DE4218753A1 - Meßkopf für Längenmessungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Meßkopf für Längenmessungen, der einen in einem Gehäuse schwenkbar gelagerten Meßhebel auf­ weist, wobei der äußere Hebelarm das Werkstück antastet und der innere Hebelarm das bewegliche Glied eines Wandlers trägt und von einer Feder beeinflußt wird, welche die Meßkraft in den Hebel einleitet. Meßköpfe dieser Art werden eingesetzt zum Beispiel bei Meßsteuereinrichtungen an Schleifmaschinen, bei der Meßwerterfassung an Meßstationen oder einachsigen Koordinatenmeßgeräten. Für den gleichen Zweck werden neben den Meßköpfen der beschriebenen Art auch solche eingesetzt, bei denen der Tastarm an einem Blattfederparallelogramm ge­ führt wird oder in einer Membran bzw. in einer Ebene ange­ ordneten federnden Elementen kippbeweglich gelagert ist.

Bekannte Meßköpfe der einleitend beschriebenen Art sind beispielsweise in der DE-PS 15 77 485 C3 und in der DD-PS 2 87 992 A5 dargestellt. Während der Meßkopf nach der erstgenann­ ten Schrift für Messungen in Plus- und Minus-Richtung vorge­ sehen ist und zur Meßkrafterzeugung eine Druckfederanordnung aufweist, kann mit dem zweitgenannten Meßkopf nur in einer Richtung gemessen werden, wobei die Meßkraft durch eine Zug­ feder erzeugt wird. Beiden Meßköpfen haftet der Nachteil an, daß bedingt durch die Federkonstante der verwendeten Federn über den Meßweg ein Meßkraftanstieg entsteht, der infolge ansteigender Deformationen im Gesamtkomplex der zwischen Meß­ hebellagerung und Taststelle sich befindenden mechanischen Glieder und Verbindungsstellen Meßfehler verursacht, die für Präzisionsmessungen zu hoch sind. Je nach Stabilität dieser mechanischen Glieder können bei der üblichen Teiledimensio­ nierung z. B. 0,1N (100p) Meßkraftanstieg Deformationsauswir­ kungen über den Meßbereich von 10 bis 20 um bewirken. Ein weiterer Nachteil der beiden genannten Meßköpfe besteht darin, daß infolge des verbleibenden Restspiels der zur Meß­ hebellagerung eingesetzten Wälzlagerung eine Streuung der Meßergebnisse verursacht wird, die Präzisionsmessungen nega­ tiv beeinflußt.

Bei Meßköpfen mit Tastarmführungen in Form eines Blattfeder­ parallelogrammes sind nachstehende Lösungen bekanntgeworden, die durch mechanische Lösungen den Meßkraftanstieg des Feder­ parallelogrammes kompensieren.

So weist z. B. die DE-OS 28 50 875 an der beweglichen Traverse eines Blattfeder-Parallelogrammes zwei schneidenförmige Stützpunkte auf. Abhängig von der jeweiligen Verschiebungs­ richtung des Parallelogrammes wird über jeweils einen dieser Stützpunkte die von einer Schraubenfeder und einer Druckwalze erzeugte Kompensationskraft auf die bewegliche Traverse über­ tragen. Gemäß der DD-PS 2 07 570 wird bei steigender Auslenkung des Federparallelogrammes die durch die Rückstell­ kräfte der Blattfedern und einer mit der beweglichen Traverse gekoppelten Zugfeder ansteigende Meßkraft durch einen Ent­ lastungshebel kompensiert. Dies wird bewirkt durch das gleichzeitige Ansteigen des Drehmomentes in einem an der festen Traverse gelagerten und sich an der beweglichen Tra­ verse abstützenden Entlastungshebel. Die das Drehmoment er­ zeugende Kraft wird von einer sich an der beweglichen Traver­ se abstützenden Feder über einen parallel zur Verschieberich­ tung des Federparallelogrammes angeordneten Hebel und eine Rolle auf den Entlastungshebel übertragen. Bei einer in der DD-PS 2 69 435 angegebenen Federparallelogrammführung wird die Kraftkompensation derart realisiert, daß in Verbindung mit der Einleitung der Meßkraft auf einen Mitnehmer der bewegli­ chen Traverse des Parallelogrammes über einen mit einen Rachen versehenen Hebel bei steigender Dehnung der Meßkraft­ feder eine Verringerung des wirksamen Hebelarmes derart ent­ steht, daß sowohl der Kraftanstieg der Meßkraftfeder als auch der Kraftanstieg der Blattfederführung kompensiert wird. Die zitierten mechanischen Anordnungen betreffen Meßköpfe mit Federparallelogrammführungen und sind nicht auf Meßköpfe mit schwenkbaren Meßhebeln übertragbar.

In der DE-AS 22 42 355 und DD-PS 1 50 111 sind Einrichtungen beschrieben, die über induktive Tauchspulen zur Beeinflussung der Meßkraft auf das Federparallelogrammsystem einwirken. Derartige Systeme sind durch den dazu erforderlichen speziel­ len Regelkreis aufwendig und ergeben Störprobleme, wenn die für den Meßkopf eingesetzten Wandler induktiver Art sind.

Bei Tastköpfen zur mehrachsigen Wegmessung z. B. entsprechend DE-PS 29 49 439 A1 ist auch bekannt, die Abhängigkeit zwischen Tasterauslenkung und zugeordneter Signalgröße durch einen der Messung vorgeschalteten Kalibriervorgang aufzu­ nehmen. In dieser Kalibrierung werden neben den Abweichungen der eingesetzten induktiven Wandler auch die durch Biege­ erscheinungen erfaßt. Die dabei ermittelten Korrekturfaktoren werden in den Rechner eingegeben und dann beim Meßvorgang be­ rücksichtigt. Ein solches Verfahren, wie auch das in der Zeitschrift Feinwerktechnik und Meßtechnik 87 (1979) 1, S. 5 bis 9 angegebene rechnerische Verfahren zur Ermittlung der Taststiftbiegung und der anschließenden Korrektur im Rechner eines Mehrkoordinaten-Meßgerätes setzt voraus, daß ein solcher Rechner überhaupt für die Meßaufgabe vorliegt. Ein­ fache meßtechnische Aufgaben, die mit dem in der Beschrei­ bungseinleitung genannten Meßkopf gelöst werden, benötigen einen solchen Rechner nicht und seine besondere Installation, nur für Korrekturzwecke, ist zu aufwendig.

Aufgabe der Erfindung ist es, die beschriebenen Nachteile be­ kannter Meßköpfe der in Titel und Oberbegriff genannten Gattung zu vermeiden und einen Meßkopf anzugeben, der mit einfachen Mitteln Fehler infolge von nicht unerheblichen Deformationsauswirkungen weitestgehend reduziert und so hohe Meßgenauigkeiten erreicht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß neben der Meßkraft-Zugfeder eine weitere die Meßkraft beeinflus­ sende Feder vorgesehen ist, die als Druckfeder ausgebildet ist, die sich einerseits an einem zum Gehäuse festen Stütz­ punkt abstützt und andererseits auf den inneren Hebelarm an einem Angriffspunkt derart einwirkt, daß eine ihrer Kraft­ komponenten etwa mit der Wirkrichtung der Meßkraft-Zugfeder und eine mit der Längsachse des Meßhebels zusammenfällt. Die Kraftkomponente wirkt dabei je nach Auslenkrichtung des Meß­ hebels als eine addierende oder subtrahierende Komponente zur Kraft der Meßkraft-Zugfeder. Die Kraftanteile der Meßkraft- Zugfeder und der Druckfeder sind so aufeinander abgestimmt, daß die richtungsbehaftete Überlagerung eine genähert konstante Meßkraft über den Meßbereich ergibt.

Um eine in dem Meßbereich stetige Arbeitsweise im Zusammen­ wirken von Meßkraft-Zugfeder und der Druckfeder zu erreichen, ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung der Stützpunkt der Druckfeder im Gehäuse so angeordnet, daß er mit der Längsachse des sich in Mittelstellung befindenden Meßhebels zusammenfällt.

In weiterer vorteilhafter Ausbildung der Erfindung ist der Meßhebel und die Druckfeder mit ihrem festen Stützpunkt mittig zwischen den Lagerstellen des Meßhebels angeordnet, wodurch Meßunsicherheiten infolge des Restspiels der Meß­ hebellagerung vermieden werden.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen insbesondere darin, daß ohne nennenswerten mechanischen Aufwand und ohne der Notwendigkeit eines Rechners eine Kompensation der Fehlereinflüsse infolge Meßkraftanstieg erreicht wird und Meßunsicherheiten durch Spiel in der Meßhebellagerung ausge­ schalten werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 Schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Meß­ kopfes,

Fig. 2 Draufsicht auf die Anordnung von Fig. 1,

Fig. 3 Meßhebel in verschiedene Richtungen ausgelenkt und dazugehörige Kraftkomponenten,

Fig. 4 Überlagerung der Kraftkomponenten in einem Weg/Kraft- Diagramm,

Fig. 5 Vereinfachte Schnittzeichnung eines erfindungsgemäßen Meßkopfes.

In Fig. 1 und 2 sind schematisch ein Meßkopf 1 dargestellt, der einen aus äußeren und inneren Hebelarm (2; 3) bestehenden Meßhebel (4) aufweist. Der Meßhebel (4) ist in Wälzlagern (5; 6) gelagert, die im Gehäuse (7) des Meßkopfes (1) ange­ ordnet sind. Auf den Meßhebel (4) wirkt einerseits eine Meß­ kraft-Zugfeder (8) und andererseits eine Druckfeder (9). Die Druckfeder (9) stützt sich an einem zum Gehäuse (7) festen Stützpunkt (10) ab und wirkt über einen zwischengeschalteten Stößel (12) am Angriffspunkt (13) auf den inneren Hebelarm (3). Der innere Hebelarm (3) trägt an seinem Ende einen Ferritkern (14) des induktiven Gebers (15).

In Fig. 3 und 4 sind die Kraftkomponenten der Meßkraft-Zug­ feder (8) und der Druckfeder (9) in der Zuordnung zu den ver­ schiedenen Auslenkstellungen (A, B, C) des Meßhebels (4) dar­ gestellt. Es ist daraus ersichtlich, daß in der Auslenk­ stellung (A) die Komponenten (K8) und (K9) sich addieren, in der Auslenkstellung (B) die Komponente (K9) zu Null wird und in der Auslenkstellung (C) die Komponente (K9) gegen die Kom­ ponente (K8) wirkt. Durch diese Überlagerungsart ergibt sich über den gesamten Meßbereich (A nach C) eine resultierende Meßkraft, die bei entsprechender Dimensionierung der beiden Federn (8; 9) nahezu konstant bleibt.

In Fig. 5 ist der Meßkopf (1) nochmals mit sich in Mittel­ stellung (B) befindendem Meßhebel (4) und der konstruktiven Form der Anordnung von Meßkraft-Zugfeder (8) und Druckfeder (9) sowie Ferritkern (14) und induktiven Geber (15) darge­ stellt.

Claims (3)

1. Meßkopf für Längenmessungen, der einen in einem Gehäuse schwenkbar gelagerten Meßhebel aufweist, wobei der äußere Hebelarm das Werkstück antastet und der innere Hebelarm das bewegliche Glied eines Wandlers trägt und von einer Feder beeinflußt wird, welche die Meßkraft in den Hebel einleitet, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere die Meßkraft beeinflussende Feder vorgesehen ist, die als Druckfeder (9) ausgebildet ist, die sich einerseits an einem zum Gehäuse (7) festen Stützpunkt (10) abstützt, und die andererseits auf den inneren Hebelarm (3) an einem An­ griffspunkt (13) derart einwirkt, daß eine ihrer Kraft­ komponenten etwa mit der Wirkrichtung der Meßkraft-Zug­ feder (8) und eine mit der Längsachse des Meßhebels (4) zusammenfällt und dabei je nach Auslenkrichtung des Meß­ hebels (4) als eine addierende Komponente oder eine sub­ trahierende Komponente zur Kraft der Meßkraft-Zugfeder (8) wirkt und die Kraftanteile der Meßkraft-Zugfeder (8) und der Druckfeder (9) so aufeinander abgestimmt sind, daß die richtungsbehaftete Überlagerung eine genähert konstante Meßkraft über den Meßbereich (A nach C) ergibt.

2. Meßkopf für Längenmessungen nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der feste Stützpunkt (10) der Druckfeder (9) im Gehäuse (7) so angeordnet ist, daß er mit der Längsachse des sich in Mittelstellung (B) befindenden Meß­ hebels (4) zusammenfällt.

3. Meßkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßhebel (4) und die Druckfeder (9) mit ihrem festen Stützpunkt (10) mittig zwischen den Lagerstellen der Wälz­ lager (5; 6) des Meßhebels (4) angeordnet sind.