DE2906339C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung von Form­ abweichungen, insbesondere Geradheitsabweichungen von Werkstücken und Maschinenführungen mit zwei Führungselementen für einen Meßschlitten, der auf beiden Führungselementen gleichzeitig geführt wird.

Geradheitsmessungen spielen im Maschinenbau und in der Fertigungstechnik eine bedeutende Rolle. Als Beispiele seien die Geradheitsprüfung von Werkzeugmaschinentischen und -führungen bei der Abnahmeprüfung oder die Formgestalt­ prüfung von Mantellinien von Kalanderwalzen genannt. Gerad­ heitsmessungen gehören im Maschinenbau zu den schwierigsten Meßproblemen, da höchste Genauigkeiten in der Größenordnung von hundertstel bis tausendstel Millimeter auf große Meß­ längen im Bereich bis zu mehreren Metern gefordert werden.

Sämtliche bekannte Verfahren der Geradheitsmessung beruhen darauf, daß der zu prüfende Gegenstand mit einem "Geradheitsnormal" verglichen wird. Die Schwierigkeit be­ steht dabei in der Realisierung dieses Geradheitsnormals, da von diesem gefordert wird, daß seine eigenen Gerad­ heitsabweichungen wesentlich kleiner sind als jene des Prüflings.

Das Geradheitsnormal kann auf optischem oder mecha­ nischem Wege realisiert werden. Die optischen Geradheits­ normale, wie Fluchtfernrohr mit Kollimator oder der soge­ nannte "Tooling-Laser" werden vorwiegend für große Meßlän­ gen im Bereich von einigen Metern bis ca. 60 m verwendet. Für Meßlängen von ca. 500 mm bis 5 m kommt in der Praxis als Geradheitsnormal meist ein hochgenaues Flachlineal aus Stahl zur Anwendung. Dieses stellt ein äußerst robustes und in der Handhabung einfaches Meßnormal dar.

Derartige Meßlineale, die nicht der Längenmessung dienen (und daher weder skalliert noch als Endmaß ausgebildet sind) dürfen ihre "Gerad­ heit" bei der Durchführung der Messung von Formabweichungen nicht ver­ lieren.

Zu diesen Messungen wird das Stahllineal beispielsweise auf zwei Unterstützungsklötzchen aufgelegt und von einem Meßgerät abgetastet, welches in eine Meßvorrichtung einge­ spannt ist und auf dem Prüfling entlanggeführt wird. Die Meßmethode ist unproblematisch und einfach in der Anwen­ dung, es ist jedoch klar ersichtlich, daß die Geradheits­ abweichungen des Lineals selbst und dessen Durchbiegung unter dem Eigengewicht in das Meßergebnis eingehen.

Die zulässige Geradheitsabweichung von Stahllinealen ist für vier Genauigkeitsgerade in DIN 874 vom August 1973 und im Appendix A der ISO-Empfehlung R 230 vom Jahre 1961 genormt. Eine Kompensation der Geradheitsabweichungen des Lineals ist nur durch Aufnahme einer Korrekturtabelle mit Hilfe eines noch genaueren Geradheitsnormals und durch die Korrektur der Meßwerte an Hand der Korrekturtabelle möglich.

Aus der DD-PS 69 936 ist weiter eine Vorrichtung bekannt, welche eine Kompensation von herstellungsbedingten Fehlern eines Meßlineals zum Ziel hat. Hierzu wird ein Korrekturlineal vorgesehen, das starr mit dem Meßlineal verbunden wird und das eigens, und zwar mit einer Über­ höhung des Fehlers des Meßlineals für dieses hergestellt wird. Das Meßlineal und das starr mit ihm verbundene Korrekturlineal werden von Weggebern abgetastet und das elektrische Signal elektronisch aufbereitet, um die herstellungsbedingten Geradheitsabweichungen zu kompensieren. Bei der Herstellung des Korrekturlineals müssen zunächst die Geradheitsab­ weichungen des Meßlineals genau vermessen und ausgehend von dieser Mes­ sung das Korrekturlineal hergestellt werden. Auch wenn dieses Korrektur­ lineal eine "Überhöhung" der Fehler des Meßlineals aufweist, ist seine Herstellung doch zumindest ebenso aufwendig wie die des Meßlineals selbst. Darüber hinaus ist es aber mit der vorgeschlagenen Vorrichtung nicht möglich eine Verringerung oder gar eine Kompensation einer durch die Linealdurch­ biegung hervorgerufenen Geradheitsabweichung zu erreichen.

Aus der US-PS 31 82 375 ist eine Vorrichtung bekannt, mit deren Hilfe eine Fehlerkompensation an Führungen von Meßeinrichtungen und Werkzeugmaschinen erreicht werden soll. Dabei wird davon ausgegangen, daß zwei Führungselemente vorhanden sind, deren Führungsflächen so ausgebildet sind, daß die eine als positives Bild und die andere als negatives Bild davon bezeichnet werden kann. Nach dieser Druckschrift ist die Herstellung dieser Führungsflächen dadurch möglich, daß ein nicht näher bezeichnetes Material in zwei Stücke zerschnitten wird, so daß ein konkaver Fehler des einen Stückes einem kon­ vexen Fehler des anderen entspricht. Diese beiden Stücke werden sodann so nebeneinander aufgestellt, daß die beiden Trennflächen in gleicher Richtung, vornehmlich nach aufwärts zeigen und Führungsflächen bilden. Damit kommt ein konkaver Fehler der einen Führungsfläche neben dem entsprechenden kon­ vexen Fehler der anderen Führungsfläche zu liegen. Ein über diese beiden Führungsflächen geführter Schlitten folgt diesen Ungenauigkeiten, wobei ein Punkt auf der durch den Schlitten gebildeten Verbindungslinie zwischen den nebeneinanderliegenden Führungen ständig auf einer Referenzgeraden liegt. Die beiden Abtastlinien und die Referenzgerade liegen damit zwangsläufig in drei im Abstand nebeneinander befindlichen Ebenen.

Aufgabe der Erfindung ist es nun die gattungsgemäße Vorrichtung derart weiter­ zubilden, daß bei einer automatischen Kompensation von Geradheitsabweichungen zusätzlich die Forderung erfüllt wird, daß die Führungsflächen eines Meß­ schlittens auf zwei Führungselementen und die Referenzgerade in eine und der selben Ebene liegen.

Die Lösung dieser Aufgabe findet sich im Kennzeichen des Anspruchs 1; Weiter­ bildungen und bevorzugte Ausführungsformen beschreiben die Unteransprüche, wobei sich eine bevorzugte Ausführungsform auf Geradheitsmessung in der ver­ tikalen Ebene, bei horizontaler Lage der als Geradheitsnormal anzusehenden Referenzgeraden bezieht und beide Meßlineale übereinander angeordnet sind.

Die für die Aufgabenlösung wesentliche Herstellung zweier Meßlineale mit genau identischen Geradheitsabweichungen ist durch gemeinsame Be­ arbeitung beider Meßlineale nebeneinander und bei Beachtung techno­ logischer Gegebenheiten ohne weiteres möglich. Sie ist auch nicht über­ mäßig aufwendig, da durch die Kompensation der Geradheitsabweichungen beider Meßlineale gegeneinander eine übermäßige Genauigkeit an die Ge­ radheit der Meßflächen der Meßlineale nicht gestellt werden muß. Die Überprüfung der Übereinstimmung der beiden Meßflächen ist jederzeit in einfacher Weise dadurch möglich, daß beide Meßlineale (analog zur Herstellung) aneinander gelegt werden und die Übereinstimmung der Formabweichung nachgeprüft werden kann. Bei der Anordnung der Meßlineale in Meßposition entspricht eine konkave Abweichung der Meßfläche des einen Meßlineals einer konkaven Abweichung der Meßfläche des anderen Meßlineals und umgekehrt eine konvexe Abweichung der Meßfläche des einen ebenfalls einer konvexen Abweichung der Meßfläche des anderen. Durch die Anordnung fallen die Ebenen der beiden Meßlineale zusammen und genau in dieser Ebene liegt auch die das Geradheitsnormal bildende Referenz­ gerade. Für die Vorrichtung ist es hinreichend, wenn die beiden Lineale ungefähr parallel zueinander angeordnet werden, wobei die gemeinsam bear­ beiteten und somit identischen Prüfflächen spiegelbildlich in bezug auf eine Referenzgerade liegen, die den geometrischen Ort aller Abstands- Mittelpunkte bildet und eine Gerade ist. Die Forderung, daß die Meß­ lineale ungefähr parallel zueinander anzuordnen sind bezieht sich auf den Meßschlitten, da dessen Spreizung als Folge der Abweichung von der Parallelität nicht so groß werden darf, daß der Meßschlitten nicht mehr an beiden Meßflächen geführt ist.

Diese Spreizung ist im Hinblick auf die Anlage der zum Abtasten der Meßflächen dienenden Gleitflächen des Meßschlittens notwendig, sie kann z. B. durch Federkraft bewirkt werden. Dabei verteilen sich die zur Spreizung notwendigen Wege gleichmäßig auf beide Seiten des Meß­ schlittens.

Der Meßschlitten ist so beschaffen, daß sich ein Element von ihm stets auf der Abstandhalbierenden zwischen den Meßflächen beider Meßlineale und somit auf der theoretisch idealen Geraden befindet. Ein auf diesem Element angebrachts Längenmeßgerät, etwa eine Meßuhr, bewegt sich somit auf einer idealen Geraden. Die Ausbildung des Meßschlittens mit einem Tragelement in Form eines Kreuzes mit einem Gelenksechseck, das auf den vier Schenkeln des Kreuzes mit Gleitlagern gelagert ist und wobei die beiden normal zu den Meßflächen der Meßlineale stehenden Kreuz-Schenkel, die mit Gleitflächen o. dgl. versehenen Führungselemente aufweisen ist eine Ausbildung, bei der jedes Verbindungselement mit hoher Präzision hergestellt werden kann und wobei die Anlekungen jedes Verbindungs­ elements in einem Führungselement einerseits und einem Gleitstück an­ dererseits mittels Schneidenlager genau und reibungsarm erfolgen kann.

Die bisher beschriebene Kompensation von Geradheits­ abweichungen der Lineale betrifft die herstellungsbedingten Geradheitsabweichungen. Die Durchbiegung der Lineale unter ihrem Eigengewicht beeinflußt nach wie vor das Meßergebnis. Bei identischen Auflagerbedingungen weisen beide Lineale identische, d. h. parallele Biegelinien auf, und die vorhin genannte ideale Gerade stellt in Wirklichkeit die Biegeli­ nie eines Lineals unter der Streckenlast des Eigengewichts dar.

Durch die Anordnung des Meßschlittens zwischen den in einer Ebene und mit ihren Führungsflächen einander zugewandt liegenden Meßlinealen ist es möglich, das Abbe'sche Komparatorprinzip zu erfüllen. Dazu wird das Längenmeßgerät - etwa eine Meßuhr so angeordnet, daß auch die Meßuhran­ tastung auf dem auf Geradheitsabweichung zu prüfenden Objekt in der durch Meßlineale und Referenzgerade gebildeten Ebene liegt.

Die bisher beschriebene Kompensation von Geradheits­ abweichungen der Lineale betrifft die herstellungsbedingten Geradheitsabweichungen. Die Durchbiegung der Lineale unter ihrem Eigengewicht beeinflußt nach wie vor das Meßergebnis. Bei identischen Auflagerbedingungen weisen beide Lineale identische, d. h. parallele Biegelinien auf, und die vorhin genannte ideale Gerade stellt in Wirklichkeit die Biegeli­ nie eines Lineals unter der Streckenlast des Eigengewichts dar.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann nun auch diese Durch­ biegung für den Fall kompensiert werden, daß die Meßlineale überein­ ander angeordnet sind, so daß die schwerkraftbedingte Durchbiegung der beiden Meßlineale, die wegen ihrer Gleichsinnigkeit das Meßprin­ zip stört kompensiert wird. Diese kompensierende Streckenlast in der Größe des doppelten Eigengewichts eines einzelnen Meßlineals, ergibt am beaufschlagten Lineal eine Biegelinie, welche sich der Schwer­ kraft entgegenkrümmt und genau symmetrisch zu jener Biegelinie liegt, welche sich durch das Linealeigengewicht allein einstellen würde.

Beide Lineale bilden damit wiederum zwei zur idealen Geraden symmetrische Konturen, welche sich aus den Biege­ linien ergeben. Dies bedeutet aber, daß durch die oben be­ schriebene Meßvorrichtung zusätzlich auch eine Kompensation der Linealdurchbiegung erreicht ist.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnun­ gen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine bekannte Meßeinrichtung,

Fig. 2 schematisch die Anordnung von zwei Meßlinealen gemäß der Erfindung,

Fig. 3 schematisch das kinematische Prinzip des zwi­ schen den Meßlinealen gemäß der Erfindung ge­ führten Meßschlittens und

Fig. 4 eine mögliche konstruktive Ausführung dersel­ ben.

Fig. 5 stellt einen teilweisen Schnitt nach der Linie V-V in Fig. 4 dar.

Fig. 6 zeigt schematisch die Belastung der beiden Meßlineale durch die Streckenlast der Eigenge­ wichte und die Anordnung einer, der Schwer­ kraft entgegengerichteten Streckenlast unter dem untern Meßlineal.

Fig. 7 zeigt als Beispiel eine mögliche konstruktive Ausbildung des Prinzips nach Fig. 6 und Fig. 8 den dazugehörenden teilweisen Schnitt nach der Linie VIII-VIII in Fig. 7.

Die in Fig. 1 dargestellte bekannte Meßeinrichtung besteht aus einem Meßlineal 1, welches auf dem Prüfling 5 mittels zweier Unterlagen 2 aufgelegt ist. Dieses Meß­ lineal wird mittels eines Meßgerätes 3 abgetastet, welches in einer am Prüfling 5 aufgestellten Meßvorrichtung 4 ein­ gespannt ist.

In Fig. 2 ist die erfindungsgemäße Anordnung von zwei Meßlinealen 6 dargestellt, welche identische Prüfflächen 7 aufweisen. Das besondere Merkmal der Anordnung besteht darin, daß diese Prüfflächen 7 spiegelbildlich zu der idea­ len Geraden 8 liegen. Oder anders ausgedrückt: Die Ab­ standsmittelpunkte der beiden Prüfflächen 7 liegen auf der der idealen Geraden. Die Geradheitsabweichungen der Prüf­ flächen 7 sind stark übertrieben dargestellt.

Einen wesentlichen Bestandteil der Erfindung bildet der Meßschlitten, welcher auf den Prüfflächen 7 der Meßlinea­ le 6 geführt ist und an welchem sich ein Element stets auf der idealen Geraden 8 befindet.

Fig. 3 zeigt ein kinematisches Prinzip, welches die­ se Forderung erfüllt, wobei der Meßschlitten sich mit zwei Führungselementen 9 gegen die Meßlineale abstützt. Das Zen­ trum dieses Meßschlittens wird durch ein Zentralkreuz 10′ gebildet, welches aus einem Vertikalarm 11 und einem Hori­ zontalarm 12 besteht. Beide Arme sind im Kreuzungspunkt fest miteinander verbunden. Am Vertikalarm 11 sind die als Gleitschuhe ausgebildeten Führungselemente 9 längsver­ schieblich und drehbar angelenkt; der Horizontalarm 12 führt zwei Gleitsteine 13 und 14. Zwischen den Gleitstei­ nen 13, 14 und den Gleitschuhen 9 sind vier Streben 15 in Form eines Scherenbügels angeordnet. Das Zentralkreuz 10′ bildet jenes Element des Meßschlittens 10, welches auf der idealen Geraden 8 geführt wird und somit den Befestigungs­ punkt für ein Längenmeßgerät, etwa eine Meßuhr bildet.

Eine mögliche konstruktive Ausführung des kinemati­ schen Prinzips wird in Fig. 4 und Fig. 5 gezeigt. Außer den genannten Elementen dienen noch acht Kugellager 16 der Füh­ rung des Meßschlittens 10 in Querrichtung. Zwei Druckfedern 17 erzeugen eine Vorspannung, welche eine sichere Anlage der Führungselemente 9 an den Meßlinealen 6 bewirkt. Die An­ lenkung der Streben 15 an den Gleitschuhen 9 und an den Gleitsteinen 13 und 14 erfolgt durch spielfreie Schneiden­ lager. Die Befestigung des Längenmeßgerätes am Zentral­ kreuz 10′ geschieht über eine nicht dargestellte, stan­ dardmäßige Halterung, die ihrerseits durch in die Befesti­ gungswinde 18 eingesetzte Schrauben festgehalten wird.

In Fig. 6 wird das Prinzip der erfindungsgemäßen Kom­ pensation der Meßlinealdurchbiegung erläutert. Auf beide Li­ neale wirkt das Eigengewicht in Form einer durch die Pfei­ le 19 dargestellte Streckenlast von oben nach unten. Zur Kompensation der dadurch hervorgerufenen Meßlineal-Durchbie­ gung, durch welche die vorhin beschriebene ideale Gerade in eine Biegelinie übergeht, wird gemäß der Erfindung vor­ zugsweise unter dem unteren Meßlineals eine der Schwerkraft entgegengerichtete, durch die Pfeile 20 angedeutete Stre­ ckenlast aufgebracht, welche der doppelten Größe des Eigen­ gewichts (19) eines einzelnen Lineals entspricht. Diese Streckenlast ergibt gemäß der Fig. 5 am beaufschlagten Meßli­ neal eine Biegelinie, welche sich der Schwerkraft entgegen­ krümmt und genau spiegelbildlich zu jener Biegelinie liegt, welche das unbeaufschlagte zweite Meßlineal einnimmt. Wie Fig. 6 erkennen läßt, bilden nun beide Meßlineale wiederum zwei zur idealen Geraden 8 spiegelbildlich liegende Prüfflächen. Dies bedeutet jedoch weiter, daß durch die erfindungsmäßige Meßvorrichtung, wie sie in den Fig. 3 im Schema und in Fig. 4 in einer möglichen Ausführungsform dargestellt ist, auch die angestrebte Kompensation der Meßlineal-Durchbiegung er­ reicht ist.

Eine Möglichkeit der Realisierung der Streckenlast (20) in Fig. 6 wird in Fig. 7 und Fig. 8 gezeigt. Unter dem unteren Meßlineal 6 ist ein Schlauch 21 angebracht, welcher mit einem geeigneten Medium gefüllt ist, darunter einem entsprechenden Druck steht. Der Schlauch wird auf drei Sei­ ten, nämlich unten und seitlich von einer Schlauchwanne 22 gefaßt und drückt mit seiner Oberseite gegen die untere Fläche des Meßlineals 6′. Damit bringt er auf das Meßlineal die gewünschte Streckenlast auf. Die Schlauchwanne 22 ist von den Meßlinealen völlig frei auf zwei Lagerbolzen 23 an ihren Enden aufgehängt. Diese Lagerbolzen dienen gleichzeitig zur Auflagerung der gesamten Meßanordnung. Sie sind durch Bohrungen der Endbügel 24 durchgesteckt, welche die Gesamt­ anordnung fixieren. Die parallele Lage der beiden Meßlineale wird durch die beiden Distanzstücke 25 erzielt und mittels der Schrauben 26 fixiert. Die komplette Meßanordnung ruht mit den Lagerbolzen 23 auf zwei Lagerböcken 27. In Fig. 7 ist lediglich das eine Ende der Anrodnung dargestellt. Die zweite Seite kann identisch zur dargestellten ausgeführt sein.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Messung von Formabweichungen, insbesondere Geradheitsabweichungen mit zwei Führungselementen für ein Meß­ schlitten, der auf beiden Führungselementen gleichzeitig geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Führungs­ elemente zwei ungefähr zueinander parallele Meßlineale (6) mit identischer Form der Prüfflächen (7) vorgesehen sind, wobei die Prüfflächen (7) spiegelbildlich in be­ zug auf eine Referenzgerade (8) liegen, welche die Abstands­ halbierende zwischen den Prüfflächen der Meßlineale bildet und daß der Meßschlitten so gestaltet ist, daß ein konstant blei­ bender Punkt am Meßschlitten stets auf der Referenzgerade liegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßschlitten (10) an den beiden Prüfflächen (7) mit je einem Führungselement (9) an mindestens je zwei Stellen anliegt und die Führungselemente (9) in einem entralen Tragelement (10′), welches zur Aufnahme eines Meßgerätes dient, mittels gelenkig angebrachter Ver­ bindungselemente (15) so gelagert und geführt sind, daß ihre Bewegungen stets symmetrisch zum Tragelement (10′) erfolgen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Tragelement (10′) die Form eines Kreuzes aufweist und die Führungselemente (9) zusammen mit den Verbindungs­ elementen (15) ein Gelenksechseck bilden, welches am Tragelement (10′) an vier Punkten gleitbar gelagert ist, wobei die Führungselemente (9) am zu den Meßlinealen (6) rechtwinklig angeordneten Balken (11) des Kreuzes drehbar und längsverschieblich angebracht sind und der andere rechtwinklig zum ersten Balken (11) ausgerichtete Balken (12) des Kreuzes zwei Gleitstücke (13; 14) trägt, welche zusammen mit den Führungselementen (9) die Lager für die Verbindungselemente (15) bilden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Verbindungselement (15) mit einem Führungselement (9) einerseits und mit einem Gleitstück (13; 14) anderer­ seits mittels Schneidenlager angelenkt ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, für über­ einander angeordnete Meßlineale, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbiegung der beiden Meßlineale (6) infolge ihres Eigengewichtes durch die Aufbringung einer Strecken­ last an einem der Lineale, vorzugsweise am unteren, in Größe des doppelten Eigengewichtes eines einzelnen Lineals und der Schwerkraft entgegengesetzt wirkend kompensiert ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Streckenlast durch einen Schlauch (21) aufgebracht ist, der in einer Schlauchwanne (22) vom Meßlineal (6) unabhängig gelagert und mit einem unter Druck stehenden Medium gefüllt ist, wobei der über die gesamte Lineal­ länge auf dieses Meßlineal (6) einwirkt.