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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Linearmeßkopf einschließlich einer
Lager- und Schutzeinrichtung mit einem Gehäuse, das eine geometrische
Längsachse
besitzt, einem länglichen
Element, das eine im wesentlichen zylindrische Form aufweist und
relativ zur Lager- und Schutzeinrichtung axial beweglich ist, einer
Druckeinrichtung, die zwischen der Lager- und Schutzeinrichtung
und dem länglichen Element
angeordnet ist, um einen im wesentlichen axialen Druck auf das längliche
Element aufzubringen, einer Führungseinrichtung
zum Führen
von axialen Verschiebungen des länglichen
Elementes relativ zum Gehäuse
mit mindestens einem Axiallager, das im Gehäuse angeordnet ist und eine
Vielzahl von Rollelementen aufweist, die mit dem länglichen
Element zusammenwirken, und einem Positionsgeber zum Detektieren
von Verschiebungen des länglichen Elementes
relativ zur Lager- und
Schutzeinrichtung.
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Linearmeßgeräte oder
Meßköpfe für Axialbewegungen,
die entsprechende Eigenschaften besitzen, sind beispielsweise aus
der internationalen Patentanmeldung WO-A-97/46849 bekannt. In dieser
Veröffentlichung
ist ein Kopf mit der typischen Struktur von sogenannten „Kassetten"-Köpfen beschrieben,
die eine zylindrische Spindel umfassen, welche mit Hilfe einer Führungsvorrichtung,
die aus zwei Axiallagern besteht, welche im Gehäuse in in Längsrichtung beabstandeten Positionen
angeordnet sind und jeweils Durchgangslöcher aufweisen, in die die
Spindel teilweise eingesetzt ist, im Gehäuse axial gleitet. Die Spindel
trägt an
einem Ende einen Fühler zum
Kontaktieren des zu prüfenden
Teiles und am anderen Ende einen ferromagnetischen Kern, der sich
innerhalb von zugehörigen
Wicklungen infolge von Axialverschiebungen der Spindel verschiebt.
Jedes Axiallager besitzt geschlossene Bahnen, in denen Reihen von
in geeigneter Weise geformten Elementen, wie Kugeln, abrollen können. Die
Bahnen besitzen Längsabschnitte,
die an Stellen ausgebildet sind, welche den an der Innenfläche des
Lagers angeordneten Schlitzen entsprechen, entlang denen die Kugeln
die Spindel kontaktieren und deren axiales Gleiten relativ zum Gehäuse ermöglichen.
Um axiale Drehungen der Spindel relativ zum Gehäuse zu verhindern, ist in diesem
Kassettenkopf ein Stift angeordnet, der radial an der Spindel fixiert
ist und an seinem freien Ende ein nichtangetriebenes Rad trägt, das
in einem einstückig
mit dem Gehäuse
ausgebildeten Axialschlitz untergebracht ist, der beispielsweise
in einem zwischen den beiden Lagern angeordneten Abstandselement
vorgesehen ist.
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Bei
diesen Linearmeßeinrichtungen
kann das unvermeidbare Spiel, das zwischen dem Schlitz und dem nichtangetriebenen
Rad vorhanden ist, die Genauigkeit und Wiederholbarkeit der Messungen negativ
beeinflussen, insbesondere in den Fällen, in denen ein Fühler benötigt wird,
der relativ zur Längs achse
der Meßeinrichtung
versetzt ist. In der Tat können
in entsprechenden Fällen
geringfügige
Drehungen der Spindel um ihre Achse infolge des zwischen Schlitz
und nichtangetriebenem Rad existierenden Spiels beträchtliche
Drehungen des Fühlers
verursachen und die Genauigkeit und Wiederholbarkeit der von der
linearen Meßeinrichtung
durchgeführten Messungen
negativ beeinflussen.
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Desweiteren
macht eine Antidrehvorrichtung, wie sie in der WO-A-97/46849 beschrieben
ist, die Durchführung
von geeigneten mechanischen Präzisionsbearbeitungen
an der Spindel zum Einsetzen des Stiftes mit dem nichtangetriebenen
Rad und am Abstandselement zum Erhalten des Schlitzes erforderlich,
wodurch zusätzlicher
Aufwand und eine beträchtliche
Montagezeit entstehen.
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Andere
bekannte Linearmeßeinrichtungen können andere
Arten von Führungs-
und Gleiteinrichtungen für
die bewegliche Spindel aufweisen, beispielsweise Buchsen mit Käfigen mit
Löchern
zum Aufnehmen der Kugeln. Linearmeßeinrichtungen dieses Typs
sind beispielsweise in der US-A-4347492 beschrieben. Auch bei jeder
der beiden Ausführungsformen,
die in dieser Veröffentlichung
beschrieben sind, werden die Axialdrehungen der Spindel durch eine
Vorrichtung begrenzt, die der vorstehend kurz beschriebenen Vorrichtung ähnlich ist
und einen Stift aufweist, der radial mit der Spindel verbunden und teilweise
mit begrenztem, jedoch unvermeidbaren Spiel in einem im Gehäuse ausgebildeten
Axialschlitz angeordnet ist.
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Die
US-A-5779367 beschreibt Keillagereinheiten mit Wellen, die Führungsnuten
und entsprechende Außenzylinder
aufweisen, welche Rollelemente enthalten, die teilweise vorstehen
und in den Führungsnuten
angeordnet sind, um Bewegungen der Wellen zu führen. Die Keillager besitzen
zusätzliche
Nuten, die Linearbleche mit magnetischen Polen aufnehmen, und ein
oder mehrere magnetische Sensoren sind an jedem Außenzylinder
fixiert, d.h. in weiteren Nuten desselben untergebracht. Die US-A-5779367
beschreibt keinen Linearmeßkopf zum
Messen bzw. Prüfen
von Abmessungen, sondern komplexe und teure Lagereinheiten für kleine Schlitten,
die eine Steuerung der Position der Schlitten ermöglichen.
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Ziel
der vorliegenden Erfindung ist es, einen Linearmeßkopf zu
schaffen, der hohe Standarts an Genauigkeit, Wiederholbarkeit und
Zuverlässigkeit garantiert,
relativ zu den bekannten Konstruktionen eine Kostensenkung und Reduzierung
der für
den Zusammenbau der diversen Teile benötigten Zeit bewirkt und eine
besonders einfache Konstruktion besitzt.
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Dieses
und andere Ziele werden durch einen Linearmeßkopf nach Anspruch 1 erreicht.
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Einer
der Hauptvorteile, die mit dem hier dargestellten und beschriebenen
Linearmeßkopf
erreicht werden, besteht in dessen spezieller Kompaktheit, die auch
aufgrund der Verringerung der Zahl der Teile erreicht wird.
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Ein
anderer wichtiger Vorteil, der durch die beträchtliche Eliminierung des Spiels
bei der Begrenzung der Axialdrehung der Spindel erzielt wird, besteht
in der Möglichkeit
der Verwendung von einfachen und billigen Linearmeßköpfen gemäß der Erfindung
bei Anwendungsfällen,
bei denen der Fühler
relativ zur Gleitachse der Spindel versetzt ist und die einen hohen
Grad an Genauigkeit und Wiederholbarkeit erfordern.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
eines Linearmeßkopfes
gemäß der Erfindung
wird nunmehr anhand der beigefügten
Zeichnungen beschrieben, in denen Ausführungsbeispiele gezeigt sind,
die keinerlei Beschränkung
darstellen. Hiervon zeigen:
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1 eine
Längsschnittansicht
eines Meßkopfes
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung;
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2 eine
vergrößerte Schnittansicht
des in 1 gezeigten Meßkopfes entlang Linie II – II in 1;
und
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die 3, 4 und 5 Querschnittsansichten
von Meßköpfen gemäß drei anderen
Ausführungsformen
der Erfindung.
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Der
in 1 gezeigte Meßkopf
für Axialbewegungen
umfaßt
eine Lager- und Schutzeinrichtung mit einem rohrförmigen Gehäuse 1 aus
Stahl und mit einer im wesentlichen zylindrischen Form, das eine geometrische
Längsachse,
eine im wesentlichen zylindrische Innenfläche 2, einen ringförmigen Vorsprung 2' als Begrenzung
und einen mit einem Gewinde versehenen Endabschnitt 3 aufweist.
Ein Schieber 4 ist im Gehäuse 1 untergebracht
und besitzt eine Längsöffnung 7 sowie
drei externe ringförmige
Sitze 8, 9 und 10.
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Ein
längliches
Element oder eine Spindel 11 mit zwei Längsnuten 12, die gegenüber angeordnet sind
und einen V-förmigen Querschnitt
besitzen, ist in das Gehäuse 1 eingesetzt
und relativ zu diesem bewegbar. Ein Lagerelement 13 für einen
Fühler 13' zum Kontaktieren
eines zu überprüfenden Teiles 48 ist über einen
Paßstift 14,
der durch Reibung mit einer der beiden Längsnuten 12 verbunden
ist, mit der Spindel 11 gekoppelt.
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Ein
induktiver Differentialpositionsgeber besitzt eine Primärwicklung 15,
zwei Sekundärwicklungen 16 und 17 und
einen Kern 18 aus ferromagnetischem Material. Die Wicklungen 15, 16 und 17 sind gemäß einer
bekannten Technik eng um den Schieber 4 an den ringförmigen Sitzen 8, 9 und 10 gewickelt,
während
der Kern 18 an einem Schaft 19 fixiert (beispielsweise
geklebt) ist, der mit Hilfe eines Lagers 20 mit der Spindel 11 verbunden
ist, und zwar am gegenüberliegenden
Ende zu dem das Fühlerelement 13' tragenden Ende.
Die Verbindung zwischen dem Schaft 19, dem Lager 20 und
der Spindel 11 kann beispielsweise die Verwendung von Klebern vorsehen.
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Der
Schieber 4 ist mit den zugehörigen Wicklungen 15, 16 und 17 innerhalb
einer Auskleidung 5 angeordnet und mit dieser verbunden,
d.h. die Wicklungen 15, 16 und 17 sind
mit der Auskleidung 5 verklebt. Die Außenfläche der Auskleidung 5 weist
einen Gewindeabschnitt auf, der auf den Gewindeendabschnitt 3 des
Gehäuses 1 geschraubt
ist.
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Eine
Führungseinrichtung
zum Führen
von Axialverschiebungen der Spindel 11 relativ zum Gehäuse 1 umfaßt ein Axiallager 22 mit
rezirkulierenden Kugeln, das als solches bekannt und im Gehäuse 1 untergebracht
ist. Das Axiallager besitzt Rollelemente, d.h. Kugeln 23,
die mit Flächen
in Kontakt stehen, welche von den Längsnuten 12 gebildet
werden. Wie in den Figuren gezeigt, hat dieses Axiallager 22 ein hohles
Lagerelement 24 mit einer im wesentlichen zylindrischen
Form und ein Längsdurchgangsloch 25 zum
teilweisen Einsetzen der Spindel 11. Das Durchgangsloch 25 bildet
eine zylindrische Fläche 26 des Lagerelementes 24 mit
Längsschlitzen 27.
Das hohle Lagerelement 24 besitzt innere Umlaufbahnen 30,
in denen Kugeln 23 sitzen. Jede Bahn 30 hat einen
ersten Längsabschnitt 31,
einen zweiten Längsabschnitt,
die in den Zeichnungen nicht dargestellt sind und im wesentlichen
wechselseitig parallel verlaufen, und Verbindungsabschnitte 33 zwischen
diesen Längsabschnitten.
Die Schlitze 27, die sich auf der zylindrischen Fläche 26 befinden,
sind am ersten Längsabschnitt 31 einer
jeden inneren Umlaufbahn 30 angeordnet und besitzen spezielle
Abmessungen, um die Kugeln 23 innerhalb der zugehörigen inneren Umlaufbahn 30 zu
halten und diese Kugeln 23 in die Lage zu versetzen, teilweise
von der zylindrischen Fläche 26 vorzustehen
und die Oberfläche
der Spindel 11 zu kontaktieren, wenn sie sich im zugehörigen ersten
Längsabschnitt 31 befinden.
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Die
vorstehend erwähnte
Veröffentlichung WO-A-97/46849
enthält
eine umfangreichere Beschreibung eines Kassettenkopfes, der identische Axiallager
mit rezirkulierenden Kugeln aufweist.
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Wie
in den Figuren gezeigt, kontaktieren die Kugeln 23 die
Oberfläche
der Spindel 11 an Punkten der Wände der V-förmigen
Nuten 12. Auf diese Weise ermöglicht die Verbindung zwischen
der Spindel 11 und dem Axiallager 22 eine axiale
Verschiebung der Spindel 11 relativ zum Gehäuse 1 und
verhindert gleichzeitig eine Drehung derselben um ihre Achse.
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In
der Praxis besitzt die Einrichtung zum Führen der Spindel 11 ferner
eine sogenannte „Antidreh"-Funktion für die Spindel 11.
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Die
Elemente für
die Längspositionierung umfassen
ein erstes Abstandselement 34 und ein zweites Abstandselement 35,
die im Gehäuse 1 untergebracht
und zwischen dem ringförmigen
Begrenzungsvorsprung 2' des
Gehäuses 1 und
dem Lagerelement 24 des Lagers 22 und zwischen
dem Lagerelement 24 des Lagers 22 und dem Schieber 4 angeordnet
sind.
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Eine
Druckeinrichtung umfaßt
eine Druckfeder 36, deren Enden in einem Sitz 28 des
Lagers 20 für
den Schaft 19 und in einem Sitz 29 des Schiebers 4 angeordnet
sind, wobei die Druckfeder die Spindel 11, wenn kein Kontakt
zwischen dem Fühler 13' und dem zu überprüfenden Teil 48 vorhanden
ist, in einer durch den Anschlag zwischen den Flächen des Lagers 20 und
denen des hohlen Lagerelementes 24 festgelegten Position
halten kann.
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Die
Anschlagflächen 37 des
Lagers 13 für den
Fühler 13' und des Gehäuses 1 wirken
zusammen und bilden die Hubgrenze für die Spindel 11, wenn
der Fühler 13' beim Bewegen
gegen die Vorspannung der Feder 36 das Teil 48 kontaktiert.
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Eine
flexible rohrförmige
Dichtung 39 ist mit einem ihrer Enden mit einem Sitz 40 verbunden,
der im rohrförmigen
Gehäuse 1 ausgebildet
ist, während ihr
anderes Ende mit einem Sitz 41 verbunden ist, der im Lager 13 für den Fühler 13' ausgebildet
ist.
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Die
elektrische Verbindung zwischen den Wicklungen 15, 16 und 17 des
Differentialgebers bzw. Meßumformers
und einer externen Stromzuführung
sowie Anzeige- und Verarbeitungsvorrichtungen (in 1 schematisch
dargestellt und mit dem Bezugszeichen 43 versehen) erfolgt
mit Hilfe der Drähte eines
Kabels 44.
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Elemente
für das
Festklemmen in Längsrichtung
umfassen eine Klemmringmutter 45, die über eine Verbindung mit dem
Gewindeabschnitt der Auskleidung 5 die wechselseitige Position
des Gehäuses 1 und
der Auskleidung 5 fixiert und auf diese Weise die wechselseitige
Anordnung zwischen dem Kern 18 und den Wicklungen 15, 16 und 17 des
Meßumformers
festlegt.
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Die
Montage der diversen Teile des beschriebenen und dargestellten Meßkopfes
wird auf besonders einfache und schnelle Weise durchgeführt. Zuerst
werden das erste Abstandselement 34, das Lager 22 und
zweite Abstandselement 35 nacheinander in das Gehäuse 1 eingesetzt
und hiermit verklebt. Dann erfolgt das Einsetzen der Spindel 11 einschließlich des
vorher damit verbundenen Lagers 20 mit Schaft 19 und
Kern 18. Der Fühler 13' wird mit Hilfe
des Paßstiftes 14 mit
der Spindel 11 verbunden, wonach die Dichtung 39 montiert
wird. Dann erfolgt das Einsetzen der Feder 36, wonach die
Auskleidung 5, mit der der Schieber 4 mit den
Wicklungen 15, 16 und 17 verbunden ist,
an das Gehäuse 1 geschraubt wird.
Die wechselseitige Anordnung zwischen Gehäuse 1 und Auskleidung 5 wird
danach mit Hilfe der Ringmutter 45 verschraubt.
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Wenn
sich der Meßkopf
in den normalen Betriebsbedingungen befindet und kein Kontakt zwischen
dem Fühler 13' und dem Teil 48 vorhanden
ist, wie in 1 gezeigt, drückt die
Feder 36 die Spindel 11 in eine durch die Zusammenwirkung
zwischen den Anschlagflächen
des Lagers 20 für
den Schaft 19 und des hohlen Elementes 24 des
Lagers 22 definierte Ruhelage. Wenn ein Kontakt zwischen
dem Fühler 13' und einer Fläche des
Teils 48 auftritt (auf welche manuelle oder automatische
bekannte Weise auch immer, hier weder dargestellt noch beschrieben),
verschiebt sich die Spindel 11 relativ zum Gehäuse 1 entgegen
der Wirkung der Feder 36 unter Führung durch das Lager 22 entlang
einer geradlinigen Bahn parallel zur Längsachse des Gehäuses 1.
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Genauer
gesagt, die Kugeln 23 kontaktieren durch die Schlitze 27 die
von den Nuten 12 gebildeten Flächen der Spindel 11 und
rollen auf einer Seite auf diesen und auf der anderen Seite auf
Innenflächen
der Bahnen 30 infolge des auf die Spindel 11 ausgeübten Drucks.
Durch die Verschiebung der Spindel 11 verschiebt sich der
Kern 18 in den Wicklungen 15, 16 und 17,
so daß sich
eine entsprechende Ausgangsspannungsveränderung an den Klemmen der
Sekundärwicklungen 16 und 17 gemäß dem bekannten
Funktionsprinzip eines induktiven Differentialmeßumformers ergibt. Mit Hilfe
der elektrischen Verbindung, die die Drähte des Kabels 44 umfaßt, wird
die Spannungsveränderung
relativ zu einem Nullzustand (in bekannter Weise in einer vorhergehenden
Nulleinstellungsphase des Kopfes definiert) in den externen Vorrichtungen 43 detektiert, und
die die Größe der Verschiebung
gegenüber
der Ruheposition betreffenden Daten werden angezeigt.
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Ein
Axialbewegungsmeßkopf
der hier beschriebenen und dargestellten Art bietet somit spezielle
Eigenschaften in bezug auf Zuverlässigkeit, Einfachheit und wirtschaftliche
Zweckmäßigkeit.
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Ein
Axiallager 22, das mit einer Spindel 11, die die
beiden Längsnuten 12 aufweist,
verbunden ist, ermöglicht
die Verwirklichung einer Führungs- und
Antidreheinrichtung, damit die Spindel 11 Verschiebungen
relativ zum Gehäuse 1 durchführen kann,
und verhindert zur gleichen Zeit ohne Hinzufügung von weiteren Elementen
axiale Drehungen im wesentlichen ohne jedes Spiel der Spindel 11 relativ zum
Gehäuse 1.
Hierdurch werden beträchtliche
Vorteile in bezug auf den Meßkopf
erzielt.
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Als
erstes werden durch das Fehlen von Spiel extrem genaue Verschiebungen
zwischen der Spindel 11 und dem Gehäuse 1 ermöglicht.
Auf diese Weise stellt die Verwendung von Fühlern, die relativ zur Längsachse
des Meßkopfes
versetzt sind, kein Problem wie bei bekannten Meßköpfen dar, da das Risiko von
Fehlern infolge Axialdrehungsverschiebungen, selbst mit nur einer
minimalen Größe, zwischen
der Spindel 11 und dem Gehäuse 1, wodurch beträchtliche
Verschiebungen des Fühlers 13' bewirkt werden
können,
im wesentlichen eliminiert wird.
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Darüber hinaus
wird durch das Fehlen von Antidreheinrichtungen, die von der Führungseinrichtung
getrennt sind, die Konstruktion vereinfacht, und es werden beträchtliche
Einsparungen in bezug auf die Herstellkosten und die Montagezeit
erzielt.
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Es
gibt Linearmeßköpfe, die
unter den Umfang der vorliegenden Erfindung fallen und durch andere
Ausführungsformen
verwirklicht sind, die sich unter einigen Aspekten von den hier
schematisch dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen unterscheiden.
Einige dieser möglichen
Varianten werden hiernach kurz erläutert.
- – Das Axiallager 22 kann
andere Rollelemente als die Kugeln 23, beispielsweise zylindrische
Rollen oder Rollen einer anderen Form, umfassen.
- – Das
Axiallager 22' (3)
kann eine andere Zahl von Bahnen als 2, wie in den Figuren
gezeigt, aufweisen. In diesem Fall verwirklichen einige der Bahnen
mit Abschnitten, die auf die Nuten 12 der Spindel 11 weisen,
und die zugehörigen
Kugeln 23 die Führungs-
und Antidrehfunktionen, die vorstehend beschrieben wurden, während andere Kugeln
in den zugehörigen
Bahnen kleinere Abmessungen besitzen und die zylindrische Fläche der
Spindel 11 kontaktieren, um bekannte Führungsfunktionen zu realisieren.
- – Die
Spindel 11 kann eine einzige Längsnut 12 besitzen
(4) Nur eine der Bahnen des Lagers 22" besitzt Kugeln 23 mit
geeigneten Abmessungen zum Erzielen der Antidrehfunktion, während die
Kugeln 23' der
anderen Bahn (oder Bahnen) nur bekannte Führungsfunktionen aufweisen.
- – Die
Spindel 11 kann drei oder mehr Längsnuten 12 besitzen,
und das Lager 22 kann Bahnen und Kugeln in einer geeigneten
Zahl und in geeigneten Abmessungen aufweisen.
- – Es
können
zwei oder mehr Axiallager 22 vorgesehen werden, wobei mindestens
eines Kugeln 23 aufweist, die mit der Nut oder den Nuten 12 der Spindel 11 zusammenwirken.
- – Das
Axiallager 22 mit den rezirkulierenden Kugeln kann durch
eine oder mehrere Kugelbuchsen 52 ersetzt werden, wie sie
in der vorstehend erwähnten
US-A-4347492 erläutert
sind (5). In diesem Fall besitzen einige Kugeln 53 mit
einer Antidrehfunktion zusätzlich
zu einer Führungsfunktion
größere Abmessungen
als andere 53' und
rollen auf einer Seite auf der Nut bzw. den Nuten 12 der
Spindel 11 und auf der anderen Seite auf Nuten 12', die in der
anderen Gehäusefläche vorgesehen
sind, entsprechend den Nuten 12 der Spindel 11 diesen
gegenüber.
- – Die
Druckeinrichtung kann auch auf andere Weise verwirklicht werden
als durch die Verwendung der Feder 36, beispielsweise mit
Hilfe von pneumatischen Vorrichtungen eines bekannten Typs, die
mit der Lager- und Schutzeinrichtung verbunden sind und einen Druck
auf die Spindel 11 ausüben
können.
- – Der
Positionsgeber oder Meßumformer
kann sich vom dargestellten Geber unterscheiden und einen Meßkopf eines
be kannten Typs aufweisen, beispielsweise eine Wählmeßeinrichtung, der mit der Lager-
und Schutzeinrichtung verbunden ist und einen beweglichen Teil in
Kontakt mit der Spindel 11 aufweist. Desweiteren ist es
dank der speziellen mechanischen Konstruktion gemäß der Erfindung
möglich,
sogar Meßumformer
zu verwenden, die extrem wiederholbare Verschiebungen zwischen der
Spindel 11 und dem Gehäuse 1 erforderlich
machen, wie beispielsweise inkrementelle Meßumformer, um auf diese Weise Meßköpfe oder
Absolutmeßeinrichtungen
mit extrem hoher Genauigkeit zu verwirklichen.
- – Ein
Meßkopf
gemäß der Erfindung
kann bei bekannten Prüfvorrichtungen
Verwendung finden, beispielsweise eines Gabel- oder Steckertyps, zum Überprüfen der
Abmessungen des äußeren und
inneren Durchmessers, in denen ein axial bewegliches längliches
Element und eine Meßumformeinrichtung
zum Detektieren von dessen Verschiebung vorgesehen sind.