DE3030877C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Meßgerät zum Messen von Bohrungs­ durchmessern der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art. Ein solches Meßgerät ist unter dem Namen "MOVOMATIC CI 213" bzw. dem entsprechenden Prospekt der Fa. Meseltron, Neuchatel, Schweiz, bekannt.

Das Ausmessen von Innendurchmessern geschieht am einfachsten durch eine Zweipunktmessung, bei der der Abstand zweier sich gegenüberliegender Punkte auf der Innenfläche der Bohrung be­ stimmt wird.

Die Schwierigkeit besteht darin, die Meßtaster des Meßgerätes auf sich genau gegenüberliegende Punkte zu setzen. Fehler, die dabei entstehen können, sind vor allem durch ein Kippen in der Axialebene, den Kippfehler, und durch eine Verschiebung in der zur Achse senkrechten Meßebene, den Sehnenfehler, bedingt. Ein Kippfehler führt zu einem zu großen, ein Sehnenfehler zu einem zu kleinen Meßergebnis.

Es sind verschiedene Hilfsvorrichtungen 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 zwei feste oder verschiebbare Stützbolzen, die in der Meßebene angebracht sind, erfolgen. Al­ lerdings wird dadurch nur der Sehnenfehler klein gehalten.

Durch eine Ausdehnung dieser Stützbolzen in axialer Richtung, beispiels­ weise 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 Flügelführungen sowie beim Ausmessen sehr kleiner Bohrungen entstehen. Eine weitere, bekannte Möglichkeit besteht darin, daß eine zur Achse senkrechte Flä­ che als Anschlag für die die Bohrung begrenzende Stirnfläche benutzt wird. Bei einer schiefen Stirnfläche wird hier jedoch ein Kippfehler erzeugt und auch ein Sehnenfehler wird nicht sicher unterdrückt.

Diese erwähnten Ausführungen sind beispielsweise im Buch "Grundlagen und Geräte technischer Längenmessungen" von G. Berndt, Berlin 1929, beschrieben.

Die unter dem Namen MOVOMATIC bekannten Innenmeßköpfe verwenden eben­ falls das Zweipunktverfahren. Die Zentrierung der Bohrung geschieht dabei durch einen Meßdorn, der vier feste Anschläge sowie mindestens ein federndes Andrückelement aufweist. Die vier 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 solchem Meßkopf lassen sich sowohl Kipp- wie Sehnenfehler vermeiden.

Bei einer Zweipunktmessung werden zwei bewegliche Tastbolzen des Meßge­ rätes verwendet und zur elektrischen Erfassung und Übertragung des Meßergebnisses trägt mindestens einer der Tastbolzen ein Teil des Meßgebers, daß über eine elektrische Verbindung angeschlossen wird. Auch bei sorgfältigster Ausführung überträgt diese elektrische Verbin­ dung 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 Reproduzierbar­ keit von z. B. kleiner als 10^-6 m nicht mehr vernachlässigt werden kann.

In einer verbesserten Ausführung wurden deshalb auch schon zwei Meß­ geber verwendet, deren Gehäuse fest mit dem Meßgerät verbunden sind, wobei die beweglichen Teile je mit einem Meßtaster verbunden sind. Die Reprodu­ zierbarkeit konnte dadurch wohl verbessert werden, dies mußte aber mit ei­ ner teureren, größeren und komplizierteren Konstruktion erkauft werden.

Für alle Zweipunktmeßsysteme gilt weiter, daß gewisse Formfehler der Bohrung, wie gleichdick und krumme Bohrungsachse, nicht festge­ stellt werden können, z. B. durch ein Drehen der Meßgeräte in der Bohrung.

Neben der Zweipunktmessung ist auch die Dreipunktmessung bekannt und wird oft angewendet. In der Meßebene befinden sich dabei zwei, vorzugs­ weise feste Anschläge, deren Berührungspunkte mit der Fläche der zu mes­ senden Bohrung Basiseckpunkte eines gleichschenkligen Dreiecks bilden. Diese Spitze des Dreiecks wird durch den Berührungspunkt des beweglichen Tastbolzens gebildet. Damit lassen sich Sehnenfehler vermeiden. Um auch noch Kippfehler zu unterdrücken, ist schon vorgeschlagen worden, in einer von der Meßebene verschiedenen Ebene eine weitere Abstützung vor­ zunehmen. 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 Er­ gebnis.

Verbreitung haben auch Dreipunktmeßgeräte mit drei beweglichen Tastern gefunden. Die synchrone Bewegung der drei Meßbolzen geschieht dabei durch eine Umsetzung einer axialen in eine radiale Bewegung, beispiels­ weise über einen Konus oder ein kegliges Meßgewinde. Diese Umsetzung ist aber reibungsbehaftet und schmutzempfindlich, solche Meß­ geräte genügen deshalb höchsten Ansprüchen an Genauigkeit und Reprodu­ zierbarkeit nicht.

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 Änderung des Durchmessers der Bohrung. Der Ausschlag des beweglichen Tastbolzens ist somit nicht gleich der Änderung des Durchmessers. Drei­ punktgeräte benötigen somit eine Einstellung mit Normalringen und solchen mit zwei festen Anschlägen zusätzlich eine Kompensation des Übertra­ gungsfaktors, der zudem bei größeren Meßbereichen nicht konstant ist, was zu einer nichtlinearen Kennlinie führt. Auch der Krümmungs­ radius der festen Anschläge beeinflußt diesen Übertragungsfaktor in geringem Maße.

Aus der US-PS 28 15 578 ist darüber hinaus eine Vorrichtung zum Prüfen der Wandung von Bohrlöchern und ähnlichem auf Fehler be­ kannt. Die Vorrichtung weist ein zylindrisches Gehäuse auf, von dem vier bewegliche Taster nach außen wegstehen. Die Vorrichtun­ gen werden axial durch die zu untersuchenden Rohre gezogen und dabei die radialen Bewegungen der Taster erfaßt. Die Vorrichtung ist nur zur Feststellung von relativen Durchmesseränderungen in einem groben Maßstab geeignet, wobei zur Ausführung der Messung eine Bewegung der Vorrichtung in axialer Richtung erforderlich ist. Eine statische Bestimmung des Durchmessers von Bohrungen im µm-Bereich ist damit nicht möglich.

Ähnliche Vorrichtungen sind auch aus der US-PS 25 02 775 und der DE-PS 28 10 552 bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein kompaktes, möglichst einfa­ ches, sehr präzises Meßgerät mit elektrischem Ausgangssignal zu schaffen, bei dem sowohl Sehnenfehler wie auch Kippfehler ver­ mieden werden und das es gestattet, Unrundheiten wie Ovalität und Gleichdick sowie krumme Bohrungsachsen festzustellen.

Diese Aufgabe wird, ausgehend von dem eingangs genannten Meßge­ rät, erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentan­ spruchs 1 genannten Maßnahmen gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Meßgerätes sind in den Unteransprüchen 2 bis 5 beschrieben.

Ein Ausführungsbeispiel für das Meßgerät wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 schematisch den Aufbau eines Meßgerätes im Schnitt und

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Meßdorn des Ausführungsbei­ spiels der Fig. 1.

Das Gehäuse 1 trägt einen an sich bekannten Meßwandler 2, dessen Stößel 3 verschiebbar ist. Jeder Lage des Stößels entspricht ein elektrisches Signal, das über ein Kabel 4 abgreifbar ist. Im Gehäuse 1 ist ferner ein Meßarm 5 drehbar gelagert. Vorzugsweise wird als Lager ein Kreuzfedergelenk 6 verwendet, wie es in der Zeichnung dargestellt ist. Solche Gelenke gestatten kleine Drehbewegungen mit genauer Führung ohne Spiel, Reibung und Abnützung auszuführen. Der Meß­ arm 5 hat im dargestellten Beispiel zwei Hebelarme, wovon der eine einen Meßtaster 7 trägt. Der andere Hebelarm 8 liegt am Stößel 3 des Meßwandlers auf und wird durch eine im Gehäuse abge­ stützte Meßkraftfeder 9 belastet.

Der den Meßtaster 7 tragende Hebelarm befindet sich in einer Aussparung des am Gehäuse 1 befestigten Meßdorns 10. Diese Befestigung ist lösbar, so daß wahlweise Meßdorne verschiedener Größe benutzt werden können. Die relative Lage des Meßdornes zum Gehäuse 1 darf im Betrieb nicht verändert werden. Um dies sicherzustellen, sind geeignete Befestigungs- und Positionsmittel vorgesehen, die nicht dargestellt sind, da übliche, jedem Fachmann bekannte Elemente verwendet werden können.

Der Meßdorn 10 trägt vier feste Anschläge 11, von denen in Fig. 1 deren zwei angedeutet sind. Vorzugsweise bestehen diese Anschläge aus sphärisch ausgebildeten Hartmetalleinsätzen.

Je zwei Anschläge sind in axialer Richtung übereinander angeordnet, d. h. liegen auf derselben Mantellinie.

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 Kipp­ fehler wie auch ein Sehnenfehler vermieden.

In manchen Fällen genügt die durch die Meßkraftfeder 9 auf den Meßarm 5 ausgeübte Kraft, die 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 Fig. 1 angedeutet, ein oder mehrere zusätzliche Andrückelemente 12 vorgese­ hen werden, welche in der Nähe des Meßtasters am Meßdorn befestigt sind. Sie können beispielsweise je aus einer federbelasteten Kugel bestehen.

Um beim Ein- und Ausfahren des Meßdorns in der Bohrung weder dessen Innen­ fläche noch den Meßtaster abzunützen oder zu beschädigen, kann dieser ein­ ziehbar ausgebildet sein. Im Beispiel der Fig. 1 ist dazu ein Druckknopf 13, der auf den Hebelarm 8 wirken kann, vorgesehen.

In der Fig. 2 ist ein Querschnitt durch den Meßdorn 10 der Fig. 1 in der durch I-I gekennzeichneten Ebene gezeigt. Es ist dabei der Meßarm 5 in der Aussparung des Meßdorns 10, der Meßtaster 7 und zwei der vier Anschläge 11 zu sehen. Diese zwei auf verschiedenen Mantellinien liegenden Anschläge bilden bezüglich des Zentrums der zu messenden Bohrung, die der Nenngröße des Meßdorns entspricht, den Zentriwinkel α. Dieser Win­ kel α ist vorzugsweise kleiner als 120°, beispielsweise 90°.

Vom Wert von α hängt der Übertragungsfaktor des Meßtasters ab, d. h. das Verhältnis zwischen einer Änderung des zu messenden Bohrungsdurchmessers zu der resultierenden Verschiebung des Meßtasters. Für α = 90° nimmt die­ ser Faktor den Wert 0,8284 an.

Um einen normierten Meßwandler benützen zu können, bei dem die Auslenkung des Stößels 3 der Durchmesseränderung entspricht, kann der Meßarm so ausge­ bildet werden, daß sein Übertragungsfaktor denjenigen des Meßtasters kom­ pensiert.

In der Fig. 1 sind die Längen der beiden Hebel mit a und b angegeben. Der Faktor bei α = 90° wird dadurch kompensiert, daß a = 0,8284 b oder b = 1,207 a ge­ macht wird.

Diese Kompensation könnte prinzipiell auch mit einem einarmigen Meßarm erzielt werden.

Claims (5)

1. Meßgerät zum Messen von Bohrungsdurchmessern, das ein elektrisches Ausgangssignal liefert, mit einem Gehäuse (1), einem angenähert zylindrischen Meßdorn (10), der vier feste Anschläge (11) trägt, von denen je zwei auf derselben Man­ tellinie des den Meßdorn angenähert bildenden Zylinders liegen, einem Meßwandler (2) und einem beweglichen Meßarm (5) mit Meßtaster (7), dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwandler (2) starr mit dem Gehäuse (1) verbunden ist, daß der Meßdorn (10) auswechselbar am Gehäuse (1) be­ festigt ist, daß der Meßdorn (10) eine Aussparung für einen Teil des Meßarms (5) aufweist, und daß der Meßarm (5) dreh­ beweglich im Gehäuse (1) gelagert ist und einen Hebelarm aufweist, der in die Aussparung des Meßdornes (10) ragt so­ wie mit einer Meßkraft beaufschlagt ist, die den Meßtaster (7) in Richtung vom Meßdorn (10) weg drückt, derart, daß bei dem in eine Bohrung eingesetzten Meßdorn (10) der Meßtaster (7) und die vier festen Anschläge (11) des Meßdorns zur Zentrierung an die Bohrungsinnenwand angedrückt werden.

2. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßarm (5) zwei ungleich lange Hebelarme aufweist.

3. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßarm (5) durch ein Kreuzfedergelenk (6) drehbeweglich im Gehäuse (1) gelagert ist.

4. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein unter Federkraft stehender Druckknopf (13) vorhanden ist, der in gedrücktem Zustand den Hebelarm des Meßarms (5) entgegen der Meßkraft in die Aussparung des Meßdorns (10) einschwenkt.

5. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßdorn (10) ein oder mehrere unter Federkraft stehende Andrückelemente (12) aufweist.