DE2850875C2

DE2850875C2 - Präzisionslängenmeßeinrichtung

Info

Publication number: DE2850875C2
Application number: DE2850875A
Authority: DE
Inventors: Alfons Dipl.-Ing. 8225 Traunreut 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: 1982-05-19
Also published as: AT382237B; GB2039673B; FR2442429B1; US4276696A; IT1124353B; JPS6259241B2; JPS5582002A; IT7912836A0; CH642448A5; FR2442429A1; GB2039673A; CH644206A5; DE2850875A1; ATA708979A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Präzisions-Längenmeßeinrichtung 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 Beschreibungseinlcitung 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. vertikal arbeitende Präzisionslängenmcßeinrichtuiigen aus konstruktiven und bedienungstecimischen Gründen nicht durchführbar, und so sind Anordnungen bekannt geworden, die durch andere Maßnahmen den sogenannten Kotnparaiorfehler möglichst eliminieren sollen (wie Eppensieinprin/in und Anmeldungsgegenstand der DF-DS 16 2 j 337).

Ferner sind Meßeinr;.chiuns_'en bekannt, die übe federnd aufgehängte Meßfühlet verfügen. Bei Auslcn kling des Meßfühlers aus seine Nullyge win! die eigentliche Messung ausgelost \\obci dem Meßwert ν einer bestimmten Art und Weise der Betrag zugeordnet werden muß, der der Meßfühlerauslenkung entspricht Eine derartige Einrichtung ist Gegenstand der DE-PS 23 56 030, sowie deren Beschreibungseinleilung. Solche Anordnungen sind jedoch baulich sehr aufwendig und weisen keinen hohen Bedienungskomfort auf, so daß zum einen der Kostenaufwand für derartige Einrichtungen relativ hoch ist, zum anderen sind diese Einrichtungen in der Werkstattmeßtechnik to nicht ohne besonders qualifiziertes Personal einzusetzen.

Da z. B. bei vertikal arbeitenden Präzisionslängenmeßeinrichtungen das Abbe-Prinzip nicht eingehalten werden kann und zur bequemen Handhabung ein Komparatorabstand von 50 bis 100 mm erforderlich ist, muß beispielsweise für eine Meßgenauigkeit von ± 1 μΐη einerseits eine Führungsgenauigkeit von mindestens ±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 konstant 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 ^J5 Meßgenauigkeit verfügt und einfach zu bedienen ist.

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

'W Anhand der Figuren wird die Erfindung noch näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen vereinfachten Querschnitt durch die Länger.meßeinrichtung,

Fig. 2 eine vereinfachte Seitenansicht der Längenmeßeinrichtung,

F i g. 3 eine weitere Ausführungsform in vereinfachter Darstellung.

Fig. 4 eine Einzelheit der Meßeinrichtung zur Beeinflussung von Federkennlinien,

Fig. 5 ein Kraft-Wegschaubild der Anordnung nach F i g. 4,

F i g. 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 aus Leichtmetall hergestellt und ist sehr biegesteif. Eine vergleichsweise biegeweiche Führungsstange 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- Lind/oder Druckschrauben 4/5 ausgerichtete Mantellinic 3a der Führungsstange 3 dient als Führung für einen in Melinchtung beweglichen Meßwagen 6. Der Meßwagen 6 gleite' mit zwei '■■'■ Gleitschuhe!"! 7 aui der ausgerichteten Mantellinic 3;·· der Rinnirmsstange 3. Die Gleitschuhe 7 sum an¹· selbstsehmierencien·,. verschleißfestem Material wie kunststoff. Sintorbronze oder dgl. hergestellt und haben

durch das Gleiten an der Führungsbahn 3a selbstreinigende Wirkung. Der Meßwagen 6 verfügt weiter über Stützrollen 8, 9, 10, die den Meßwagen 6 an nicht justierten Nebenführungsflächen 11, 12, 27 abstützen. Die zwei Gleitschuhe 7 gleiten auf de· ausgerichteten Mantelfläche 3a der Stange 3 und ergeben eine sehr hohe Führungsgenauigkeit in der Ebene, in der großer Komparatorabstand a\ unumgänglich ist. In der zweiten Ebene tritt trotz der relativ geringen Genauigkeit der Wälzlager 8, 9, 10 nur ein vernachlässigbar kleiner Fehler a-jf, da der Komparatorabstand a₂ klein gehalten werden kann oder sogar auf Null reduzierbar ist

Ein Zwischenglied 13 ist über ein Parallelogramm aus Blattfedern 14 reihungsarm — verdrehungssicher, aber in Meßrichtung beweglich — mit dem Meßwagen 6 verbunden. Dieses Zwischenglied 13 trägt einen Tastarm 15, an dessen freiem Ende sich ein mechanischer Anschlag 16 befindet und einen schlanken Mitnehmer 17, an dessen freiem Ende sich ein Maßstababtaster 18 einer photoelektt'.sehen Meßeinrichtung befindet Der Maßsiababtasier 18 tastet eine im Hohlprofil 2 geschützt angeordnete Inkrementalteilung 13 ab, die in bekannter Weise mittels einer gummielastischen Zwischenschicht 20 im Hohlprofil 2 befestigt ist Die von dem Maßstababtaster 18 gewonnenen Signale werden in bekannter Weise in einer nachgeschalteten 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, Hein 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.

Für diese Zwecke lassen sich sowohl der Tastarm 15 als auch der Meßanschlag 16 mittels bekannter Elemente einstellen. Durch den schiebbar und schwenkbar ausgebildeten Tastarm 15 ist die Meßeinrichtung den unterschiedlichen Meßaufgaben anzupassen. Bei geringer Auslegerlänge wird z. B. die höchste Genauigkeit erzielt (Komparatorabstand 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 ^r->a, 6b und 13a dienen zur ungefähren Angabe des Erreichens einer Meßposition. Das reibungsarm an Blattfedern 14 aufgehängte Zwischenglied 13 trägt einen Index 13a. Der Meßwagen 6 trägt je einen Index 6a bzw. 6b für die Antastung einer unten liegenden bzw. oben liegenden Körperkontur. Die Kraft der Blattfedern 14 hält das Zwischenglied 13 in einer neutralen Position, so daß der Index 13a 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 Meßwagen 6 soweit bewegt werden, daß der Index 13a jeweils mit einem der Indizes 6a oder 6b annähernd koinzidiert. Bei dieser angenäherten Übereinstimmung beider Markierungen 13a und 6a oder 6b kann d.is Meßergebnis bereits genau abgelesen werden. Eine exakte Koinzidenz ist nicht erforderlich, da der Meßanschlag 16 innerhalb des durch eine Federkennlinie festgelegten Bereiches seine Position an Jr: Körperkontur nicht mehr ändert. Das Zwischenglied 1' — das den Maßstababuster 13 an dem Mitnehmer 17 trägt — bewegt sich ebenfalls nicht innerhalb des Bereiches, der durch die Federkennlinie, wie sie in den F i g. 5 oder 6 dargestellt ist, bestimmt ist Damit ändert sich auch nicht die Position des Maßstababtasters 18 gegenüber der Inkrementalteilung 19 und das MeCergebnis ist eindeutig und konstant.

Die erzielbare Meßgenauigkeit ist durch diese Ausgestaltung der Aufhängung 14 weitgehend unabhän-

H) gig von der Einstellgenauigkeit, mit der der Meßwagen 6 gegenüber den Markierungen Sa oder 6b eingestellt wird. Ferner sind in der F i g. 2 Versteifungselemente 14a zu erkennen, die die Steifigkeit des Parallelogrammes der Federn 14 beeinflussen. .Bei richtiger Abstimmung zwischen der Federkraft der Blattfedern 14, der Steifigkeit des Federparallelogrammes und des Radhalbmessers eines Rades 23 nach F i g. 4 können die in den F i g. 5 und 6 gezeigten Kennlinien erzeugt werden. Ein Mechanismus wie in F i g. 4 dargestellt, kann

Jo zusätzlich bei fachgemäßer unsymmetrischer Anordnung von Schneiden 24, 25 und federbelasielem Rad 23 das Eigengewicht der beweglichen Meßwagenbauteile kompensieren.

Erfindungsgemäß ist also das Zwischenglied 13 am Mebwagen 6 mittels einer Aufhängung gemäß Fig.4 reibungsarm in einer Weise so befestigt, daß beim Antasten einer unterhalb oder oberhalb des Meßanschlages 16 liegenden Körperkontur annähernd die gleiche Meßkraft wirk". Diese Meßkraft ist weitgehend

Jd 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 Meßgenauigkcit und des Bedienungskomforts ist die exakte Gewichtsbalance Jer beweglichen Meßwagenbauteile. Sowohl der Meßwagen 6 als auch das Zwischenglied 13 mit Tastarm 15 und Meßanschlag 16 sind hinsichtlich ihres Eigengewichtes so dimensioniert, daß schon die geringfügige Reibung der Gleitschuhe 7 an der Führung 3ü eine Hemmung des Meßwagens 6 in jeder Position bewirkt, ohne daß die Reibung bei der Verstellung des Meßwagens 6 als unangenehm empfunden wird. Um diese poskive Wirkung zu erzielen sind von allen

·>> Führungspunkten lediglich zwei als Gleitschuhe ausgebildet — diese sind für eine hohe Führungsgenauigkeit ohnehin ausreichend.

In Fig. 3 ist schematisch der Querschnitt einer Meßeinrichtung dargestellt, die einer etwas ungenauere ren Kategorie zuzuordnen ist, als die Anordnung nach Fig. 1 und 2. Bei dieser Ausfiihrungsform befindet sich ein Meßwagen 6' im Innern eines Hohlprofiles 2'. Auch hier dient ein Rundstab 3' als Führung. Die Zug- und/oder Druckschrauben 4', 5' erfüllen den gleichen

Vi Zweck wie die Elemente 4 und 5 in Fig. 1. Der Meßwagen 6' weist neben äquivalenten Elementen wie Zwischenglied 13', Blattfedern 14' mit Versteifungen, Tastarni 15', Meßanschlag 16', Mitnehmer 17', Maßstababtastor 18', Inkrementalteilung 19' und Klebeschicht

bfi 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

"■ Meßwagenverstcllung an. l.et/lcres ist jedoch als eine Maßnahme anzusehen, die jedem Fachmann geläufig ist.

Ein weiterer — gegenüber dem Stand der Technik

jedoeii entscheidender Fortsch-itt — ist die Einstellbar-

keit der Führungsflächen 3a bzw. 3a' bei beiden Ausführungsformen.

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

Bei dieser in der Fachwelt als unabdingbar gestellten Forderung nach Führungsgenauigkeit wird im allgemeinen jedoch die Fehlerhaftigkeit der eigentlichen Meßteilung nur am Rande betrachtet. Bei Meßeinrichtungen der erfindungsgemäßen Art kommt als Fehlerquelle noch der Komparatorfehler hinzu. Die genannten Fehier sind durch Verbesserungen der Führungsexakiheit nicht vollständig zu eliminieren.

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

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

Die Bodenplatte J, Γ der beschriebenen Meßeinrich-

H) lung steht bevorzugt auf drei justierbaren Füßen, welche mit einem abriebfesten und durch Füllstoffe auf hohen Druck/f-Modul verstärktem Kunststoff belegt sind und mit den Justierschrauben durch Kugelflächen selbsteinstellend und doch steif verbunden sind.

ι*-, Zusammenfassend kann die Erfindung so beschrieben werden, daß ein Meßanschiag !6 über ein Zwischenglied 13 reibungsarm 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 deren Parallelverlauf damit justiert werden können. Der Meßwagen 6 braucht nur grob in die Meßposition

2-, gebracht zu werden, dann liegt der Meßanschlag 16 mit konstanter Meßkraft an der zu messenden Fläche an und der Meßwert kann unmittelbar abgelesen werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Präzisionslängenmeßeinrichtung mit einem eine Maßverkörperung und eine Führungsstange tragenden biegesteifen Grundkörper, einem an dieser Führungsstange geführten Meßwagen, der ein den Maßstababtaster, sowie einen mechanischen Anschlag tragendes Zwischenglied aufnimmt und eine Anordnung zur Auswertung der Meßergebnisse, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsstange (3, 3') über mindestens zwei Zug- und/oder Druckelemente (4, 4', 5, 5') in ihrem Parallelverlauf zum Widerlager einstellbar ist, daß der Meßwagen (6,6') Lager (7, 8, 9, 10, 7', 8', 9', 10') als Führungselemente aufweist, die seine Bewegung nur mit einem Freiheitsgrad parallel zur Achse der Führungsstange (3, 3') zulassen, daß in Achsenrichtung der Führungsstange (3, 3') mindestens zwei Führungspunkte an der Oberfläche (3a, 3a') der Führungsstange (3, 3') und dem Meßwagen (6, 6') vorgesehen sind und daß ein den MeOanschlag (16, 16') und den Maßstababtaster (18, 18') tragendes Zwischenglied (13, 13') über eine elastische Verbindung (14, 14') kraftschlüssig, in der vorgenannten Achsenrichtung relativ beweglich mit dem Meßwagen (6,6') gekoppelt ist.

2. Präzisionslängenmeßeinrichtung nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Verbindung des Meßwagens (6, 6') mit dem Zwischenglied (13, 13') von einem Federparallelogramm (14,14') gebildet wird.

3. Präzisionslängenmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Verbindung des Meßwagens mit dem Zwischenglied (13, 13') ein zur Konstanthaltung der Anschlagkraft dienendes Federparallelogramm (14,14') mit stabiler Nullage ist, und daß ein am Meßwagen (6, 6') angebrachter Zylinder (23), unter Federkraft an zwei am Zwischenglied (13,13') angeordneten, schneidenförmigen Gegenlagern (24, 25) anliegt.