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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Gewindesteigung
einer langen Schraubenspindel, die drehbar zwischen dem Spindelstock und dem Reitstock
eines Maschinenbettes angeordnet ist und während des Meßvorgangs in Drehung versetzt
wird.
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Es ist eine Vorrichtung zur Messung der Gewindesteigung einer von
einem Motor über ein Getriebe angetriebenen Schraubspindel bekannt, bei der der
verschiebliche Teil eines Interferometers mechanisch über einen Dorn mit dem Gewinde
der Schraubspindel gekoppelt ist. Bei jeder vollen, interferometisch abgegriffenen
Umdrehung der Schraubspindel wird ein Impuls von einer Photozelle erzeugt, mit dem
ein weiterer Motor synchronisiert wird, der mit dem die Schraubspindel antreibenden
Motor über ein Differentialgetriebe gekoppelt ist. Dieses Differentialgetriebe ist
an ein Potentiometer angeschlossen, so daß der Abgriff an dem Potentiometer den
Unterschied der Geschwindigkeiten der beiden Motoren wiedergibt. Da in das Meßergebnis,
das mit dieser bekannten Anordnung erhalten wird, der tote Gang des Getriebes, über
das die Schraubspindel angetrieben wird, und des Differentialgetriebes eingeht,
ist die Messung relativ ungenau. Außerdem wird ein über eine volle Umdrehung von
3600 gemitteltes Meßergebnis erhalten, so daß Ungenauigkeiten der Gewindesteigung,
die sich innerhalb dieses Bereiches ausgleichen, nicht erfaßt werden können.
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Die Erfindung bezweckt eine Vorrichtung zum Messen der Gewindesteigung
einer langen Schraubspindel, durch die automatisch die Abweichung der Gewindesteigung
eines Prüflings von einem Sollwert in digitaler Form oder graphisch auf Streifen
gedruckt werden kann.
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Diese Aufgabe löst die Erfindung dadurch, daß eine mit der Schraubspindel
verbundene Codiereinrichtung ein den Spindeldrehungen proportionales Signal erzeugt
und daß die Schraubspindel mittels eines Mitnehmers mit einem in axialer Richtung
der Schraubspindel verschiebbaren Meßschlitten gekoppelt ist, dessen Längsvorschub
in Abhängigkeit von der Spindeldrehung in an sich bekannter Weise durch ein interferometrisches
Längenmeßgerät gemessen und in ein entsprechendes Signal umgewandelt wird, und daß
eine Vergleichseinrichtung das von der Codiereinrichtung kommende Signal nach Umwandlung
in eine der Ganghöhe des Spindelgewindes in Längsrichtung entsprechende Information
sowie das von dem interferometrischen Meßgerät kommende Signal miteinander vergleicht
und ein Abweichsignal erzeugt.
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Mit der Vorrichtung nach der Erfindung ist es möglich, die Abweichung
der Gewindesteigung an jeder Stelle genau zu messen, ohne daß diese Messung durch
den toten Gang eines Getriebes beeinträchtigt wird. Die Messung ist auch von der
Zeit unabhängig, d. h., eine ungleichmäßige Drehung der Schraubspindel beeinflußt
das Meßergebnis nicht.
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Außerdem ist es mit der Vorrichtung nach der Erfindung möglich, das
Meßergebnis zu speichern.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung ist der
Meßschlitten auf Luftlagern gelagert. -An Hand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise
erläutert. Es zeigt F i g. 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform
nach der Erfindung,
Fig. 2 eine Teilansicht des Meßschlittens dieser Ausführungsform
teilweise im Schnitt, Fig. 3 eine Teilansicht einer weiteren Ausführungsform nach
der Erfindung, Fig. 4A bis 4 C Teilansichten der Luftlagerung für den Meßschlitten,
F i g. 5 eine Teilansicht des Spindelstocks und F i g. 6 ein elektrisches Schaltschema
der Meßvorrichtung nach der Erfindung.
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Wie in Fig. 1 dargestellt, weist die erfindungsgemäße Vorrichtung
allgemein ein Maschinenbett 1 auf, das vorzugsweise aus einem dicken festen Granitblock
oder aus anderem Material besteht, das über lange Zeiten völlig formstabil ist.
Die Schraubspindel 2, die vermessen werden soll, ist zwischen einem angetriebenen
Spindelstock 3 und einem Reitstock drehbar befestigt.
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Ein Meßschlitten 5 ist auf Luftlagern 6 gelagert.
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Der Schlitten wird von einer Schiene 7 geführt, die vorzugsweise aus
Granit oder einem anderen temperaturunempfindlichen Material besteht. Die Luftlager
sind an den unteren und inneren Seiten des Schlittens angeordnet, so daß der Schlitten
auf Luftschichten oben auf dem Bett 1 und längs den Seiten der Schiene 7 schwebt.
Der Schlitten ist mit der drehbar angeordneten Schraubspindel 2 mit einer Mutter
9 oder einer anderen Einrichtung, z. B. einem Mitnehmer in Form eines Dorns gekoppelt.
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Eine Codiereinrichtung 8 ist mit dem Spindelstock 3 verbunden und
kann Signale, die der Drehung der Schraubspindel proportional sind, weiterleiten.
Die Codiereinrichtung kann ein im Handel erhältliches Gerät sein, das eine Reihe
von Impulsen erzeugt, die proportional der Drehung der Eingangswelle dieser Einrichtung
sind. Insbesondere kann die Codiereinrichtung vorzugsweise ein handelsüblicher,
optischer Digitalumsetzer mit hoher Genauigkeit und mit einer langlebigen Lichtquelle
und zwei Photofühlern sein. Die Codiereinrichtung hat eine Strichscheibe, die 10000
optisch wirksame Linien pro Umdrehung hat. Zwei Ausgangssignale werden vorzugsweise
erzeugt, um eine Richtungsinformation zu erhalten. Der Ausgang der Codiereinrichtung
8 kann zu Auswertungseinrichtungen 10 geleitet werden, die kleine Bruchteile von
Umdrehungsgraden anzeigen können. Alternativ kann die Information in verschiedene
Datenverarbeitungsmaschinen mit Vergleichs-und Recheneinrichtungen eingespeist werden,
so daß die die Drehung wiedergebende Information mit dem der Spindelgewindesteigung
entsprechenden Längsvorschub verglichen werden kann, wie noch beschrieben werden
wird.
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Der Längsvorschub des Schlittens wird mit einem Interferometer 11
gemessen, das auf einer Seite des Bettes 1 angeordnet ist. Das Interferometer kann
ein Gerät sein, wie es in der USA.-Patentschrift 3271 676 beschrieben wird.
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Das Interferometer erzeugt einen Strahl, der auf einen Reflektor
12 auftritt, welcher auf dem Schlitten angeordnet ist und welcher den Strahl in
das Interferometer zurückreflektiert. Das Interferometer ist vorzugsweise mit einem
Streifenzähler ausgerüstet, der automatisch die Streifen zählt und eine entsprechende
Information zu einer Auswertungseinrichtung leiten kann. Eine solche Einrichtung
wandelt die der Streifenzahl entsprechende Information in Längseinheiten, z. B.
in Zentimeter oder Inches um
und speist Anzeigegeräte oder andere
datenverarbeitende Einrichtungen oder Rechenmaschinen.
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Bei diesem besonderen Fall wird der Längsvorschub mit der Drehbewegung
verglichen, nachdem die Drehbewegung in eine der Ganghöhe des Gewindes in Längsrichtung
entsprechende Information umgewandelt worden ist. Irgendeine Veränderung der Ganghöhe
der Schraubspindel wird in Bruchteilen von 1:1 000 000 eines Zolls oder eines Zentimeters
gemessen.
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Auf dem Schlitten können ebenfalls unabhängige Betrachtungs- und
Meßeinrichtungen wie z. B. ein Mikroskop und eine Punktlichtquelle angeordnet sein,
die zusammen mit dem Interferometer verwendet werden kann, um Messungen an irgendeinem
Werkstück, das auf der Basis 1 gehalten wird, zu ermöglichen. Eine Schiene mit gerader
Bezugskante ist vorzugsweise auf dem Maschinenbett angeordnet, um verschiedene Werkstücke,
z. B. Meßklötze oder Meßblöcke oder andere Werkstücke, die genau vermessen werden
müssen, auszurichten.
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Der Meßschlitten 5 schwebt auf der Schiene 7 mit geringer Reibung,
da Luftlager vorgesehen sind, die Druckluft durch die Öffnungen auf den Seiten von
Luftlagerblöcken zuführen, die der Oberseite des Bettes 1 und den Seiten der Schiene
7 zugekehrt sind.
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Ein weiteres Paar von Lagerblöcken ist auf der andere ren Seite des
Meßschlittens vorgesehen. Der Spindelstock 3 ist fest auf dem Bett 1 angeordnet.
Die sich drehende Codiereinrichtung 8 ist auf dem Spindelstock 3 befestigt, und
der Spindelstock kann über einen Motor und einen Riemen angetrieben werden.
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Der Riemen ist mit dem Spindelstock über eine variable Geschwindigkeitstransmission
und ein einstellbares Getriebe verbunden, das so angeordnet ist, daß der Spindelstock
mit einem Knopf eingestellt werden kann.
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Der Reitstock ist in gleicher Weise auf dem Bett 1 der Maschine befestigt.
Das Laser-Interferometer ist auf einem Pult befestigt.
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Druckluft wird zu den Luftlagerblöcken 23 durch den flexiblen Schlauch
geleitet, die auf dem Meßschlitten vorgesehen sind. Einzelheiten der Luftlagerblöcke
sind aus den Fig. 4A bis 4C zu entnehmen.
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F i g. 2 zeigt eine detaillierte Ansicht des Meßschlittens, wobei
die Art der Verbindung der Mitnehmer mit der Schraubspindel veranschaulicht wird.
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Die Mitnehmer können aus Zapfen 25, 26, 27 und 28 bestehen, die in
Haltern 25', 25' usw. angeordnet sind, welche auf dem Schlitten befestigt sind.
An Stelle der Mitnehmer kann eine Mutter verwendet werden, die den Schlitten mit
der Schraubspindel verbindet. Die Mutter ist jedoch für manche Zwecke nicht genau
genug, da sie zu einer Mittelwertbildung der Abweichungen der Leitspindel über mehrere
Gewindegänge neigt. Der Reflektor 30, der dem Reflektor 12 nach F i g. 1 entspricht,
ist fest auf dem Support angeordnet und in Richtung der Achse des Laser- oder Interferometerstrahls
gerichtet.
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Durch die Luftlager 23, 23' usw. wird keine Reibungskraft auf den
Support ausgeübt, so daß die Drehung der Schraubspindel den Support, ohne irgendwelche
Kräfte auszuüben, auf der Schraubspindel angeordnet sein kann.
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Der kubische Reflektor 30 kann fest auf den Luftlagerblöcken angeordnet
sein, oder der Reflektor kann, wie in F i g. 3 dargestellt ist, auf der Füh-
rungsschiene
56 so angeordnet sein und gegen die Lagerblöcke federnd gedrückt werden, sowie mit
der Spindel mit einem eigenen Dorn 57 verbunden sein, so daß der Dorn federnd gegen
das zu vermessende Gewinde durch Federn 58 und 59 gedrückt wird.
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Der Dorn kann federnd gegen die linke Seite des Gewindes oder die
rechte Seite des Gewindes gedrückt werden, indem nur eine der Federn verwendet wird,
oder er kann gegenüber dem Gewinde zentriert werden, indem beide Federn verwendet
werden.
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In den Fig. 4A bis 4 C ist die detaillierte Konstruktion der Luftlagerblöcke
23 usw. dargestellt.
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Die Blöcke haben mehrere Öffnungen 35, 36, 37 usw., die von Versenkungen
35', 36', 37' usw. umgeben sind. Der Zweck dieser Versenkungen ist, eine ausreichende
Abhebefläche für die Trennung der sich berührenden Oberflächen des Schlittens, der
Basis und der Schienen zu erhalten. Mit anderen Worten, wenn nur eine kleine Öffnung
zur Verfügung stünde und die Oberfläche praktisch eben wäre, würde es fast unmöglich
sein, die Lagerblöcke von der Oberfläche abzuheben. Die Luftkanäle sind miteinander
verbunden, so daß ein durchschnittlicher Druck erzeugt wird.
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Die Blöcke weisen diese Öffnungen und Versenkungen auf der Unterseite
und auf einer Seite auf, und alle Öffnungen sind durch Bohrungen mit Einlaßmündungen
40, 44, 42 usw. verbunden, durch die Druckluft eingelassen wird. Die Blöcke haben
einen hohlen Mittelteil 41, um die Verbindung der Druckluft mit den Öffnungen zu
erleichtern.
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In F i g. 5 ist der Spindelstock im Schnitt dargestellt, der die
Antriebsgetriebeelemente und die e Halterung für die drehende Codiereinrichtung
8 aufweist.
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Insbesondere wird die Schraubspindel auf der Spitze der Welle 60 gehalten,
die drehbar in dem Gehäuse 61 auf Lagern 62 und 63 gelagert ist. In dem Spindelstock
ist keine Feder vorgesehen, da die gesamte Federkraft von der Feder in dem Reitstock
aufgebracht wird. Ein Antriebsgetriebe oder Getrieberad 64 ist fest auf dem sich
drehenden Teil 60 angeordnet und kann mit einer Kette oder einem Riemen oder über
ein geeignetes Getriebe angetrieben werden.
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Das Gehäuse der Codiereinrichtung 8 ist auf den stationären Teil des
Gehäuses 61 aufgespannt, und die Welle 8' der Codiereinrichtung 8 ist mit der Welle
60' gekoppelt, die mit dem sich drehenden Teil 60 verbunden ist. Entsprechende öldichte
Dichtungen 66 und 67 sind vorgesehen, so daß die Lager mit Öl geflillt werden können.
Die Lager 63 sind so ausgelegt, daß sie den Druck der Feder 53 in dem Reitstock
aufnehmen.
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Wenn die Schraubspindel sehr lang ist, z. B.
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90cm bis 1,20m, dann kann es möglich sein, daß sie infolge ihres eigenen
Gewichtes und auch infolge der durch die Feder aufgebrachten Kraft zwischen Reitstock
und Spindelstock sich durchbiegt oder durchhängt. Dieser Durchhang wird durch den
Verbindungsteil zwischen dem Schlitten und der Leitspindel verringert. Der Verbindungsteil
kann eine Mutter sein, wie in Fi g. 1 dargestellt, oder aus Dornen bestehen, wie
in Fig. 2 dargestellt, und bildet eine vertikale Unterstützung der Leitspindel.
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In F i g. 5 ist zu sehen, daß das Gehäuse 61 mit Einstellblöcken68
und 69 und einer Schraube mit Knopf 70 verstellt werden kann, so daß der Spindelstock
und der Reitstock in eine horizontale Achse eingefluchtet werden können, die parallel
zur Verschiebungsachse
des Schlittens oder Supports ist.
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Alle entsprechenden Oberflächen sind sorgfältig planiert und geschliffen,
so daß der Vorschub des Schlittens genau in horizontaler Richtung erfolgt.
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In F i g. 6 ist ein typischer Aufbau nach dieser Erfindung mit entsprechenden
Umsetz- und Rechenmaschinen dargestellt, die automatisch die Abweichung in digitaler
Form oder graphisch auf Streifen drucken. Die Codiereinrichtung 8 gibt die Information
in digitaler Form an den umkehrbaren oder reversiblen Zähler 80, der einen Anzeigeausschnitt
81 hat. Der Ausgang des Zählers 80 wird zu einer üblichen Speichereinrichtung 82
geleitet, deren Ausgang wiederum an dem Computer 83 liegt, der die digitale Information
in Zentimeter oder Zoll umrechnet. Der von dem Reflektor 12 (Fig. 1) reflektierte
Strahl wird von dem Interferometer 11 empfangen und zu einem üblichen Streifenzähler
84 geleitet, der einen Teil des Interferometers bilden und weiter einen üblichen
Anzeigeausschnitt 85 haben kann. Der Ausgang des Streifenzählers liegt an einer
Speicher-uind Registriervorrichtung 86. Die Speichervorrichtungen 82 und 86 können
gleichzeitig durch synchronisierende Einrichtungen 87 aufgerufen oder getriggert
werden. Der Ausgang der Speichervorrichtung86 liegt an einem Computer88, der Streifenzahlen
in Zoll oder Zentimeter umrechnet und der ebenfalls einen üblichen Anzeige ausschnitt
89 aufweist, welcher in Zoll oder Zentimeter abgelesen werden kann. Der Streifenzahlen
in Zoll oder Zentimeter umrechnende Computer kann eine übliche Multiplikationseinrichtung
sein, der die gewählten Streifen mit einer Konstanten multizipliert, um die Streifen
in Zoll oder Zentimeter umzurechnen. Der Multiplikationsfaktor für den Computer
43 wird durch den Schalter 83' eingestellt, der den Gewindesteigungsmultiplikationsfaktor,
wie es in gleichzeitig mit dieser Anmeldung eingereichter Anmeldung derselben Anmelderin
(O. P. 255) beschrieben wird, einsetzt.
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Der Ausgang der Computer 88 und 83 kann an einem üblichen Komparator
oder Vergleichseinrichtun 90 liegen. Der Ausgang des Komparators gibt die Abweichung
in digitaler Form an. Dieser Ausgang kann an eine Druckeinrichtung 91 gelegt werden,
die geeignet ist, die Abweichung in digitaler Form, z. B. + oder - 2,000 Mikroinch
zu drucken, wie auf dem Streifen 92 dargestellt ist. Die Druckeinrichtung 91 kann
auch die Information in digitaler Form von dem Computer 89 empfangen und den Längsvorschub
in Zoll aufdrucken, wie z. B. mit 19,000 Inches auf dem Streifen angegeben wird.
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Wenn es gewünscht wird, eine Aufzeichnung in graphischer Form zu
haben, kann der Computer 90 einen Digital-Analogcomputer 93 steuern, dessen Ausgang
an einer Kartenaufzeichnungseinri chtung 94 zum Aufdrucken einer Abweichung auf
dem Streifen 95 liegt. Alle einzelnen Elemente der oben beschriebenen Anlage können
von üblicher Bauweise sein. Die Zähler 81, 85 und 89 können übliche Anzeige abschnitte
von Röhren vom »nixie«-Typ sein. die beleuchtete Zahlen anzeigen.
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Die Anzeigeabschnitte sind vorzugsweise mit je einem Schalter ausgerüstet,
so daß ein oder mehrere Schalter, wenn es gewünscht wird, eingeschaltet werden können,
um eine Verwirrung zu vermeiden.
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Wenn gewünscht, kann der Multiplikationsfaktor des Streifenzahlen
in Zoll umrechnenden Computers mit einem kompensierenden Faktor variiert werden,
der proportional der Änderung einer oder mehrerer Größen ist, wie der Temperatur,
des Drucks, der Feuchtigkeit oder der Temperatur des zu behandelnden Teils, die
mit Korrekturcomputereinrichtungen 96 ermittelt werden.