DE7834913U1 - Praezisions-laengenmesseinrichtung - Google Patents

Description

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DR. JOHANNES HEIDENHA'Lv GAiblI 13· November 1978

Präzisions-Länpenmeßeinrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Präzisions-Längenmeßeinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Es ist eine Vielzahl von Druckschriften bekannt, die sich mit Längenmeßeinrichtungen.und deren Fehlern bzw. der Reduzierung dieser Fehler befassen. Die entscheidenden Probleme dieses Bereiches der Technik sind in der DE-OS 16 23 337 in der Beschreibungseinleitung ausführlich gewürdigt. So ist es wünschenswert, daß bei Meßeinrichtungen das Komparatorprinzip eingehalten wird, da bei einer Anordnung gemäß dem Abbeschen Komparatorprinzip Fehler erster Ordnung vermieden werden. Dieses Prinzip ist jedoch bei einigen Meßanordnungen wie z.B. Höhenmeßgeräten aus konstruktiven und bedienungstechnischen Gründen nicht durchführbar, und so sind Anordnungen bekannt geworden, die durch andere Maßnahmen den sogenannten Komparatorfehler möglichst eliminieren sollen (wie Eppensteinprinzip und Anmeldungsgegenstand der DE-OS 16 23 337).

Ferner sind Meßeinrichtungen bekannt, die über federnd aufgehängte Meßfühler verfügen. Bei Auslenkung des Meßfühlers aus seiner Nullage wird die eigentliche Messung ausgelöst, wobei dem Meßwert in einer bestimmten Art und Weise der Betrag zugeordnet werden muß, der der Meßfühlerauslenkung entspricht. Eine derartige Einrichtung ist Gegenstand der DE-PS 23 56 030, sowie deren Beschreibungseinleitung.

Solche Anordnungen sind jedoch baulich sehr aufwendig

und weisen keinen hohen Iiedi enungskomf'ort auf, so daß

zum einen der Kostenaufwand für derartige Einrichtungen

relativ hoch ist, zum anderen sind diese Einrichtungen ■>

in der Verkstatttneßtechnik nicht ohne besonders quali- |,'j

fiziertes Personal einzusetzen. *]

Da z.B. bei Höhenmeßgeräten das Abbe-Prinzip nicht ein- i

gehalten werden kann und zur bequemen Handhabung ein ψ

Komparatorabstand von 50 bis 1U0 mm erforderlich ist, S;

muß beispielsweise für eine Meßgenauigkeit von ί 1 /um ί|

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einerseits eine Führungsgenauigkeit von mindestens I 2" 1

eingehalten werden. Für eine kostengünstige Fertigung ;

bietet es sich andererseits an, extrudierte Leichtmetall- s

Profile zu verwenden, deren Geradheit jedoch erheblich ^ht

unter dem o. a. Wert bleibt. a

Die Forderung nach hoher Meßgenauigkeit bedeutet auch, ^

daß der Meßwagen reibungsarm bewegt werden muß, damit |

die Meßkräfte in engen Grenzen kostant gehalten werden |

können und Verformungen des Meßfühlers durch variable ti

Kräfte vermieden werden. Wälzlagerungen, die üblicher- β

weise für reibungsarme Führungen verwendet werden, sind j'i

jedoch durch unvermeidliche Herstelltoleranzen der Roll- <, körper und durch die im Lauf der Zeit entstehende Verschmutzung der Führungsbahnen nicht ausreichend genau.

Es liegt daher der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein |

konstruktiv einfaches und damit kostengünstiges Längen- ;;|

meßgerät zu schaffen, das über eine hohe Meßgenauigkeit ^

■ffi verfügt und einfach zu bedienen ist.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichen des Patent- ?i

anspruches 1 angegeben. In den Unteransprüchen finden ,;

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sich Merkmale, die die Erfindung vorteilhaft ausgestalten. ?|

Anhand der Figuren wird die Erfindung noch näher erläutert.
Es zeigt

Fig. 1 einen vereinfachten Querschnitt durch die Längenmeßeinrichtung

Fig. 2 eine vereinfachte Seitenansicht der Längenmeßeinrichtung

Fig. 3 eine weitere Ausführungsforra in vereinfachter Darstellung

Fig. k eine Einzelheit der Meßeinrichtung zur Beeinflussung von Federkennlinien

Fig. 5 ein Kraft-Vegschaubild der Anordnung nach Fig. k

Fig. 6 ein weiteres Kraft-Vegschaubild*

Die geschnittene Darstellung einer Längenmeßeinrichtung zeigt eine Grundplatte 1, auf der senkrecht ein Hohlprofil 2 angeordnet ist. Dieses Hohlprofil 2 wird durch Extrusion aus Leichtmetall hergestellt und ist sehr biegesteif. Eine vergleichsweise biegeweiche Stange 3 besteht aus handelsüblichem polierten Rundstahl und ist mit einer Anzahl von Zug- und/oder Druckschrauben 4/5 im Hohlprofil 2 angebracht. Eine mittels der Zug- und/oder Druckschrauben 4/5 ausgerichtete Mantellinie 3a der Stange 3 dient als Führung für einen in Meßrichtung beweglichen Meßwagen 6. Der Meßwagen 6 gleitet mit zwei Gleitschuhen 7 auf der ausgerichteten Mantellinie 3a der Stange 3· Die Gleitschuhe 7 sind aus selbstschmierendem, verschleißfestem Material, wie Kunststoff, Sinterbronze oder dgl. hergestellt und haben durch das Gleiten an der Führungsbahn 3a selbstreinigende Wirkung. Der Meßwagen 6 verfügt weiter über Stützrollen 8,9,10, die den Meßwagen 6 an nicht justierten Nebenführungsflachen .11,12,27 abstützen.

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Die zwei Gleitschuhe 7* gle"iten'auf der ausgerichteten Mantelflache 3^a der Stange 3 und ergeben eine sehr hohe Führungsgenauigkeit in der Ebene, in der großer Komparatorabstand a-j unumgänglich ist. In der zweiten Ebene tritt trotz der relativ geringen Genauigkeit der Wälzlager 8,9,10 nur ein vernachlässigbar kleiner Fehler auf, da der Komparatorabstand a2 klein gehalten werden kann oder sogar auf Null reduzierbar ist.

Ein Zwischenglied 13 ist über ein Parallelogramm aus Blattfedern 14 reibungsfrei - verdrehungssicher, aber in Meßrichtung beweglich - mit dem Meßwagen 6 verbunden. Dieses Zwischenglied 13 trägt einen Tastarm 15» an dessen freiem Ende sich ein Meßfühler 16 befindet und einen schlanken Mitnehmer 17i an dessen freiem Ende sich eine Ableseeinheit 18 einer photoelektrischen Meßeinrichtung befindet. Die Ableseeinheit 18 tastet eine im Hohlprofil 2 geschützt angeordnete Inkrementalteilung 19 ab, die in bekannter Weise mittels einer gummielastischen Zwischenschicht 20 im Hohlprofil 2 befestigt ist. Die von der Ableseeinheit 18 gewonnenen Signale werden in bekannter Weise in einer nachgeschalteden Elektronikeinheit 21 ausgewertet und als Meß\>rert angezeigt und/oder ausgedruckt .

Der Meßwagen 6 verfügt weiterhin über einen Antrieb (Handrad 22), der so angeordnet ist, daß der Abstand des Angriffspunktes der Antriebskraft zu der Ebene, in der die reibungsbehaftete Führung liegt, klein ist. Durch diese Maßnahme wird eine ruckfreie Bewegung des Meßwagens 6 ermöglicht.

Durch den Antrieb 22 zum Positionieren des Meßwagens 6 erfolgt das Antasten eines Werkstückes oder das Eichen mittels Endmaßen bzw. das Nullsetzen der Meßeinrichtung.

Für diese Zwecke 'l'a'ssen sich sowohl der Tastarm 15 ale auch der Meßfühler 16 mittels bekannter Elemente einstellen. Durch den schiebbar und schwenkbar ausgebildeten Tastarm I5 ist die Meßeinrichtung den unterschiedlichen Meßaufgaben anzupassen. Rei geringer Auslegerlänge wird z.B. die höchste Genauigkeit erzielt (Komparatorabstand möglichst klein), bei größter Auslegerlänge lassen sich mit etwas verminderter Genauigkeit z.B. schwer zugängliche Flächen eines Werkstückes antasten.

Die in Fig. 2 sichtbaren Markierungen 6a,6b und 13a dienen zur ungefähren Angabe des Erreichens einer Meßposition. Das reibungsfrei an Blattfedern 14 aufgehängte Zwischenglied 13 trägt einen Index 13a. Der Meßwagen 6 trägt je einen Index 6a bzw. 6b für die Antastung einer unten liegenden bzw. oben liegenden Körperkontur. Die Kraft der Blattfedern 14 hält das Zwischenglied 13 in einer neutrale Position, so daß der Index 13a etwa in der Mitte zwischen den beiden Indizes 6a und 6b seine Ruheposition einnimmt. Bei Antastung einer Körperkontur muß mit Hilfe des Antriebes 22 der Meßwagen 6 soweit bewegt werden, daß der Index 13a jeweils mit einem der Indizes 6a oder 6b annähernd koinzidiert. Bei dieser angenäherten Übereinstimmung beider Markierungen 13a und 6a oder 6b kann das Meßergebnis bereits .genau abgelesen verden. Eine exakte Koinzidenz ist nicht erforderlich, da der Meßfühler 16 inner halb des durch eine Federkennlinie festgelegten Bereiches seine Position an der Körperkontur nicht mehr ändert. Das Zwischenglied 13 - daß die Ableseeinheit 18 an dem Mitnehmer 17 trägt - bewegt sich ebenfalls nicht innerhalb des Bereiches, der durch die Federkennlinie, wie sie in den Figuren 5 oder 6 dargestellt ist, bestimmt ist. Damit ändert sich auch nicht die Position der Ableseeinheit 18 gegenüber der Inkrementalteilung 19 und das Meßergebnis ist eindeutig und konstant.

Die erzielbare Meßgenauigkeit ist durch diese Ausgestaltung der Aufhängung "\k weitgehend unabhängig von der Einstellgenauigkeit, mit der der Meßwagen 6 gegenüber d-m Markierungen 6a oder 6b eingestellt wird. Ferner sind in der Figur 2 Versteifungselemente 1^a zu erkonnen, die die Steifigkeit des Parallelogrammes der Federn 14 beeinflussen. Bei richtiger Abstimmung zwischim der Federkraft der Blattfedern 1^_f der Steifigkeit dos Federparallelogrammes und des Radhalbmessers eines Rades 23 nach Figur k können die in den Figuren 5 und 6 gezeigten Kennlinien erzeugt werden. Ein Mechanismus wiis in Figur k dargestellt, kann zusätzlich bei fachgemäße]? unsymmetrischer Anordnung von Schneiden 2k,25 und fetierbelastetem Rad 23 das Eigengewicht der beweglichen Meßwagenbauteile kompensieren.

Erfindungsgemäß ist also das Zwischenglied 13 am Meßwagen mitteln einer Aufhängung gemäß Figur k reibungsfrei in einer l/eise so befestigt, daß beim Antasten einer unterhalb oder oberhalb des Meßfühlers 16 liegenden Körperkontur annähernd die gleiche Meßkraft wirkt. Diese Meßkraft ist weitgehend unabhängig von der Größe der ReIativbewegung zwischen Meßwagen 6 und Zwischenglied 13# also weitgehend unabhängig von der Auslenkung des Blattfederparallel ο grammes.

Eine weitere Maßnahme zur Erhöhung der Meßgenauigkeit und des Bedienungskomforts ist die exakte Gewichtsbalance der beweglichen Meßwagenbauteile. Sowohl der Meßwagen 6 als auch das Zwischenglied 13 mit Tastarm 15 und Meßfühler sind hinsichtlich ihres Eigengewichtes so dimensioniert, daß schon die geringfügige Reibung der Gleitschuhe 7 an der Führung 3^- eine Hemmung des Meßwagens 6 in jeder Position bewirkt, ohne daß die Reibung bei der Verstellung des Meßwagens 6 als unangenehm empfunden wird. Um diese positive Wirkung zu erzielen sind von allen Führungspunkten

lediglich zwei alw'Gl'eitsvihtrtie ausgebildet - diese sind für eine hohe Führungsgenauigkeit ohnehin ausreichend .

In Figur 3 ist schematisch der Querschnitt einer MeD-einrichtung dargestellt, die einer etwas ungenaueren Kategorie zuzuordnen ist, als die Anordnung nach Figur 1 und 2. Bei dieser Ausführungsform befindet sich ein Meßwagen 6' im Innern eines Hohlprofiles 2'. Auch hier dient ein Rundstab 3¹ als Führung. Die Zug- und/oder Druckschrauben 4',5' erfüllen den gleichen Zweck wie die Elemente k und 5 in Figur 1. Der Meßwagen 6' weist neben äquivalenten Elementen wie Zwischenglied 13¹» Blattfedern 1*t', Versteifungen 1^a', Tastarm 15', Meß-

$ fühler 16', Mitnehmer 17', Ableseeinheit 18', Inkremen-

]! talteilung 19* und Klebeschicht 20' noch ein Ausgleichs-

I: gewicht 26 auf, da bei dieser Bauforra die Führung von

! Präzisionswälzlagern 7' übernommen wird, die keine Eigen

hemmung ermöglichen. Insbesondere bei dieser Ausführungs-

t; form bietet sich die Verwendung eines Motors als Antrieb

für die Meßwagenverstellung an. Letzteres ist jedoch

; als eine Maßnahme anzusehen, die jedem Fachmann geläufig

■;■ ist.

Ein weiterer - gegenüber dem Stand der Technik jedoch entscheidender Fortschritt - ist die Einstellbarkeit der Führungsflächen 3& bzw. 3a¹ bei beiden Ausführungsformen.

Die Forderung nach Meßgenauigkeit beinhaltet in der Fachwelt bislang die Forderung nach höchstmöglicher Genauigkeit der Führung der beweglichen Meßelemente. Diese For-

; derung nach höchstmöglicher Führungsexaktheit treibt die

Kosten einer Meßeinrichtung jedoch in Größenordnungen, die für Werkstatt-Meßeinrichtungen nicht mehr vertretbar sind.

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Bei dieser in de.rJ^JPaihwelb al»s urmbd-ingbar gestellten Forderung nach Führungsgenauigkeit wird im allgemeinen jedoch die Fehlerhaftigkeit der eigentlichen Meßtoilung nur am Rande betrachtet. Bei Meßeinrichtungen dor erfindungsgemäßen Art kommt als Fehlerquelle noch der Komparatorfehler hinzu. Die genannten Fehler sind durch Verbesserungen der Führungsexaktheit nicht vollständig zu eliminieren.

Durch die erfindungsgemäße Einstellbarkeit der Führungsbahn 3a, 3a· ist jedoch die Möglichkeit gegeben, alle auftretenden Fehler, seien es Führungsfehler, seien es Systemfehler der eigentlichen Meßteilung oder bestimmte Komparatorfehler, nach Vorabvermessung der kompletten Meßeinrichtung zu korrigieren. Sämtliche systembedingten Fehler - die sich durch Vorabvermessung mit einem hochgenauen Meßmittel ermitteln lassen - können durch entsprechende Beeinflussung der Führungsbahn 3a, 3a¹ korrigiert werden. Die Zug- und/oder Druckschrauben 4,5 bzw. h',5' sind se ausgelegt, daß der Rundstab 3, 3¹ und damit die Führungsbahn 3^a, 3a' durch Vardrehen dieser Verstellelemente derart verformt werden kann, daß die Fehler der Meßeinrichtung korrigierbar sind.

Des weiteren ist es sinnvoll,den Grundkörper 2,2' auf der Bodenplatte 1, 1' mittels zwischengefügter Kugelbeilagscheiben 2a in bekannter Veise auszurichten und zu fixieren.

Die Bodenplatte 1,1' der beschriebenen Meßeinrichtung steht bevorzugt auf drei justierbaren Füßen, welche mit einem abriebfesten und durch Füllstoffe auf hohen Druck-E-Modul verstärktem Kunststoff belegt sind und mit den Justierschrauben durch Kugelflächen selbsteinstellend und doch steif verbunden sind.

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Zusammenfassend kann die Erfindung so beschrieben
werden, daß ein Meßfühler 16 über ein Zwischenglied reibungsfrei beweglich an einem Meßwagen 6 angebracht ist. Dieser Meßwagen 6 ist genügend genau an einer
Führung 3^a geführt, so daß der Koniparatorf ehler genügend klein bleibt. Die Führung des Meßwagens 6 wird durch die Verwendung zweier einfacher Profile 2 und 3 erzeugt, die gegeneinander verspannt und damit justiert werden können. Der Meßwagen 6 braucht nur grob in die Meßposition gebracht zu werden,.dann liegt der Meßfühler 16 mit konstanter Meßkraft an der zu messenden Fläche an und der Meßwert kann unmittelbar abgelesen
werden.

Claims (6)

Ansprüche

1.) Präzisions-Längenmeßeinrichtung die nicht nach dem Abbeschen Komparatorprinzip arbeitet, insbesondere Höhenmeßgerät, mit einer Maßverkörperung nebst Ableseeinheit, einem biegesteifen Grundkörper, einem Führungselement, einem an diesem Führungselement geführten Meßwagen, sowie einem den Meßfühler tragenden Zwischenglied und einer Anordnung zur Auswertung des Meßergebnisses, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a.) Das Führungselement (3,3a,3',3a¹) ist durch Zug- und/oder Druckelemente (h,5,k¹ _t 5') einstellbar,

b.) der Meßwagen (6, 6') wird durch Präzisionslager (7»7') an dem einstellbaren Führungselement (3»3a»3',3a') exakt geführt und stützt sich

c.) über weitere Lager (8,9,10,8·,9',10·) an zusätzlichen nicht justierten Ne'oenführungsflächen (11,12,27,11·,12·,2₇') ab;

d.) das den Meßfühler (16,16·) tragende Zwischenglied (13,13') ist reibungsfrei beweglich mit dem Meßwagen (6,O¹) verbunden und weist an einem Mitnehmer (17,17') die Ableseeinheit (18,18·) auf, die

e.) mit der am Grundkörper (2,2·) angebrachten Maßverkörperung (19»19') zusammenwirkt.

2.) Präzisions-Länftenmeßeinrichtunp nach Anspruch 1, dadurch Gekennzeichnet, daß die Zug- und/oder Druckelemente k , 5 ,'(' , 5 · Schrauben sind.

3.) Präzisions-LKngenmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Präzisionslager durch Gleitschuhe aus selbstschmierendem Lagerwerkstoff realisiert sind und dadurch der Meßwagen 6 selbsthemmend ist.

_v h.) Präzisions-Längenmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Präzisionslager 7' durch Wälzlager realisiert sind, und daß am Meßwagen 6¹ ein Ausgleichsgewicht 26 angebracht ist.

5.) Präzisions-Längenmeßeinriehtung nach Anspruch 1, bei der die reibungsfreie Verbindung des Meßwagens mit dem Zwischenglied durch ein Federparallelogramm mit stabiler Nullage hergestellt wird, das zur Erzeugung der Meßkraft in zwei Meßrichtungen dient, dadurch gekennzeichnet, daß ein an dem einen Bauteil (6) angebrachter Zylinder (23) federnd gegen zwei schneidenförmige Gegenlager (2k _t 25) gedrückt wird und der Abstand der beiden Gegenlager (2k, 2-5), der Durchmesser des Zylinders (23) und die Anpreßkraft dieser Bauteile (23, 24, 25) so abgestimmt ist, daß die Meßkraft auch bei Auslenkung des Federparallelogrammes (14) annähernd konstant bleibt.

6.) Präzisions-Längenmeßeinrichtung nach Anspruch. 5t dadurch gekennzeichnet, daß die Schneiden (24, 23) einstellbar sind.