DE2413997B2

DE2413997B2 - Bügelmeßschraube

Info

Publication number: DE2413997B2
Application number: DE2413997A
Authority: DE
Inventors: Kiyoshi Tokio Inoue
Original assignee: Inoue Japax Research Inc
Current assignee: Inoue Japax Research Inc
Priority date: 1973-03-22
Filing date: 1974-03-22
Publication date: 1981-02-05
Also published as: CH558929A; FR2222633A1; US3924336A; CA1002747A; DE2413997A1; IT1003849B; JPS49121554A; GB1421313A; DE2413997C3; FR2222633B1

Description

— einen nachgeschalteten Verstärker (97) zur VerstärKung des elektrischen Analog-Signals,

— wobei die Detektorschaltung (96), der Verstärker (97) und der Analog-Digital-Umsetzer (98) zum integrierten Großschaltkreis gehören.

9. Bügelmeßschraube nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,

— daß der Analog-Digital-Umsetzer (98)

— Auf- und Abwärlszählimpulse für den Zweirichtungszähler (10) je nach Richtung der Relativbewegung der beiden Meßflächen (3a, 4a) bei Erfassung durch die Detektorschaltung (96) abgibt.

Die Erfindung betrifft eine Bügelmeßschraube nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es sind verschiedenste analoge und digitale elektronische Längenmeßverfahren bekannt (vgl. Elektronik, 1972, Heft 9, S. 303-307), insbesondere translatorische und rotatorische Meßverfahren, ferner Maßstab-Systeme in Form inkrementaler Maßstäbe (z. B. lediglich aus schwarzen und weißen Streifen gleicher Breite bestehend, die je nach Wandlerprinzip leitfähige und isolierende, magnetische und unmagnetische oder lichtdurchlässige und lichtundurchlässige Bereiche sein können) und codierter Maßstäbe mit mehreren Spuren.

Bekannt ist auch (vgl. DE-GM 18 69157) eine Werkzeug- oder Meßmaschine mit einem auf einem Grundbett um meßbare Beträge verschiebbaren Schlitten und mit in der Maschine vorgesehenen elektrischen Ziffernanzeigeröhren zur Anzeige der Schlittenverschiebung sowie einem neben der Maschine angeordneten Drucker. Eine derartige Meßmaschine zeigt nicht nur erhebliche Abmessungen, sondern bei ihr ist auch völlig offengelassen, wie im einzelnen aus der mechanischen Verschiebung die Meßsignale gewonnen werden könnten, zumal dort überhaupt keine elektrische Schaltung dargestellt ist.

*>s Bei einer bekannten obigen Bügelmeßschraube (vgl. DE-GM 69 36 334) wird die Relativbewegung der beiden Meßflächen, d. h. die translatorische Bewegung der Meßspindel, zunächst durch eine relativ aufwendige

Mechanik (eine mit der Meßspindel nach Art von Mutter und Schraube gekuppelte drehbare Gewindehülse) in eine Drehbewegung umgesetzt, die dann von einem Drehwinkelgeber erfaßt wird, von dem eine Impulsscheibe (mit vielen Schlitzen uuf dem Umfang) zwischen einer Lampe einerseits und einer Photozelle andererseits angeordnet ist

Diese ziemlicn aufwendige Art der Umsetzung der Relativbewegung der beiden Meßflächen in elektrische Impulse bringt auch eine relativ hohe Meßungenauigkeit mit sich (bedingt durch die Gewindeverbindungen und die Schlitzteilung der Gitterteilscheibe).

Ähnlich ist ein Anbau-Micrometer bekannt geworden (vgl. »Leitz Anbau-Micrometer digital«, 882—21a, November 1972), bei dem nicht nur eine Präzisions-Spindel mit 1 mm Steigung, eine kugelgelagerte Hülse mit Spindelmutter sowie ein photoelektrischer Abtaster mit Gitterteilscheibe vorgesehen sind, sondern zudem eine Digitalanzeige vom Mikrometer getrennt sein soll.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, eine Bügelmeßschraube zu schaffen, die sich durch äußerst hohe Meßgenauigkeit bei gleichzeitig sehr guter Handlichkeit wegen sehr geringer Abmessungen auszeichnet

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Lehre nach dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1.

Indem insbesondere der translatorisch arbeitende induktive Meßumformer die translatorische Relativbewegung der beiden Meßflächen unmittelbar in elek'ri- μ sehe Signale umsetzt, wird eine hohe Meßgenauigkei: erzielt; die Meßgenauigkeit kann z. B. 0,5 μΐη betragen.

Gleichzeitig wird der Aufbau des Meßumformers vereinfacht.

Gemgegenüber ist lediglich noch folgender Stand der Technik bekannt geworden: (vgl. CH-PS 5 27 407) ein Längenmeßgerät (Meßschraube) mit translatorisch arbeitendem Meßumformer, wobei auch ein Raster (eine Skala) an einem in seiner Längsrichtung verschiebbaren Meßbolzen sowie ein Gegenraster und <»o schließlich mit einem Digitalanzeigegerät verbundene photoelektrische Mittel zur digitalen Anzeige einer Relatiyverschiebung zwischen dem Raster und dem Gegenraster vorgesehen sind; und (vgl. GB-PS 8 67 542) eine Meßschraube mit rotatorisch arbeitendem indukti- « ven Meßumformer bei gleichzeitiger Analog-Digital-Umsetzung.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Insbesondere die Lehre nach dem Patentanspruch 2 fördert die Handlichkeit der Bügelmeßschraube sehr, da sie praktisch mit den Abmessungen herkömmlicher Bügelmeßschrauben (rein mechanischen Aufbaus) auskommt

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 schematisch das elektrische Schaltbild der Bügelmeßschraube und

F i g. 2 eine Seitenansicht der Bügelmeßschraube.

Eine Meßschraube 1 hat einen Grundkörper la, der grundsätzlich einen an sich bekannten mechanischen Aufbau hat Der Grundkörper la kann deshalb mit einem Bügel 2 und einem daran befestigten Amboß 3 versehen sein. Durch den Bügel 2 hindurch ist eine Spindel 4 beweglich geführt, die an einer Überwurfmutter 5 mechanisch befestigt ist, die ihrerseits auf einer am b5 Bügel 2 befestigten Buchse 6 drehbar ist. Durch Drehen der Überwurfmutter 5 wird also die Spindel 4 gegenüber dem Amboß 3 hin- und herbeweet Ein Prüfline 7. dessen Dicke oder Außendurchmesser zu messen ist befindet sich in Meßstellung zwischen zwei benachbarten Endflächen 3a und 4a des Ambosses 3 bzw. der Spindel 4 unter einem geeigneten Anpreß&nick, der durch eine Ratsche einstellbar ist die einen Knopf 8 hat

Erfindungsgemäß hat die Meßschraube 1 einen Meßumformer 9, der eine vom beweglichen Spindelende 4a durchfahrene Strecke in Digitalimpulse umsetze' kann. Der Meßumformer 9 kann irgendeinen herkömmlichen Aufbau haben. Das hier abgebildete Ausführungsbeispiel verwendet einen Differenz-Meßumformer mit einer Primärwicklung 91, zwei Sekundärwicklungen 92 und einem Kern 93. Der Kern 93 ist von der beweglichen Spinde! 4 getragen, während die Wicklungen 91 und 92 sich an geeigneten Stellen des Bügels 2 in Bezug auf den Kern 93 befinden. Die Primärwicklung 91 des Differenz-Transformators ist über einen Verstärker 94 mit einem Oszillator 96 verbunden, der die Wicklung 91 bei einer Frequenz im Bereich von 1 —5 kHz, z. B. 1,3 oder 5 kHz, erregt Die Ausgänge der Sekundärwicklungen 92 sind mit einer Detektorschaltung 96 verbunden, die eine Differenzspannung oder ein Analogsignal erzeugt, die bzw. das in Abhängigkeit von der Lage des Kerns 91 gegenüber den Wicklungen 92 variiert Das Ausgangssi£tial der Detektorschaltung 96 wird über einen Verstärker 94 in einen Analog-Digital-Umsetzer 98 eingespeist, der hier so aufgebaut ist daß er einen Impuls erster Art jedesmal erzeugt, wenn ein vorbestimmtes lnkrement von Rückwärtsbewegung (in der Zeichnung von links na<;h rechts) des Kerns 93, also der Spindel 4, z. B. um 10-³ mm, durch die Detektorschaltung % erfaßt wird, um einen Impuls zweiter Art jedesmal dann, wenn eine Vorwärtsbewegung (in der Zeichnung von rechts nach links) der Spindel 4 um dasselbe vorbestimmte lnkrement erfaßt wird. Diese Impulse verschiedener Arten werden — sobald sie erzeugt sind — in einen umsteuerbaren Zweirich'.ungszähler 10 eingespeist und dienen als Hoch- bzw. Herunterzählsignal. Der Ausgang des Zählers 10 ist mit einem Decodierer 11 verbunden, der eine Digitalanzeige 12 ansteuert die aus Segmenten einer Leuchtdiode, eines Flüssigkristalls oder irgendeinem anderen elektrooptischen Anzeigesystem besteht Da eine derartige Anzeigeeinrichtung, der Ansteuerdecodierer 11, der Zähler 10 und die Bauteile des Umformers für sich gut bekannt und kommerziell erhältlich sind, brauchen dazu keine näheren Erläuterungen gegeben zu werden. Zwischen dem Decodierer 11 und der Anzeigeeinrichtung 12 befindet sich ein Handschalter 13, der eine Betätigung der Anzeigseinrichtung 12 in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal vom Decodierer 11 gestattet. Es versteht sich, daß der Decodierer il wahlweise Segmente der Anzeigeeinrichtung 12 in einem Format betätigt das durch das decodierte Signal bestimmt ist das seinerseits durch den augenblicklichen Zählerstand des Zweirichtungszählers 10 entsprechend der momentanen Lage des Spindelendes 4a bestimmt ist.

Der Meßumformer wird von einer Stromquelle 14 gespeist, die üblicherweise eine Batterie ist. Ein Nullpunktsteil-Impulsgenerator 15 erzeugt bei Berührung des Ambosses 3 durch die Spindel 4 ein Signal, das den Zähler 10 löscht. Ein Handschalter 16, der mit der Detektorschaltung % gekoppelt ist löscht das an derselben Schaltung anliegende Analogsignal und damit den Zähler 10, wenn die Messung an irgendeinem gewünschten Punkt als Nullpunkt der von der Amboßfläche 3a entfernt ist, begonnen werden soll.

Ein wichtiges Merkmal der Erfindung besteht darin.

daß der Decodierer 11, der Zweirichtungszähler 10 und die elektronischen Stufen des Meßumformers 9, insbesondere der Oszillator 95, der Verstärker 94, die Detektorschaltung 96, der Verstärker 97 und der Analog-Digital-Umsetzer 98 ^;m abgebildeten Ausrührungsbeispiel, in Form eines integrierten Großschaltkreis-Moduls (LSI-Moduls) auf einem Substrat 17 ausgeführt und im Grundkörper la der Meßschraube geeignet abgedichtet untergebracht sind, wobei vorzugsweise die elektrooptische Anzeigeeinrichtung 12 ebenfalls vom gemeinsamen Substrat getragen ist und dabei selbstverständlich auch eine Ablesung gestattet. Durch Anwendung der LSI-lntegrationstechnik ist eine standardisierte Massenfertigung von Abstandsberechnungen und digitalen Anzeigeeinheiten möglich, die die gesamten Abmessungen und Kosten von Bügelmeßschrauben mit derartigen Einheiten vertretbar machen.

Beim Messen wird die Überwurfmutter 5 in einer ersten Richtung gedreht, um die Spindel 4 zum Amboß 3 zu bewegen. Wenn diese in Berührung unter einem geeigneten Anpreßdruck gebracht werden, der von der Ratsche 8 erzeugt wird, gibt der Impulsgenerator 15 einen Signalimpuls ab, so daß der Zweirichtungszähler 10 und damit sein Zählerstand gelöscht wird, um den Nullpunkt für eine folgende Messung einzustellen. Die Überwurfmutter 5 wird dann in einer zweiten Richtung entgegengesetzt zur ersten Richtung gedreht, um die Spindelendfläche 4a von der Amboßfläche 3a so weit wegzubewegen, daß ein Prüfling 7, dessen Dicke oder Außendurchmesser zu messen ist, geeignet dazwischen angeordnet werden kann. Die eine interessierende "■ Fläche des Prüflings 7 wird in Anlage an die Amboßfläche 3a gehalten, und die Spindel 4 wird erneut zum Amboß 3 vorgedreht, bis eine Berührung zwischen der anderen interessierenden Fläche des Prüflings 7 und dem Spindelende 4a unter dem vorher bemerkten

ίο Anlagedruck erreicht wird. Dann wird der Schalter 13 geschlossen, damit die Anzeigeeinrichtung 12 auf das Ansteuersignal des Decodierers 11 ansprechen kann, der dadurch ausgewählte Anzeigesigmente erregt und somit aufleuchten läßt. Es ist ersichtlich, daß, selbst

\^ri wenn der Schnlter 13 nicht während der MessufT* geschlossen ist, bei der die Spindel 4 in der oben beschriebenen Weise hin- und herbewegt wird, ständig der momentane Abstand durch den Umformer 9, den Zweirichtungszähler 10 und den ansteuernden Decodierer 11 in der bereits erläuterten Weise berechnet wird.

Mit einem Ausführungsbeispiei der Erfindung wie eben beschrieben und unter Verwendung einer Batterie von 7 V und 20 mA bei einer Spannungsschwankung von ± 1 % war es möglich, eine Meßgenauigkeit von 0,5 μιη zu erreichen, welcher Wert beträchtlich besser ist als die üblicherweise erzielbare Genauigkeit von größenordnungsmäßig 10 μιη.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Bügelmeßschraube,

— mit einem Bügel, der

— zwei relativ zueinander bewegliche Meßflächen und weiterhin trägt:

— einen Meßumformer, der ausgehend von der Relativbewegung der beiden Meßflächen elektrische Impulse erzeugt,

— eine Impulsverarbeitungsschaltung, die mit einem Zweirichtungszähler an den Ausgang des Meßumformers angeschlossen ist, und

— eine dem Zweirichtungszähler nachgeschaltete elektrooptische Anzeigeeinrichtung zur digitalen Anzeige des gemessenen Abstands der Meßflächen voneinander,

dadurch gekennzeichnet,

— daß der Meßumformer (9)

— ein translatorisch arbeitender induktiver Meßumformer ist, und

— daß die Impulsverarbeitungsschaltung

— einen Analog-Digital-Umsetzer (98) zum Umsetzen des Analog-Signals vom Meßumformer in eine Folge von Digital-Impulsen besitzt,

— so daß jeweils ein Digital-Impuls bei Relativbewegung der beiden Meßflächen (3a, 4a) um ein vorbestimmtes Inkrement abgegeben wird.

2. Bügelmeßschraube nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

— daß der Meßumformer (9) mindestens teilweise, der Zweirichtungszähler (10) und ein letzteren ansteuernder Decodierer (11) einen integrierten Großschaltkreis (LSI-Schaltkreis) bilden,

— der unmittelbar im oder am Bügel (2) gesichert ist.

3. Bügelmeßschraube nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

— daß die elektrooptische Anzeigeeinrichtung (12)

— ebenfalls zum integrierten Großschaltkreis (LSI-Schaltkreis) gehört,

— der als Modul mit gemeinsamem Substrat (17) ausgebildet ist.

4. Bügelmeßschraube nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch

— einen im oder am Bügel (2) vorgesehenen Handschalter (13)

— zwischen dem ansteuernden Decodierer (11) und der elektrooptischen Anzeigeeinrichtung (12) zu deren Betätigung.

5. Bügelmeßschraube nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

— daß der Zweirichtungszähler (10)

— zur Nullpunkteinstellung durch Berührung der beiden Meßflächen (3a, 4a) löschbar ist.

6. Bügelmeßschraube nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch

— eine elektrische Batterie im oder am Bügel (2).

7. Bügelmeßschraube nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

— daß der translatorisch arbeitende induktive Meßumformer:

— ein Differenz-Meßumformer mit einer Primärwicklung (91), zwei Sekundärwicklungen (92) und einem Kern (93) ist, wobei

— der Kern (93) starr mit der beweglichen Meßfläche (4a_>)verbunden ist und

— die Primärwicklung (91) sowie die beiden Sekundärwicklungen (92) am Bügel (2) angeordnet sind.

8. Bügelmeßschraube nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch

— eine dem Meßumformer (9) nachgeschaltete Detektorschaltung (96) zur Abnahme eines elektrischen Analog-Signals entsprechend dem Abstand zwischen den beiden Meßflächen (3a,