DE2933598C2

DE2933598C2 - Spanndrahtlineal hoher Genauigkeit

Info

Publication number: DE2933598C2
Application number: DE19792933598
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl.-Phys. DDR 6900 Jena Meister
Original assignee: Jenoptik Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1978-10-16
Filing date: 1979-08-18
Publication date: 1986-09-25
Also published as: GB2035557B; GB2035557A; CH641274A5; DD139295A1; DE2933598A1

Description

den Durchhang des Drahtsystems (3) bestimmenden Auswerteeinrichtung (28) verbunden sind, worin h der Durchhang der gespannten Drähte, g die Erdbeschleunigung und ν die Eigenfrequenz des Drahtsystems (3) sind.

3. Drahtlineal nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Drahtsystem (3) entsprechend dem vorher ermittelten bzw. durch Spannmittel vorgewählten Durchhang Λ um einen Winkel λ so tordiert ist, daß bei schräger Abtastung desselben unter einem Winkel β mittels vorgesehener Abtastsysteme (14; 15) der Durchhang ganz oder teilweise kompensiert ist, wobei χ der Torsionswinkel ist und β der Winkel, der durch das Drahtsystem (3) und die Verschieberichtung der Abtastsysteme (14; 15) gebildet wird.

4. Drahtlineal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abtastung mit die Funktion ax² realisierenden Elementen ausgestattete Abtastsysteme (14; 15) vorgesehen sind, die mit der Auswerteeinrichtung (28) verbunden sind.

5. Drahtlineal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Drahtsystem (3) auf eine vorgegebene Eigenfrequenz eingestellt ist und daß zur Durchhangkorrektur der Meßergebnisse die sich längs des Drahtsystems (3) ergebenden Durchhangwerte in einem Festwertspeicher gespeichert sind.

6. Drahtlineal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Kombination von Winkel α, Winkel/?und dem wählbaren Durchhang h beliebige parabelförmige Referenzfunktionen zwischen Pfeilhöhe Null und 2Λ darstellbar sind.

7. Drahtlineal nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung der winkelmäßigen Ablaufrichtung der Abtastsysteme (14; 15) ein Leitblech (21) vorgesehen ist, welches eine gerade oder zur Verwirklichung von Funktionen ß=ß(x) eine profilierte Leitkante besitzt, wobei .v die Koordi-Die Erfindung bezieht sich auf ein Spanndrahtlineal zur Verwirklichung vorgegebener Abtastfunkiionen und zur Anwendung als Geradheits- und Ebenheitsnormal vorzugsweise an Werkzeug- und Meßmaschinen.

Bekannt ist aus Leinweber »Taschenbuch der Längenmeßtechnik«, Springer-Verlag 1954, Seite 455, eine Einrichtung, bei welcher mittels eines gespannten Meßdrahtes und einem Meßmikroskop die Geradheit und Unebenheit von Führungsbahnen bestimmt werden.

Hierbei wird das Meßmikroskop entlang der zu prüfenden Führung verschoben und der gespannte Meßdraht an bestimmten Meßpunkten mit einer Strichmarke des Mikroskops eingefangen. Ein Nachteil dieser Einrichtung besteht darin, daß der Einfluß von Unebenheiten bzw. Verformungen an dem Meßdraht sich voll auf die Messungen auswirkt. Des weiteren können befriedigende Messungen mit geringem Aufwand nur in der durchhangfreien Ebene des Meßdrahtes durchgeführt werden.

In der »Feingerätetechnik« 15 (1966), Heft 2, Seite 58, ist ein Spanndrahtlineal erwähnt, bei welchem in einem Träger ein aus einer Vielzahl dünner, paralleler Drähte bestehendes Drahtsystem eingespannt ist. Mittels integraler Abtastung mit Hilfe von vorzugsweise berührungslos arbeitenden Gebersystemen, welche in Längserstreckung des Drahtsystems verschiebbar sind, werden Geradheitsprüfungen durchgeführt. Infolge der integralen Abtastung vieler Drähte erfolgt eine Mittelung zufallsbedingter Eigenkrümmungen und Verformungen einzelner Drähte. Dieses Spanndrahtlineal besitzt jedoch den Nachteil, daß auch hier lediglich in der durchhangfreien Ebene, in welcher der Durchhang des Drahtsystems keinen Einfluß besitzt, mit befriedigender Genauigkeit und Geschwindigkeit die Messungen von Gerad- bzw. Ebenheit durchführbar sind. Bei Messungen in der Ebene, in der die Schwerkraft wirkt, müßte durch gesonderte, zeitaufwendige Messungen der Durchhang an jeder Meßstelle entlang dem Drahtlineal ermittelt und berücksichtigt werden. Eine Verwirklichung vorgegebener Abtastfunktionen ist nicht möglich.

Es ist deshalb der Zweck der Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und ein universal einsetzbares Spanndrahtlineal für vertikale und horizontale Messungen zu schaffen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Spannkdrahtlineal vorgegebene Abtastfunktionen (einschließlich der Geraden) zu verwirklichen und den Durchhang des Drahtsystems zu ermitteln bzw. zu kompensieren und bei den Messungen derGerad- und Ebenheit zu berücksichtigen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Spanndrahtlineal hoher Genauigkeit dadurch gelöst, daß eine die Drähte des Drahtsystems zu Schwingungen anregende Erregervorrichtung und die Drähte des Drahtsystems abtastende Abtastsysteme zur Ermittlung der Eigenfrequenz des Drahtsystems vorgesehen sind, daß Mittel zur Tordierung und/oder Profiüerung des Drahtsystems vorgesehen sind, daß Einstellmittel zur winkelmäßigen Einstellung der Ablaufrichtung der Abtastsysteme in bezug auf das Drahtsystem und umgekehrt angeordnet sind und daß eine Auswerteeinrichtung vorgesehen ist, welche mit den Abtastsystemen verbunden ist.

Zur Ermittlung des Drahtdurchhanges ist es vorteilhaft, daß die Abtastsysteme mit einer nach der Beziehung

h =

den Durchhang des Drahtsystems bestimmenden Auswerteeinrichtung verbunden sind, worin h der Durchhang der gi spannten Drähte, g die Erdbeschleunigung und ν die Eigenfrequenz des Drahtsystems sind. Es ist vorteilhaft, daß das Drahtsystem entsprechend dem vorher ermittelten bzw. durch Spannmittel vorgewählten Durchhang h um einen Winkel λ so tordiert ist, daß bei schräger Abtastung desselben unter dem Winkel β mittels vorgesehener Abtastsysteme der Durchhang ganz oder teilweise kompensiert ist, wobei oc der Torsionswinkel ist und/?der Winkel ist, der durch das Drahtsystem und die Verschieberichtung der Abtastsysteme gebildet wird.

Zur Bestimmung parabelförmiger Abtastfunktionen sind zur Abtastung mit die Funktion ax² realisierenden Elementen ausgestattete Abtastsysteme vorgesehen, die mit der Auswerteeinrichtung verbunden sind.

Es ist ferner vorteilhaft, daß das Drahtsystem auf eine vorgegebene Eigenfrequenz eingestellt ist und daß zur Durchhangkorrektur der Meßergebnisse die sich längs des Drahtsystems ergebenden Durchhangwerte in einem Festwertspeicher gespeichert sind.

Zur Erzeugung modifizierter Abtastfunktionen ist es vorteilhaft, daß durch Kombination von Torsionswinkel λ. Winkel β und dem wählbaren Durchhang h beliebige parabelförmige Referenzfunktionen zwischen der Pfeilhöhe Null und 2Adarstellbar sind.

Weiterhin ist es vorteilhaft, daß zur Erzielung der winkelmäßigen Ablaufrichtung der Abtastsysteme ein Leitblech vorgesehen ist, welches eine gerade oder zur Verwirklichung von Funktionen ß=ß(x) eine profilierte Leitkante besitzt, wobei χ die Koordinate in Längserstreckung des Drahtlineals ist.

Das Drahtlineal stellt ein hochgenaues Geradheitsnormal sowohl für Messungen in der durchhangfreien als auch in der durchhangbehafteten Ebene dar.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Drahtlin^als besteht darin, vorgegebene Abtastfunktionen mit hoher Genauigkeit darzustellen bzw. den bei Messungen störenden Durchhang des Drahtsystems zu kompensieren.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 ein Drahtlineal in Leichtbauweise,

F i g. 2 einen Schnitt durch das Drahtlineal nach Fig.l,

F ί g. 3 eine Teilansicht des Meßwagens,

F i g. 4 ein tordiertes Drahtlineal im Schema,

F i g. 5 die geometrischen Verhältnisse an einem tordierten Drahtlineal und

F i g. 6 ein profiliertes Drahtlineal.

Das in Fig. 1 als Beispiel zur Erläuterung der Erfindung dargestellte Drahtlineal umfaßt ein aus Blechen zusammengesetztes torsionssteifes, vorzugsweise prismatisches Gehäuse 1, in welchem eine Blechblende 2 angeordnet ist, über die die Drähte des Drahtlineals 3 gewickelt sind. Im Gehäuse 1 sind ferner Mittel zur Tordierung und Profilierung des Drahtsystems in Form präziser gelappter Rundstege 4 und 5 angeordnet, über welche die Drähte des Drahtsystems 3 geführt sind. Dabei ist die Wickelsteigung der Drähte des Drahtsystems 3 so groß gewählt, daß durch die beiden Rundstege 4 und 5 die untere Wickellage zwischen die Drähte der oberen Wickellage gehoben wird, so daß ein in einer einzigen Ebene, die von den zwei beteiligten Zylindermantellinien der Rundstege 4 und 5 bestimmt ist, befindliches paralleles Drahtsystem 3 mit der doppelten Drahtdichte jeder einzelnen Wickellage entsteht. Die Rundstege 4 und 5 sind in den in F i g. 1 angegebenen Pfeilrichtungen feinfühlig verstellbar und arretierbar, so daß ein weitestgehend ebenes oder ein in vorgegebener Weise tordiertes Drahtsystem 3 einstellbar ist. Ein tordiertes Drahtsystem 6 nach F i g. 4 und 5 ergibt sich, wenn z. B. die Rundstege 4 und 5 um unterschiedliche Beträge oder in unterschiedlicher Richtung verstellt werden. Zur Darstellung eines profilierten Drahtsystems 7, wie es aus Fig.6 ersichtlich ist, besitzt der Auflagebereich 8 und 9 der Rundstege 4 und 5 entsprechend der zu erzielenden Profilierung eine entsprechende Form der Mantellinien.

Auf Führungen 10 und 11 des Gehäuses 1 ist ein auf Rollen 12 verschiebbarer Meßwagen 13 gelagert. Am unteren Teil des Meßwagens 13 sind das Drahtsystern 7 berührungslos (induktiv oder kapazitiv) abtastende Abtastsysteme 14 und 15 vorgesehen (F i g. 2). Diese sind durch ein mit zwei Koordinaten (yvmd z) ausgestattetes Doppel-Federparallelogramm mit dem Meßwagen 13 verbunden. In der Verschieberichtung des Meßwagens verläuft die x-Koordinate. Ein im Gehäuse 1 angeordnetes Leitblech 21 dient über die Abtastrolle 22, die an dem Doppel-Federparallelogramm 16; 17; 18; 19; 20 befestigt ist, als Steuerlineal für die z-Koordinate. Dieses Leitblech 21 kann in Verbindung mit dem durch Verstellung der Rundstege 4 und 5 tordierten oder profilierten Drahtsystem 3 zur Kompensation des Durchhanges bzw. zur Erzeugung gewünschter Soll-Abtastfunktionen (z. B. Parabelfunktionen) dienen, und es sind Einstellmittel 23 vorgesehen, mit denen das Leitblech 21 in einem gewünschten Winkel β zur Verschieberichtung des Meßwagens 13 mit den Abtastsystemen 14 und 15 eingestellt werden kann. Der gleiche Effekt ist erzielbar, wenn anstelle des Leitbleches 21 das Drahtsystem 3 winkelmäßig zur Verschieberichtung des Meßwagens 13 eingestellt ist, wie in F i g. 4 dargestellt ist. Die Anzahl der verwirklichbaren Abtastfunktionen ist weiter variierbar, wenn das Leitblech 21 eine Funktion ß—ß(x) verwirklichende Leitkante besitzt, wobei χ die Koordinate in Längserstreckung des Drahtlineals ist.

Im Gehäuse 1 des Drahtlineals ist ferner eine vorteilhafte elektromagnetische Erregervorrichtung 24 angeordnet, mit welcher die Drähte des Drahtsystems 3 zu Schwingungen anregbar sind. Diese Erregervorrichtung ist vorteilhaft an einer Stelle gelegen, in der das Drahtsystem 3 in einer seiner Harmonischen, vorzugsweise in der 1. Harmonischen, angeregt werden kann.

In F i g. 2 ist vor allem die Anordnung der Abtastsysteme 14 und 15 am Doppelfeder-Parallelogramm (16; 17; 18; 19; 20) des unteren Teiles des Meßwagens 13 veranschaulicht. Hierbei ist in einer Halterung 25 ein Abtastsystem 14 und 15 oberhalb und unterhalb des Drahtsystems 3 befestigt, wobei zusätzlich ein Taster 26 zur Abtastung von Prüflingsflächen vorgesehen ist. Die Abtastsysteme 14 und 15 sind über einen Verstärker 27 mit einer Auswerteeinrichtung 28 verbunden, mit welcher auch derTaster 26 verbunden ist.

F i g. 3 zeigt den unteren Teil des Meßwagens 13 mit dem Doppel-Federparallelogramm 16; 17; 18; 19; 20, durch welches eine Auslenkung bzw. Bewegung der Abtastsystemc 14 und 15 in den Koordinaten y und ζ erziel-

bar ist. Die Bewegung in der x-Koordinate ist realisiert durch die Bewegung des Meßwagens 13 entlang den Führungen 10 und 11.

Ein tordiertes und winkelmäßig zur Verschieberichtung eines die Abtastsysteme 14 und 15 aufnehmenden Trägers 29 eingestelltes Drahtsystem 6 zeigt F i g. 4. Hierbei ist der Träger 29 auf einer Führung 30, z. B. einer Werkzeugmaschine, verschiebbar gelagert. Das tordierte Drahtsystem 6 ist zwischen Halteblöcken 31 und 32 gespannt. Bei der Verschiebung des Trägers 29 werden die Abtastsysteme 14 und 15 schräg unter einem Winkel/?über das um den Winkel <x tordierte Drahtsystem 6 geführt und tasten dieses berührungslos ab. Genauer sind diese Verhältnisse in F i g. 5 dargestellt. Der Weg der abtastenden Systeme führt hierbei geradlinig vom Punkt A zum Punkt B über das Drahtsystem 6.

F i g. 6 zeigt analog zu F i g. 5 die Verhältnisse an einem tordierten und zusätzlich profilierten Drahtsystem 7. Die Profilierung erfolgt hierbei vorteilhaft dadurch, daß den Auflagebereichen 8 und 9 der Rundstege 4 und 5 ein gewünschtes Profil ihrer Mantellinien gegeben wird. Der Weg der Abtastsysteme ist durch die Gerade ÜD angegeben. Durch die die Punkte G und H verbindende Kurve β = ß(x) ist eine profilierte Ablaufkurve der Abtastsysteme 14; 15 dargestellt.

Bei Anwendung des Drahtlineals, bestehend aus einem Drahtsystem 3, werden bei der Messung der Geradheit von Prüflingen durch das Drahtsystem 3 bedingte Fehler weitestgehend ausgeschaltet. Dieses Drahtlineal ermöglicht erstmalig eine Messung horizontaler Flächen mit hoher Genauigkeit dadurch, daß in einfacher Weise der Durchhang h des Drahtsystems 3 durch Bestimmung seiner Eigenfrequenz ν ermittelt und bei den Meßwerten berücksichtigt wird. Hierzu wird das Drahtsystem 3 mittels der Erregervorrichtung 24 elektromagnetisch oder mechanisch in einer seiner Harmonischen, vorzugsweise in der ersten Harmonischen zu Schwingungen erregt Mit dem elektronischen Abtastsystem 14 oder 15 durch berührungslose Abtastung des Drahtsystems 3 wird mit hoher Schärfe der Resonanznachweis geführt. Entsprechend der einfachen Beziehung, bei welcher lediglich die Eigenfrequenz ν zu bestimmen ist, ergibt sich der Durchhang h zu

Y _

,2 ■

Jl =

32

worin g die Erdbeschleunigung und V] die Frequenz der ersten Harmonischen des Drahtsystems 3 sind. Durch den hohen Stand der Frequenzmessung wird eine Genauigkeit bei der Durchhangbestimmung von Bruchteilen eines μΐη erreicht Die ermittelten Durchhänge h werden der Auswerteeinrichtung 28 zugeführt und bei den Messungen der Geradheit von Prüflingen als Korrekturgrößen berücksichtigt

Wird gemäß Fig. 5 ein tordiertes Drahtsystem 6 schräg entsprechend dem Verlauf der Geraden Aß bzw. ~ÜD elektronisch abgetastet, so erhält man als Abtastfunktion Parabeln mit positiver oder negativer Krümmung und Pfeilhöhenbereich 0<z<2h, deren Parameter eine Funktion des Produktes der Winkel a-ß\ix\d des Durchhanges ist und welche sehr variabel je nach dem Betrag der Winkel χ und β gestaltbar sind. Auf diese Weise kann das Drahtsystem 6 so tordiert werden, daß der Durchhang völlig kompensiert ist und somit das Drahtsystem 6 ein ideales Geradheitsnormal darstellt

Das ist dann erreicht, wenn folgende Beziehung gilt:

wobei sich -j^- aus der Gleichung

der Schmiegungsparabel der Sollkurvengleichung ergibt.

Hierin sind y das Gewicht der Längeneinheit des Drahtes, //die Horizontalkomponente der Drahtspannkraft, Jh_n, der mittlere Drahtdurchhang und a² eine Funktion von «und/?.

In anderen Fällen mit ± —f- erhält man mit hoher a

Exaktheit Parabeln als Referenzfunktionen für die verschiedensten gewünschten Prüfzwecke.

Werden z. B. die Rundstege 8 profiliert, so sind die erzielten Parabelfunktionen mittels des so erhaltenen profilierten Drahtsysitems 7 (F i g. 6) weiter modifizierbar.
Eine weitere Möglichkeit der elektrischen Durchhangkompensation sieht vor, den über die Eigenfrequenz v\ bekannten Durchhang durch Anwendung eines quadratischen Präzisionspotentiometers in einer besonderen, exakt die Parabelfunktion realisierenden Schaltweise in Verbindung mit einem tordierten Drahtsystem 6 automatisch zu kompensieren. Vorteilhafter für diesen Zweck der Präzisionsmeßtechnik ist es, daß nicht ein an sich mögliches, bereits nach einer Parabelfunktion gewickeltes Funktionspotentiometer verwendet wird, sondern zwei mit wesentlich höherer Genauigkeit herstellbare Potentiometer mit linearem Widerstandsverlauf, wobei erst die besondere Schaltweise aus der linearen Funktion hoher Güte exakt die Parabelfunktion erzeugt. Dazu werden die Abgreifer des Potentiometers mit dem über die ganze Länge des Drahtlineals verstellbaren elektronischen Abtastsystem 14; 15 gekoppelt und somit synchron zum Verschiebeweg längs des Drahtlineals verstellt.

Für bestimmte Meßaufgaben, z. B. Oberflächenmessungen, ist es vorteilhaft, wenn die Durchhangkorrektur des Drahtsystems nach Festwerttafeln jeweils für mehrere Drahtlineale durchgeführt wird. Hierbei werden dann die Drahtsysteme aller Drahtlineale auf gleiche Frequenz ν durch Veränderung der Spannung der Drähte eingestellt. Die Durchhangswerte werden in einem Festwertspeicher (Tabelle oder elektrischer Speicher) eingespeichert. Zur Korrektur der Meßwerte werden die gespeicherten Werte berücksichtigt So kann ein Festwertspeicher auch für mehrere, auf eine gemeinsame Frequenz ν eingestellte Drahtlineal verwendet werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Spanndrahtlineal hoher Genauigkeit zur Verwirklichung vorgegebener Abtastfunktionen umfassend einen Träger, in welchem zwischen Halte- und Spannvorrichtung ein aus einer Vielzahl dünner, paralleler Drähte bestehendes Drahtsystem eingespannt ist, und daß Abtastsysteme zur Abtastung des Drahtsystems in seiner Längserstreckung vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Drähte des Drahtsystems (3) zu Schwingungen anregende Erregervorrichtung und die Drähte des Drahtsystems (3) abtastende Abtastsysteme (14; 15) zur Ermittlung der Eigenfrequenz des Drahtsystems (3) vorgesehen sind, daß Mittel (4:5) zur Tordierung und/oder Profilierung des Drahtsystems (3) vorgesehen sind, daß Einstellmittel (23) zur winkelmäßigen Einstellung der Ablaufrichtung der Abtastsysteme (14; 15) im Bezug auf das Drahtsystem (3) und umgekehrt angeordnet sind und daß eine Auswerteeinrichtung (28) vorgesehen ist, weiche mit den Abtastsystemen (14; 15) verbunden ist.

2. Drahtlineal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastsysteme (14; 15) mit einer nach der Beziehung

nate in Längserstreckung des Drahtlineals ist.