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Messgerät für Bohrungsdurchmesser
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Die Erfindung betrifft das Gebiet der Messgeräte, insbesöndere der
elektrischen Messgeräte zur Messung von Durchmessern zylindrischer Bohrungen.
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Das Ausmessen von Innendurchmessern geschieht am einfachsten durch
eine Zweipunktmessung, bei der der Abstand zweier sich gegenüberliegender Punkte
auf der Innenfläche der Bohrung bestimmt wird.
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Die Schwierigkeit besteht darin, die Messtaster des Messgeräts auf
sich genau gegenüberliegende Punkte anzusetzen. Fehler, die dabei entstehen können,
sind vor allem durch ein Kippen in der Axialebene, "Kippfehler", und durch eine
Verschiebung in der zur Achse senkrechten Messebene, Sehnenfehler", bedingt. Ein
"Kippfehler" führt zu einem zu grossen, ein "Sehnenfehler" zu einem zu kleinen Messergebnis.
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Verschiedene Hilfsvorrichtungen sind bekannt, um diese Fehler zu verkleinern
oder zu vermeiden Ein Messdorn, der die beiden Messtaster des Messgerätes trägt,
erlaubt eine Grobzentrierung Dies kann auch durch 2 feste oder verschiebbare Stützbolzen,
die in der Messebene angebracht sind, erfolgen. Allerdings
wird
dadurch nur der "Sehnenfehler" klein gehalten.
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Durch eine Ausdehnung in axialer Richtung dieser Stützbolzen, beispielsweise
in Form von ausschwenkbaren Flügeln oder angefederten Schienen, ist es prinzipiell
möglich, auch "Kippfehler" zu vermeiden. Doch können Schwierigkeiten mit der Präzision
dieser Schienen- oder Flücelführungen, sowie beim Ausmessen sehr kleiner Bohrungen
entstehen. Eine weitere, bekannte Möglichkeit besteht darin, dass eine zur Achse
senkrechte Fläche als Anschlag für die die Bohrung begrenzende Stirnfläche benutzt
wird. Bei einer schiefen Stirnfläche wird hier jedoch ein Kippfehler erzeugt und
auch ein "Sehnenfehler" ist nicht sicher unterdrückt.
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Diese erwähnten Ausführungen sind beispielsweise im Buch "Grundlagen
und Geräte technischer Längenmessungen" von G. Berndt, Berlin 1929, beschrieben.
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Die unter dem Namen MOVOMATIC bekannten Innenmessköpfe verwenden ebenfalls
das Zweipunkteverfahren. Die Zentrierung der Bohrung geschieht dabei durch einen
Messdorn, der vier feste Anschläge sowie mindestens ein federndes Andrückelement
aufs:reist. Die tier Anschläge sind je zu zweien in Ebenen, die längs der Achse
zur Messebene verschoben beidseits von dieser liegen,angebracht. Das Andrückelement
ist üblicherweise in der Nähe der Messebene vorgesehen Mit einem solchen Hesskopf
lassen sich sowohl "Kipp-! wie "Sehnenfehler" vermeiden
Bei einer
hYeipunktmessung werden zwei bewegliche Tastbolzen des Messgerätes verwendet und
zur elektrischen Erfassung und Uebertragung des Messergebnisses trägt mindestens
einer der Tastbolzen ein Teil des Messgebers, das über eine elektrische Verbindung
angeschlossen wird.
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Auch bei sorgfältigster Ausführung überträgt diese elektrische Verbindung
eine Kraft auf das bewegliche, am Tastbolzen angebrachte Teil des Messgebers und
somit auf den Tastbolzen selbst. Diese Kraft kann sich mit der Zeit verändern. Genaueste
Messungen sind aber nur möglich, wenn die Messkraft konstant bleibt. Es wurde festgestellt,
dass der Einfluss des Kabels bei Messungen mit einer geforderten Reproduzierbarkeit
von z.B. kleiner als 10-6 m nicht mehr vernachlässigt werden kann.
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In einer verbesserten Ausführungsform wurden deshalb auch schon zwei
Messgeber verwendet, deren Gehäuse fest mit dem Messgerät verbunden sind, wobei
die beweglichen Teile je mit einem Messtaster verbunden sind. Die Reproduzierbarkeit
konnte dadurch wohl verbessert werden, dies musste aber mit einer teureren, grösseren
und komplizierteren Konstruktion erkauft werden.
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Für alle Zweipunktmesssysteme gilt weiter, dass gewisse Formfehler
der Bohrung, wie Gleichdick und krumme Bohrungsachse, nicht festgestellt werden
können, z.B. durch ein Drehen der Messgeräte in der Bohrung.
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Neben der Zweipunktmessung ist auch die Dreipunktmessung bekannt und
wird oft angewendet. In der hlessebene befinden sich dabei zwei, vorzugsweise feste
Anschläge, deren Berührungspunkte mit der Fläche der zu messenden
Bohrung
Basiseckpunkte eines gleichschenkligen Dreiecks bilden.
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Die Spitze des Dreiecks wird durch den Berührungspunkt des beweglichen
Tastbolzen gebildet. Damit lassen sich "Sehenfehler" vermeiden. Um auch noch "Kippfehler"
zu unterdrücken, ist schon vorgeschlagen worden, in einer von der Messebene verschiedenen
Ebene, eine weitere Abstützung vorzunehmen. Beispielsweise kann das durch 3 feste,
konisch ausgebildete Anschläge am Eintritt in die Bohrung geschehen. Dies ergibt
nur bei einer senkrechten Stirnfläche mit einer scharfen Kante ein befriedigendes
Ergebnis.
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Verbreitung haben auch DreipunktmessgePäte mit drei beweglichen Tastern
gefunden. Die synchrone Bewegung der drei Messbolzen geschieht dabei durch eine
Umsetzung einer achsialen in eine radiale Bewegung,beispielsweise über einen Konus
oder ein kegliges Messgewinde. Diese Umsetzung ist aber reibungsbehaftet und oft
schmutzempflindlich und solche Messgeräte genügen deshalb höchsten Ansprüchenan
Genauigkeit und Reproduzierbarkeit nicht.
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Bei der Dreipunktmessung ist der Durchmesser der Bohrung nicht direkt
abgreifbar. Werden zwei feste Anschläge verwendet, so ändert sich der Zentriwinkel,
unter dem die Berührungspunkte dieser festen Anschläge vom Zentrum der zu messenden
Bohrung aus gesehen werden, bei einer Aenderung des Durchmessers der Bohrung. Der
Ausschlag des beweglichen Tastbolzensist somit nicht gleich der Aenderung des Durchmessers.
Dreipunktgeräte benötigen somit eine Einstellung mit Normalringen und solche mit
zwei festen Anschlägen zusätzlich eine Kompensation des Uebertragungsfaktors,der
zudem bei grösseren Messbereichen nicht konstant ist,
was zu einer
nicht linearen Kennlinie führt. Auch der Krümmungsradius der festen Anschläge beeinfluss.t
diesen Uebertragungsfaktor in geringem Masse.
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Die Erfindung hat ein kompaktes, möglichst einfaches, sehr präzises
essgerät mit elektrischem Ausgangssignal zum Ziel, bei dem sowohl "Sehnenfehler"
wie auch "Kippfehler" vermieden werden, das gestattet, Unrundheit wie Ovalitäten
und Gleichdick,-sowie krumme Bohrungsachsen festzustellen und dessen Genauigkeit
und Reproduzierbarkeit nicht durch Rückwirkungen eines elektrischen Kabels auf die
esskraft beeinträchtigt werden.
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Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass das Gerät ein Gehäuse,
einen angenähert zylinderförmigen Messdorn mit vier festen Anschlägen, von denen
je zwei auf derselben Mantellinie des dem Messdorn angenähert bildenden Zylinders
liegen, einen Messwandler und einen beweglichen Messarm mit Messtaster aufweist,
wobei der Messwandler starr mit dem Gehäuse verbunden ist, an welchem der Messdorn
auswechselbar befestigt ist, der Messdorn eine Aussparung für einen Teil des Messarms
aufweist, der Messarm drehbeweglich im Gehäuse gelagert ist, einen Hebelarm aufweist,
der in die Aussparung des Messdorns ragt und mit einer Messkraft beaufschlagt ist,
die den Messtaster in Richtung vom Messdorn weg drückt, derart, dass beim in eine
Bohrung eingesetzten Messdorn der Messtaster und die vier festen Anschläge des Messdorns
zur Zentrierung an die Bohrungsinnenwand angedrückt werden.
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Eine besondere Ausführungsform sowie weitere nützliche Eigenschaften
erfindungsgemässer Messgeräten werden anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert.
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Es zeigen Figur 1 schematisch den Aufbau im Schnitt eines Messgerätes
und Figur 2 einen Querschnitt durch'den Messdorn.des Ausführungsbeispiels der Figur
1.
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Das Gehäuse l,trägt-einen an sich bekannten Messwandler 2, dessen
Stössel. 3 verschiebbar ist. Jeder Lage des Stössels entspricht ein elektrisches
Signal, das über das Kabel 4 abgreifbar ist. Im Gehäuse 1 ist ferner der Messarm
5 drehbar gelagert. Vorzugsweise wird als Lager ein Kreuzfedergelenk 6 verwendet,
welches in der zeichnung dargestellt ist. Solche Gelenke gestatten kleine Drehbewegungen
mit genauer Führung ohne Spiel, Reibung und Abnützung auszuführen. Der Messarm 5
ist im dargestellten Beispiel mit zwei Hebel armen ausgeführt, wovon der eine den
Messtaster 7 trägt. Der andere Hebelarm 8 liegt am Stössel 3 des thesswandlers auf
und wird durch eine im Gehäuse abgestützte Messkraftfeder 9 belastet.
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Der den Messtaster 7 tragende Hebelarm greift in eine Aussparung des
am Gehäuse befestigten Messdorns.lO. Diese Befestigung ist lösbar, so dass Messdorne
verschiedener Grösse wahlweise benutzt werden können.
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Die relative Lage des Messdornes zum Gehäuse l darf im Betrieb nicht
verändert werden. Um dies sicherzustellen, sind geeignete Befestigungs-und Positionsmittei
vorgesehen, die nicht dargestellt sind, da übliche, jedem Fachmann bekannte Maschinenelemente
verwendet werden können.
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Der Messdorn 10 trägt vier feste Anschläge 11, von denen in Figur
1 deren zwei angedeutet sind. Vorzugsweise bestehen diese Anschläge aus sphärisch
ausgebildeten Hartmetalleinsätzen.
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Je zwei Anschläge sind in achsialer Richtung übereinander angeordnet,
d.h. liegen auf derselben Mantellinie.
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Wird der Messdorn in eine ideal-zylindrische Bohrung gesteckt und
die vier Anschläge zum Anliegen an die Bohrungsinnenwand gebracht, so ist die Achse
des Messdorns parallel der Bohrungsachse, wobei diese beiden Achsen in einer Ebene
liegen, welche die Symmetrieebene beider durch die Anschläge bestimmten Mantellinien
ist. Dadurch wird sowohl ein "Kippfehler" wie auch ein "Sehnenfehler" vermieden.
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In manchen Fällen genügt die durch die Messkraftfeder 9 auf den Messarm
5 ausgeübte Kraft, welche den Messtaster 7 und dadurch auch die Anschläge 11 an
die Bohrungsinnenwand andrückt, um eine sichere Anlage aller Anschläge und somit
die gewünschte Zentrierung zu erhalten. Andernfalls können,wie in Figur 1 angedeutet,
ein oder mehrere zusäbzliche Andrückelemente 12..vorgesehen werden, welche in der
Nähe des Messtasters am Messdorn befestigt sind.
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Sie können beispielsweise je aus einer federbelasteten Kugel. bestehen.
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Um beim Ein- und Ausfahren des Messdorns in der Bohrung weder dessen
Innenfläche noch den Messtaster abzunützen oder zu beschädigen, kann dieser einziehbar
ausgebildet sein. Im Beispiel der Figur 1 ist dazu ein Druckknopf 13, der auf den
Hebelarm 8 wirken kann, vorgesehen.
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In Figur 2 ist ein Querschnitt durch den Messdorn 10 der Figur 1 in
dem durch I - I gekennzeichneten Schnitt gezeigt. Der geschnittene Messarms in der
Aussparung des Messdorns 10 ist dabei ersichtlich, sowie der Messtaster 7 und zwei
der vier Anschläge 11. Diese zwei, auf verschiedenen Mantellinien liegenden Anschläge
bilden bezüglich des Zentrums der-zu messenden Bohrung, die der Nenngrösse des Messdorns
entspricht,den Zentriwinkel a. Dieser Winkel a ist vorzugsweise kleiner als 1200,
beispielsweise 900.
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Vom Wert von a hängt der Uebertragungsfaktor des Messtasters ab, d.h.
das Verhältnis zwischen einer Aenderung des zu messenden Bohrungsdurchmessers zu
der resultierenden Verschiebung des Messtasters. Für a = 900 nimmt dieser Faktor
den Wert 0,8284 an.
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Um einen normierten Messwandler benützen zu können, bei dem die Auslenkung
des Stössels 3 der Durchmesseraenderung entspricht, kann der Messarm so gebildet
werden, dass sein Uebertragungsfaktor denjenigen des Messtasters kompensiert.
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In Figur 1 sind die Längen der beiden Hebel mit a und b angegeben.
Der Faktor bei a = 900 wird dadurch kompensiert, dass a = 0,8284 b oder b =1,207
a gemacht wird.
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Diese Kompensation könnte prinzipiell auch mit einem einarmigen Messarm
erzielt werden.
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Zusammenfassung Elektrisches Messgerä.t zur Messung von Durchmessern
zylindrischer Bohrungen, das aus einem Gehäuse (1) und einem auswechselbaren Messdorn
(10) besteht.
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Im Gehäuse (1) ist ein Messwandler (2) eingebaut und ein Messarm drehbeweglich
gelagert, der mit einer Feder (9) belastet ist. Der Messarm ragt in eine Aussparung
des Messdorns~und trägt an seinem Ende einen Messtaster der an die Bohrungsinnenwand
anliegt. Der Nessdorn ist mit vier festen Anschlägen (11) zur Zentrierung versehen.
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Zur Normierung des Uebertragungsfaktors weist der Messarm zwei ungleich
lange Hebel (a und b) auf.
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Zusätzliche Andrückelemente (12) erleichtern die Zentrierung. Ein
Druckknopf (13) gestattet das Einziehen des Messtasters (7).
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(Figure 1)
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