DE10308419A1

DE10308419A1 - Dimensionsstabile Halterung eines Messelementes an einem Stab mit geringer Wärmeausdehnung

Info

Publication number: DE10308419A1
Application number: DE2003108419
Authority: DE
Inventors: Eckart Dr. Schütze
Original assignee: Schuetze GmbH
Current assignee: Schuetze GmbH
Priority date: 2003-02-27
Filing date: 2003-02-27
Publication date: 2004-09-09

Abstract

Durch eine Kopplung von Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen ist es möglich, die thermische Ausdehnung eines Längenmaßstabes mit allen seine Länge beeinflussenden Komponenten vollständig zu kompensieren. DOLLAR A Dazu wird in das Stabende eines CFK-Sandwichstabes (10) eine Hülse (1) mit einem äußeren Anschlag (3) eingelassen. In der Hülse (1) befindet sich ein Innenzylinder (4), der auf der einen Seite mit einem Messelement (Messwürfel) (5) und auf der gegenüberliegenden Seite mit dem Boden (2) der Hülse verbunden ist. Der zur Verbindung von Hülse (1) und Innenzylinder (4) verwendete Gewindestift (6) mit Kontermutter (7) ist mit seinem freien Ende in eine Einklebmutter (8) eingeschraubt, die Bestandteil einer quergestellten, elastischen Platte (z. B. Faserverbundplatte) (9) ist. Der Innenzylinder (4) mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten alpha¶1¶ kann sich zur Hülse (1) mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten alpha¶2¶ ungehindert ausdehnen. Das gleiche gilt für die Hülse (1) im Stab (10). DOLLAR A Hülse (1) und angeschraubter Innenzylinder (4) werden soweit in die Einklebmutter (8) geschraubt, dass sich die elastische Platte (9) zum Stabende hin durchbiegt und der äußere Anschlag (3) der Hülse (1) immer gegen den CFK-Stab (10) gezogen wird. Um der vorgespannten Platte (9) einen festen Sitz im Stab (10) zu geben, stützt sie sich auf einer eingeklebten Hülse ab (11).

Description

Einleitung und Stand der Technik:
In der Messtechnik werden Messnormale verwendet, deren Abmessungen sich in Abhängigkeit von der Temperatur möglichst nicht oder nur sehr wenig verändern sollen. Besonders interessant sind Messstäbe, deren Längen konstant bleiben. Die genaue Ermittlung der Stablängen erfolgt über Messelemente, die sich am Stabende befinden.
Stand der Technik ist es, Präzisionskugeln aus Stahl zu verwenden und sie in kalibrierten, metallischen Kugelpfannenringen aufzunehmen, die an den Enden von Stäben eingelassen sind. In der Mitte des Kugelpfannenrings befindet sich jeweils ein Magnet, der die Kugel in den Pfannenring zieht.
Es ist ebenfalls bekannt, Messstäbe aus carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) zu verwenden, da diese eine sehr geringe thermischen Ausdehnung besitzen.
Aus solchen CFK-Messstäben – versehen mit Präzisionsstahlkugeln – lassen sich auch räumliche Maßkörper erstellen, mit deren Hilfe beispielsweise Messwerkzeuge in allen drei Koordinaten überprüft werden können.
Die einfachsten zusammensetzbaren, räumlichen Strukturen sind Tetraeder aus sechs Einzelstäben. Die in den CFK-Stab eingeklebten Metallelemente wie auch insbesondere die außenliegenden Stahlkugeln liefern jedoch unter Temperatureinwirkung eine zu große Längenänderung der einzelnen Stäbe und führen damit zu nicht vernachlässigbaren Formänderungen und Ungenauigkeiten der gesamten räumlichen Struktur.
Lösung des Problems
Eine Lösung des technischen Problems besteht darin, die thermische Ausdehnung aller an einem Längenmessstab beteiligten Komponenten durch eine Kopplung von Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen zu kompensieren.
1 zeigt ein Stabende mit einem Präzisionswürfel als Messelement.
In das Stabende ist eine Hülse (1) mit einem Boden (2) und einem äußeren Anschlag (3) eingelassen. In der Hülse (1) befindet sich ein Innenzylinder (4), der auf der einen Seite mit dem Messwürfel (5) und auf der gegenüberliegenden Seite mit dem Boden (2) der Hülse (1) verbunden ist. Der zur Verbindung von Hülse (1) und Innenzylinder (4) verwendete Gewindestift (6) mit Kontermutter (7) ist mit seinem freien Ende in eine Einklebmutter (8) eingeschraubt, die Bestandteil einer quergestellten, elastischen Platte (z.B. Faserverbundplatte) (9) ist. Der Innenzylinder (4) mit dem Wärmeaudehnungskoeffizient α₁ kann sich zur Hülse (1) mit dem Wärmeaudehnungskoeffizient α₂ ungehindert ausdehnen. Das gleiche gilt für die Hülse (1) im Stab (10).
Hülse (1) und angeschraubter Innenzylinder (4) werden soweit in die Einklebmutter (8) geschraubt, dass sich die elastische Platte (9) zum Stabende hin durchbiegt und der äußere Anschlag (3) der Hülse immer gegen den CFK-Stab (10) gezogen wird. Um der vorgespannten Platte einen festen Sitz im Stab zu geben, stützt sie sich auf einer eingeklebten Hülse (11) ab.
Funktionsweise der Temperaturkompensation
Wird beispielsweise die Umgebungstemperatur erhöht, dehnt sich der Messwürfel (5) aus und die verwendete Bezugsebene (z.B. Mittelebene oder auch Endfläche des Würfels) wandert nach außen. Gleichzeitig verlängert sich die in den Stab (10) verschieblich eingesetzte Hülse (1), deren äußerer Anschlag (3) durch die Federkraft der durchgebogenen, quergestellten Platte (9) gegen den Stab (10) gezogen wird und deren Hülsenboden (2) sich zur Stabmitte hin bewegt. Der mit dem Hülsenboden (2) befestigte Innenzylinder (4) mit äußerem Messwürfel (5) dehnt sich bei Temperaturerhöhung ebenfalls aus und macht die Ausdehnung der Hülse (1) teilweise wieder rückgängig.
Im Fall der Verlängerung der Hülse (Temperaturerhöhung) nimmt die axiale Verschiebung der Einklebmutter (8) und damit die Federkraft geringfügig ab. Bei Temperaturerniedrigung treten die gleichen Verschiebungen in entgegengesetzter Richtung auf. Da die Vorverformung der elastischen Platte einige Zehntelmillimeter beträgt und sich die Verschiebungen infolge von Temperaturänderungen im Bereich einiger Mikrometer bewegen, sind die auftretenden Änderungen in der Federkraft minimal.
Durch eine entsprechende Wahl der Materialpaarung (in Bezug auf thermische Ausdehnung) von Hülse (1) und Innenzylinder (4) und durch die entsprechenden Längen dieser Partner lässt sich die Gesamtdehnung so einstellen, dass sie in umgekehrter Richtung exakt der thermischen Ausdehnung des Messwürfels bzw. der hier gewählten Bezugsebene entspricht. Auch die thermische Ausdehnung des Stabes selbst lässt sich in der Gesamtdehnung berücksichtigen und entsprechend kompensieren.
Ein radiales Spiel zwischen den einzelnen Komponenten der Halterung hat nur einen geringen Einfluss auf die Längenkonstanz des Stabes. Um dennoch einerseits ein Spiel zwischen der Hülse (1) und dem Innenzylinder (4) und andererseits ein Verklemmen zwischen beiden Partnern zu verhindern, wird die Hülse (1) mit zwei oder mehreren Längsschlitzen versehen und der Innenzylinder (4) mit geringer Spannung eingepaßt. Die Reibung zwischen Hülse und Innenzylinder ist dabei so gering, dass ein Verklemmen ausgeschlossen werden kann. Ein Verklemmen der Hülse (1) im CFK-Stab (10) kann ebenfalls nicht auftreten, da einerseits die Umfangssteifigkeit des CFK-Sandwichstabes gering ist und sich der Stab daher leicht unterschiedlichen Durchmessern elastisch anpassen kann und andererseits der CFK-Sandwichstab (10) in Umfangsrichtung ein ähnliches thermisches Ausdehnungsverhalten hat wie die metallische Hülse (1) selbst.
1. Ausführungsbeispiel
In 2 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt. Es zeigt einen CFK-Sandwichstab (10) mit einer sehr geringen Wärmedehnung (ca. – 0.1 × 10^–6 m/m °C), an dessen Ende sich eine Präzisionsstahlkugel (12) befindet. Die Kugel sitzt auf einem Kugelpfannenring (13), der Bestandteil eines Titan (Ti)-Innenzylinders (4) ist. Das Titanteil enthält zentral einen eingeklebten Magneten (14), der den vorgeschrieben Abstand zur Stahlkugel (12} hat. Der Ti-Innenzylinder (4) befindet sich gleitend in einer Aluminium (Al)-Hülse (1), die über einen äußeren Anschlag (3) gegen das Stabende gezogen wird. Auch die Al-Hülse (1) kann sich im CFK-Stab (10) verschieben. Der Ti-Innenzylinder (4) besitzt ein Innengewinde (15) und die Al-Hülse (1) eine Durchgangsbohrung (16). Mit Hilfe eines Gewindestiftes (6) und einer Kontermutter (7) werden Ti-Innenzylinder (4) und Al-Hülse (1) gegeneinander verschraubt und mit dem freien Ende des Gewindestiftes (6) in eine Anklebmutter (8) geschraubt, die Bestandteil einer quer in den CFK-Stab (10) eingeklebten elastischen CFK-Platte (9) ist.
AL-Hülse (1) und Ti-Innenzylinder (4) werden so in die Anklebmutter (8) eingeschraubt, dass sich die quergestellte CFK-Platte (9) zum Stabende hin durchbiegt und so der äußere Anschlag (3) der Al-Hülse (1) gegen den CFK-Stab (10) gezogen wird. Um einen festen Sitz der CFK-Platte (9) in dem Stab (10) zu gewährleisten, stützt sie sich auf einer CFK-Hülse (11) ab, die mit der Platte in den Stab geklebt wird.
Durch Temperatureinwirkung ändert sich aufgrund der Thermaldehnung der Al-Hülse (1) die Durchbiegung der quergestellten Platte (9) nur unwesentlich, da diese Veränderungen im Mikrometer-Bereich stattfinden, während die Gesamtdurchbiegung der Platte (9) einige Zehntelmillimeter beträgt. Aus dem Verhältnis der Gesamtverschiebung der CFK-Platte zu den Veränderungen durch die Temperatureinwirkung ergibt sich nur eine minimale Veränderung der Federkraft, mit der die Al-Hülse (1) gegen den Stab gezogen wird.
Das Problem der zentrischen und nicht klemmende Lagerung der einzelnen Komponenten wird im Ausführungsbeispiel dadurch gelöst, dass die Al-Hülse (1) in Längsrichtung geschlitzt ist und und der Ti-Innenzylinder (4) mit leichter Spannung in die Hülse (1) eingesetzt wird. Die Passgenauigkeit zwischen CFK-Stab (10) und Al-Hülse (1) stellt kein Problem dar, da beide Partner in radialer Richtung ähnliche thermische Ausdehnungen haben und darüber hinaus der CFK-Sandwichstab wegen seiner geringen Steifigkeit in Umfangsrichtung elastisch verformt werden kann.

Claims

Dimensionsstabile Halterung für Präzisionsmesselemente, dadurch gekennzeichnet, dass sich in einem Stab (10) geringer Wärmedehnung verschiedene Halterungspartner mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungen und entsprechend angepassten Längen befinden, dass sich die verschiedenen Partner untereinander und zum Stab ungehindert ausdehnen können.
Dimensionsstabile Halterung für Präzisionsmesselemente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Halterungspartner eine Hülse (1) mit einem Boden (2) und einem äußeren Anschlag (3) ist, dass der zweite Partner einen Innenzylinder (4) darstellt, der am Hülsenboden (2) fest mit der Hülse verbunden ist, dass beide Partner über einen fest eingebauten Gewindestift (6) mit einem Muttergewinde (8) verbunden sind, das Teil einer elastisch verformbaren, quergestellten Platte (9) ist, dass beide Partner gemeinsam mit dem Gewindestift (6) so weit in die Mutter (8) eingeschraubt sind, dass sich die quergestellte Platte (9) durchbiegt und mit dieser Spannung den äußeren Anschlag (3) der Hülse (1) gegen den Stab (10) zieht.
Dimensionsstabile Halterung für Präzisionsmesselemente nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Messelement (5) im direkten Kontakt zum Innenzylinder (4) befindet.
Dimensionsstabile Halterung für Präzisionsmesselemente nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenzylinder (4) eine zusätzliche Halterung zur Auflage eines Messelementes (5) besitzt.
Dimensionsstabile Halterung für Präzisionsmesselemente nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (5) eine Präzisionskugel (12) ist.
Dimensionsstabile Halterung für Präzisionsmesselemente nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass für die Halterungspartner Hülse (1)/Innenzylinder (4) die Werkstoffe Aluminium und Titan verwendet werden.
Dimensionsstabile Halterung für Präzisionsmesselemente nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stab (10) geringer Wärmedehnung ein CFK-Sandwichstab ist, bei dem sich auf einem rundgeschliffenen Schaumkernstab unidirektionale, in Stablängsrichtung orientierte Hochmodul-Carbonfasern befinden, die von einem dünnen Glasfasergewebe zusammengehalten werden.
Dimensionsstabile Halterung für Präzisionsmesselemente nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die quergestellte, elastische Platte (9) eine CFK-Platte ist, auf der mittig eine Mutter (8) befestigt ist.
Dimensionsstabile Halterung für Präzisionsmesselemente nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (1) mit zwei oder mehreren Längsschlitzen versehen ist und sich der Innenzylinder (4) unter leichter Spannung frei in der Hülse (1) bewegen kann.