen diesen beiden Werten liegt; wenn andererseits die Eingangsspannung den vorgegebenen positiven Wert übersteigt oder kleiner als der vorgegebene negative Wert ist, wird entweder der Schalter 49 bzw. der Schalter 50 durchgeschaltet, so daß der Eingang eines Verstärkers 51 beaufschlagt wird, der gesättigt wird.

Weiterhin speist der Oszillator den Eingang des Meßsystems 34, d. h. dessen Schieber 33. Das Ausgangssignal des Meßsystems 34 wird von der Strichskala 35 abgegeben, in einem Gieichrichtkreis 52 gleichgerichtet, in einem Verstärker 53 verstärkt und auf den Eingang des Verstärkers 51 gegeben, dessen Ausgang mit dein Antriebsmotor 20 verbunden ist.

Wie aus der F i g. 5 ersichtlich ist, ist der Antriebsmotor 20 mit einer Erregerwicklung 61 versehen, die von einer Gleichspannungsquelle 62 gespeist wird, weiche auch die Vorspannung für einen Verstärker 63 liefert Die Eingangsklemme des Verstärkers 63 trägt das Bezugszeichen 64.

Die Ausgangsspannung des Vertärkers 63 wird auf eine der Bürsten des Läufers 65 des Antriebsmotors 20 gegeben und (ggf. über einen Widerstand) auf den Eingang eines Negationsgliedes 66, dessen Ausgang mit der anderen Bürste des Läufers 65 verbunden ist Mit dem Läufer ist ein Drehmelder 67 verbunden, der mit dein Anzeigegerät 48 verbunden ist. Die in der Fig.5 mit den bezugszeichen 61 bis 66 bezeichneten Elemente stellen Teile des Verstärkers 51 und des Antriebsmetors 20 gemäß F i g. 4 dar.

Die Meßvorrichtung arbeitet wie folgt: Es werde angenommen, daß der Schlitten 27 derart verschoben ist, daß sich die Mutte- 32 in Eingriff mit dem oberen Teil des Gewindebereiches der Welle 15 befindet und der Taster 31 das auszumessende Werkstück nicht berührt. In diesem Fall sind die vertikale Welle 30 und der Kern 44 nach unten verschoben. Die Ausgangsspannung des Gleichrichtkreises 47 schaltet den Schwellwertschalter 50 durch, der den Verstärker 51 speist. Dies führt zu

as einer Drehung des Läufers 65 in einer solchen Richtung, daß der Schlitten 27 abgesenkt wird, bis der Taster 31 das Werkstück berührt.
Nach Aufbau dieser Berührung bewegt sich die Welle

30 nach oben; dabei ändert sich die Ausgangsspannung des Gleichrichtkreises 47, bis sie in dem oben erwähnten Spannungsbereich zwischen den vorgegebenen Spannungswerten liegt.

Bei dieser Lage wird der Antriebsmotor 20 von dem Ausgangssignal des Meßsystems 34 gespeist, das die Positionierung des Schlittens 27 auf den nächstliegenden Bezugsstrich der Skala 35 steuert. Diese Positionierung wird mit der größten Genauigkeit durchgeführt, da das Meßsystem 34 Teil eines Rückkopplungskreises ist, welcher ein Fehlersignal erzeugt. Dieses Fehlersignal wird in dem Verstärker 51 verstärkt, und führt zu einer Drehung des Läufers 65 bis das Fehlersignal den »Null«-Wert erreicht. Der dann erreichten Lage entspricht ein Meßwert, der durch den Drehmelder 67 und das Anzeigegerät 48 z. B. in Millimeter angezeigt wird. Der Meßwert kann aber auch direkt abgelesen werden, indem die Lage eines auf dem Schieber 33 vorgesehenen Meßpfeils 37 bezüglich einer Teilung 38 auf der Skala 35 betrachtet wird; oder bezüglich eines mit der Skala 35 verbundenen Richtlineals (vgl. F i g. 1).

Wenn die Werkstückabmaße genau diesem dimensionalen Meßwert entsprechen, befindet sich der Kern 44 des Differentialtransformators 43 in seiner Mittellage. Wenn das nicht der Fall ist, wird die (positive oder negative) Abmaßdifferenz von dem Meßkopf 29 erfaßt und auf dem Anzeigegerät 48 dargestellt, das diese weitere Information von dem Gleichrichtkreis 47 erhält. Es ist klar, daß, wenn andererseits die Welle 30 nach oben gedrückt wird, bis der elektronische Schwellwertschalter 49 durchgeschaltet wird, sich die Welle 15 in entgegengesetzter Richtung drehen wird, so daß der Schlitten 27 angehoben wird. Diese nach oben gerichtete Bewegung hält an, bis das Ausgangssignal des Gleichrichtkreises 47 in dem oben erwähnten Spannungsbereich liegt

Daher führt die Meßvorrichtung mit Hilfe eines das Meßsystem 34 einschließenden Posilions-Servosystems die Positionierung des Schlittens 27 mit dem Meßkopf 29 in Übereinstimmung mit gleichabständigen Bezugsteilstrichen auf der Skala 35 durch, die zwar breite, aber sehr genau bestimmte Teilbereiche des Meßbereiches festlegen.

In den Intervallen zwischen den Bezugsteilstrichen wird die Größenmessung mit Hilfe des als Meßsystem 43 arbeitenden Differentialtransformators des Meßkopfes 29 erreicht Das Meßsystem 34 steuert die Positionierung des Schlittens 27 und daher des Kopfes 29. Es sind verschiedene Meßsysteme, wie z. B. elektronisch, elektromagnetische optische Systeme auf dem Markt erhältlich, die in Abhängigkeit von der Relatiwerschiebung zwischen einem bewegbar angeordneten und einem starr angeordneten Element ein Ausgangssignal abgeben, das in Abhängigkeit von der erreichten Lage zyklisch auftritt, so daß der Wandler in dem oben beschriebenen Servosystem benutzt werden kann.

Auch können Wandler mit Elementen verwendet werden, die sich in Abhängigkeit von einer Drehbewegung hin- und herbewegen anstelle einer Abhängigkeit von einer linearen Bewegung. Zu diesem Zwecke ist es ausreichend, wenn geeignete Verbindungen benutzt werden, z. B. wenn die Verbindung mit Hilfe eines Präzisionszahnstangengetriebes oder eines gleichwertigen Systems erfolgt. Diese an sich bekannten Lagewandler können auch so ausgelegt werden, daß sie Stopsignale für die Positionierung in voneinander verschiedenen Lagen abgeben können, die längs einer Skala sehr dicht beieinander liegen (z. B. mit einer Intervallbreite von 1 Micron oder weniger). In einem solchen Falle würden aber die bekannten Meßwandler extrem komplex, empfindlich aufgebaute Signalverarbeitungs- und Steuerkreise erforderlich machen, die bei der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung nicht erforderlich sind.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegen die Teilstriche der Skala 35, in Abhängigkeit von welchen Teilstrichen der Schlitten 27 positioniert wird, jeweils 2 mm auseinander; der Meßkopf 29 weist einen Meßbereich auf, der etwas größer als dieser Abstandswert ist.

Die bisher beschriebene Meßvorrichtung kann auch für das Ausmessen von Werkstücken während deren Bearbeitung auf Werkzeugmaschinen, insbesondere Schleifmaschinen, benutzt werden, wenn einfache Abwandlungen vorgenommen werden.

Bei der in der F i g. 6 schematisch dargestellten Ausführungsform >st ein Vorrichtungsrahmen 70 auf einem Wagen 71 befestigt. Der Wagen 71 kann dem auszumessenden Werkstück angenähert und von diesem abgezogen werden. In dem Vorrichtungsrahmen 70 sind zwei Wellen 15 und 15a angeordnet, wobei die Welle 15 mit einem Rechtsgewinde und die Welle 15a mit einem Linksgewinde versehen ist. Den Wellen 15 und 15a sind Antriebsmotoren 20, 20a, Meßsysteme 34, 34a mit Skalen 35, 35a und Schiebern 33, 33a und Schlitten 27, 27a zugeordnet, mit denen die Schieber 33,33a fest verbunden sind; ais Führungen für die Schlitten 27,27a dienen zylindrische Säulen 16, 16a. Fest mit den Schlitten 27, 27a verbundene Arme 28, 28a tragen Meßköpfe 29,29a mit schmalem Meßbereich.

Die elektrischen Schaltkreise zur Erregung der Motoren 20 bzw. 20a sind in einer Steuer- und Ausleseschaltgruppe 72 zusammengefaßt.

Die Schaltgruppe 72 weist Vorauswahl- und Vergleichskreise auf, mit deren Hilfe die Positionierung der Köpfe 29 und 29a in Abhängigkeit von den durch die Meßsysteme 34, 34a festgestellten gewünschten Bezugspositionen möglich ist. Wenn z. B. ein Werkstück 75 bis zum Erreichen eines vorgegebenen Endmaßes geschliffen werden soll, wird das Endmaß auf der Steuer- und Ausleseschaltgruppe eingestellt. Die Schaltgruppe 72 steuert die symmetrische Positionierung der Meßköpfe 29 und 29a in Abhängigkeit von den Wandlern 34 und 34a gegebenen Bezugspositionen, denen der im vorgegebenen Endmaß am nächsten kommende Abstand entspricht.

Um dies zu erreichen, können die bereits im Zusammenhang mit den F i g. 4 und 5 beschriebenen Komponenten benutzt werden: Die Bewegung der Schütte.. 27 und 27a in Richtung auf die Endpositionen wird durch den Vergleich der Ausgangssignale von mit dem Drehmelder 67 der F i g. 5 vergleichbaren Drehmeldern mit dem vorgegebenen Endmaß erreicht; die genaue Positionierung der Schlitten wird durch die von den Meßsystemen 34 und 34a abgegebenen Fehlersignalen gesteuert

Insbesondere können diese Fehlersignale von der Hüllkurve einer der Ausgangsspannungen gebildet werden, die von auf dem Markt unter dem Markennamen »Inductosyn« erhältlichen Wandlern abgegeben werden. Solche Wandler geben Ausgangsspannungen mit einer sinusförmigen Hüllkurve ab, die für die Durchführung genauer Positionieraufgaben geeignet ist, wenn Schaltkreise wie die in der F i g. 5 gezeigten verwendet werden.

Während des Schleifens werden die Meßköpfe 29 und 29a in dieser Position gehalten und überwachen die ver-

schiedenen Bearbeitungsphasen.

Die Beendigung des Schleifvorgangs wird automatisch angesteuert, wenn das Abmaß, das der Summe der Ausgangssignale der Meßköpfe 29 und 29a und der Ausgangssignale der Wandler 34 und 34a entspricht, gleich dem gewählten Endmaß ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch für die Ausmeiiiung von sich mit großer Geschwindigkeit bewegenden Werkstücken und von Werkstücken mit unstetiger Oberfläche auf einer Bank oder einer Werkzeugmaschine benutzt werden. Zu diesem Zwecke können die Meßköpfe 29 und 29a im wesentlichen die in der DT-PS 1303814 ( = US-PS 33 45 753) beschriebene Bauart aufweisen. Eine Ansteuerung der Antriebsmotoren 20, 20a in einer Weise, die der im Zusammenhang mit der Vorrichtung gemäß F i g. 1 bis 3 beschriebenen Betriebsweise vergleichbar ist, ist auch möglich, insbesondere bei der »In-Prozeß« Ausmessung von Werkstücken mit nicht unterbrochenen Oberflächen.

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Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Meßvorrichtung, bestehend aus einem an einem Träger längsverschiebbaren Schlitten, der von einem Antriebsmotor positionierbar ist, einem an dem Schlitten angeordneten ersten Meßsystem mit einem kleinen Meßbereich zum Messen der Lage eines Tasters gegenüber dem Schlitten, mit einem zweiten Meßsystem mit einem großen Meßbereich zum Messen der Lage des Schlittens gegenüber dem Träger, wobei der Antriebsmotor für die Schlittenverstellung von einem der beiden Meßsysteme ansteuerbar ist, und mit einer mit beiden Meßsystemen verbundenen Auswerte- und Anzeigevorrichtung, in der der von dem zweiten Meßsystem gelieferte Meßwert mit dem von dem ersten Meßsystem gelieferten Meßwert kombiniert und der kombinierte Wert zur Anzeige gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß durch die von dem zweiten Meßsystem (34), das mit dem Antriebsmotor (20) für die Verstellung des Schlittens (27) über eine Schaltung (51,52,53) verbunden ist, gelieferten Meßwerte der Schlitten (27) in bestimmte, jeweils einen festen Abstand voneinander aufweisende, Teilstrichen einer Meßskala entsprechende Bezugspositionen verstellbar ist und der Meßbereich des ersten Meßsystems (43) mindestens dem festen Abstand zwischen zv/ei aufeinanderfolgenden Bezugspositionen entspricht

2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung (51,52,53) zusammen mit dem Antriebsmotor (20) eine Regelschaltung mit Rückführung des Anzei^ awertes bildet.

3. Meßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Meßsystem (43) mit Schwellwertschaltern (49,50) verbunden ist, wobei der Antriebsmotor mit jeweils einer von zwei Direhrichtungen einschaltbar ist, wenn der Meßwert des ersten Meßsystems jeweils ein Schwellwertsignal überschreitet und ausschaltbar ist, wenn der Meßwert innerhalb des von beiden Schwellwertsignalen bestimmten Bereiches liegt.

4. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Meßsystem (43) ein Differentialwandler ist, dessen bewegliches Element (44) mit einem Taster (31) verbunden ist.