DE2535347A1

DE2535347A1 - Verfahren zum messen von zylindrisch gestalteten flaechen

Info

Publication number: DE2535347A1
Application number: DE19752535347
Authority: DE
Inventors: David Garratt; Graham John Siddall
Original assignee: Rank Organization Ltd
Current assignee: Rank Taylor Hobson Ltd
Priority date: 1974-08-07
Filing date: 1975-08-07
Publication date: 1976-02-26
Also published as: FR2281555A1; JPS5141545A; FR2281555B1; IT1041467B; GB1479621A; DE2535347C2; US4080741A; JPS5944568B2

Description

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The Rank Organisation Limited, Killbank Tower, Millbank, London, S.V/.l. England

Verfahren zum Messen von zylindrisch gestalteten Flächen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren 3ur Bestimmung des Radius von zylindrischen Flächen, das vorzugsweise dort angewendet wird, v/o mit Spindel-Abtastinstrumenten Oberflächen messungen vorgenommen werden wie etwa mit Keßvorrichtungen zur Messung der Rundheit oder Oberflächenform - Meßvorrichtungen \^ron der Art, bei welchen ein Prüfling auf einem Tisch ruht und ein Taster darüber hinfährt, wobei der Prüfling und der Taster um eine feste Bezugsachse gegenseitig drehbar sind.

Bei derartigen Meßeinrichtungen kann der Tisch fest sein bezüglich eines Maschinenbettes, und der Taster kann um die Bezugsachse drehbar sein, es ist aber auch möglich, den Taster fest und den Tisch um die Bezugsachse dreh- oder schwenkbar anzubringen. Es ist bekannt, den Werkstücktisch einer derartigen Meßeinrichtung mit einem geradlinig fahrbaren Schlitten auszustatten, der durch einen dosierbar verstellenden Mechanismus schrittweise verstellt werden kann, und die Verlagerung bezüglich der Bezugslage kann dann gemessen werden. Meßvorrichtungen zum Messen der Rundheit oder der öberflächenform, die einen derartigen geradlinig verstellbaren Schlitten enthalten, der auf einem Werkstücktisch getragen wird, v/erden im nachfolgenden als die hier zu beschreibenden Meßeinrichtungen bezeichnet.

Um den Radius eines Prüflings mit größerer Genauig- ·

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keit durch Vergleichstechniken zu bestimmen, ist es erforderlich, einen Vergleichskörper zu verwenden, der bei vorgegebenen Temperaturbedingungen einen exakt bekannten Radius hat. Dres ist nötig, weil der Taster des Oberflächen-Meßinstruments nur einen begrenzten Bewegungsspielraum hat, und deshalb muß die Radiallage des Tasters zunächst auf einen bekannten Wert voreingestellt werden, und dieser bekannte Wert v/ird dann dem vom Taster abgegebenen Ausgangssignal hinzuaddiert, woraus dann der tatsächliche Radius des Prüflings bestimmt wird. Da der Taster nur eine sehr begrenzte Bewegung durchführen kann, v/ar es für die Bestimmung der Radien von Prüflingen verschiedenster Größen erforderlich, zahlreiche unterschiedliche Bezugskörper zur Verfügung zu haben, die sich untereinander um jeweils etwas weniger als den gesamten Taststellbereich des Tasters unterschieden.

Derartige Rundheits-Keßeinrichtungen werden während der Fabrikation in der laufenden Überwachung häufig eingesetzt, wenn in einem Herstellungsprozeß Gegenstände erzeugt werden sollen, bei denen sehr enge Toleranzgrenzen eingehalten v/erden müssen. Bei derartigen Hochpräzisionsprozessen haben die Instrumente häufig lange Betriebszeiten mit einem einzigen Bezugskörper durchzuführen, so daß die Forderung nach einer großen Zahl von Bezugskörpern gar nicht vorhanden ist. Für allgemeinere Anwendung jedoch ist es von erhebliehen Vorteil, eine große Anzahl von Bezugskörpern bereit zu haben, und deswegen wird ein Verfahren benötigt, mit Hilfe dessen die Radialabstände des Tasters von der Bezugsachse eingestellt werden können, um den Radius eines Prüflings dann feststellen zu können,» der beliebige Größe hat, ohne daß ein Bezugskörper von nahezu denselben Abmessungen dafür vorhanden sein muß. Dies kann nicht einfach dadurch erzielt v/erden, daß eine entsprechend unterteilte!Skala auf dem Schlitten für den Taster vorgesehen wird, denn die Genauigkeit, mit der die Bestimmungen vorgenommen werden sollen, läßt einen Fehler von mehr als o,o5 nun nicht zu.

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Das erfindersgemäße Verfahren zum Einstellen des Tasters eines Instrumentes der vorstehend beschriebenen Art auf eine ausgewählte Radialstellung enthält folgende Schritte: Auf dem Tisch wird ein Bezugokörper mit einer zylindrischen oder wenigstens zu einem Teil zylindrischen Oberfläche aufgesetzt und dieser Bezugskörper auf dem Tisch zentriert, der Schlitten wird dann eingestellt, so daß sich der Bezugskörper um einen ausgewählten Radialabstand bewegt; die Radialstellung des Tasters wird so verstellt, bis er die Oberfläche des Bezugskörpers berührt, und danach wird der Bezugskörper oder der Taster um einen begrenzten Bereich hin und her bewegt, um die relative Winkellage des Tasters und des Bezugskörpers bezogen auf den Drehpunkt des Tasterausgangssignals festzulegen; und schließlich wird die Radialstellung des Tasters eingestellt mit Hilfe einer gegenseitigen Hin- und Herbewegung zwischen Taster und Bezugskörper, um damit den Wert des Tasterausgangs am Drehpunkt auf einen gewählten viert einzustellen.

Meßinstrumente der hier beschriebenen Art können Verstelleinrichtungen für den Schlitten von bekannter Ausführung haben, z.B. einen Meßklotz, Gleitblöcke oder Mikrometerköpfe. Die Einstellschraube kann auch mit Verbindung mit einem Analogoder DigitalVerschiebewandler verbunden sein.

Durch Einstellen des Tasters in eine bestimmte Stellung bezüglich des Bezugskörpers ist es möglich, den Radialabstand-auf Grund der Tatsache zu bestimmen, daß der Bezugskörper sehr genau zur Bezugsachse zentriert werden kann. Der gewählte Abstand, um welchen der Schlitten bewegt wird, muß dann den bekannten Radius des Bezugskörpers berücksichtigen, wenn die selbe gekrümmte Fläche des Bezugskörpers verwendet wird, um genau die gewählte Stellung für den Taster zu verwenden. Das Verfahren kann auch mit einem geschlossenen, halbzylinderförmigen Bezugskörper durchgeführt werden, dessen Kurvenfläche zur Bezugsachse zentriert wird, wobei der Taster dann auf der gekrümmten Zylinderfläche auf-

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Iiegt und bis zur Berührungskante mit der ebenen Fläche des Bezugskörpers geführt wird, bevor die Einstellung vorgenommen wird, damit der Taster mit dem Bezugskörper in dieser bestimmten Lage zur Berührung gebracht wird. Unter der Vorraussetzung, daß der Berührungflmittelpunkt für die Bogenfläche des Halbylinderkörpers in der ebenen Fläche des Körpers liegt, stellt die gesamte Bewegung, die mit dem Stellmechanismus ausgeführt werden muß, um den Taster von einer Stellung in Berührung mit der ebenen Fläche des Bezugskörpers, der auf der Bezugsachse zentriert ist, in die Stellung zu bewegen, wo er in Berührung mit der ebenen Fläche an der ausgewählten Stelle ist, die gesamte Radialbewegung des Tasters dar.

Wenn vorzugsweise die in der Einleitung beschriebene Meßvorrichtung eine Einrichtung aufweist, um die Ausgangsgröße des Tasters auf einem Koordinatenpapier darzustellen, dann bewirken die weiteren Einstellungen am Ausgang des Tasters, daß die Aufzeichnungsfeder in eine bestimmte Stellung bewegt wird. Die Darstellung auf dem Aufzeichnungspapier läßt das Minimum im Wert des Tasterausgangssignals für die Bedienungsperson leicht erkennen, so daß die Stellung des Tasters dann so gewählt werden kann, daß dieses Minimum auf einer bestimmten ausgewählten Stelle des Aufzeichnungsstreifens· liegt.

Die Erfindung umfaßt außerdem ein Verfahren, mit dem der tatsächliche mittlere Radius eines Prüflings bestimmt werden kann, dessen Nennradius bekannt ist, in dein unter Verwendung eines Meßinstruments der Eingangs beschriebenen Art zunächst einmal der radiale Abstand des Tasters mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren auf den Nennradius eingestellt wird, dann der Bezugskörper durch den Prüfling ersetzt wird, der Taster auf den Prüfling aufgesetzt wird und die Differenz zwischen dem Wert des Ausgangssignals des Tasters, während des Übergangs von dem gewählten Wert

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bestimmt wird, was eine Anzeige für den tatsächlichen Viert des Radius des Prüflings ergibt.

Statt einer genauen Zentrierung des Bezugskörpers kann dieser auch nur grob zentriert v/erden, v/enn ein elektronischer Computer eingesetzt wird, den den Radius aus den kleinsten Quadraten des Bezugskreises vom Ausgangssignal des Tasters berechnet, v/enn der Taster um den nur grob zentrierten Bezugskörper herumgeführt wird. Diese Information wird dann gespeichert, und zur Verschiebung des V.'erktisches bei der radialen Einstellung des Tasters addiert bzw.'von dieser subtrahiert. Derartige Computerschaltungen können beispielsweise der britischen Patentanmeldung 36725/74 entnommen v/erden.

Um die Verschiebung des Tasterausgangs unmittelbar zu beobachten und damit den Drehpunkt zu bestimmen, können elektronische Fühler oder dergleichen verwendet werden. Auch derartige Schaltungsanordnungen können der vorstehend genannten britischen Patentanmeldung entnommen werden.

An Ausführungsbeispielen soll die Erfindung nun in Verbindung mit den Darstellungen der Zeichnung im einzelnen nochmals beschrieben werden. Es zeigen:

Fig. 1: eine Draufsicht auf ein bekanntes Meßinstrument zur Feststellung der Rundheit:

Fig. 2: eine Seitenansicht des Instrumentes aus Fig. 1 mit einem abweichend gestalteten Tasterträger;

Fig. 3: eine Schemazeichnung, an der der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung von Bezugskörpern mit halbzylindrischer Gestalt dargestellt wird;

Fig. 4: eine .Schemazeichnung zur Darstellung des Ablaufes des Verfahrens bei Verwendung von vollzylindrischen Bezugskörpern.

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In der Pig. 1 ist eine Meßvorrichtung zur Kessung der Rundheit von Körpern dargestellt, die ein Bett(1) aufweist, das einen Drehtisch^ (2 a) trägt, auf dem wiederum ein Tisch (2b) befestigt ist, der in x- j- Koordinatenrichtung verstellbar ist. Der Tisch (2b) trägt eine nicht speziell dargestellte Aufwandvoi^richtung für V/erkstücke (4 bzw. 5) in den Figuren 1 und 2. Der Drehtisch (2 a) kann um die Achse (A-A) gedreht v/erden, die die Bezugsachse der Meßeinrichtung darstellt, und der Tisch (2 a) ist über eine begrenzte Strecke in zwei zueinander senkrechten Richtungen mit Hilfe von Drehknöpfen (14 a und 15 a) verstellbar. Der in x- y- Koordinatenrichtung verstellbare Tisch ist über einen größeren Bereich verschiebbar, wobei seine Bewegung dann durch geeignete Linearmeßanzeigevorrichtungen (nicht gezeigt) abgelesen werden können, wobei zur Verstellung die Einstellknöpfe (14 b und 15 b) dienen.

Außerdem erhebt sich auf dem Bett (1) eine senkrechte Säule (3), die vertikal verstellbar einen Schlitten (12) trägt, an der ein im wesentlichen horizontal verlaufender Tastertragarm (8) sitzt mit einer Klemme (7) an seinem freien Ende, von der ein Taster (6) mit Tastnadelspitze (11) absteht. Die Klemme (7) kann in eine von zwei Richtungen eingestellt werden, so daß der Taster (6) entweder horizontal wie in Pig. 1 oder vertikal wie in Figl 2 steht. Die Anordnung nach Fig. 1 ist vorzugsweise für das Abtasten von Außenflächen zylindrischer Körper, die Anordnung gemäß Fig. 2 vorzugsweise für Messung und Abtastung von Innenflächen hohlzylindrischer Körper geeignet.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nun wird ein Bezugskörper von halbzylindrischer Gestalt (16) auf den Koordinatentisch (2 b) aufgesetzt, und dre Tastnadelspitze (11) des Tasters (6) wird auf die gekrümmte Fläche des Bezugskörpers aufgesetzt. Der Tisch wird dann um die Bezugsachse(A-A) gedreht, und mit Hilfe der Stellkniiipfe (14 a, 15 a) werden Einstellungen vorgenommen, um den Bezugskörper bezüglich der Achse (A-A) zu zentrieren, d.h. seine seitliche Lage einzustellen in die Ebene des Tisches (2), bis der Ausgangswert des Tasters (6) konstant bleibt oder doch, in/praktisch möglichem

Maße nahezu konstant "bleibt. Wenn der Tasterausgang auf einem Registrierstreifen mit linearer Teilung dargestellt wird, ergibt er in diesem Fall eine Mirade, bei Darstellung auf PoIa^-- koordinaten müßte ein perfekter Halbkreis entstehen konzentrisch zu einem der auf dem Registrierpapier vorgedruckten Kreise. Ist der Bezugckörper dann zur Bezugsachse (A-A) zentriert, können zur Fortführung des Verfahrens zwei Schritte durchgeführt v/erden. Diese zwei Schritte sind in den Figuren 3 und 4 dargestellt. In der Fig. 3 wird die Tastnadelspitze (11) aus ihrer Anfangsstellung, in der sie an der gekrümmten Fläche des Bezugskörpers (16) anliegt, herausbewegt, und der Bezugskörper (16) wird auf geradliniger Bahn durch Betätigen des Stellknopfes (14 b) ebenfalls verschoben in einer Radialrichtung bezüglich der Bezugsachse der Meßeinrichtung. Die benötigte Verstellung des Stellmechanisiiius durch den Drehknopf (14 b) wird aufgezeichnet (Anfangs- und Endstellungen), und die Tastnadelspitze (11) wird mit der ebenen Fläche des Bezugskörpers (16) in Berührung gebracht.

Der Tisch (2 a) wirddann über einen begrenzten Bereich zu beiden Seiten der Mittelstellung in einer Schwenkbewegung bewegt, wobei die Ausgangssignale des Tasters (6) aufgezeichnet werden. Wenn die Tastnadelspitze (11) den Punkt.in der ebenen Fläche des Bezugskörpers (16) überfährt, in dem der Krümmungsmittelpunkt der gekrümmten Fläche liegt, erreicht das Ausgangssignal einen Wendepunkt. Wenn der Körper gemäß der Darstellung in Fig. 3 von einer mit gestrichelten Linien dargestellten Stellung in die voll ausgezogene Stellung verschoben wurde, dann erzeugt der- Taster (11) den geringst möglichen Wendepunkt, da der Körper nur in dieser Hittelstellung berührt wird. Die Radialstellung des Tasters (6) wird solange eingestellt, bis der Wendepunkt durch relative Winkelverdrehung über einen bestimmten Bereich an einer bestimmten Registrierstreifenstellung ermittelt ist (bei Verwendung eines Bezugskörpers von halbzylindrischer Gestalt ist die einzige Forderung beim Zentrieren auf der gekrümmten Fläche, daß das Ausgangssignal praktisch konstant ist. Es ist nicht erforderlich, für den Ausgang des Aufzeichnungsgerätes eine bestimmte Lage auf dem Registrierstreifen festzulegen.) Der Bezugskörper wird dann ohne Veränderung der Einstellung der Radialstellung des

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Tasters (6) oder der elektrischen Einstellung des Tasterauogangs, wenn eine solche vorhanden ist, weggenommen und ein Prüfling auf den Tisch (2) aufgesetzt, der dann in bekannter V/eise zentriert wird. Da der radiale Abstand des Tasters von der Bezugsachse (A-A) festgelegt ist, muß das Zentrieren mit Hilfe der Einstellknöpfe (14 a und 15 a) des Drehtisches (2 a) erfolgen, bis der Ausgang des Tasters (6) im wesentlichen konstant ist und auf der gewählten Registrierstreifenstellung liegt, die beim Einstellen auf den Bezugskörper verwendet wurde während eines gesamten Vorschubs des Tasters mit dem Bezugskörper.

Das beschriebene Verfahren eignet sich für das Einstellen der Meßvorrichtung zum Messen von Innenradien. Zur Bestimmung des Radius eines konvexen Körpers ist es lediglich nötig, den Bezugskörper in der entgegengesetzten Richtung zu verstellen als Fig. 3. Das Ausgangssignal des Tasters (6) wird unter diesen Verhältnissen'dann einen Wendepunkt in der entgegengesetzten Richtung erzeugen.

Es ist auch möglich, statt des halbzylindrisch gestalteten Bezugskörpers einen zylindrischen Bezugskörper zu verwenden bei im wesentlichen demselben Verfahren. Dies hat Vorteile darin, daß zylindrische Bezugskörper leichter hergestellt werden können als Bezugskörper mit halbzylindrische-r Gestalt. Fig. 4 läßt erkennen, daß der Bezugskörper zunächst auf der Achse (A-A) mit Hilfe der Abtastnadelspitze (11) des Tasters (6) auf dessen Oberfläche zentriert und dann um die Strecke (R) verschoben wird, die der erforderlichen Einstellung entspricht, wobei berücksichtigt wird ^ der Durchmesser des Bezugskörpers, und die Tastnadelspitze wird dann erneut gegen die Oberfläche des Bezugskörpers gesetzt, so daß weitere Einstellungen am Taster vorgenommen werden können, so daß die Stellung des Zeichenstiftes auf dem Aufzeichnungsstreifen am Wendepunkt dieselbe ist, wie sie beim Zentrieren des Bezugskörpers war. Es ist damit sichergestellt, daß der Taster-genau um dieselbe Strecke verschoben wurde wie der

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Arbeitstisch, so daß die Verschiebung des Tasters mit derselben Genauigkeit festgestellt werden kann v/ie die des Arbeitstisches.

Die Durchführung des Verfahrens mit einem Bezugskörper von halbzylindrischer Gestalt hat den Vorteil, daß es nicht nötig ist, den Radius des Bezugskörpers zu kennen; es besteht nur die geometrische Forderung, daß die gekrümmte Fläche hinreichend genau.ist und sich die Krümmungsachse in der ebenen Fläche befindet.

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Claims

25353A7

Patentansprüche

Iy) Verfahren zum Einstellen des Tasters einer den Durchmesser von Gegenständen feststellenden Präzisionsmeßeinrichtung auf eine ausgewählte Radieneinstellung, gekennzeich.net durch folgenden Schrittablauf: Auf dem Aufspanntisch der Meßvorrichtung wird ein Bezugsmeßkörper mit zylindrischer oder teilzylindrischer Überfläche angeordnet; der Bezugsmeßkörper wird auf dem Aufspanntisch durch Überstreichen der gekrümmten Fläche mit dem Taster in der V/eise zentriert, daß die Stellung des Arbeitstisches solange verstellt wird, bis die Ausgangsgröße des Tasters pi-aktisch konstant einen bestimmten V/ert einhält; der Schlitten des Aufspanntisches wird mit dem Bezugskörper um eine bestimmte Distanz verschoben; die Radialstellung des Tasters wird so einjustiert, daß er die Oberfläche des Bezugskörpers gerade berührt; der Bezugskörper oder der Taster v/erden hin und her verschwenkt über einen begrenzten Bereich, womit eine relative Winkellage des Tasters zum Bezugskörper bezüglich eines Wendepunktes des Tasterausgangssignals erhalten wird; die Radialstellung des Tasters wird unter fortgesetzter hin- und hergehender Relativbewegung zwischen Taster und Bezugskörper so eingestellt, daß der Wert des Tasterausgangssignals im Wendepunkt inen bestimmten Betrag annimmt.
2.) Das Verfahren· nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der bestimmte Betrag des Tasterausgangssignals im Wendepunkt der feste V/ert des Tasterausgangs beim Zentrieren des Bezugskörpers ist.
3.) Das Verfahreil nach Anspruch 1 oder 2,

d a d u r c h/g ekennzeichnet , daß das Ausgangssignal des Tasters auf einem Registrierstreifen abgebildet v/ird und die v/eitere Einstellung auf die Radialstellung des Tasters

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durch Bewegen der Abbildungslinie auf dem Registrierstreifen auf die ausgewählte Stellung auf dem Registrierstreifen erfolgt.
4.) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugskörper eine Halbzylinderfläche aufv/eist und die Einstellung der Radialstellung durch in Berührungbringen des Tasters mit der ebenen Fläche des Bezugskörpers erfolgt.
5.) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Bezugskörper eine halbzylin'drische Fläche aufweist und die Einstellung seiner Radialstellung so durchgeführt wird, daß der Taster in Berührung mit der gekrümmten Fläche des Bezugskörpers gebracht wird.
(?.) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß statt genauer Zentrierung des Bezugskörpers das Ausgangssignal des Tasters einem Computer eingegeben wird, der den Radius des Bezugskreises der kleinsten Quadrate berechnet und diesen Wert für die Bestimmung der Gesamtverschiebung des Tasters speichert.
7.) Verfahren zur Bestimmung des genauen Radius eines Prüflings, dessen Nennradius bekannt ist, mit Hilfe einer einen Taster verwendenden Keßeinrichtung, dadurch gekennzeichnet , daß die Radialstellung des Tasters auf den Nennradius nach einem der Ansprüche 1 bis 6 erfolgt, der Prüfling anstelle des Bezugskörpers eingesetzt wird, der Taster mit dem Prüfling in Berührung gebracht und der Unterschied des Ausgangssignals des Tasters, während der Prüfling abgetastet v/ird, vom vorgewählten Mext bestimmt wird, wodurch eine Anzeige für den Mittelwert des Radius des Prüflings erhalten wird.
8.) Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Tasterausgangssignal auf einen mit Raster vesehenen Registrierstreifen während

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des Abtastens der Oberfläche des Prüflings abgebildet wird.

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