Tastmessvorrichtung zur Bestimmung von Abmessungen an einem Werkstück
Die Erfindung betrifft eine Tastmessvorrichtung, insbesondere zur elektromagnetischen Bestimmung von Abmessungen an einem Werkstück im Vergleich mit entweder einem anderen Werkstück oder einem Normmass, oder z. B. auch zum direkten Messen solcher Abmessungen in einem engen Messbereich.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Tastmessvorrichtung von hoher Genauigkeit zu schaffen, die weitgehend frei von durch Reibung oder Totgang bewirkten Fehlern ist.
Gemäss der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe mit einer Tastmessvorrichtung gelöst, die einen äusseren Stützrahmen, z. B. ein Gehäuse, aufweist, in dem sich ein Torsionsstab befindet, der zwischen seinem Mittelabschnitt und jedem Endabschnitt einen Torsionsabschnitt aufweist, der eine geringere Torsionssteifigkeit als der Mittel- und Endabschnitt aufweist und der allmählich in diese Abschnitte übergeht. Die Endabschnitte des Torsionsstabes sind im Gehäuse gegen Verdrehen gesichert gelagert. Der Mittelabschnitt des Torsionsstabes ist mit dem einen Ende eines Tastarmes verbunden, der radial zum Torsionsstab verläuft und dessen Tastkopf am freien Ende des Armes an ein Werkstück gelegt werden kann. Die Vorrichtung umfasst ausserdem ein elektrisches Abtastsystem, das die Winkellage des Tastarmes gegenüber dem Stützrahmen anzeigt.
In der nachfolgenden Beschreibung werden in Verbindung mit der Zeichnung die Ausführungsbeispiele der Messvorrichtung gemäss der Erfindung näher erläutert.
Im einzelnen zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Einzelteilzeichnung eines Ausführungsbeispieles einer Tastmessvorrichtung,
Fig. 2 ein Schaltdiagramm für einen Teil der Vorrichtung nach Fig. 1,
Fig. 3 eine Draufsicht auf die Abtastorgane eines anderen Ausführungsbeispieles.
Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel einer Tastmessvorrichtung hat als Träger ein Gehäuse 10 mit einem gefässartigen Teil 11 und einem Deckel 12. In diesem Gehäuse ist ein Torsionsstab 13 angeordnet. Dieser Stab weist über seine ganze Länge einen kreisförmigen Querschnitt auf und hat zwei Endabschnitte 14 und einen Mittelabschnitt 15, die alle etwa den gleichen Durchmesser haben. Jeder Endabschnitt ist mit dem Mittelabschnitt über einen Torsionsabschnitt 16 verbunden, der einen kleineren Durchmesser als der Mittel- und die Endabschnitte aufweist, und der allmählich mit grösser werdendem Durchmesser in die benachbarten Abschnitte übergeht. In dem zusammengebauten Gerät sind die Endabschnitte 14 in Öffnungen 17 des Gehäuses drehfest angebracht.
Der Mittelteil 15 des Torsionsstabes ist mit einem Flansch 20 versehen, auf dessen einer Seite das eine Ende eines Tastarmes 22 mittels Schrauben 21 befestigt ist. Der Tastarm verläuft radial zum Torsionsstab, ragt durch eine Öffnung 23 im Gehäuse und endet in einem kugelförmigen, ausserhalb des Gehäuses liegenden Tastkopf 24. Die Öffnung 23 ist so gross gehalten, dass der Tastarm seinen vollen Bewegungsbereich ausfahren kann, und ist gegen das Eindringen von Staub durch einen nicht dargestellten flexiblen Balg oder dergleichen verschlossen.
Um die Einregulierung einer Bezugswinkellage des Tastarmes 22 in bezug auf das Gehäuse zu ermöglichen, ist eine Federvorrichtung in Form eines parallel zum Tastarm verlaufenden Federstahlstrei fens 25 vorgesehen. Dieser Federstahlstreifen 25 ist am einen Ende in dem Schlitz eines auf dem Tastarm 22 angeordneten Stiftes 26 eingespannt. Das andere freie Ende steht mit einer Schraube 27 in Berührung, die in der Gewindebohrung 28 des Gehäuses verstellt werden kann und eine Änderung der Lage des Federstreifens und damit eine Verstellung der Winkellage des Tastarms 22 erlaubt.
Der Tastarm 22 ist gegen eine Verschiebung parallel zur Achse des Torsionsstabes 13 durch Holme 29 gesichert, die mit ihren Enden am Gehäuse und in ihrem mittleren Bereich am Tastarm 22 befestigt sind, durch dessen Bohrungen 30 sie hindurchgeführt sind. Diese Holme sind ausreichend elastisch und gestatten eine Bewegung des Tastarmes über den erforderlichen kleinen Winkelbereich. Sie sind jedoch in Längsrichtung ausreichend unelastisch, um eine merkliche Verschiebung des Tastarmes senkrecht zu seiner Bewegungsebene zu verhindern.
Auf der anderen Seite des Flansches 20 ist der vierpolige Rotor 31 einer hochempfindlichen elektromagnetischen Winkelabtastvorrichtung befestigt, deren zugehöriger Stator 32 mit den Wicklungen 33 im Gehäuse befestigt ist. In Fig. 1 ist einer der Pole als abgebrochen dargestellt, um den anderen Torsionsabschnitt 16 des Torsionsstabes 13 sichtbar zu machen. Die Abtastvorrichtung kann in von der Anmelderin bereits vorgeschlagener Weise aufgebaut sein (Patente Nr. 371 510 oder Nr. 375545). Die Ausgangssignale der Wicklungen 33 der Tastvorrichtung werden über eine Schaltstufe 35, von der geeignete Ausführungsform nachfolgend beschrieben wird, auf ein geeignetes Anzeigeinstrument 34, beispielsweise auf ein Mikroamperemeter gegeben.
Beim Betrieb der Vorrichtung kann das Gehäuse 10 mit einem Bezugssystem verbunden oder beispielsweise auf einem Hobeltisch befestigt sein; und mit Hilfe des Tastkopfes 24 soll ein Vergleich der Abmessung eines Werkstückes mit derjenigen eines anderen Werkstückes oder mit einem Normstück in an sich bekannter Weise vorgenommen werden. Die Winkelbewegungen des Tastarmes über den kleinen erforderlichen Winkelbereich sind durch die Torsions Deformierbarkeit der Torsionsabschnitte 16 des Torsionsstabes möglich und werden durch die resultierende Anzeige der Abtastvorrichtung gemessen und durch das Instrument 34 angezeigt.
Die Bezugswinkellage des Abtastarmes - beispielsweise diejenige Lage, in die er gebracht werden muss, um die Anzeigemarke des Instrumentes 34 auf Null zurückzustellen - kann durch ein Drehen der mit dem freien Ende des Federblechstreifens 25 zusammenwirkenden Schraube 27 eingestellt werden.
Jede Tendenz des Abtastarmes, sich in einer Richtung parallel zur Torsionsstabachse zu verschieben - beispielsweise auf Grund der Bewegung der abgetasteten Werkstückoberfläche - wird durch die Holme 29 verhindert.
Es ist vorteilhaft, den Rotor 31 der Tastmessvorrichtung in einer solchen Winkellage gegenüber dem Abtastarm 22 anzuordnen, dass die elektrische Abtastvorrichtung in dem Bewegungsbereich des Abtastarmes in einem linearen Teil ihrer Arbeitskurve arbeitet, wobei die Null-Ausgangsposition des Rotors irgendwo in diesem Bereich liegen sollte.
Die Schraube 27, die wahlweise einen Druck oder einen Zug auf das freie Ende des Federstreifens 25 entsprechend der Drehrichtung der Schraube aus üben kann, kann eher zum Einstellen der Bezugslage des Abtastarmes selbst als zur Nullstellung des Instrumentes dienen. Wenn beispielsweise ein grösserer Abmessungsbereich eines Werkstückes erfasst werden soll, als dies mit einem von einer zentralen Stellung aus sich verschiebenden Abtastarm möglich wäre, kann die Bezugsstellung des Abtastarmes so eingestellt werden, dass sie mehr in Richtung auf ein Ende des Verstellbereiches zu liegen kommt als zum Zentrum hin.
Mit Hilfe der Schraube 27 kann ausserdem der Kontaktdruck zwischen dem Abtastarm und der zu messenden Oberfläche eingestellt werden. Dieser Druck ist auf die Rückstellkraft zurückzuführen, die von den Torsionsabschnitten 16 des Torsionsstabes zusammen mit der von der Bandfeder 25 ausgeübten Kraft in Abhängigkeit von der Ablenkung des Abtastarmes aus seiner Gleichgewichtslage durch das Werkstück erzeugt wird.
Durch ein entsprechendes Eichen des Instrumentes 34 kann die Vorrichtung innerhalb ihres engen Ansprechwinkelbereiches zum direkten Messen verwendet werden.
Für die Schaltstufe 35 der Abtastvorrichtung können verschiedene Schaltkreise Verwendung finden. Ein geeigneter ist in Fig. 2 dargestellt. In dieser Schaltung sind die vier Statorwicklungen 33 mit den vier Polen des Rotors 31 der Abtastvorrichtung als Brücke geschaltet und über zwei einander gegenüber liegende Brückenpunkte durch einen Oszillator 40 erregt. Über zwei beliebige, einander benachbarte Wicklungen 33 sind ein veränderlicher Kondensator 41 bzw. ein fester Kondensator 42 gelegt, von denen der letztere ungefähr die Durchschnittskapazität des Kondensators 41 hat. Die anderen beiden Verbindungspunkte der Brücke sind jeweils mit einem Ende einer Primärwicklung 43 eines Transformators 44 verbunden, dessen Sekundär-Wicklung 46 mit Abgriffen versehen ist, die eine Bereichswahl erlauben.
Die an den Abgriffen der Sekundär-Wicklung abgenommene Spannung wird über einen Verstärker 47 und einen phasenempfindlichen Gleichrichter 48 auf das Instrument 34 gegeben, das seinen Nullpunkt in der Mitte der Skala hat.
Beim Betrieb der Vorrichtung wird die Brücke durch Einstellung des Kondensators 41 auf seinen Mittelwert abgeglichen. Irgendeine Bewegung des Rotors 31 aus der Bezugslage in der einen oder anderen Richtung auf Grund einer Bewegung des Abtastarmes stört den Gleichgewichtszustand der Statorbrücke und verursacht auf diese Weise eine Änderung der Anzeige des Instrumentes 34. Durch eine Regulierung des Kondensators 41 in der passenden Richtung aus seiner Mittellage heraus kann die Anzeige des Instrumentes 34 auf Null oder auf irgendeinen anderen Skalenwert gebracht werden, unabhängig von einer Verstellung der Ausgangsstellung des Abtastarmes selbst.
Die Anzeige des Instrumentes kann wahlweise unabhängig von dem Abtastarm durch ein Drehen des Stators der Abtastvorrichtung gegenüber dem Gehäuse reguliert werden, und der Stator kann nach vorgenommener Einstellung gegen eine solche Relativdrehung gesichert werden.
Die Federorgane zum Einstellen der Bezugsstellung des Anzeigearmes können auch verschiedene andere Formen als die vorstehend beschriebene einfache Form haben.
Als praktische Alternativ-Lösung können zwei Zugfedern vorgesehen werden, die gegensinnig auf den Abtastarm in der Richtung seiner Winkelbewegung einwirken. Dabei ist das eine Ende der einen Feder am Gehäuse befestigt und das entsprechende Ende der anderen Feder kann auf irgendeine an sich bekannte Weise zum Abtastarm hin oder weg verstellt werden.
Auch der Torsionsstab kann andere Formen annehmen. Wichtig ist nur, dass er zwischen jedem Endabschnitt und dem Mittelabschnitt einen Bereich mit geringer Torsionsfestigkeit aufweist, der die Bewegung des Abtastarmes aufnimmt. Dieses Erfordernis könnte daher auch erfüllt werden, wenn die Torsionsabschnitte kreuzförmig ausgeführt wären dergestalt, dass sie durch einen reduzierten Querschnitt eine geringere Torsionssteifigkeit haben.
Die Verwendung von End- und Mittelabschnitten mit grösserer Torsionssteifigkeit als die dazwischenliegenden Torsionsabschnitte ermöglicht eine sichere Befestigung des Torsionsstabes im Gehäuse und des Abtastarmes auf dem Torsionsstab gegen relative Winkelverschiebungen. Der allmähliche Übergang der weniger torsionssteifen Abschnitte in die torsionssteiferen gewährleistet, dass keine Gefahr einer stellenweisen Verformung oder des Auftretens von Spannungen, die bleibende Verformungen nach sich ziehen, besteht.
Auch die Abtastvorrichtung kann abweichend ausgebildet sein. Für sehr genaue Messungen ist jedoch eine Abtastvorrichtung der sehr empfindlichen und stabilen Art, wie sie bereits in den erwähnten Patenten der Anmelderin vorgeschlagen worden ist, empfehlenswert.
In einer nicht dargestellten, abgewandelten Ausführungsform kann das Gehäuse durch einen Stützoder Halterahmen ersetzt werden, der den Stator der Abtastvorrichtung mit beiden Enden des Torsionsstabes verbindet. Vom Gehäuse oder Stützrahmen erstreckt sich ein Arm in radialer Richtung dergestalt, dass er mit dem Abtastarm ein Tasterpaar bildet. Irgendeine Änderung des Abstandes zwischen den Tastköpfen ändert die Lage des Rotors gegen über dem Stator und bewirkt eine Anzeige des Instrumentes 34. Eine solche Anordnung ist also eine spezielle Anwendung des erstbeschriebenen Ausführungsbeispieles, bei dem der zweite Arm die Stelle des Hobeltisches oder eines anderen die Vorrichtung und das Werkstück tragenden Körpers einnimmt.
In Abwandlung der zuletzt beschriebenen Anordnung kann gemäss Fig. 3 der Arm 51, der mit dem Rahmen der Tastmessvorrichtung verbunden ist, mit zwei auf Stäben 54 und 55 befestigten Tastköpfen 52 und 53 versehen sein. Diese beiden Tastköpfe bestimmen mit dem Tastkopf 24 des Abtastarmes 22 drei Punkte in der Bewegungsebene des Tastkopfes 24, die im Gegensatz zu der durch die beiden Messköpfe der zuletzt beschriebenen Vorrichtung nicht auf einer gemeinsamen Geraden liegen, sondern einen Kreisbogen bestimmen. Die drei Messköpfe bestimmen den Bereich 56 eines kreisförmigen Werkstückes, das zu messen ist. Einer der feststehenden Tastköpfe 52 oder 53 - in Fig. 3 der Tastkopf 52 ist gegenüber dem Tastkopf 24 so angeordnet, dass die Verbindungslinie zwischen beiden Tastköpfen durch den Mittelpunkt dieses Kreises geht, was jedoch nicht notwendig ist.
Eine solche Anordnung erleichtert das rasche Anbringen der Tastmessvorrichtung in die richtige Lage auf dem Werkstück.
Die Stäbe 54 und 55 können als Gewindebolzen ausgebildet und verstellbar im Arm 51 gelagert sein, so dass die Stellung der Tastköpfe 52 und 53 gegen über dem Tastkopf 24 verändert und die Vorrichtung damit auf verschieden grosse zu messende Werkstücke eingestellt werden kann. Sicherungsmittel nach Fig. 3 in der Form von Gegenmuttern 57 - sind vorgesehen, um die Stäbe in der gewünschten Lage zu halten, so dass die Tastköpfe 52 und 53 während des Messvorganges gegenüber dem Rahmen festliegen.
Es können noch andere Anordnungen mit zwei oder mehr feststehenden Tastköpfen gewählt werden. So bestimmt beispielsweise die Anordnung von drei feststehenden Tastköpfen, die auf parallelen Stangen angeordnet sind, wobei der Tastkopf des Tastarmes zwischen ihnen in der Form eines Kugel- messers angeordnet ist, eine Kugeloberfläche und erlaubt, den Radius dieser Kugel zu messen. Bei dieser Anordnung kann es vorteilhaft sein, den Tastarm so zu biegen, dass derjenige Teil, der den Tastkopf trägt, parallel zu den Stangen verläuft, die die feststehenden Tastköpfe tragen.
Bei jeder Anordnung müssen der feste Tastkopf oder die festen Tastköpfe so angeordnet sein, dass sie die Messbewegung des Tastarmes zulassen. Wenn beispielsweise ein feststehender Tastkopf vorgesehen ist, sollte er nicht in einer Linie mit dem Tastarm liegen, sondern sollte so angeordnet sein, dass die Bewegung des Tastarmkopfes gegen ihn oder von ihm weg gerichtet ist.
Eine Tastmessvorrichtung gemäss der Erfindung ist erfahrungsgemäss ausserordentlich empfindlich in der Anzeige und hat gegenüber bekannten Vorrichtungen für ähnliche Zwecke insbesondere den Vorteil, dass sie weder schleifende Elemente, noch miteinander gekoppelte Hebel oder Zahnräder aufweist, Elemente, die auf Grund von Reibung und Totgang Fehler in der Anzeige bewirken.