DE3247697A1

DE3247697A1 - Vorrichtung zum bestimmen und/oder messen der form eines werkstueckes

Info

Publication number: DE3247697A1
Application number: DE19823247697
Authority: DE
Inventors: Alfred 8212 Neuhausen Wahl; Gunther Dr. 8260 Stein Wulff
Original assignee: Alusuisse Holdings AG; Schweizerische Aluminium AG
Current assignee: Alcan Holdings Switzerland AG
Priority date: 1982-12-20
Filing date: 1982-12-23
Publication date: 1984-06-20
Also published as: GB2132354A; IT8324230A0; JPS59120906A; BE898493A; IT1168743B; SE8307019L; GB8333169D0; SE8307019D0

Description

Vorrichtung zum Bestimmen und/oder Messen der Form eines
Werkstückes

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen und/

5 oder Messen der Form eines Werkstückes, insbesondere dessen Dimension und Oberflächenform od.dgl., mittels zumindest eines zum Werkstück hin gerichteten in einem festliegenden Gehäuse angeordneten Messstiftes mit einer Axialbohrung, durch welche hindurch das Werkstück mit Druckgas beaufschlagbar ist, sowie ein Verfahren hierfür.

Zum Messen der Form eines Werkstückes, d.h. beispielsweise dessen Dicke bzw. dessen Oberflächenform, sind insbesondere mechanisch betätigbare Werkzeuge bekannt. Diese Werkzeuge werden als Kluppen, Mess- oder Schublehren bezeichnet. Abgesehen von der ihnen innewohnenden Ungenauigkeit weisen diese mechanischen Werkzeuge den Nachteil auf, dass sie zum Messen von bewegten Werkstücken nicht anwendbar sind. Zudem kann durch sie die Oberflächenform oder die Planheit von Oberflächen nur sehr schwer erfasst werden, indem eine Vielzahl von Messungen durchgeführt wird. Weiterhin sind komplizierte elektronische Vorrichtungen bekannt, welche eine in einem Gehäuse festliegende Fühlerdüse aufweisen, aus der Druckluft ausströmt. Je nach dem Abstand des Werk-Stückes vom Ausgang der Fühlerdüse wird inbezug auf die Druckluft ein Staudruck erzeugt, dessen Wert auf kompliziertem elektronischem Wege gemessen und in Massangaben übersetzt werden muss. Die Fehlerquote dieser Geräte ist relativ hoch, da einmal die Staudruckmessergebnisse von der konstanten Luftzufuhr und zum anderen von der Geschwindigkeit des vorbeistreichenden Werkstückes abhängen, und zudem keine lineare Zuordnung zwischen Abstand und Staudruck besteht.

Die Erfinder haben sich zur Aufgabe gesetzt, eine Vorrichtung und ein Verfahren der oben genannten Art zu entwikkeln, welches eine wesentlich einfacher aufgebaute Vorrichtung erfordert, vielseitig einsetzbar ist und dennoch äusserst genaue Messergebnisse liefert. Insbesondere sollen die Messergebnisse von Schwankungen des Gasdruckes in weiten Grenzen unabhängig sein.

Zur Lösung dieser Aufgabe führt, dass der Messstift in dem Gehäuse bewegbar lagert und infolge eines durch das Druckgas erzeugten Strömungsunterdruckes zwischen Messstift und der Oberfläche des Werkstücks zu dieser einen bestimmten stabilen Abstand einhält.

Die Anordnung in dieser Vorrichtung macht sich die Wirkung des bekannten sogenannten hydrodynamischen Paradoxons zunutze, nach welchem ein aus einer Düse strömender Gasstrahl zwei in einem bestimmten Abstand voneinander angeordnete Flächen nicht voneinander abstösst, sondern anzieht. Das bedeutet, dass der Messstift der Oberfläche des Werkstückes berührungslos folgt, wobei auch die kleinsten Unebenheiten erfasst werden. Dabei hat es sich in der Praxis erwiesen, dass bei Zugabe von Druckgas der Abstand zwischen der Oberfläche des Werkstücks und dem Messstift bis zu einem be- stimmten Mass durch Erhöhung des Druckes erhöht werden kann, dieser Abstand aber nach Erreichen eines bestimmten Druckgrenzwertes auch bei erheblicher Druckerhöhung nicht mehr verändert wird. Deshalb kann der Gasdruck so eingestellt werden, dass der Abstand auch unabhängig von der Geschwindigkeit bleibt, mit welcher das Werkstück an dem Messstift vorbeigeführt wird. Ebenso wirkt sich eine Aenderung des Gasdruckes, mit dem die Vorrichtung beaufschlagt

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wird, in einem gewissen Bereich nicht nachteilig auf das Messergebnis aus.

Zur Verbesserung der Wirkung des hydrodynamischen Paradoxons weist der Messstift einen scheibenförmigen Fuss auf, dessen Durchmesser in einem bestimmten Verhältnis zu dem Durchmesser der Axialbohrung steht. Ist das Verhältnis zu klein, besteht ein zu geringer Bereich zwischen zwei Flächen, in dem sich ein Unterdruck bilden kann. Ist das Verhältnis zu hoch, verliert sich die Druckluft im Flächenbereich, wobei die Höhe des Unterdrucks verringert wird.

Bevorzugt ist die Axialbohrung über eine Querbohrung im Messstift mit einer Ringkammer im Gehäuse verbunden. In diesem Fall mündet eine Zuleitung für das Druckgas in die Ringkammer. Diese Anordnung soll insbesondere gewährleisten, dass der Axialbohrung bzw. dem Messstiftfuss immer die gleiche Druckgasmenge zugeführt wird. Deshalb wirkt die Ringkammer als Ausgleichsraum.

Um nun Messungen durchführen zu können, muss die Relativbewegung zwischen bewegbarem Messstift und festliegendem Gehäuse erfasst werden. Dabei liegen im Rahmen der Erfindung sowohl mechanische wie auch elektronische Messeinrichtungen sowie je nach Bedarf visuelle oder auf das Gehör einwirkende Anzeigeeinrichtungen. Bevorzugt soll an dem Messstift ein Magnetkern angeordnet sein, welcher Bestandteil eines linearen Weggebers ist. Dieser lineare Weggeber ermöglicht ein Erfassen der geringsten Lageänderung des Messstiftes.

Der Weggeber sendet seine Signale an ein Aufzeichnungsgerät, welches gegebenenfalls diese Signale verstärken und sieht- oder hörbar machen kann.

Um den Bewegungsspielraum des Messstiftfusses nicht zu überschreiten, sieht die Gehäuseausgestaltung ein Sattloch vor_r in welches der Fuss versenkt werden kann. Dies dient auch zum mechanischen Schutz des Fusses, dessen Sohle mögliehst glatt sein soll, damit ein gleichmässiger Aufbau des Unterdruckes nicht gestört wird.

Um einen Zugriff zu dem Weggeber zu gestatten, beispielsweise um einen beschädigten Weggeber auszutauschen, soll das Gehäuse bzw. die Ringkammer mit einem Deckel verschlossen sein, welchen etwa axial ein Endstück des Messstiftes, in einem Lager gehalten, durchbohrt. Das Herausragen des Endstückes aus dem Gehäuse hat sich deshalb als günstig erwiesen, damit bei Pannen, bei welchen das Hydrodynamische Paradoxon aufgehoben wird, der Stift wieder zur Oberfläche des Werkstückes geführt werden kann. Um jedoch eine unbeabsichtigte äusserliche Einwirkung auf den Messstift zu vermeiden, sitzt bevorzugt dem Deckel eine Haube oder ein Zylinder auf, welche jeweils einen Innenraum bzw. einen Druckraum aufweisen, in welchen sich das Endstück frei bewegen kann. Um dennoch einen Zugriff zu dem Endstück bzw. dem Messstift zu erlauben, wird das Endstück mit einem unter dem Druck eines Kraftspeichers stehenden Stift beaufschlagt. Dieser Stift ruht dann in einer Hülse, welche die Haube durchsetzt und eine Oeffnung zur Aufnahme eines Druckwerkzeuges aufweist. Dieses Druckwerkzeug kann dann aus einem einfachen Dorn bestehen. Der Kraftspeicher selbst, beispielsweise eine einfache Schraubenfeder, verhindert bereits in einem gewissen Umfang ein Ueberspringen des Messstiftes über den Abreissströmungsgrenzwert für das Hydrodynamische Paradoxon. Erfindungsgemäss kann es bereits schon genügen, dass dem Endstück ohne einen zusätzlichen

Stift ein Kraftspeicher zugeordnet ist.

Im Rahmen der Erfindung liegt auch, dass der Druckraum, welcher das Endstück umgibt, gegebenenfalls über ein Ventil mit einer Druckquelle in Verbindung steht. Dies ermöglicht eine Fernbedienung der Messvorrichtung. Springt beispielsweise der Messstift über den Abreissströmungsgrenzwert des Hydrodynamischen Paradoxons weg, so kann er durch Erhöhung des Druckes im Druckraum wieder zur auszumessenden Oberfläehe hingeführt werden. Der Druckraum soll gleichzeitig als Ausgleichskammer für das der Axialbohrung zuzuführende Druckgas wirken, wobei beispielsweise das Lagerspiel zwischen Deckel und Messstift luftdurchlässig ist.

Bei einem Verfahren zum Bestimmen und/oder Messen der Form eines Werkstückes, insbesondere dessen Dimension und Oberflächengestalt, mittels zumindest eines zum Werkstück hin gerichteten, in einem festliegenden Gehäuse angeordneten Messstiftes mit einer Axialbohrung, durch welche hindurch das Werkstück mit Druckgas angeströmt wird, wird zwischen dem Messstif.t und der Oberfläche des Werkstückes durch das Druckgas ein Unterdruck erzeugt und so der Messstift in einem bestimmten Abstand von der Oberfläche gehalten. Dabei wird der Messstift in dem Gehäuse bewegbar gelagert.

Besonders vorteilhaft ist, dass die gesamte Vorrichtung einen äusserst einfachen Aufbau aufweist. Sie besteht aus relativ wenigen Einzelteilen, die zudem recht verschleissarm sind.

Die Verwendung einer einzelnen Vorrichtung der oben genannten Art wird bevorzugt zum Bestimmen der Planheit der Ober-

fläche eines Werkstückes eingesetzt. In der Praxis haben sich jedoch zwei bestimmte Verwendungsformen als besonders wirksam erwiesen.

In dem ersten Fall handelt es sich um die Verwendung der Vorrichtung auf der Ober- und auf der Unterseite eines auf einer Band- oder Raupenkokille kontinuierlich gegossenen Metallbandes zum Bestimmen von dessen Dicke direkt am Kokillenende. Dadurch können Rückschlüsse auf den Ort gezogen werden, an welchem die Erstarrung des flüssigen Metalls beginnt. Diese Rückschlüsse ermöglichen wiederum eine Steuerung der Kühlung. Trotz der relativ hohen Temperatur des gegossenen Bandes an der Messstelle erleidet die Vorrichtung keinen Schaden, da der Messfuss dem Band berührungslos aufsitzt und zudem durch die Druckluft gekühlt wird. Gleichzeitig sind Bandbeschädigungen ausgeschlossen.

Eine weitere bevorzugte Verwendung einer Mehrzahl von erfindungsgemässen Vorrichtungen ist zur Messung eines WaI-zenprofils während des Walzvorganges in Walzstrassen vorgesehen. Unter anderem kann durch diese Vorrichtungen die Kühlung und damit die Form der Walze über die gesamte Länge des Walzenzylinders gesteuert werden. Bevorzugt werden deshalb die Vorrichtungen in der Nähe der Kühldüsen angeordnet und mit der Steuerung für die Kühlmenge gekoppelt. Auf diese Weise ist es möglich, Veränderungen des W,alzenquerschnitts auch in bestimmten Teilbereichen zu erfassen und durch Verringerung oder Erhöhung der Kühlmittelzufuhr zu beseitigen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter

Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in

Fig. 1: einen Querschnitt durch eine Vorrichtung zum Bestimmen der Form eines Werkstückes;

Fig. 2: einen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung nach Fig. 1;

Fig. 3: einen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung nach Fig. 1 .

Eine Vorrichtung R nach Fig. 1 zum Bestimmen und/oder Messen der Form eines Werkstückes, beispielsweise der Planheit einer Oberfläche 1 eines Werkstückes 2, weist ein zylindrisches Gehäuse 3 auf, welches von einem in Richtung χ bewegtbaren Messstift 4 durchsetzt ist.

Durch eine Zuleitung 5 wird Pressluft od.dgl. in eine Ringkammer 6 des Gehäuses 3 eingeleitet, welche mit einer axialen Bohrung 7 in den Messstift 4 durch Querbohrungen 8 in Verbindung steht. Durch diese Axialbohrung 7 gelangt die Luft an einem scheibenförmig verdickten Fussteil 9 des Messstiftes 4 nach aussen, wobei sie in der gezeigten Gebrauchslage die Oberfläche 1 des Werkstückes 2 anströmt. Dabei befindet sich der Fuss 9 in einem Abstand s von der Oberfläche 1, in welchem es zu dem sogenannten Hydrodynamischen Paradoxon kommt, d.h. der Fuss 9 wird infolge eines durch die strömende Luft erzeugten Unterdruckes zu der Oberfläche 1 hingezogen. Dies begünstigt auch das Verhältnis des Durchmessers D₁ der Axialbohrung 7 zu dem Durchmesser D2 ^^es Fusses 9.

Der Luftweg ist in Fig. 1 mit Pfeilen gekennzeichnet.

Da das Gehäuse 3 im Verhältnis zum Werkstück 2 feststeht, reagiert der Messstift 4 auf jede Unebenheit der Oberfläche 1 , indem er sich in dem Gehäuse 3 in Richtung χ nahezu kräftefrei bewegt. Um seinen Bewegungsspielraum nicht zu begrenzen, kann der Fuss 9 dabei auch in ein dem Gehäuse 3 eingeformtes Sackloch 10 gleiten.

Von der Ringkammer 6 durch eine Dichtung 11 getrennt befindet sich in dem Gehäuse 3 ein linearer Weggeber 12 mit einem Magnetkern 14 an dem Messstift 4. Dessen Position wird über Leitungen 15 an ein — nicht dargestelltes — Aufzeichnungsgerät weitergegeben. Die Ringkammer 6 deckt jenseits des Weggebers 12 ein Deckel 16 ab.

Da der Fuss 9 nach Ueberschreiten eines bestimmten Luftdruckes immer den gleichen Abstand s von der Oberfläche 1 des Werkstückes 2 einhält, können auch die geringsten Unebenheiten der Oberfläche 1 erfasst werden. Dabei hat sich gezeigt, dass auch eine wesentliche Erhöhung des Luftdruckes über einen bestimmten Grenzwert hinaus nicht etwa zum Abheben des Fusses 9 führt, sondern der Abstand s unverändert bleibt.

Nach einem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung Rj gemäss Fig. 2 ist dem Deckel 16 ein Zylinder 18 aufgesetzt, welcher einen zweiten Anschluss 19 an eine -- nicht dargestellte — Druckquelle aufweist. Die Druckluft gelangt über ein Drosselventil 20 in eine Kammer 21 in dem Zylinder 18 und über ein zweites Ventil 22 in einen Druckraum 23. In diesen Druckraum 23 ragt ein dem Fuss 9 fernes Endstück 24

< 'fides Messstiftes 4 ein. Dieses steht unter der Wirkung von Kräften einer Schraubenfeder 25, welche sich einerseits gegen eine Ringscheibe 26 und andererseits gegen den Deckel 16 abstützt. Diese Anordnung bewirkt eine erhöhte Stabilisierung des Messstiftes. In der Regel genügt die Kraft des Hydrodynamischen Paradoxon, um den Fuss 9 immer in gleichem Abstand s von der Oberfläche 1 zu halten. Jedoch kann durch eine Erschütterung oder eine sprunghafte Veränderung der Oberfläche 1 ein Ueberschreiten eines Grenzwertes für das Hydrodynamische Paradoxon erfolgen, sodass der Messstift 4 dann von der Oberfläche 1 abgestossen wird. Diesem wirkt die Anordnung nach Fig. 2 entgegen, bzw. der Messstift kann durch Erhöhung des Druckes in dem Druckraum 23 wieder in seine Gebrauchslage zurückgeführt werden. Dabei kann die Steuerung des Druckes in dem Druckraum auch aus grösserer Entfernung vorgenommen werden, was insbesondere bei einer Anordnung der Vorrichtung an schwer zugänglichen Stellen sehr wertvoll ist.

Weiterhin ist durch diese Anordnung eine Verringerung des Abstandes s — wenn gewünscht — möglich. Zwischen Ringkammer 6 und Druckraum 23 besteht infolge eines das Endstück 24 des Messstiftes 4 nicht abdichtend umgebenden Lagers 27 ein Druckausgleich. Auf diese Weise können Unregelmässigkeiten bei der Druckluftzufuhr zur Ringkammer 6 aufgefangen werden. Ein möglicherweise entstehender üeberdruck bzw. Unterdruck wird über eine Steuerung der Ventile 22 bzw. 20 ausgeglichen.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel R2 der Vorrichtung gemäss Fig. 3 ist dem Deckel 16 eine zylindrische Haube 30 aufgesetzt, in deren Innenraum 31 ein Endstück 32 des Mess-

stiftes 4 zumindest teilweise einragt. Dieses Endstück 32 weist in seiner Kopffläche 33 eine Rundkerbe 34 auf, in welche eine Spitze 35 eines Stiftes 36 eingreift. Dieser Stift 36 steht unter dem Druck einer Schraubenfeder 37, die sich einerseits gegen eine nahe der Spitze 35 angeordnete Anschlagscheibe 38, andererseits gegen einen Boden 39 des Innenrauines 31 abstützt. Der Stift 36 lagert in einer die Haube 30 durchsetzenden Hülse 40, welche nach oben hin eine Oeffnung 41 aufweist, in die gegebenenfalls ein — nicht dargestellter — Druckstift einfuhrbar ist. Hierdurch lässt sich der Messstift 4 manuell in seine Gebrauchslage zurückführen, wenn einmal eine bei der Fig. 2 beschriebene Panne auftreten sollte.

Claims

Patentansprüche

Vorrichtung zum Bestimmen und/oder Messen der Form eines Werkstückes, insbesondere dessen Dimension und Oberflächenform od.dgl., mittels zumindest eines zum Werkstück hin gerichteten in einem festliegenden Gehäuse angeordneten Messstiftes mit einer Axialbohrung, durch welche hindurch das Werkstück mit Druckgas beaufschlagbar ist,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Messstift (4) in dem Gehäuse (3) in Richtung (x) bewegbar lagert und infolge eines durch das Druckgas erzeugten Strömungsunterdruckes zwischen Messstift (4) und der Oberfläche (T) des Werkstückes (2) zu dieser (1) einen stabilen Abstand (s) einhält.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messstift (4) einen scheibenförmigen Fuss (9) aufweist, dessen Durchmesser (D-|) in einem bestimmten Verhältnis zu dem Durchmesser (D2ⁱ) der Axialbohrung (7) steht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Axialbohrung (7) über eine Querbohrung (8) im Messstift (4) mit einer Ringkammer (6) im Gehäuse (3) in Verbindung steht, in welche eine Zuleitung (5) für das Druckgas einmündet.
4. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Gehäuse (3) eine

Messeinrichtung für die Bewegung des Messstiftes (4) zugeordnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Messstift (4) ein Magnetkern (14) angeordnet ist, welcher Bestandteil eines linearen Weggebers (12) ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der lineare Weggeber (12) über Leitungen (15) mit einem Aufzeichnungsgerät in Verbindung steht.
7. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis

6, dadurch gekennzeichnet, dass der Messstiftfuss (9) in ein dem Gehäuse (3) eingeformtes Sackloch (10) versenkbar ist.
8. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis

7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (3) bzw. die Ringkammer (6) mit einem Deckel (16) verschlossen ist, welchen etwa axial ein Endstück (24,32) des Messstiftes (4) in einem Lager (27) gehalten durchbohrt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem Deckel (16) eine Haube (30) bzw. ein Zylinder (18) aufsitzt, wobei ein Innenraum (31) bzw. ein Druckraum (23) das Endstück (24,32) umgibt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Endstück (32) mit einem unter dem Druck eines Kraftspeichers (37) stehenden Stift (36) beaufschlagt ist.

-TT-
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Stift (36) in einer Hülse (40) ruht, welche die Haube (30) durchsetzt und eine Oeffnung (41) zur Aufnahme eines Druckwerkzeuges aufweist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Stift (36) mit einer Spitze (35) in eine Rundkerbe (34) in einer Kopf fläche (33) des Endstückes (32) eingreift.
13. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem Endstück (24) ein Kraftspeicher (25) zugeordnet ist, welcher der Bewegung des Messstiftes in Richtung (x) entgegenwirkt.
14. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckraum (23) über gegebenenfalls ein Ventil (22) mit einer Druckquelle in Verbindung steht. ■ I
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass dem Ventil (22) eine Ausgleichskammer (21) und ein weiteres Ventil (20) nachgeschaltet ist.
16. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager (27) luftdurchlässig ist.
17. Verfahren zum Bestimmen und/oder Messen der Form eines Werkstückes, insbesondere dessen Dimension und Oberflächenstruktur, mittels zumindest eines zum Werkstück hin gerichteten in einem festliegenden Gehäuse angeordneten

- f.

Messstiftes mit einer Axialbohrung, durch welche hindurch das Werkstück mit Druckgas angeströmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Messstift und der Oberfläche des Werkstückes durch das Druckgas' ein Unterdruck erzeugt und so der Messstift in einem bestimmten Abstand von der Oberfläche gehalten wird, wobei der Messstift in dem Gehäuse bewegbar gelagert wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des Messstiftes durch eine Messeinrichtung bestimmt und aufgezeichnet wird.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des Messstiftes durch Kraftspeicher und/oder Gasdruck beeinflusst wird.
20. Verwendung mindestens zweier Vorrichtungen nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 16 beidseits eines auf einer Band- oder Raupenkokille kontinuierlich gegossenen Metallbandes zum Bestimmen von dessen Dicke und seines Erstarrungsbeginns.

21'. Verwendung einer Mehrzahl von Vorrichtungen nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 16 zur kontinuierlichen Messung eines Walzenprofils während des Walzvorganges.