DE973471C

DE973471C - Pneumatisches Messverfahren und Mikrometer

Info

Publication number: DE973471C
Application number: DEC9487A
Authority: DE
Inventors: Paul Cayere
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1953-06-12
Filing date: 1954-06-11
Publication date: 1960-03-03
Also published as: FR1084711A

Description

AUSGEGEBEN AM 3. MÄEZ1960

C 9487IX j42 b

Gegenstand der Erfindung ist ein pneumatisches Meßverfahren und ein zur Durchführung des Verfahrens dienendes pneumatisches Mikrometer, das die präzise Feststellung kleinster Maßabweichungen von Werkstücken gegenüber einem Vergleichsstück mit ausreichender Stellkraft zur Betätigung einer Anzeigevorrichtung, elektrischer Kontakte, Druckmittelverteiler od. dgl., ohne Beeinträchtigung der hohen Meßgenauigkeit ermöglicht. Das Verfahren gemäß der Erfindung knüpft an ein bekanntes Meßverfahren an, das in Fig. ι der Zeichnung in schematischer Schnittdarstellung veranschaulicht ist:

Ein Druckmittel, beispielsweise Luft, wird bei O mit konstantem Druck P₁ zugeführt. Es durchströmt eine Düse S₁, die hier als Kalibrierdüse bezeichnet wird, und anschließend eine Meßdüse S₂, unter der das zu messende Stück p angeordnet ist, dessen Abmessungen oder Volumen man feststellen will. Der zwischen den beiden Düsen herrschende Druck P₂ richtet sich offenbar nach dem Querschnittsverhältnis der Düsen S₁ und S₂. Die Düse vS^ besitzt einen gleichbleibenden Querschnitt, während der Querschnitt der Düse S₂ von dem Ringraum gebildet -wird, der durch den Abstand j zwischen dem Prüfstück/» und der Düse S₂

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bestimmt ist. Wenn der Abstand j wächst, nimmt der Austrittsquerschnitt der Düse S₂ entsprechend zu, und der Druck P₂ sinkt. Wenn der Abstand j sich verkleinert, nimmt der Austrittsquerschnitt der Düse S₂ entsprechend ab, und der Druck P₂ steigt. Das den Druck P₂ anzeigende Manometer kann gleichzeitig auch die Größe des Abstandes ;' bei entsprechender, z. B. experimentell ermittelter Eichung anzeigen. Allerdings kann das Meßergebnis durch jegliche Änderung des Druckes P₁ verfälscht werden, die auch den Druck P₂ beeinflußt, der dann nicht mehr ausschließlich von / abhängt. Wenn man andererseits ein empfindliches Anzeigeinstrument mit hoher Übersetzung für den zu messenden Abstand wählt, kann man nur über eine kleine Stellkraft für den Zeiger verfügen und hat unter Umständen eine starke Verfälschung des Meßergebnisses von / zu gewärtigen.

Es wurden bereits Präzisionsmeßgeräte gebaut, die. auf dem Prinzip beruhen, daß ein Druckmittel über zwei getrennte parallele Düsen einmal über eine dieser Düsen mit einer Kammer in Verbindung steht, die durch eine stromabwärts liegende Düse für die zu messende Größe beeinflußt wird, a5 und ein andermal über die andere der beiden Düsen mit einer zweiten Kammer mit einer durch eine Mikrometerschraube regelbaren Austrittsöffnung, wobei die in den beiden Kammern auftretenden Drücke ,auf zwei gleich große Flächen einer Membran oder auf zwei Balgen von gleichem "Durchmesser einwirken. Ferner sind bereits pneumatische Mikrometer bekannt, bei denen ein beweglicher Teil des Mikrometers mit einer Anzeigevorrichtung verbunden ist.

Die vorliegende Meßeinrichtung bedient sich eines durch zwei hintereinanderliegende öffnungen geleiteten Gasstromes, dessen aus der zweiten öffnung austretende Menge in Abhängigkeit von der zu messenden Größe steht. Zum Unterschied von den bekannten Vorrichtungen ist das pneumatische Mikrometer nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der mit der Anzeigevorrichtung verbundene bewegliche Teil, wie z. B. ein Kolben, eine Membrananordnung od. dgl., zwei Flächen unterschiedlicher Größe aufweist, auf welche die Drücke in umgekehrtem Sinn wirken und von denen die kleinere Fläche unmittelbar von dem Zuleitungsdruck und die größere Fläche von dem zwischen den beiden öffnungen herrschenden Druck beauf-So schlagt wird. Diese Einrichtung läßt mit einfachen Mitteln eine Vergrößerung der Bewegungen des Meßorgans hinsichtlich Länge und Stellkraft erzielen. Ferner kommt die Einrichtung nach der Erfindung mit einer einzigen Druckluftströmung aus, wodurch ebenfalls die Bauart vereinfacht und ein geringer Druckluftverbrauch gewährleistet wird.

Hierfür geeignete Einrichtungen sind in Fig. 2 bis 8 der Zeichnungen in verschiedenen Ausführungsbeispielen schematisch im Schnitt dargestellt. Die Ausführungsform entsprechend Fig. 2 zeigt einen Zylinder A mit einem Differentialkolben B, der im Idealfall ohne Spiel und Reibung in dem Zylinder untergebracht ist. In den Ringraum von der Fläche s wird das Druckmittel mit dem Druck P₁ von der Druckmittelquelle O aus zügeführt. Der große Zylinderraum mit dem Querschnitt vS" ist zwischen die Kalibrierdüse S₁ und die Meßdüse Sm geschaltet und steht unter dem Druck P₂.

Auf den Differentialkolben B wirken zwei entgegengesetzt gerichtete Kräfte, und zwar nach oben P₁'s und nach unten P₂ -5*. Der Kolben Verharrt im Gleichgewicht, wenn das Verhältnis P₂ZP₁ gleich dem Verhältnis s/S der Querschnitte des Differentialkolbens ist. Dem Kolben B fällt also die Aufgabe zu, das Verhältnis der Drücke P₂IP₁ jeweils zu ermitteln; ist es zu klein, dann steigt er an, ist es zu groß, dann sinkt er herab. Mit dem Kolben bewegt sich eine an ihm befestigte Nadel C, die eine Ausgleichdüse Si mehr oder weniger öffnet. Wenn das Verhältnis der Drücke P₂IP₁ zu klein ist, steigt der Kolben B, und die Nadel C schließt die Düse Si₁ so daß der Druck P₂ ansteigt und der Kolben zum Stillstand kommt, sobald das Verhältnis der Drücke seinen s/S entsprechenden Gleichgewichtswert erlangt hat. Wenn das Verhältnis der Drücke P₂IP₁ zu groß ist, sinkt der Kolben B, und die Nadel C öffnet die Düse Si. Der Druck P₂ vermindert sich, und das Absinken des Kolbens B hört in dem Augenblick auf, in dem das Druckverhältnis P₂(P₁ gleich s/S wird. Kurz zusammengefaßt stellt der Kolben B mit der Nadel C und der Düse Si einen selbsttätigen Regler für das Verhältnis der Drücke P₂IP₁ dar und bringt dieses immer wieder auf den Wert der Differentialkolbenflächen s/S.

Die Fig. 1 der Zeichnung läßt erkennen, daß das Verhältnis P₂[P₁ von dem Verhältnis der Durchtrittsquenschnitte der' Düsen vS^ und ^₂. abhängt und daß letztere gemäß Fig. 2 durch die Summe der beiden Düsen Λ" und Sm ersetzt ist. Der Reglerkolben B bewirkt durch die Gleichhaltung der Druckverhältnisse zugleich auch eine Gleichhaltung des Verhältnisses der Düsenquerschnitte und, da die Kalibrierdüse S₁ konstant ist, eine genaue Gleichhaltung der Summe Si + Sm.

Wenn der Abstand; zunimmt, vergrößert sich der Querschnitt Sm, der Druck P₂ sinkt, der Kolben B steigt, und die Nadel C schließt Si um einen der Vergrößerung von Sm gleichen Betrag. Wenn man der Nadel C ein entsprechendes Profil gibt, kann man die Verstellungen von C den Änderungen des Abstandes / entsprechend einer frei gewählten Gesetzmäßigkeit anpassen, die streng eingehalten wird. Wird die nadelartige Spitze C dünn gewählt oder der Durchmesser der Düse Sm verstärkt, dann muß die Nadel C einen größeren Weg zurücklegen, um eine geringe Änderung des Abstandes ; auszugleichen; somit wird die Übersetzung vergrößert, die z. B. ioofach sein kann.

Die Verstellung von C, durch die der Abstand / gemessen wird, kann noch weitergehend durch Hebelanordnungen, Verzahnungen u. dgl. vergrößert werden, z. B. durch eine handelsübliche Meßuhr D. Eine auf Hundertsttel ansprechende Meßuhr vergrößert die Bewegungen von C ioofach, wo-

durch beispielsweise bei der vorliegenden Ausführung eine io ooofache Vergrößerung der Änderungen des Abstandes j erzielt wird mit einem großen Regelungsspielraum für mehr oder weniger starke Vergrößerungen. Das Gerät ist von Schwankungen des Druckes P₁ völlig unabhängig, da jede Änderung des Ausgangsdruckes den Zwischendruck P₂ proportional ändert und somit das Druckverhältnis unverändert und der Kolben B unbeweg-Hch bleibt.

Andererseits bildet das Gerät auch einen Servomotor von beliebig wählbarer Stellkraft. Mit einem Druck P₁ von 5 atü und einer Kolbenfläche j von 20 cm² verfügt man bereits an dem Kolben über 100 kg, diese Kraft läßt sich leicht durch höheren Druck oder eine größere Kolbenfläche verstärken. Die Einrichtung nach der Erfindung läßt also eine Vergrößerung, und zwar in zweifacher Richtung, nämlich sowohl hinsichtlich der Länge als auch

ao hinsichtlich der Stellkraft, erzielen.

Es muß darauf verwiesen werden, daß die vorstehende Servoeinrichtung sich von dem üblichen Servoantrieb etwas unterscheidet, denn der Kolben B, der in erster Linie ein Ermittler für das Druckverhältnis P₂IP₁ ist, dient bei einem etwaigen Regelvorgang gleichzeitig als Antriebskolben des für das Druckverhältnis P₂IP₁ in Betracht kommenden Regelorgans. Hieraus ergibt sich eine große bauliche Einfachheit und eine außerordentliehe Beständigkeit. Man kann indessen im Rahmen der Erfindung den Kolben B nur als Ermittler für das Druckverhältnis P₂IP₁ verwenden und durch ihn den Verteiler eines üblichen pneumatischen, hydraulischen, elektrischen oder sonstigen Servoantriebes steuern, welche letzterer die Reglernadel C betätigt.

Das von der Nadel C und der Düse Si gebildete Regelunigsorgan kann auch durch beliebige andere Regelungsmittel mit veränderlichem Querschnitt

verkörpert sein. Die regelbare AustrittsöfFnung Si kann an Stelle parallel zur Meßdüse Sm auch in Reihe mit ihr angeordnet sein, der Antrieb der Meßuhr D oder der Kontakte, Registriervorrichtung u. dgl. kann auch von der Unterseite des Kolbens B aus erfolgen, wie dies in Fig. 5 der Zeichnung dargestellt ist. Schließlich kann auch die Reglernadel C an Stelle des Luftaustrittes Si die Kalibrierdüse S₁ steuern, jedoch im entgegengesetzten Sinne, so daß S₁ geöffnet wird, wenn P₂IP₁ klein ist.

Bei den vorstehend beschriebenen Einrichtungen ist vorausgesetzt, daß der Differentialkolben ohne Spiel und Reibung wirksam ist, in der Praxis läßt sich dies nicht mit der in Fig. 2 verkörperten Ausführungsform bewerkstelligen. Zu diesem Zweck wird daher für den praktischen Gebrauch der nur theoretisch wirksame Differentialkolben nach Fig. 2 durch eine mehr oder weniger gleichwertige Einrichtung ersetzt, wie Membranen mit vorbestimmter Ausdehnung, in Fig. 3 mit E und P bezeichnet, Wellenmembranen G undi? aus Metall entsprechend Fig. 4, ähnlich wie die bei Barometern benutzten Druckkörper. Elastisch verformbare Gummimanschetten / und K gemäß Fig. 5 gewährleisten freie Beweglichkeit und Abdichtung des Kolbens L. Die Fig. 6 zeigt einen Kolben Q mit konzentrischen Balgen aus Metall oder beliebige andere gleichwertige Elemente, die zwei verschieden große Flächen S und ^ aufweisen und somit den Differentialkolben B ersetzen.

Die kleinere Fläche s kann entweder in der Mitte angeordnet sein, wie in Fig. 3 bis 5 gezeigt, oder auch in dem Ringraum entsprechend Fig: 2 und 6; letztere Anordnung bietet den Vorteil, daß man einen zweiten Stift R als Zeiger nach außen führen kann.

Die Anwendungsformen der Erfindung sind sehr verschieden: Bei der Ausführung nach Fig. 2 liest man an der Meßuhr D alle Änderungen der Stärke des Prüfstückes p ab, mit einer Einteilung von beispielsweise zehn Teilstrichen je Mikron. In Fig. 3 ist die Meßdüse Sm an dem Tisch T einer Werkzeugmaschine angebracht, der auf einer Führung U gleitet, deren winkelrechte Lage dadurch geprüft wird, daß die Düse Sm ein Lineal V abtastet, wobei die Änderungen des Abstandes / die Abweichungen von der winkelrechten Lage ergeben; sie werden vergrößert ■ und auf einer Trommel W aufgezeichnet, deren Umlauf mit der Bewegung des Tisches T gekuppelt ist.

In der Ausführung nach Fig. 4 betätigt die Nadel C über eine Zunge X zwei Kontakte Y und Z oder auch deren mehrere, die Signallampen für Größt- und Kleinstmasse zum Aufleuchten bringen oder Sortierfächer für die Werkstücke steuern oder Regelungsorgane der Werkzeugmaschine, deren Arbeit das Servomikrometer überwacht.

In Fig. 7 sind zwei Servomikrometer gemäß der Erfindung für empfindliche Messungen in Hintereinanderschaltung gezeigt. Es handelt sich bei dieser Darstellung beispielsweise um die Prüfung der Beschaffenheit einer bearbeiteten Oberfläche b. Ein sehr empfindlicher und kleiner Taster d folgt dem Profil und ändert den Abstand; gegenüber einer kleinen Meßdüse sm. Ein erstes Servomikro-. meter e vergrößert den Ausschlag und erzeugt eine schon wahrnehmbare Stellkraft zur Betätigung einer großen Meßdüse Sm, die das Servomikrometer f der zweiten Stufe steuert, das auf. der Trommel g die Rauheit des Oberflächenprofils anzeigt.

In Fig. 8 ist ein weiteres abgeändertes Ausführungsbeispiel dargestellt, das in zwei wesentlichen Punkten abweicht.

Einmal ist die Drossel in Fortfall gelangt. Die Kalibrierdüse S₁ kann an den Auslaß der Balgen M' und N' nach außen verlegt werden, wodurch die Einstellung erleichtert wird. Außerdem kann der den Balgen N' umschließende Hohlraum im Innern des Behälters Ά mit Flüssigkeit gefüllt werden, die den für das gasförmige Druckmittel zur Messung benötigten toten Raum w auf einen Geringstwert vermindert. Somit wird die Meßgeschwindigkeit gesteigert.

Andermal steuert der Kolben Q' am Boden der 1*5 Balgen M' -und Λ^Γ' an Stelle einer mechanischen

eine hydraulische ,Übersetzung üblicher Art. Der Innenraum des Balgens M', der bei den anderen Ausführungen bisher mit der Außenluft in freier Verbindung stand, ist nunmehr luftdicht abgeschlossen, mit einer farbigen Flüssigkeit gefüllt sowie durch ein Standrohr g' verlängert, in dem die farbige Flüssigkeitssäule alle Änderungen von Q' mit einer Übersetzung wiedergibt, die dem Querschnittsverhältnis des von dem Balgen M' begrenzten Innenraumes und des Standrohres g' entspricht. Eine elastische Membran io mit Stellschraube 11 erlaubt eine bequeme Einstellung der Nullage der farbigen Flüssigkeitssäule zum Ausgleich etwaiger Verluste durch Verdunstung.

Zugleich mit der hydraulischen Anzeigevorrichtung g' .steuert der Kolben Q' über einen Stift 12 nebst "elastischer und dichter Membran 13 einen weiteren Stift 14, erforderlichenfalls durch Hebelübersetzung, mit einem oder mehreren Flachfeder-

ao kontakten M₁, W₂, M₃, n_i mit festen oder einstellbaren Anschlägen P₁, P₂, P₃, P₄, welche die Lage des Kolbens Q' genau bestimmen. Letzterer schließt oder öffnet den Kontakt und bleibt dabei frei beweglich und kann das Meßergebnis des Abstandes / der Meßdüse S₂ über dem Prüfstück p anzeigen, das durch die farbige Flüssigkeitssäule dies Rohres g' mit beispielsweise 5000-, 10 000- oder 2000ofacher Vergrößerung angezeigt wird. Ein unterer Anschlag 15 und ein oberer Ansatz 16 begrenzen die An-

schlage von Q', um einen Austritt der farbigen Flüssigkeit aus dem Rohr g' oder ein Eindringen von Luft in die Kammer der hydraulischen Anzeigevorrichtung zu vermeiden.

Claims

Patentansprüche:

i. Pneumatisches Mikrometer zur Ermittlung von sehr kleiinen Abmessungen, bei' dem ein beweglicher Teil des Mikrometers mit einer Anzeigevorrichtung verbunden ist und mit einem durch zwei hintereinanderliegende öffnungen geleiteten Gasstrom, dessen aus der zweiten (Meß-) öffnung austretende Menge in Abhängigkeit von der zu messenden Größe steht, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der Anzeigevorrichtung verbundene bewegliche Teil, wie z. B. ein Kolben, eine Membrananordnung od. dgl., zwei Flächen unterschiedlicher Größe aufweist, auf welche die Drücke in umgekehrtem Sinn wirken und von denen die kleinere Fläche unmittelbar von dem Zuleitungsdruck und die größere Fläche von dem zwischen den beiden öffnungen herrschenden Druck beaufschlagt wird.
2. Mikrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Flächen so dimensioniert ist, daß das Verhältnis der Flächeninhalte dem umgekehrten Verhältnis der Drücke bei normaler Austrittsmenge aus der zweiten Öffnung entspricht, während die Vorrichtung sichiim Gleichgewichtszustand befindet.
3. Mikrometer nach Anspruch 1, dadurch .gekennzeichnet, daß der bewegliche Teil mit den beiden Druckflächen eine bewegliche Platte aufweist, die mit zwei konzentrischen Balgen verschiedenen Durchmessers verbunden ist, deren andere Enden an einem feststehenden Boden befestigt sind, und daß diese Einrichtung in einem dichten Behälter untergebracht ist, während die beiden Druckflächen durch die beiden Balgen begrenzt sind.
4. Mikrometer'nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche Teil mit den beiden Druckflächen mit einem Regelorgan für eme Nebenöffnung verbunden ist, das dabei auf den zwischen den beiden öffnungen herrschenden Druck anspricht.
5.' Abänderung des Mikrometers nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche Teil mit den beiden Druckflächen mit einem Regelorgan für die Kalibrieröffnung verbunden ist.
6. Mikrometer nach Anspruch 1 bis 3 mit hydraulischer Servoeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischendruck auf die durch den äußeren Balgen begrenzte größere Fläche wirkt und der Zuleitungsdruck auf die eine der durch den inneren Balgen begrenzten kleinen Flächen, während die andere durch den inneren Balgen begrenzte kleine Fläche eine beispielsweise gefärbte Flüssigkeit in eine Anzeigevorrichtung, z. B. ein durchsichtiges Rohr, diiickt.
7. Abänderung- des Mikrometers nach An-Spruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche Teil eines ersten Mikrometers nach Anspruch ι mit einer Anzeigevorrichtung über ein zweites Mikrometer nach Anspruch 1 verbunden ist, dessen Meßöffnung von dem bewegliehen Teil des ersten Mikrometers gesteuert wird.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 882627, 866853; USA.-Patentschrift Nr. 2 669.246.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 609 528/158 5.56 (909 721/15 2.60)