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Gegenstand dieser Erfindung ist eine
zum Messen des Durchmessers eines Körpers dienende Vorrichtung,
die einen Schaft und einen damit verbundenen Messkopf, zwischen
diesen ein Stellglied zur Positionierung des Messkopfes, eine am
Messkopf angeordnete Messrolle, einen ersten Sensor zur Feststellung
der Drehbewegung der Messrolle und einen zweiten Sensor zur Feststellung
der Drehbewegung des zu messenden Körpers sowie eine Anlage zur
Verarbeitung der von den besagten Sensoren gelieferten Werte umfasst.
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In der SU-Patentschrift 1460597 ist
eine Vorrichtung zum Messen des Durchmessers mit Hilfe einer Hilfsrolle,
deren Durchmesser genau bekannt ist und deren Umdrehungszahl pro
Umlauf bestimmt wird, bekannt. Daraus erhält man den Umfang der Walze
und daraus wiederum rechnerisch den Durchmesser. Da hierzu mehrere
Rechnungskomponenten erforderlich sind, gestaltet sich dieses System
kompliziert.
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Von der DE-Schrift 2048 682 her kennt
man ein ähnliches
System. In der Schrift wird vorgeschlagen, dass die Mess rolle aus
dem gleichen Material wie der zu messende Körper besteht, so dass beide im
Prinzip die gleiche Wärmeausdehnung
haben. Leider sind große
Körper,
zum Beispiel lange Walzen, oft nicht gleichmäßig temperiert. Korund kann als
reibungserhöhende
Beschichtung aufgetragen werden, und die Messrolle kann einen aus
hartem Kunststoff bestehenden Außenring aufweisen. Die Korundbeschichtung
kann jedoch zu einem unbestimmten Messrollendurchmesser führen. Kunststoffe
haben im Allgemeinen die Eigenschaft, dass ihre Kompression langsam
wieder rückgängig wird,
wodurch der Messrollendurchmesser bei aufeinanderfolgenden Umdrehungen
nicht der gleiche ist.
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In der SU-Patentschrift 675302 ist
eine Vorrichtung zum Messen des Durchmessers und der Form eines
Körpers
beschrieben. Bei dieser Messvorrichtung werden zwei miteinander
gekoppelte Walzen eingesetzt, die gelenkig an einem Stellglied befestigt
sind. Die Walzen sind beträchtlich
kleiner als der zu messende Körper.
Zum Zeitpunkt des Messens rotiert der Körper. Die an die sich dabei
drehenden Walzen gefügten
Sensoren senden ein sinusförmiges
Signal an eine getrennte Recheneinheit. Auf Grund dieser Signale
werden der Durchmesser des Körpers
und seine Formabweichung von der Zylinderform bestimmt. Das beschriebene
auf Sinuswellen basieren Messsystem ist ungenau.
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In der US-Schrift 3,656,239 ist eine
weitere Vorrichtung der in der Einleitung umrissenen Art beschrieben.
Die Messrolle besteht zum Beispiel aus Nickel-Eisen-Legierung mit
randseitiger Wolframkarbid-Beschichtung.
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Die bekannten mit Hilfsrolle arbeitenden
Vorrichtungen sind besonders empfindlich gegen einen eventuellen
Schlupf der Hilfsrolle, der unmittelbar zu einem großen Messfehler
führt.
Auch verursacht eine Verschmutzung der Laufflächen, insbesondere der Hilfsrolle,
sowohl direkt als auch sekundär,
nämlich durch
vermehrten Schlupf, einen Messfehler.
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Aufgabe dieser Erfindung ist es,
eine genaue und vielseitige Vorrichtung zum Messen des Durchmessers
von Walzen oder dgl. runden Körpern
zu schaffen. Die erfindungsgemäße Messvorrichtung
ist zuverlässiger
und genauer als die bisherigen und funktioniert unabhängig von
den Umgebungsbedingungen. Die kennzeichnenden Merkmale dieser Erfindung
gehen aus den beigefügten
Schutzansprüchen
hervor. Hartmetall hat auf Stahl einen hohen Reibungskoeffizienten,
wodurch Schlupf weitgehend vermieden wird. Der Hartmetallring erlaubt
auch ein ziemlich kräftiges
mechanisches Reinigen.
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Im Folgenden wird die Erfindung unter
Bezugnahme auf die beigefügten,
eine Ausführungsform
der Erfindung zeigenden Zeichnungen im Einzelnen beschrieben. Es
zeigen:
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1 die
erfindungsgemäße Messvorrichtung,
an eine Werkzeugmaschine montiert;
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2 die
Messvorrichtung von 1 seitlich betrachtet;
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3 die
Messvorrichtung von 1 von vorn
betrachtet und in teilweise aufgeschnittenem Zustand.
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1 zeigt
die an eine Werkzeugmaschine 1 montierte erfindungsgemäße Messvorrichtung 2.
Der zu messende Körper,
in diesem Falle eine große
Walze 3, ist auf die Trag böcke der Werkzeugmaschine 1 gespannt,
die Lagerungen für
die Achse 4 der Walze 3 haben. Die Messvorrichtung 2 wird
auf horizontalen Führungen 5 in
Richtung der Längsachse
der Walze 3 bewegt. Die Messvorrichtung wird am normalen Werkzeughalter
der Werkzeugmaschine 1 befestigt und mit dem eigenen Positioniersystem
der Werkzeugmaschine 1 positioniert. Zur genauen Bestimmung
der Drehbewegung der Walze 3 hat die Werkzeugmaschine 1 einen
optischen Sensor 7, der eine am Ende der Walze befindliche
Marke 8 beobachtet. Falls der Antriebsmechanismus der Walze 3 eine Vorrichtung
zur Feststellung der vollen Umdrehung hat, wird diese an Stelle
des optischen Sensors 7 benutzt. Für den Antrieb der Messvorrichtung 2 wird diese
mit (nicht dargestellten) flexiblen Strom- und Druckluftanschlüssen versehen,
die ein Messen des Durchmessers über
die gesamte Länge
der Walze 3 erlauben.
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Die Messvorrichtung 2 hat
einen über
Führungen 11 an
ihren Schaft 10 gefügten
Messkopf 12. Das eigentliche Messen des Durchmessers basiert auf
der Drehbewegung der Messrolle 13 und der Walze 3 und
deren Messen. Zu diesem Zweck hat der Messkopf 12 eine
Messrolle 13 und einen damit verbundenen Impulsgeber 14.
An Hand der mit den besagten Sensoren 7 und 14 gemessenen
Drehbewegungs-Werten der Walze 3 und der Messrolle 13 und der
bekannten Eigenschaften der Messrolle 13 lässt sich
der Durchmesser der Walze 3 genau bestimmen. Für diese
Bestimmung werden die Werte der Sensoren 7 und 14 in
eine getrennte Vorrichtung, bevorzugt in einen Computer (nicht dargestellt),
geleitet, wobei dann genaue, in dichter Folge Impulse liefernde
Sensoren eingesetzt werden können.
Beim Testen der Messvorrichtung 2 wurde ein Impulsgeber benutzt,
bei dem auf eine Umdrehung 10 000 Impulse kamen.
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In 2 sind
die Konstruktionsteile der Messvorrichtung 2 genauer gezeigt.
Mit Hilfe der besagten Führungen 11 kann
sich der Messkopf 12 in Längsrichtung des Schafts 10 bewegen.
Bewirkt wird die Bewegung von einem Pneumatikzylinder 6,
der über
den Stutzen 16 mit Druckluft versorgt wird. Am Messkopf 12 ist
die Messrolle 13 gelagert. Diese Messrolle 13 besteht
aus einer zweiteiligen Konstruktion, bei der sich auf einer Kohlefaser-Innenscheibe 17 ein
Hartmetallring 18 befindet. Diesen stellt man bevorzugt
aus einem Hartmetall-Dichtungsformling her. Da der Reibungskoeffizient
zwischen Hartmetall und Stahl gut ist und einen beträchtlichen
Anpressdruck erlaubt, lässt
sich mit dieser Konstruktion der Schlupf zwischen Messrolle 13 und
Walze 3 eliminieren. Außerdem ist das Kohlefaser/Harz-Verhältnis der
Kompositstruktur der Innenscheibe 17 so gewählt, dass
die Innenscheibe 17 den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
hat wie der Ring 18. Beide haben dann bevorzugt einen Wärmeausdehnungskoeffizienten
von 6,5×10-6
1/K, wobei diese zweiteilige Konstruktion möglich ist. Einfluss beim Einrichten
dieses Koeffizienten hat auch die Orientierung der Kohlefasern.
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Durch die Konstruktion der erfindungsgemäßen Messrolle
wird ein Fertigungsverfahren ermöglicht,
bei der die Achse und der die Messrolle umfassende Rohling zusammen
geschliffen werden, so dass die Lager- und die Laufflächen konzentrisch
zueinander sind.
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Neben der am Messkopf 12 befindlichen Schutzvorrichtung 19 ist
außerdem
ein an der Messrolle 13 anliegender Schaber 20 zur
Sauberhaltung des Ringes 18 vorhanden. Die federnde Klinge 21 des
aus zwei Teilen bestehenden Schabers 20 steht ständig mit
der Oberfläche
des Ringes 18 in Kontakt.
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Die Klinge 21 ist dabei
gegen die Drehrichtung der Messrolle 13 gerichtet. Die
Klinge 21 wird außerdem
durch eine starre Stütze 22 niedergedrückt, die
verhindert, dass sich die Klinge 21 vom Ring 18 abhebt.
Es kann auch beiderseits der Messrolle 13 ein Schaber 20 angeordnet
werden, wobei dann ein Rotieren der Messrolle 13 in beiden
Richtungen möglich
ist. Verstärkt
wird die Reinigungswirkung der Klinge 21 durch einen auf
die Messrolle geleiteten Luftstrom, der die Schmutzteile/Fremdstoffe von
der Walze 3 und der Messrolle 13 bläst. Zugeführt wird
dieser Luftstrom durch den Schlauch 23.
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Der besagte Luftstrom hat neben seiner
Reinigungsfunktion noch eine andere Aufgabe. Durch Einfügen eines
(nicht dargestellten) regulierbaren Lufterhitzers in die Druckluftleitung
kann die Temperatur der Messrolle 13 konstant gehalten
werden. Außerdem
können
die axialen Temperaturschwankungen des zu messenden Körpers berücksichtigt
werden. Bei einer langen, dicken Walze bewirkt eine Temperaturveränderung
von 2°C über die
Walzenlänge
eine Durchmesserveränderung
von 0,05 mm. Zum Messen der Temperatur am Messkopf 12 und
in der Druckluftleitung sind (nicht dargestellte) Sensoren vorhanden.
Zum Messen der Walzentemperatur werden bevorzugt IR-Sensoren eingesetzt.
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3 zeigt
die Messvorrichtung 2 in teilweise aufgeschnittenem Zustand
und mit abgenommener Schutzvorrichtung 19 der Messrolle 13.
Aus der Figur ist auch ersichtlich, dass der Ring 18 der
Messrolle 13 schmäler
ist als die Innenscheibe 17; seine Breite beträgt bevorzugt
25 – 75
der Breite der Innenscheibe 17. Bei einer Messrolle mit
100 mm Durchmesser ist um die 12 mm breite Innenscheibe ein Hartmetallring
von 6 mm × 6
mm Querschnitt gelegt. Der gestrichelt dargestellte Kasten auf der
rechten Seite der Messrolle 13 ist eine druckluftbetriebene Turbine 24,
die der Messrolle 13 einen Zusatz- oder Hilfsantrieb verleiht,
wobei dann durch den Kontakt der Messrolle 13 mit der Walze 3 keine
Abnutzung der Flächen
erfolgt. Mit der Turbine 24 kann die Geschwindigkeit der
Messrolle 13 auf die Geschwindigkeit der bereits rotierenden
Walze 3 abgestimmt werden. Durch diesen Hilfsantrieb mit
einem Motor werden die Schlupfgefahr verringert und außerdem Lagerreibungen
im Messkopf 12 kompensiert.
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Der die Rotation der Messrolle 13 messende Impulsgeber 14,
die Turbine 24 und die Messrolle 13 sind auf der
gleichen, in 3 gestrichelt
dargestellten Achse 25 angeordnet. Dabei kommt es zu keinerlei
Spielbildung, und die rotierenden Massen sind gering, so dass sich
eine sensible Messvorrichtung 2 ergibt, was in diesem Zusammenhang
ein schnelles Sichanpassen der Messvorrichtung an die gegebenen
Bedingungen und ein gleichmäßiges Rotieren der
Messrolle 13 bedeutet. Auch die Kompositstruktur der Messrolle 13 unterstützt diese
Eigenschaft, weil ja die Masse der Messrolle auf den Ring 18 konzentriert
ist. In 3 ist auch das
zum Computer führende
elektrische Kabel 26 des Impulsgebers 14 zu sehen.
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An beiden Seiten des Schafts 10 befinden sich
Linearführungen 11 zum
Positionieren des Messkopfes 12. Bevorzugt werden dafür nach dem Kugelumlaufprinzip
arbeitende Führungen
eingesetzt. Diese besagten Führungen 11 haben
eine extrem niedrige Haftreibung, so dass der Messkopf 12 einen
sehr leichten Gang hat; außerdem
können
sie spielfrei gestaltet werden. Weiter gehört zu der Messvorrichtung 2 ein
im Schaft 10 angeordneter einfachwirkender Pneumatik zylinder 6 mit
Rückholfeder. Zum
Stabilisieren des Berührungsdruckes
zwischen Messrolle 13 und zu messendem Körper hat
die Druckluftleitung des Zylinders 6 einen Betriebsdruckregler
(nicht dargestellt). Dieser Regler oder Druckausgleicher kompensiert
auch die durch die Exzentrizität
des zu messenden Körpers
verursachte Bewegung mit konstantem Druck. Die Schubkraft des Zylinders 6 beträgt bei einem
Messrollendurchmesser von 100 mm im typischen Fall ca. 70 N. Dadurch wird,
anders als mit einem Kunststoffring, eine Linienberührung zwischen
Messrolle und Körper
bewirkt.
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Die erfindungsgemäße Messvorrichtung 2 hat
dank ihrer Konstruktion eine geringe Einbaulänge, aber gute Anpassungsfähigkeit.
Dadurch können auch
exzentrisch rotierende Körper
gemessen werden. Der Hartmetallring 18 der Messrolle 13 kann maßgenau bearbeitet
werden und nutzt sich im Gebrauch nicht ab. Die Messvorrichtung
ist außerdem programmgestützt kalibrierbar.
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Die Messvorrichtung 2 hat
sich in Versuchen als unabhängig
von der Temperatur des zu messenden Körpers im Bereich von 15 – 45 °C und von
Umgebungstemperaturschwankungen erwiesen. Außerdem funktioniert die Messvorrichtung 2 unter
Produktionsbedingungen unabhängig
von Staub, Schmutz und Wärmeströmungen.
Auch ein Messen während der
Bearbeitung des Körpers
ist möglich.
Eine solche Messvorrichtung 2 deckt einen weiten inneren
und äußeren Messbereich.
Die nur geringes Gewicht aufweisende Messvorrichtung 2 lässt sich
leicht zum Beispiel an eine Werkzeugmaschine 1 montieren, und
mit der Messvorrichtung 2 können mehrere Messungen an mehreren
verschiedenen Stellen vorgenommen werden. Die Messvorrichtung 2 kann
für verschiedenartige Halter
eingerichtet werden einfach durch Anbolzen einer passenden Befestigungsvorrichtung
an den Schaft 10. Die Messung erfolgt automatisch, so dass
sie von einer einzigen Person ausgeführt werden kann und das Messergebnis
der kalibrierten Messvorrichtung auch unabhängig von der Person ist.
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Die Linearführung 11 ist bevorzugt
mit einem Linearbewegungs-Messsensor 27 versehen. Und die Vorrichtung
ist so konzipiert, dass sie zwecks Bestimmens der Form des Körpers die
vom Sensor 27 gelieferten Daten mit den von der Messrolle
gelieferten Daten kombiniert. Der Beginn und/oder die Beendigung
der Messung können
auch an Hand der Linearbewegungs-Messdaten erfolgen.
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Die erfindungsgemäße Messvorrichtung 2 kann
auch mit Hilfe andersartiger Sensoren angewendet werden. Auch die
Zahl der Sensoren kann variieren. Die Messrolle wird bevorzugt nur
auf der einen Seite gelagert, und die Messvorrichtung wird auch
ansonsten so eingerichtet, dass sie in unmittelbare Nähe der Stirnfläche gebracht
werden kann. Ausgehend von der in 3 gezeigten
Konstruktion ist neben dem Weglassen des linken Lagers auch die linke
Linearführung
mehr zur Mitte hin zu verlagern.