DE2850875A1

DE2850875A1 - Praezisions-laengenmesseinrichtung

Info

Publication number: DE2850875A1
Application number: DE19782850875
Authority: DE
Inventors: Alfons Dipl Ing Ernst
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1978-11-24
Filing date: 1978-11-24
Publication date: 1980-05-29
Also published as: JPS6259241B2; GB2039673A; IT1124353B; GB2039673B; CH642448A5; AT382237B; CH644206A5; FR2442429A1; FR2442429B1; US4276696A; IT7912836A0; JPS5582002A; DE2850875C2; ATA708979A

Description

ber 197#

DK. JOHANNES- TiKTI)ENHATN-.C.mbTI 13. November 197

Prazisions-Länccnmeßeinrichtimg

Die Erfindung bezieht sich auf eine PrKzisions-Längennießeinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Es ist eine Vielzahl von Druckschriften bekannt, die sich mit Längenmeßeinrichtungen.und deren Fehlern bzw. der Reduzierung dieser Fehler befassen. Die entscheidenden Probleme dieses Bereiches der Technik sind in der DE-OS 16 23 337 in der Beschreibungseinleitung ausführlich gewürdigt. So ist es wünschenswert, daß bei Meßeinrichtungen das Komparatorprinzip eingehalten wird, da bei einer Anordnung gemäß dem Abbeschen Komparatorprinzip Fehler erster Ordnung vermieden werden. Dieses Prinzip ist jedoch bei einigen Meßanordnungen wie z.B. Höhenmeßgeräten aus konstruktiven und bedienungstechnischen Gründen nicht durchführbar, und so sind Anordnungen bekannt geworden, die durch andere Maßnahmen den sogenannten Komparatorfehler möglichst eliminieren sollen (wie Eppensteinprinzip und Anmeldungsgegenstand der DE-OS 16 23 337).

Ferner sind Meßeinrichtungen bekannt, die über federnd aufgehängte Meßfühler verfügen. Bei Auslenkung des Meßfühlers aus seiner Nullage wird die eigentliche Messung ausgelöst, wobei dem Meßwert in einer bestimmten Art und Veise der Betrag zugeordnet werden muß, der der Meßfühlerauslenkung entspricht. Eine derartige Einrichtung ist Gegenstand der DE-PS 23 56 030, sowie deren Beschreibungseinleitung.

ORIGINAL INSPECTED

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Solche Ληο rd nungen sinci jndoch betulich sehr auf λ-.'οηΊ i f^ und weisen koinpn hohen Tied j enuu(;skonifort auf, 50 dnf.i /um einen der Kostenaufwand für derartige Einrichtungen relativ hoch ist, zum anderen sind diese Einrichtungen in der Verkstattmeßtechnik nicht ohne besonders qualifiziertes Personal einzusetzen.

Da z.B. bei Höhenmeßgeräten das Abbe-Prinzip nicht eingehalten werden kann und zur bequemen Handhabung ein Komparatorabstand von 50 bis "IuO mm erforderlich ist, muß beispielsweise für eine Meßgenauigkeit von * 1 /um einerseits eine Führungsgenauigkeit von mindestens ί 2" eingehalten werden. Für eine kostengünstige Fertigung bietet es sich andererseits an, extrudierte Leichtmetall-Profile zu verwenden, deren Geradheit jedoch erheblich unter dem o. a. Wert bleibt.

Die Forderung nach hoher Meßgenauigkeit bedeutet auch, daß der Meßwagen reibungsarm bewegt werden muß, damit die Meßkräfte in engen Grenzen kostant gehalten werden können und Verformungen des Meßfühlers durch variable Kräfte vermieden werden. Wälzlagerungen, die üblicherweise für reibungsarme Führungen verwendet werden, sind jedoch durch unvermeidliche Herstelltoleranzen der Rollkörper und·durch·die im Lauf der Zeit entstehende Verschmutzung der Führungsbahnen nicht ausreichend genau.

Es liegt daher der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein konstruktiv einfaches und damit kostengünstiges Längenmeßgerät zu schaffen, das über eine hohe Meßgenauigkeit verfügt und einfach zu bedienen ist.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegeben. In den Unteransprüchen finden sich Merkmale, die die Erfindung vorteilhaft ausgestalten.

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Anhand der Figuren wird die Erfindung noch näher er-1 au tort.
Fs zeigt

Fi K. 1 einen verein facht en Querschnitt durch

Λ ίο I.nngennioßoinrichtunK

FiC· 2 eine vereinfachte Seitenansicht der Lüngennießeinrichtung

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform in vereinfachter Darstellung

Fig. h eine Einzelheit der Meßeinrichtung zur Beeinflussung von Federkennlinien

Fig. 5 ein Kraft-Wegschaubild der Anordnung nach Fig. h

Fig. 6 ein weiteres Kraft-Wegschaubild.

Die geschnittene Darstellung einer Längenmeßeinrichtung zeigt eine Grundplatte 1, auf der senkrecht ein Hohlprofil 2 angeordnet ist. Dieses Hohlprofil 2 wird durch Extrusion axis Leichtmetall hergestellt und ist sehr biegesteif. Eine vercleichsveise biegeweiche Stange 3 besteht aus handelsüblichem polierten Rundstahl und ist mit einer Anzahl von Zug- und/oder Druckschrauben 4/5 im Hohlprofil 2' angebracht. Eine mittels der Zug- und/oder Druckschrauben 4/5 ausgerichtete Mantellinie 3a der Stange 3 dient als Führung für einen in Meßrichtung beweglichen Meßwagen Der Meßwagen 6 gleitet mit zwei Gleitschuhen 7 auf der ausgerichteten Mantellinie 3a. der Stange 3· Die Gleitschuhe 7 sind aus selbstschmierendem, verschleißfestem Material, wie Kunststoff, Sinterbronze oder dgl. hergestellt und haben durch das Gleiten an der Führungsbahn 3a selbstreinigende Virkung. Der Meßwagen 6 verfügt weiter über Stützrollen ^s,9,10, die den Meßwagen 6 an nicht justierten Nebenführungsflachen -11,12,27 abstützen.

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*} O C O O 7 Γ Die zwei Gleitschuhe 7 gleiten auf der ausgerichteten Mantelfläche 3^;l der Ht. ui;-«· '3 mul ergeben eine rchr hohe Führungsgonauigkoit in rl er Kb en ο, in der [;roßpr I··. ompara to rnbs tand n-| unumgänglich ist. Tn dor zweiten f'bene tritt ti'otz der relativ geringen Genauigkeit der Wälzl ager 8,9,10 nur ein vernachlässigbar kleiner Fehler auf, da der Komparatorabs tand as klein gehalten werden kann oder sogar auf Null reduzierbar ist.

Ein Zwischenglied 13 ist über ein Parallelogramm aus Blattfedern 1^· reibungsfrei - verdrehungssicher, aber in Meßrichtung beweglich - mit dem Meßwagen 6 verbunden. Dieses Zwischenglied 13 trägt einen Tastarm 15, an dessen freiem Ende sich ein Meßfühler 16 befindet und einen schlanken Mitnehmer 17, an dessen freiem Ende sich eine Ableseeinheit 18 einer photoelektrischen Meßeinrichtung befindet. Die Ableseeinheit 18 tastet eine im Hohlprofil 2 geschützt angeordnete Tnkrementalteilung 19 ab, die in bekannter Veise mittels einer gummielastischen Zwischenschicht 20 im Hohlprofil 2 befestigt ist. Die von der Ableseeinheit 18 gewonnenen Signale werden in bekannter Veise in einer nachgeschalteden Elektronikeinheit 21 ausgewertet und als Meßwert angezeigt und/oder ausgedruckt.

Der Meßwagen 6 verfügt weiterhin über einen Antrieb (Handrad 22), der so angeordnet ist, daß der Abstand des Angriffspunktes der Antriebskraft zu der Ebene, in der die reibungsbehaftete Führung liegt, klein ist. Durch diese Maßnahme wird eine ruckfreie Bewegung des Meßwagens 6 ermöglicht.

Durch den Antrieb 22 zum Positionieren des Meßwagens 6 erfolgt das Antasten eines Werkstückes oder das Eichen mittels Endmaßen bzw. das Nullsetzen der Meßeinrichtung.

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Für diese Zwecke laj-son sich sowohl der Tnstnrm 1*3 als auch der Mrf.i fühl er 1 (■> miliols bekannter Eletriputp einstellen. Durch den schiebbar und schwenkbar ausgebildeten Tnstnrm 1? ist die Meßeinrichtung den unterschiedlichen Meßauf gilben anzupassen. Bei geringer Auslcgerlh'nfje wird z.B. die höchste Genauigkeit erzielt (k'omnnratorabstand möglichst klein), bei größter Auslegerlänge lassen sich, mit etwas verminderter Genauigkeit z.B. schwer zugängliche Flächen eines Werkstückes antasten.

Die in Fig. 2 sichtbaren Markierungen 6a,6b und 13a dienen zur ungefähren Angabe des Erreichens einer Meßposition. Das reibungsfrei an Blattfedern 1'♦· aufgehängte Zwischenglied 13 trägt einen Index 133·· Der Meßwagen 6 trägt je einen Index 6a bzw. 6b für die Antastung einer unten liegenden bzw. oben liegenden Körperkontur. Die Kraft der Blattfedern ΛΗ hält das Zwischenglied 13 in einer neutralen Position, so daß der Index 1 3^a etwa in der Mitte zwischen den beiden Indizes 6a und 6b seine Ruheposition einnimmt. Bei Antastung einer Körperkontur muß mit Hilfe des Antriebes 22 der Meßvagen 6 soweit bewegt werden, daß der Index 13^a jeweils mit einem der Indizes 6a oder 6b annähernd koinzidiert. Bei dieser angenäherten Übereinstimmung beider Markierungen 13^{a u}^d 6a oder 6b kann das Meßergebnis bereits .genau abgelesen werden. Eine exakte Koinzidenz ist nicht erforderlich, da der Meßfühler 16 innerhalb des durch eine Federkennlinie festgelegten Bereiches seine Position an der Körperkontur nicht mehr ändert. Das Zwischenglied 13 - daß die Ableseeinheit 18 an dem Mitnehmer 17 trägt - bewegt sich ebenfalls nicht innerhalb des Bereiches, der durch die Federkennlinie, wie sie in den Figuren 5 oder 6 dargestellt ist, bestimmt ist. Damit ändert sich auch nicht die Position der Ableseeinheit 18 gegenüber der Inkrementalteilung 19 und das Meßergebnis ist eindeutig und konstant.

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Die erzielbare Meßgenauigkeit ist durch diese Ausgestaltung der Aufhängung lh weitgehend unabhängig von der Einstellgenauigfceit, mit der der Meßwagen ti gegenüber den Markierungen 6a oder 6b eingestellt wird. Ferner sind in der Figur 2 Versteifungseleiirente t4a zu erkennen, die die Steifigkeit des Parallelogramntes der Federn lh beeinflussen. Bei richtiger Abstimmung zwischen der Federkraft der Blattfedern ik_t der Steifigkeit des Federparallelogrammes und des Radhalbmessers eines Rades 23 nach Figur h können die in den Figuren 5 und 6 gezeigten Kennlinien erzeugt werden. Ein Mechanismus wie in Figur h dargestellt, kann zusätzlich bei fachgemäßer unsymmetrischer Anordnung von Schneiden 24,25 und federbelastetem Rad 23 das Eigengewicht der beweglichen Meßwagenbauteile kompensieren.

Erfindungsgemäß ist also das Zwischenglied 13 am Meßwagen mittels einer Aufhängung gemäß Figur h reibungsfrei in einer Weise so befestigt, daß beim Antasten einer unterhalb oder oberhalb des Meßfühlers 16 liegenden Körperkontur annähernd die gleiche Meßkraft wirkt. Diese Meßkraft ist wnitgehend unabhängig von der Größe der Relativbewegung zwischen Meßwagen 6 und Zwischenglied 13» also weitgehend unabhängig von der Auslenkung des Blattfederparallelogrammes.

Eine weitere Maßnahme zur Erhöhung der Meßgenauigkeit und des Bedienungskomforts ist die exakte Gewichtsbalance der beweglichen Meßwagenbauteile. Sowohl der Meßwagen 6 als auch das Zwischenglied 13 mit Tastarm 15 und Meßfühler sind hinsichtlich ihres Eigengewichtes so dimensioniert, daß schon die geringfügige Reibung der Gleitschuhe 7 ^an der Führung 3a-eine Hemmung des Meßwagens 6 in jeder Position bewirkt, ohne daß die Reibung bei der Verstellung des Me/?wagens 6 als unangenehm empfunden wird. Um diese positive Wirkung zu erzielen sind von allen Führungspunkten

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lediglich zwei als Gleitschuhe ausgebildet sind für eine hohe Fiihrungsgenauigkeit ohnehin ausreichend .

Tn Figur 3 ist schematisch der Querschnitt einer Meßeinrichtung dargestellt, die einer etwas ungenaueren Kategorie zuzuordnen ist, als die Anordnung nach Figur 1 und 2. Bei dieser Ausführungsform befindet sich ein Meßwagen 6¹ im Innern eines Hohlprofiles 2'. Auch hier dient ein Rundstab 3¹ als Führung. Die Zug- und/oder Druckschrauben 4*,3^f erfüllen den gleichen Zweck wie die Elemente h und 5 in Figur 1. Der Meßwagen 6' weist neben äquivalenten Elementen wie Zwischenglied 13'» Blattfedern 14·, Versteifungen 1.4a¹, Tastarm 15', Meßfühler 16', Mitnehmer 17'» Ableseeinheit 18', Inkrementalteilung 15?' und Klebeschicht 20' noch ein Ausgleichsgewicht 26 auf, da bei dieser Bauform die Führung von Präzisionswälzlagern 7' übernommen wird., die keine Eigenhemmung ermöglichen. Insbesondere bei dieser Ausführungsform bietet sich die Verwendung eines Motors als Antrieb für die Meßwagenverstellung an. Letzteres ist jedoch als eine Maßnahme anzusehen, die jedem Fachmann geläufig ist.

Ein weiterer - gegenüber dem Stand der Technik jedoch entscheidender Fortschritt - ist die Einstellbarkeit der Führungs fläch en 3a bzw. 3a' bei beiden Au ,»führungsformen,

Die Forderung nach Meßgenauigkeit beinhaltet in der Fachwelt bislang die Forderung nach höchstmöglicher Genauigkeit der Führung der beweglichen Meßelemente. Diese Forderung nach höchstmöglicher Führungsexaktheit treibt die Kosten einer Meßeinrichtung jedoch in Größenordnungen, die für Werkstatt-Meßeinrichtungen nicht mehr vertretbar sind.

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Bei dieser in der Fachwelt aid unabdingbar gesl*W^PiV * ** Forderung nach Führungsgenauigkeit wird im allgemeinen jedoch die Fehlerhaftigkeit der eigentlichen Meßteilung nur am Rande betrachtet. Pei Meßeinrichtungen der erfindungsgemäßen Art kommt als Fehlerquelle noch der Komparatorfehler hinzu. Die genannten Fehler sind durch Verbesserungen der Führungsexaktheit nicht vollständig zu eliminieren.

Durch, die erfindungsgemäße Einstellbarkeit der Führungsbahn 3^, 3a' ist jedoch die Möglichkeit gegeben, alle auftretenden Fehler, seien es Führungsfehler, seien es Systemfehler der eigentlichen Meßteilung oder bestimmte Komparatorfehler, nach Vorabvermessung der kompletten Meßeinrichtung" zu korrigieren. Sämtliche systembedingten Fehler — die sich durch Vorabvermessung mit einem hochgenauen Meßmittel ermitteln lassen - können durch entsprechende Beeinflussung der Führungsbahn 3a, 3a¹ korrigiert werden. Die Zug- und/oder Druckschrauben 4,5 bzw. 4·,5' sind so ausgelegt, daß der Rundstab 3, 3' und damit die Führungsbahn 3^a» 3a¹ durch Verdrehen dieser Verstellelemente derart verformt werden kann, daß die Fehler der Meßeinrichtung korrigierbar sind.

Des weiteren ist es' sinnvoll ,den Grundkörper 2,2' a-jf der Bodenplatte 1, 1' mittels zwischengefügter Kugelbeilagscheiben 2a in bekannter Weise auszurichten und zu fixieren.

Die Bodenplatte 1,1' der beschriebenen Meßeinrichtung steht bevorzugt auf drei justierbaren Füßen, welche mit einem abriebfesten und durch Füllstoffe auf hohen Druck-E-Modul verstärktem Kunststoff belegt sind und mit den Justierschrauben durch Kugelflächen selbsteinstellend und doch steif verbunden sind.

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Zusammenfassend kann die Erfindung so beschrieben
werden, daß ein Meßfühler 16 über ein Zwischenglied roibimgsfrei beweglich an einem Meßwagen 6 angebracht ist. Dieser Meßwagen 6 ist genügend genau an einer
Führung 3a geführt, so daß der Komparatorfehler genügend klein bleibt. Die Führung des Meßwagens 6 wird durch die Verwendung zweier einfacher Profile 2 und 3 erzeugt, die gegeneinander verspannt und damit justiert werden können. Der Meßwagen 6 braucht nur grob in die Meßposition gebracht zu werden, dann liegt der Meßfühler l6 mit konstanter Meßkraft an der zu messenden Fläche an und der Meßwert kann unmittelbar abgelesen
werden.

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Claims

.JOIiANXKS iTFiUrV¹ · 'GroWl . '· 3 · K^-*-tube i°7^

)\ I'a^uzis;ioims—LiLjaf.veaimcßeäinariLclotuiiif; die nic-lit nach ' «lifOTi iÄUxlDiesEhiPn EioiripaxaitOrpriirrzip xiar^bciteit,, ins—

fißigierüt^ miifc einer m>elbslt Älbl<eseeiaah<eiLit., !einem toi einem FdälaraaniEselLeiiieiiiltj einem as

igefiähi-ten Meißwageai, sowie einem

3i Meßfüäikler Ttragendeiri Zwisciaeniglied und einer zur Änas^iertiaiiig des MeOeargelbnisses, ge— diarch folgemide Merlanale:

a.) Das Führungselement (3i3a,3'j 3a¹) ist durch Ziag— und/oder Druckelemente (^»Sj^-'fS¹) einstellbar,

b.) der Meßwagen (6, 6·) wird durch Präzisionslager (7,7') ^an dem einstellbaren Führungselement (3»3a_f3'»3a') exakt geführt und stützt sich

c.) über weitere Lager (8,9,10,8",9',10') an zusätzlichen nicht justierten Nebenführungsflächen (11,12,27,11·,12',27<) ab;

d.) das den Meßfühler (16,16·) tragende Zwischenglied (13,13') ist reibungsfrei beweglich mit dem Meßwagen (6,6*) verbunden und weist an einem Mitnehmer (17,17') die Ableseeinheit (18,18·) auf, die

e.) mit der am Grundkörper (2,2·) angebrachten Maßverkörperung (19,19') zusammenwirkt.

ORiGiNAL INSPECTED

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'?.. ) rrlJzifIons-Liuif¹;cnnu»noi nr Lclituuf^ nach Anspruch 1, dadurch /yokonnz oichnot , daß die Zug- und/odor DruckclniK'nte -¹J , 5) '·' , 5 ' 'u'liraubpii sind.

3.) I'riizisions—Uinponm-c^f¹ inrichtiinfj nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die T'rrizi sionsl afc-r J durch. Gleitschuhe aus selbstschmierendora Lagerwerkstoff realisiert sind und dadurch der Mei.¹-n 6 selbsthemmend ist.

h.) Präzisions-LängenmePeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Präzisionsla^er durch Wälzlager realisiert sind, und daß am Meßwagen 6¹ ein Ausgleichsgewicht 26 angebracht ist.

5·) Anordnung zur Variation der Federkonstante eines Federparallelogrammes, welches zwei relativ zueinander bewegliche Bauteile reibungsfrei miteinander verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß ein an dem einen Bauteil 6 angebrachter Zylinder 23 federnd gegen zwei schncidenförmige Gegenlager 2.k, 25 gedrückt wird, so daß sich bei Verlagerung des Zylinders 23 die Kennlinie des Federparallelogrammes 14 verändert.

6.) Anordnung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Schneiden 2k, 25 einstellbar sind.

BAD ORIGi.NÄL

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