DE2445835C2

DE2445835C2 - Meßlehre, insbesondere zum Messen des Innendurchmessers von Bohrungen

Info

Publication number: DE2445835C2
Application number: DE2445835A
Authority: DE
Inventors: Cesare Florenz Anichini
Original assignee: Finike Italiana Marposs SpA
Current assignee: Finike Italiana Marposs SpA
Priority date: 1973-10-25
Filing date: 1974-09-25
Publication date: 1985-03-07
Also published as: JPS5079352A; JPS5751601B2; FR2249311A1; CH576622A5; US3958337A; FR2249311B1; SE402351B; BR7408895D0; DE2445835A1; GB1487213A; SE7413228L; IT997160B

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßlehre, insbesondere zum Messen des Innendurchmessers von Bohrungen mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angeführten Merkmalen.

Bei einer derartigen bekannten Meßlehre (DE-AS 11 65 288) sind die Fühler mittels starrer Arme abgestützt, welche um Schwenkpunkte an einem Schuft beweglich sind. Die Auslenkung der Fühler wird über Drähte auf eine vorgespannte Platte übertragen, welche das Meßsystem betätigt. Die bekannte Anordnung weist eine Reihe von Lagerstellen und Umlenkungen auf, welche zusätzliche Reibung bedingen und die Meßgenauigkeit verschlechtern.

Auch andere bekannte Meßlehren (US-PS 36 85 158. DE-OS 21 25 033) bedienen sich schwenkbarer und gegen Federkraft beweglicher Fühler, deren Auslenkung auf ein Meßglied übertragen wird.

Beim Ausmessen kleiner Durchmesser ist es ferner schwierig, die Abmessungen entsprechend zu verkleinern, wenn die Meßlehre eine verhältnismäßig große mechanische Festigkeit und hohe Meßgenauigkeit aufweisen soll.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die Meßlehre insbesondere zum Ausmessen von kleinen Durchmessern so auszubilden, daß sie einen einfachen Aufbau, hohe mechanische Festigkeit, große Meßgenauigkeit und absolute Wiederholbarkeit der Messungen selbst nach langen Einsatz aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angeführten Merkmale gelöst.

Bei Auslenkung der Fühler verschieben sich diese in radialer Richtung und das elastische Verbindungsglied weicht dabei in axialer Richtung aus und nimmt dabei den mit dem Meßglied verbundenen Draht mit. Auf diese Weise sind alle beweglichen Lager- und Gleitstellen vermieden. Es läßt sich eine sehr kleine Bauweise /um Ausmessen von kleinen Bohrungsdurchmessern erzie· len.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sollen nun

anhand der Figuren genauer beschrieben werden. Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine Meßlehre in einer ersten Ausführungsform,

F i g. 2 eine vergrößerte Darstellung des in der F i g. 1 gezeigten Kopfes während einer Messung,

F i g. 3 einen Teilschnitt durch eine andere Ausführungsform der Meßlehre,

Fig.4 eine Darstellung zur Erläuterung der Hers'ellung mehreiui' Meßköpfe gemäß F i g. 1 und 2,

F i g. 5 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform und

F i g. 6 eine der Ausführungsform gemäß F i g. 1 vergleichbare Ausführungsform.

In der Fi g. 1 ist ein an beiden Enden mit einem Gewinde versehener Hohlzylinder 2 dargestellt, der den äußeren Rahmen des Meßkopfes der Meßlehre bildet; ein Stützrahmen 3 von im wesentlichen hohlzylindrischer Formgebung und mit Außengewinde ist in das eine Ende des Hohlzylinders 2 eingeschraubt

Zwei dünne und elastische lamellenförmige Elemente 4 und 5 sind mit zwei planen Ausnehmungen der äußeren Oberfläche des Rahmens 3 an einander diametral gegenüberliegenden Stellen verschweißt; die anderen Enden der Elemente 4 und 5 sind jeweils mit einer Fläche eines starren Bauteils 6 bzw. 7 in Form eines Parallelepipeds verschweißt, welche eine solche Länge aufweisen, daß ihre einander gegenüberliegenden Flächen dicht beieinanderstehen.

Die einander gegenüberstehenden Flächen der Bauteile 6 und 7 sind mit den zugeordneten äußeren Seiten 12 bzw. 13 Verbindungsgliedes 14 in Form eines dünnen elastischen und U-förmig gebogenen Blättchen verschweißt; durch die Elemente 4 und 5 hindurch sind in den Bauteilen 6 und 7 zwei Gewindebohrungen 15 bzw.

16 ausgebildet. In diesen Bohrungen ist jeweils ein Fühler 17 bzw. 18 befestigt. Die oberen Enden der Elemente 4 und 5 mit 20 bzw. 21 bezeichnet.

Das eine Ende eines nicht ausdehnbaren Drahtes 23 ist inittig an der Kuppe des Verbindungsgliedes 14 befestigt. Hinsichtlich der Anordnung der starren Bauteile 6 und 7. des Verbindungsgliedes 14 und des Drahtes 23 wird hiermit nachdrücklich auf die Fig. 1 verwiesen. Der im Inneren des Verbindungsgliedes 14 verlaufende und den Stützrahmen 3 durchsetzende Draht 23 trägt einen magnetischen Kern 24. In dem Hohlzylinder 2 ist ein Differentialtransformator 25 mit Hilfe zweier Halteringe 26 und 27 gehalten. In Ruhelage liegt der Kern 24 im Inneren des Differentialtransformators 25 symmetrisch zu dessen beiden Sekundärwicklungen 28 und 29. Leitungen 34 verbinden den Transformator mit einer Speise- und Erfassungseinheit 35.

Der Kern 24 ist mit Hilfe einer Feder 36 mit einem Deckel 37 mit Außengewinde verbunden, der das andere Ende des als Meßlehrenrahmen dienenden Hohlzylinders 2 verschließt. Zum Festlegen des Stützrahmens 3 und des Deckels 37 in einer bezüglich des Differentialtransformators 25 richtigen Position sind z'vei Feststellschrauben 38 und 39 vorgesehen.

Die Arbeitsweise der Meßlehre soll nun — auch anhand der F i g. 2 — näher beschrieben werden, wobei der Innendurchmesser eines Rings 40 ausgemessen werden soll, der in der F i g. 2 dargestellt ist. Wenn das obere Ende der Meßlehre (welches durch eine nicht gezeigte äußere Schutzhaube geschützt sein kann), in die auszumessende Bohrung eingeführt wird, berühren die Fühler

17 und 18 die Innenwandung der Bohrung und werden zwangsläufig einander angenähert, wobei ihre Bewegung auf die jeweils mit ihnen verbundenen starren Bauteile 6 bzw. 7 übertragen wird.

Diese Bewegung ist infolge der Flexibilität des Verbindungsgliedes 14 möglich, welches sich in Überein-Stimmung mit der Lage seiner Kuppe derart schließt, daß die starren Bauteile 6 und 7 im wesentlichen um die Achse 22 verschwenken, welche sich durch den Mittenabschnitt des Verbindungsgliedes erstreckt. In der Endstellung (nach Einführen in das Werkstück) sind die beiden Bauteile 6 und 7 nicht mehr miteinander ausgefluchtet, sondern das eine ist gegenüber dem anderen um einen bestimmten Winkel verschwenkt worden. Die Elemente 4 und 5 sind in der in der F i g. 2 gezeigten Weise gebogen worden.

Es ist klar, daß alle Versetzungen und Verformungen in der F i g. 2 aus Gründen einer klareren Darstellung vergrößert dargestellt sind; tatsächlich sind diese aber sehr klein. Auch die die Verbindung zu den Bauteilen 6 und 7 aufweisenden Verbindungsabschnitte der EIemente 4 und 5 bewegen sich und verschwenken um kleine Beträge, daß wegen der relativ großen Länge der Elemente der Abstand a in der F i g. 2 im wesentlichen unverändert bleibt.

Wie aus der F i g. 2 ablesbar ist. führt die Annäherung der Fühler 17 und 18 zu einer nach außen gerichteten Versetzung der Kuppe des Blättchens 14 und damit zu einer entsprechenden Verschiebung der Achse 22 und des Drahtes 23, welcher an dem Verbindungsglied genau in dem die Achse enthaltenden Abschnitt befestigt ist. Auch der an dem Draht 23 befestigte Kern 24 wird verschoben und führt zu einer Änderung der Ausgangsspannung des Differentialtransformators 25; diese Änderung wird von der Einheit 35 erfaßt.
Von einem theoretischen Standpunkt aus gesehen.

könnte natürlich auch ein an einem Ende mit dem Verbindungsglied 14 verbundener Stab genauso gut eingesetzt werden, der in einer an dem Hohlzylinder 2 befestigten Hülse 2 gleiten kann und den Kern 24 in der gewünschten Höhe trägt.

Das Verhältnis zwischen der Verschiebung der Fühler

17 und 18 und der Bewegung des Drahtes 23 hängt von den Werten der Größen b, b' und c ab, die in der F i g. 1 definiert sind. Ein derartiges Verhältnis kann in dem üblichen Meßbereich der Meßleh re als konstant, angeje-

« hen werden. Zwischen der Bewegung der Fühler 17 und

18 und der Bewegung des Drahtes 23 ist daher eine lineare Abhängigkeit gegeben. Insbesondere kann ein Verhältnis, d. h. ein Verstärkungskoeffizient, vom Werte 1 erreicht werden, wenn b - b' = V₂ ■ c gesetzt wird.

in dieser Weise führt eine bestimmte Änderung des gemessenen Durchmessers zu einer gleichen Verschiebung des Drahtes.

Einige zahlenmäßige Beispiele können zum Verständnis des hinsichtlich der tatsächlichen Bewegungen der verschiedenen Elemente des beweglichen Meßsystems Gesagten nützlich sein. Auch soll dabei die Frage des Linearitätsfehlers berücksichtigt werden.

Bei einem Meßkopf sollen die in den Fig. 1 und 2 definierten Größen a, b, b' und c die folgenden Werte

bo aufweisen:

a = 8 mm; b = b' = 2 mm; c = 4 mm.

Für die Ausmessung eines Durchmessers, der um ΔΦ = 48 μ kleiner ist als die Entfernung der beiden Fühler 17 und 18 in der Ruhestellung des Meßsystems.

beträgt die berechnete Verschiebung der Achse 22, an der der Draht 23 befestigt ist, 47 μ. Somit beträgt der

Linearitätsfehler ungefähr 2%.

Wenn der Unterschied ΔΦ — 24 μ beträgt, wird der Draht um 23,75 μ angehoben, so daß der Linearitätsfehler nur noch 0,25 μ beträgt, d. h. ungefähr 1%. Wenn die Differenz ΔΦ noch kleiner ist, erniedrigt sich der Linearitätsfehler entsprechend; bei einer Differenz von ΔΦ = 15 μ ist er kleiner als 0,1 μ, was ganz unbedeutend ist.

Es ergibt sich somit die Schlußfolgerung; der Linearitätsfehler, der stets negativ ist, wächst in seinem absoluten Wert in einem quadratischen Verhältnis bezüglich der Differenz ΔΦ und für ΔΦ in der Größenordnung einiger Zehntel μ kann der Linearitätsfehler außer Betracht bleiben. Daher kann im allgemeinen ein linearer Meßwandler zur Bestimmung der Abmaße der Werkstücke eingesetzt werden. Sollte in besonderen Fällen die Differenz ΔΦ besonders groß sein, kann der Linearitätsfehler mit Hilfe bekannter Systeme kompensiert werden.

In der F i g. 3 ist eine andere Möglichkeit für die Verbindung der beiden starren Bauteile 6 und 7 aufgezeigt: anstelle des U-förmig gebogenen Verbindungsgliedes 14 wird ein Verbindungsglied in Form eines planen Blättchens 50 verwendet, das mit den Außenflächen der Bauteile 6 und 7 symmetrisch verschweißt ist. Die Arbeitsweise ist die gleiche, wie bei der Ausführungsform gemäß den F i g. 1 und 2, da der einzige Abschnitt des Verbindungsgliedes 50, welcher — wie in dem Meßkopf gemäß F i g. 1 — gebogen werden kann, der mittige Abschnitt zwischen den beiden verschweißten Abschnitten ist.

Die bisher beschriebenen Ausführungsformen sind ziemlich gleichwertig und die Gründe für die Auswahl der einen oder anderen Ausführungsform hängen insbesondere von der Leichtigkeit der Konstruktion ab. Zum Beispiel zur Herstellung von Meßsystemen der in der F i g. 1 gezeigten Bauart zwei Stangen 55 und 56 und ein Blättchen 57 von beachtlicher Länge benutzt werden. Das Blättchen 57 wird zunächst bleibend verformt, indem es über einen dünnen Kern 58 gebogen wird; das Blättchen 57 wird dann mit den beiden Stangen mit Hilfe einer Ofenschweißung verschweißt, so daß die in der F i g. 4 gezeigte Baugruppe erhalten wird. Danach werden die Stangen 55 und 56 und das Blättchen 57 längs der in der F i g. 4 gestrichelt dargestellten Linien zerschnitten und man erhält eine bestimmte Anzahl von Baugruppen, die aus den bereits mit dem zugeordneten Verbindungsglied 14 verschweißten starren Bauteilen 6 und 7 bestehen und alle die gleichen physikalischen und geometrischen Charakteristiken aufweisen.

!n der F i g. 5 ist eine Meßlehre dargestellt bei der die Kuppe des Verbindungsgliedes 14 nach innen und nicht nach außen gewandt ist, wie dies bei der Ausführungsform gemäß den F i g. 1 und 2 der Fall war. Bei dieser Ausführungsform führt das Annähern der beiden Fühler 17 und 18 aus ihrer Ruhestellung heraus zu einer Verschiebung der Kuppe des Blättchens nach innen anstelle einer nach außen gerichteten Verschiebung. Das gleiche Ergebnis wird bei der Meßlehre gemäß F i g. 3 erzielt, wenn das Verbindungsglied 50 auf die Flächen der star- μ ren Bauteile 6 und 7 aufgeschweißt wird, die dem Inneren des Meßkopfes zugewandt sind. Bei der in der F i g. 5 gezeigten Ausführungsform sind zwei Stangen 62 und 63 jeweils auf eines der sich vertikal erstreckenden Elemente 4 und 5 aufgeschweißt, um diese mit Ausnähme zweier Bereiche 64 und 65 bzw. 66 und 67 starr zu machen, so daß das Element 4 nur in den Bereichen 64 und 65 und das Element 5 nur in den Bereichen 66 und 67 sich frei biegen kann. Die Bereiche 64 und 66 erstrecken sich nahe den Berührzonen zwischen den unteren äußeren Kanten 68 und 69 der Bauteile 6 bzw. 7 und den Elementen 4 bzw. 5. Auf diese Weise erhält die bewegliche Meßlehre eine größere Festigkeit gegenüber axialen Stoßen und wirkt als eine Art von gegliederten Parallelogramm-, bei dem die Seiten gegeneinander verschiebbar und um die fünf Abschnitte verschwenkbar sind, in denen die Elemente 4,5 und 14 nicht mit anderen Bauteilen verschweißt sind. Natürlich können auch die Elemente 4 und 5 von einem theoretischen Gesichtspunkt aus — wie es bereits im Zusammenhang mit dem Verbindungsglied 14 vorstehend erörtert worden ist — durch starre Arme ersetzt werden, deren Enden mit Hilfe von Scharnieren am Stützrahmen 3 und den starren Bauteilen 6 und 7 angelenkt werden. In diesem Falle muß die für die Rückstellung des Meßsystems in seine Ruhelage nach jeder Messung erforderliche Kraft von Rückholfedern aufgebracht werden. Diese Rückstellkraft, die auch die Fühler gegen die Flächen des auszumessenden Werkstückes drückt, wird in den anderen Fällen von der bei der Biegung der Elemente 4, 5,14 in diesen gespeicherten elastischen Energie aufgebracht.

Wie aus der F i g. 1 ersichtlich ist, bestehen die Fühler 17 und 18 im wesentlichen aus mit einem Gewinde versehenen Bolzenabschnitten, an denen die eigentlichen Fühler von kugeliger Formgebung befestigt sind. Die Gewindebolzen sind in die Bohrungen 15 und 16 in den Bauteilen 6 bzw. 7 eingeschraubt. Durch Änderung der Länge der Schraubbolzen bzw. durch Einschrauben oder Ausschrauben und mit geeigneter Sicherung derselben kann der Meßbereich der Meßlehre vergrößert werden.

Bei den Meßlehren gemäß den Fi g. 1, 2 und 3 ist es ratsam, in den innen liegenden Enden des Verbindungsgliedes 14 und/oder in den Bauteilen 6 und 7 in Übereinstimmung mit der Lage des Drahtes 23 Nuten vorzusehen, damit sichergestellt ist, daß beim Annähern der Fühler der Draht 23 nicht von dem Verbindungsglied 14 oder den starren Bauteilen 6 und 7 erfaßt wird, wodurch er möglicherweise abgeschnitten wird oder wodurch es möglicherweise zu einer unrichtigen Messung kommt. In den F i g. 1 bis 3 sind entsprechende Nuten 48 und 49 dargestellt.

Auf diese Weise können die freien Kanten des Verbindungsgliedes 14 oder der Bauteile 6 und 7 als Anschläge wirken, die auf diese Weise die maximale Biegung des Verbindungsgliedes 14 bestimmen, so daß stets eine Biegung im Bereich elastischer Deformation vorhanden ist.

Bei der in der Fig.6 gezeigten Ausführungsform weist das Verbindungsglied eine im wesentlichen V-Form mit einer öse auf, welche der Teil des Blättchens ist, der gebogen werden kann.

Die einander gegenüberstehenden Flächen der Bauteile 6 und 7 sind schräg ausgebildet, so daß bei Annäherung der beiden Bauteile 6 und 7 bis zur Berührung der einander gegenüberstehenden Seiten des Verbindungsgliedes die Berührung über die gesamten Innenflächen des Verbindungsgliedes erfolgt und nicht nur längs der unteren Kanten. In der Fig.7 ist ebenfalls dargestellt, daß der Draht 23 sich durch ein Loch 80 erstreckt, das in einer Seite des Verbindungsgliedes 14 ausgebildet ist. Das sich durch das Loch 80 erstreckende Ende des Drahtes ist mit der Außenfläche des starren Bauteils 6 verschweißt Auch in diesem Falle unterliegt der Draht denselben Verschiebungen wie die die Achse der relaii-

ven Schwenkbewegung zwischen den beiden Bauteilen 6 und 7, deren Achse in der F i g. 6 mit 81 bezeichnet ist. In der Tat liegt die Biegung 82 des Drahtes 23 auf demselben ösendurchmesser, auf dem die Achse 81 liegt. Und wegen der kleinen Drehungen, denen die öse ausgesetzt ist, kann die Änderung des Durchmessers bezüglich der anderen Verschiebungen gänzlich vernachlässigt werden. Bei dieser Ausführungsform kann eine bestimmte Länge des Drahtendes verschweißt werden, und darüber hinaus ist der keinem Biegemoment ausgesetzte Schweißbereich weniger beansprucht. Die Ösenform stellt weiterhin sicher, daß die Biegung das Blättchen niemals einen solchen Wert erreicht, der zu einer bleibenden Deformation führt.

Es ist klar, daß bei der Ausführungsform gemäS F i g. 5 und in der nur beschriebenen Variante der Ausführungsform gemäß F i g. 3 die Nuten 48 und 49 nutzlos sind, da die Kanten des Verbindungsgliedes 14 oder der Bauteile 6 und 7 außerhalb des Meßkopfes ohnehin die Bewegung begrenzen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

!. Meßlehre, insbesondere zum Messen des Innendurchmessers von Bohrungen, bestehend aus zwei am Gehäuse einander gegenüberliegend angeordneten, beweglichen Fühlern, die im wesentlichen in radialer Richtung der Meßlehre aufeinander zu und voneinander weg bewegbar sind, elastischen das Werkstück andrückbar sind und an denen Übertragungsglieder befestigt sind, welche die radiale Bewegung der Fühler auf ein in Achsrichtung der Lehre bewegliches Meßglied eines Wandlers übertragen, in dem ein der Auslenkung der Fühler entsprechendes elektrisches Signal erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühler (17, 18) an den elastisch beweglichen freien Enden zweier am Gehäuse befestigter länglichei· Elemente (4,5) befestigt sind, daß die Fühler durch zwei jeweils am freien Ende der Elemente befestigte starre Bauteile (6, 7) und durch ein die starren Bauteile verbindendes, elastisch verformbares Verbindungsglied (14, 50) miteinander verbunden sind und der bei Auslenkung der Fühler ein im wesentlichen axiale Bewegung ausführende Abschnitt (Achse 22) des Verbindungsgliedes (14, 50) mit dem Meßglied (24) verbunden ist.
2. Meßlehre nach Anspruch 1, mit einem Differentialtransformator als Wandler, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt (Achse 22) des Verbindungsgliedes (14,50) mit dem beweglichen Kern (24) des Differentialtransformators (25) über einen in Achsrichtung der Lehre verlaufenden Draht (23) verbunden ist, der durch eine zwischen dem Kern und dem Gehäuse vorgesehene Feder (36) gespannt wird.
3. Meßlehre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsglied von einem dünnen elastischen Blättchen (14) gebildet ist, das im wesentlichen U-förmig oder V-förmig gebogen ist und dessen äußere Flächen mit zugeordneten Flächen der die Fühler aufnehmenden starren Bauteile (6,7) verschweißt sind.
4. Meßlehre nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich das gebogene Blättchen (14) nach innen in Richtung auf den Draht hin öffnet, wobei die Auslenkung der Fühler (17, 18) aus der Ruhelage aufeinander zu eine nach außen gerichtete Bewegung des Verbindungsgliedes hervorruft.
5. Meßlehre nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich das gebogene Blättchen nach außen öffnet, wobei die Auslenkung der Fühler (17,18) aus ihrer Ruhelage aufeinander zu eine nach innen gerichtete Verschiebung des Verbindungsgliedes hervorruft.
6. Meßlehre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsglied von einem dünnen planen elastischen Blättchen (50) aufgebaut ist, dessen eine Fläche symmetrisch mit Flächen der die Fühler aufnehmenden starren Bauteile (6,7) verschweißt ist.
7. Meßlehre nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beweglichen Elemente (4, 5) von zwei elastischen Blättchen gebildet sind, die an einem Ende mit dem Gehäuse (3) an einander diametral gegenüber liegenden Stellen und mit ihrem anderen Ende mit einer Fläche des zugeordneten starren Bauteils (6,7) verschweißt sind.
8. Meßlehre nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühler (17, 18) von den elastisch verformbaren Blättchen an das Werkstück andrückbar sind.
9. Meßlehre nach einem eier Ansprüche 1 bis 8. dadurch gekennzeichnet, daß die starren Bauteile (6. 7) und das Verbindungsglied (14) einander gegenüberstehende Flächen aufweisen, die bei ihrer Berührung als Bewegungsbegrenzungseinrich Hingen dienen.
10. Meß'.ehre nach einem der Ansprüche 2 und ¹^. dadurch gekennzeichnet, daß auf den einander gegenüberstehenden Flächen, die während des Meßvorganges in Berührung kommen können. Nuten (48,49) für die Aufnahme des Drahtes (23) vorgesehen sind.
11. Meßlehre nach Anspruch 2 und 3 oder 4. dadurch gekennzeichnet, daß der Steg des Verbindungsgliedes (14) ösenartig ausgebildet ist. daß die öse wenigstens ein seitliches Loch für den Durchtritt des Drahtes (23) aufweist und daß das durch das Loch (80) geführte Ende des Drahtes an wenigstens einem der starren Bauteile (6,7) befestigt ist.