DE3913396A1 - Stufenendmass - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Prüfkörper für Koordinatenmeß­ geräte , Werkzeugmaschinen und Meßroboter in Form eines sogenann­ ten Stufenendmaßes, bestehend aus einem länglichen Tragkörper und mehreren entlang einer geraden Linie in definiertem Abstand zueinander daran befestigten Endmaßstücken. Die Anwendung der Erfindung bietet sich besonders für das Überprüfen größerer Meßeinrichtungen (Länge des Stufenendmaßes 500 mm) an.

Prüfkörper haben sich bei der Beurteilung der Genauigkeit von Koordinatenmeßgeräten, messenden Werkzeugmaschinen und Meßrobo­ tern durchgesetzt. Die Vorzüge dieser Verfahrensweise gegenüber dem direkten Anschluß der Meßeinrichtungen an das Meter-Wellen­ längennormal sind im allgemeinen die schnellere Verfügbarkeit, Robustheit, einfache Handhabung, praxisnahe summarische Aussage und geringer Preis. Die Vielfalt der Meßaufgaben führte bislang zu den unterschiedlichsten Prüfkörperformen, die sich aber auf Grund der Anordnung der einzelnen diskreten Meßpunkte in ein-, zwei- und dreidimensionale Prüfkörper sowie in Kontur-Prüfkör­ per klassifizieren lassen. Die mit Abstand größte praktische Bedeutung erlangten eindimensionale Prüfkörper, wobei sich hier wiederum die sog. Stufenendmaße wegen ihrer vielfältigen Ein­ satzmöglichkeiten (Kombination einzelner Flächen zu Außen-, Innen-, Stufenmaßen u.a.) sowie meßtechnischer Vorzüge (alle Abstandsmaße in einer Meßlinie) besonders durchgesetzt haben.

Die Stufenendmaße werden zwecks werkstückorientierter Genauig­ keitsprüfung horizontal, vertikal oder raumschräg innerhalb des Meßvolumens der Meßvorrichtungen angeordnet. Die Länge des Stu­ fenendmaßes entspricht üblicherweise etwa der Länge der Raum­ diagonalen des Meßvolumens.

Die Genauigkeiten der o. g. Meßeinrichtungen erfordern es, neben der objektbezogenen Gestaltung dieser Formkörper (einschließ­ lich seiner Antast-Formelemente) und deren hochgenauen Kali­ brierung hauptsächlich der Erfüllung mechanischer und thermischer Anforderungen hohe Aufmerksamkeit zu schenken. Das gilt nach­ drücklich für Stufenendmaße großer Länge. So ist ein zinnen­ förmiges Stufenendmaß bekannt, (DE-PS 32 19 713), dessen mas­ siver Tragkörper zur Beseitigung unkontrollierbarer Langzeit­ einflüsse auf die Maßhaltigkeit und zur Gewährleistung eines eindeutigen Temperaturverhaltens im Bereich seiner Oberseite mit einer längsverlaufenden, vorzugsweise V-förmigen Rille ver­ sehen ist, in deren Grund die vorzugsweise zylindrisch gestalte­ ten Endmaßstücke einzeln und im Abstand hintereinander liegend befestigt sind. Die Rille ragt bei dieser Erfindung zweckmäßiger­ weise so tief in den Tragkörper hinein, daß die Mittelachse der Endmaßstücke gleichachsig zur neutralen Faser des Tragkörpers liegt. Ein derartig ausgeführtes Stufenendmaß großer Länge ist für die praktische Anwendung zu schwer. Hinzu kommt, daß der beim Messen großer Längen in nicht klimatisierten Räumen auftre­ tende unbekannte systematische Fehler infolge von Temperatur­ einfluß (ca.±45 . . . ±60 µm/m) so nach wie vor nicht beherrsch­ bar ist.

In DE-PS 33 25 398 ist ein sehr langes Stufenendmaß beschrieben, daß Dank der Auflösung der tragenden Teile in eine Leichtbau­ konstruktion genügend biegesteif, leicht und daher einfacher handhabbar ist. Der Tragkörper besteht bevorzugt aus zwei be­ züglich der neutralen Faser etwa gleichachsig ineinanderliegend angeordneten und durch distanzsichernde Verstrebungen und auf der ganzen Länge radial und axial dauerhaft zueinander fixierten länglichen Tragteilen. Dabei ist das innenliegende Tragteil als massiver mit der längsverlaufenden Rille zur Aufnahme der End­ maßstücke versehender Balken und das äußere Tragteil als eine in Schalen- oder Gitterbauweise ausgeführte Leichtbaukonstruk­ tion in Rinnen- oder Tragform ausgebildet. Der negative Einfluß der Durchbiegung des Tragkörpers wird folglich weitgehend aus­ geschaltet. Dem gleichen Anliegen dienen die in DE-PS 33 25 366 und DE-OS 33 25 397 vorgeschlagenen Lösungen, die sich ihrer­ seits ebenso wie die in DE-PS 33 25 367 beschriebene Erfindung (vorteilhafte Klemmung der Endmaßstücke) auf den o. g. Grund­ gedanken der DE-PS 33 19 713 abstützen. Parallel ist es das Ziel dieser Entwicklungen, die temperaturbedingten Maßänderungen des Stufenendmaßes nun eindeutig auf den Längen-Temperaturkoef­ fizienten des Tragkörpers zurückzuführen und somit den Nachteil bisher bekannter Stufenendmaße zu beseitigen. Ohne irgendwelche Bindung an einen bestimmten Längen-Temperaturkoeffizienten wer­ den Stahl, Aluminium, Granit und Invar als geeigneter Werkstoff für den Tragkörper angegeben. Dabei wird explizit von der Unver­ meidlichkeit der temperaturbedingten Maßänderungen des Stufen­ endmaßes ausgegangen.

Demgegenüber ist ein eindimensionaler Prüfkörper in Form eines Endmaßes für große Längen bekannt (DD-WP 2 38 665), der sich praktisch bei allen Temperaturen durch hohe Maßkonstanz bei gleichzeitig guter Handhabbarkeit auszeichnet. Hierfür weist das erfindungsgemäße Endmaß eine hohe Eigensteifigkeit, einen Längen-Temperaturkoeffizienten α=(0+1) × 10^-6K^-1 sowie eine ausreichende Robustheit bei vergleichsweise geringer Masse auf. Dieses Endmaß ist mehrteilig und aus verschiedenen Materialien ausgeführt. Es besteht aus einem Grundkörper aus kohlenstoff­ und/oder aramidfaserverstärktem Plast, der an beiden Enden kurze metallische Endstücke besitzt. Die eingesetzten Hochleistungs­ fasern sind streng ausgerichtet angeordnet, da jede Abweichung davon oder jede Unterbrechung des stetigen Faserverlaufs die angestrebten Effekte aufhebt oder gar in das Gegenteil verkehrt. Die Übertragung dieser Konzeption auf ein Stufenendmaß bzw. zinnenförmiges Stufenendmaß üblicher Ausführung ist auf Grund dieser ausgeprägten Eigenschaftsanisotropie sowohl der Kohlen­ stoff- als auch der Aramidfasern nicht möglich. Nachteilig bei allen bekannten Lösungen ist, daß die Meßpunkte nur von einer oder höchstens zwei Richtungen her angetastet werden können.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Stufenendmaß für große Längen mit hoher Eigensteifigkeit, einem Längen-Temperaturkoeffizienten α=0 × 10^-6K^-1 bei geringer Toleranz, ausreichender Robustheit bei vergleichsweise geringer Masse und nahezu allseitiger An­ tastbarkeit der Meßflächen zu schaffen. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der aus kohlenstoff- und/oder aramidfaserverstärktem Plast bestehende Grundkörper des Endmaßes mehrteilig und in Form einer aufgelösten Tragwerkstruktur aus­ geführt wird. Die Lage der Plast-Einzelelemente des Tragwerkes zueinander wird durch scheibenförmige Träger, in denen sie be­ vorzugt symmetrisch zur neutralen Faser des Endmaßes fixiert sind, bestimmt. Im Zentrum der scheibenförmigen Träger sind in Form einer Kugel, eines kleinen Parallelendmaßes oder der­ gleichen Antastelemente zur Darstellung der Meßpunkte bzw. Meßflächen an- oder eingebracht. Die Träger bestehen im all­ gemeinen aus Glaskeramik mit geringem Längen-Temperaturkoeffi­ zienten, Invar (Aurodil 36) oder Stahl. Das Material der An­ tastelemente zeichnet sich in jedem Fall durch hohe Verschleiß­ festigkeit aus. Es ist möglich, daß die scheibenförmigen Trä­ ger, die gleichfalls symmetrisch aufgebaut sind, und die An­ tastelemente zu jeweils einem Aufnahmekörper für die Plast- Einzelelemente vereint sind. In diesem Fall sind zumindest die eigentlichen Antastflächen mit einer dünnen Schicht aus Metall­ karbid oder -nitrid überzogen; vorzugsweise besteht diese Schutzschicht aus Titannitrid in einer Dicke von 2 ... 3 µm. Der Verbundaufbau der Plast-Einzelelemente ist in bekannter Weise so gestaltet, daß dessen Längen-Temperaturkoeffizienten gering negativ (bevorzugt a=0 . . . -1,0×10^-6K^-1) ist, wodurch die positiven Längen-Temperaturkoeffizienten sowohl der Träger- als auch der Antastelemente kompensiert werden. Der α-Wert aller Plast-Einzelelemente ist erfindungsgemäß gleich (Tole­ ranz ±0,1×10^-6K^-1). Mit den in hoher Packungsdichte (Volumen­ anteil ϕ±50%) und definierter Orientierung bevorzugt einge­ setzten hoch- bzw. ultrahochmoduligen Kohlenstoffasern wird der fünf- bis achtfache spezifische E-Modul des Stahls und daraus folgend ein vernachlässigbarer Fehler infolge Schwer­ krafteinfluß erreicht. Die Werkstoffkomponenten des erfindungs­ gemäßen Stufenendmaßes sind mit der oben beschriebenen Weise so angeordnet, daß sich die aus den jeweiligen Faktoren Ela­ stizitätsmodul E, Fläche A und Längen-Temperaturkoeffizienten ergebende thermische Hauptträgheitsachse identisch mit der mechanischen Hauptträgheitsachse E.I ist. Das bedeutet, der mittlere Längen-Temperaturkoeffizient des Mehrkomponentensystems ist beidseitig der Trägheitsachsen des Systems gleich. Insge­ samt besteht damit über die Querschnittsfläche des Endmaßes gesehen ein heterogener Werkstoffaufbau.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Endmaßes besteht neben der hohen Maßkonstanz bei praktisch allen Umgebungstemperaturen und der damit gepaarten höheren Sicherheit der Messung auch darin, daß die Messungen sofort, und nicht erst nach dem allge­ mein geforderten Temperaturausgleich zwischen Maßverkörperung und Prüfling (üblich: 1,5 ... 4 h!), durchgeführt werden kön­ nen. Hinzu kommt der Fakt, daß sich mit einem Längen-Tempera­ turkoeffizienten α=0 der Maßverkörperung der Aufwand für die Fehlerkorrektur reduziert (ϑ _M muß nicht gemessen werden, ein Glied der Gleichung entfällt) bzw. bei der Prüfung von Bau­ teilen aus Stahl ohne Fehlerkorrektur sich die durch Tempera­ tureinfluß bedingte Meßunsicherheit bis zu 20% vermindert. Die aufgelöste Tragwerkstruktur des Grundkörpers ermöglicht, verbunden mit den scheibenförmigen Trägern für die Antastele­ mente, die gleichzeitige und allseitige Zugänglichkeit zu den Meßpunkten des erfindungsgemäßen Stufenendmaßes. Damit werden die bekannten möglichen meßtechnischen Vorzüge von kohlenstoff- und aramidfaserverstärktem Plast für die Gestaltung eines an­ forderungsgerechten Stufenendmaßes ausgenutzt und die o. g. Nachteile bekannter Lösungen beseitigt.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbei­ spieles näher erläutert werden; Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Stufenendmaßes. Der Grundkörper des Endmaßes be­ steht aus vier bezüglich der neutralen Faser gleichachsig an­ geordneten dünnwandigen KFP-Rohren 1. Die Rohre sind im Wickel­ verfahren hergestellt. Die hierfür aus Kostengründen verwen­ deten hochfesten Kohlenstoffasern sind in einer Plastmatrix aus Epoxidharz gebettet. Das Laminat ist mehrschichtig und symmetrisch orientiert; es zeichnet sich durch eine hohe Packungsdichte der Fasern aus. Der Volumenanteil am gesamten Verbund beträgt ca. 60%; ihr Orientierungswinkel beträgt ±11°. Die verwendete duroplastische Matrix weist günstige Kleb- und geringe Schwundeigenschaften auf und gestattet eine höchstmögliche Faserauslastung. Der Längen-Temperatur­ koeffizient bewegt sich so im Bereich von -0,6 . . . -1,0×10^-6K^-1. Die Rohre 1 sind in quadratische, scheibenförmige Träger 2 aus Stahl eingeklebt, in die ihrerseits kleine handelsübliche Parallelendmaße 3 durch Kleber mittig fixiert sind.

Claims (6)

1. Stufenendmaß, gekennzeichnet dadurch, daß der Grundkörper des Endmaßes aus kohlenstoff- und/oder aramidfaserverstärk­ tem Plast, mehrteilig und in Form einer aufgelösten Trag­ werkstruktur ausgeführt ist, wobei die Lage der Plast-Einzel­ elemente des Tragwerkes zueinander durch scheibenförmige Träger, in deren Zentrum Antastelemente zur Darstellung von Meßpunkten und/oder Meßflächen angebracht sind, bestimmt wird.

2. Stufenendmaß nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Plast-Einzelelemente des Tragwerkes einen negativen Längen-Temperaturkoeffizienten gleicher Größe aufweisen.

3. Stufenendmaß nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Plast-Einzelelemente des Tragwerkes in den scheiben­ förmigen Trägern symmetrisch zur neutralen Faser des Endmaßes fixiert sind.

4. Stufenendmaß nach Anspruch 1 bis 3, gkennzeichnet dadurch, daß die Antastelemente Parallelendmaße oder Kugeln sind.

5. Stufenendmaß nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die scheibenförmigen Träger und die Antastelemente zu jeweils einem Aufnahmekörper vereint sind.

6. Stufenendmaß nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, daß der Aufnahmekörper oder dessen Meßfläche mit einer Schutz­ schicht aus Metallkarbid oder -nitrid beschichtet ist.