DE19726173A1 - Temperaturkompensierter Eichmaßstab - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Längen-Eich-Maßstab gemäß dem Oberbegriff des Anspru­ ches 1.

Der Erfinder hat im Umgang mit der Längenmeßtechnik in der Metallverarbeitung die Problematik des genauen Messens kennengelernt. Besonders bei großen Werkstücken wirkt sich der Temperatureinfluß des Werkstückes bzw. die Temperatur der Meßwerk­ zeuge erheblich auf das Meßergebnis aus. Werden die Werkstücke in den Meßraum gebracht, so müssen sie erst die Temperatur von 20°C einnehmen, um mit den Meß­ geräten exakt gemessen werden zu können. Da der Vorgang der Temperierung von großen Werkstücken sehr lange dauern kann, ist diese sehr zeitaufwendig und kostet somit Geld. Außerdem ist es häufig sehr wichtig, während das Werkstück noch in der Bearbeitung ist, objektiv nach messen zu können, ob noch weiterbearbeitet werden muß, um das Sollmaß zu erreichen. Besonders schwierig ist es dann, wenn die Werks­ halle besonders in den Sommermonaten nicht temperiert ist und somit evtl. sogar die Raumtemperatur 30°C übersteigt. Dagegen sind z. T. die Meßwerkzeuge erst vor kur­ zem aus dem Meßraum geholt worden und weisen eine undefinierte Temperatur auf. Selbst wenn Werkstück und Meßwerkzeuge die gleiche Temperatur haben und diese bekannt ist, ist es besonders bei Bügelmeßschrauben wegen der "Maulaufweitung" nicht sicher, daß das abgelesene Maß wirklich dem Maß des Werkstückes entspricht.

Aus diesem Grunde gibt es verschiedene Meßverfahren, mit denen man dann objektiv messen kann. Diese Meßsysteme haben beispielsweise ein Maßverkörperungssystem aus einem Werkstoff, der keine Längenänderung durch Temperatureinfluß erfährt. Die­ ses sind in der Regel Glasmaßstäbe aus einem besonderen Glaswerkstoff, der einen Längenausdehnungskoeffizienten von nahezu Null aufweist. Diese Meßsysteme sind jedoch in der Regel meist nicht mobil, sondern fest in einer Maschine integriert, die mittels einer aufwendigen Auswerteelektronik dann das Maß angibt. Dennoch besteht hier das Problem, daß das Werkstück wesentlich wärmer sein kann als die Bezug­ stemperatur 20°C. Deshalb müssen auch hier Umrechnungen zur Ermittlung des wah­ ren Maßes erfolgen. Da aber häufig Werkzeugmaschinen nicht diese aufwendige Meßtechnik aufweisen, ist der Bedarf nach einem temperaturunempfindlichen Maßver­ körperungssystem vorhanden.

Der Erfindung lag deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Längen-Eich-Maßstab zu schaffen, der unabhängig von der Umgebungstemperatur immer ein fest definiertes Längenmaß verkörpert.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruches 1 vollständig gelöst.

Der Erfinder kannte das Problem, daß verschiedene Werkstoffe eine unterschiedliche Längenausdehnung bei gleicher Temperaturdifferenz und gleicher Ausgangslänge ha­ ben. Er kam auf die Idee, zwei Stäbe mit unterschiedlichem Längenausdehnungskoef­ fizienten mittels eines quer dazu verlaufenen Hebels zu verbinden. Dieser Hebel be­ sitzt ein freies Ende. Wenn nun dieses freie Ende über den Stab mit dem geringeren Ausdehnungskoeffizienten hinausragt, so stellte er fest, daß bei richtiger Dimensionie­ rung der Länge des freien Endes bei einem Ausdehnen der Stäbe dieser Endpunkt in der Ruhe bleibt. Das heißt, obwohl beide Stäbe sich ausdehnen und dabei auch die Gelenkpunkte des Hebels sich in Ausdehnungsrichtung mitbewegen, bleibt dennoch dieser Endpunkt immer in der gleichen Position, bezogen auf die Ausdehnungsrich­ tung, unabhängig von der Temperatur. Bringt man mehrere Hebel quer zur Längser­ streckungsachse versetzt an, bleiben auch diese mit ihrem freien Ende jeweils in ihrer Ausgangsposition, obwohl sie wesentlich stärker durch die Längsausdehnung der Stä­ be in ihren Gelenkpunkten verschoben werden. Ordnet man nun einen zweiten Me­ chanismus an, der eine Spiegelung des ersten Mechanismus um die Längsachse ist und verbindet nun die Endpunkte der freien Hebel mit Stäben quer zur Ausdehungs­ richtung, so bleiben diese unabhängig von der Temperatur immer in gleicher Position. Durch geschickte Staffelung der Hebel bzw. dieser Stäbe erhält man ein definiertes unveränderliches Abstandsmaß zwischen Stäben.

Als Alternative zu dem Längen-Eich-Maßstab mit Hebeln kam dem Erfinder auch die Idee, mittels Dehnstäben die Längenausdehnung des Maßstabes zu kompensieren. Hierbei wird eine Abwandlung des aus der Physik bekannten Prinzips mittels dreier Stäbe (zwei Stäbe aus Stahl ein Stab aus Aluminium) angewendet. Bei diesem be­ kannten Prinzip ist das eine Stahlende fixiert, das andere mit einem Aluminiumstaben­ de verbunden und in umgekehrte Richtung gelenkt. Das andere Aluminiumstabende ist wiederum mit einem in umgekehrter Richtung verlaufenden Stahlstab verbunden.

Dieses Prinzip macht sich die Eigenschaft zunutze, daß der Längenausdehnungskoef­ fizient von Aluminium etwa doppelt so groß ist wie der von Stahl. Aufgrund dieser An­ ordnung hält dieses System bei Temperatureinfluß über die freien Enden gemessen in etwa die gleiche Länge bei. In der Erfindung jedoch kann man auf ein Stahlelement verzichten, weil der Stahlgrundkörper seine Funktion wahrnimmt. Da aber die unter­ schiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Stahl und Aluminium sich nicht vollständig kompensieren, hat der Erfinder daran gedacht, die Länge des Aluminiumstabes zu vari­ ieren, d. h., ihn nicht genauso lang zu machen wie den Stahlstab, um so eine vollstän­ dige Eleminierung der Längenausdehnung zu erreichen.

Die Erfindung soll nun näher an Hand der Figuren erläutert werden.

Fig. 1 Längsschnitt durch Längen-Eich-Maßstab mit Hebelsystem;

Fig. 2 Ein weiterer Längsschnitt durch den Längen-Eich-Maßstab mit Hebelsystem;

Fig. 3 Draufsicht auf den Längen-Eich-Maßstab mit Hebelsystem;

Fig. 4 Eine weitere Ausgestaltung des Längen-Eich-Maßstabes mit Hebelsystem;

Fig. 5 Eine weitere Ausgestaltung des Längen-Eich-Maßstabes mit Hebel­ system und voreinstellbarem Temperaturbereich;

Fig. 6 Eine weitere Ausgestaltung des Längen-Eich-Maßstabes mit Hebelsystem und voreinstellbarem Temperaturbereich;

Fig. 7 Der Längen-Eich-Maßstab aus Fig. 6 bei einer anderen Temperatur als bei Fig. 6;

Fig. 8 Ein Längen-Eich-Maßstab nach dem Aluminium-Stahl-Dehnstabprinzip.

In der Fig. 1 wird nur ein Teil des Längen-Eich-Maßstabes mit Hebeln gezeigt, woran sich gut das Grundprinzip erklären läßt. Zwei Stäbe 1, 2 haben einen unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten, wobei derjenige von Stab 1 geringer ist, als der von Stab 2. Beide Stäbe sind an einer Ebene 6 fixiert und der Punkt A kennzeichnet ihre Ausgangs­ länge. An den Punkten 8 und 7 ist ein Hebel fixiert. Diese Fixierung kann z. B. mittels Zylinderstiften im Preßsitz erfolgen. Dieses ist in dieser Anwendung ohne weiteres möglich, weil die Bewegungen des Hebels 3 an den Punkten 7 und 8 nur ganz gering­ fügig sind, so daß der Stift die Torsion aufnehmen kann. Bei der Fertigungstemperatur dieser Teile 1 und 2 haben die Punkte 7 und 8 jeweils den gleichen Abstand zu ihrem fixen Ende an der Ebene 6. Die Abstände der Drehpunkte des Hebels 4 sind auf den Stäben 1 und 2 zu den Punkten 7 und 8 gleich groß und derart gewählt, daß eine sinn­ volle Teilung für die spätere Meßeinrichtung zustande kommt. Der gleiche Abstand der Drehpunkte zu den Drehpunkten des vorausgehenden Hebels, gilt auch für weitere Hebel. Die freie Hebellänge des Hebels 3 vom Punkt 7 bis zum Punkt 9 ist in Abhän­ gigkeit von dem Dehnungsverhalten der Stäbe 1 und 2 und in Abhängigkeit von dem Abstand der Stäbe 1 und 2 zueinander derart dimensioniert, daß bei einem sich Aus­ dehnen der Stäbe 1 und 2 der Punkt 9 in der Ruhe bleibt. Gleiches gilt auch für weitere Hebel. Mit anderen Worten, die Endpunkte der freien Hebel verkörpern bereits ein temperaturunabhängiges Maßsystem. Befestigt man nun einen Stab 10 mit dem Punkt 9 des Hebels 3 (der Stab steht auf der Unterlage 7), so hat man bereits die eine Hälfte des Eichsystemes. Am oberen Ende des Stabes 10 kann ein Anschlag 11 montiert sein. Der dargestellte Anschlag 11 ist in Verbindung mit dem Anschlag 12 für Innen­ messung geeignet. Durch entsprechendes Umdrehen der Anschläge 11 und 12 eignet sich das System auch für Außenmaße. In der Fig. 2 werden die Stäbe 13 und 14 und die dazugehörigen Hebel gezeigt. Diese freien Enden der Hebel fixieren das andere Ende der Stäbe 10, 10', 10''. Durch diese Konstruktion bleiben die Stäbe 10, 10', 10'' senkrecht und parallel.

Zur weiteren Veranschaulichung wird in Fig. 3 die Draufsicht dieses Längen-Eich-Maß­ stabes mit Hebelsystem dargestellt. Außenliegend sind die Dehnstäbe 1 und 13 zu sehen. In der mittleren Ebene erkennt man die Stäbe 10, 10', 10''. Dazwischenliegend kann man die Hebel 4 und 5 erkennen.

In der Fig. 4 wird eine erste Variante zu der Konstruktion aus den Fig. 1 bis Fig. 3 gezeigt. Statt wie im vorhergehenden Beispiel die Aufgabe der Parallelhaltung der Stä­ be 10, 10', 10'' auf zwei Seiten der Vorrichtung aufzuteilen, wird dieses hier durch An­ bringung eines dritten Dehnstabes sichergestellt. Selbstverständlich ist es auch hier denkbar, aus Stabilitätsgründen der Konstruktion, eine zweite Anordnung aus Dehn­ stäben und Hebeln auf der anderen Seite der Stäbe 10, 10', 10'' anzubringen.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung wird in Fig. 5 gezeigt. Hier wird über ein Einstellrad 17 der Dehnstab 15 in seiner Grundeinstellung verstellt. Der Dehnstab 15 weist hier ebenfalls einen größeren Längenausdehnungskoeffizienten auf als die Dehnstäbe 14 und 16. Weil die Hebelabschnitte zwischen den Dehnstäben 14 bzw. 16 zum Dehnstab 15 hin - in Dehnungsrichtung betrachtet - zunehmend kürzer werden, gibt es beim Verschieben des Dehnstabes 15 ohne Temperatureinfluß eine Verlage­ rung der Stäbe 10, 10', 10'', so als ob es keine Temperaturkompensierung gäbe. Die­ ses kann sinnvoll sein, wenn die Meßwerkzeuge an diesem Längen-Eich-Maßstab von vornherein auf ein niedrigeres oder höheres Temperaturniveau justiert werden sollen. Eine weitere Beeinflussung durch die Umgebungstemperatur bzw. Temperatur der Maßstäbe wird dann wie in schon beschriebener Weise hier ebenfalls kompensiert.

Die Fig. 6 und 7 zeigen eine weitere Ausführung eines auf eine Bezugstemperatur voreinstellbaren Längen-Eich-Maßstabes. Die Fig. 6 offenbart dabei das System ohne den Effekt der temperaturbedingten Ausdehnung bzw. ohne eine Verstellung durch die Einstellschraube. Dagegen ist in der Fig. 7 mindestens einer dieser Effekte ablesbar. Um die Auswirkungen besser veranschaulichen zu können, wurde der Fixpunkt 6 der Fig. 6 direkt über den Fixpunkt der Fig. 7 gezeichnet.

Im folgenden soll zunächst einmal auf die "Grundeinstellung" des Systemes in Fig. 6 eingegangen werden. Am Einstellrad 17 ist zwischen dem Gehäuse 37 (beispielsweise aus Stahl) und dem Dehnstab 40 (beispielsweise aus Aluminium) ein definiertes Ab­ standsmaß eingestellt worden. Dieser Dehnstab 40 wirkt auf die Schubstangen 41, 42, die wiederum auf die Hebel 43, 44, 45, 46, 47, 48 wirken. Die Gelenkpunkte 49 sind derart angeordnet, daß eine bestimmte Teilung der Hebel 43, 44, 45, 46, 47, 48 erfolgt. Die Gelenkpunkte 50 verbinden jeweils eine Meßstation 10, 10' (usw.) mit einem Hebel. Das andere Ende der Hebel endet in dem Gelenkpunkt 51. Dieser Gelenkpunkt 51 (symbolisch mit einem zusätzlichen Punkt gekennzeichnet) stellt die Verbindung zum Gehäuse 37 her. Die Meßstationen 10, 10', 10'', 10''' sind gleitend im Gehäuse 37 an­ geordnet. Die Meßstation 10'''' ist starr mit dem Gehäuse 37 verbunden. An den Hebeln 47, 48 sind zwei weitere Schubstangen 38, 39 gelenkig angebracht, die wiederum mit der Meßstation 10''' starr verbunden sind. An den Meßstationen 10, 10' (usw.) sind die Meßanschläge 11, 12, 12' zu sehen.

Wenn nun - wie in Fig. 7 dargestellt - durch Erwärmung sich das Gehäuse 37 des Län­ gen-Eich-Maßstabes ausdehnt, so erfolgt der Längenausgleich an der Loslagerstelle 36. Durch die Koppelung des Dehnstabes 40 über die Einstellschraube 17 mit dem Gehäuse 37 wird (in unserem Beispiel) das rechte Ende des Dehnstabes 40 in Rich­ tung Fixpunkt 6 bewegt. Da der Dehnstab 40 einen größeren Ausdehnungskoeffizien­ ten hat als das Gehäuse 37, werden die Gelenke 50 proportional zu ihrem Abstand zum Meßanschlag 12' hinbewegt bedingt durch die definierte Wahl der Hebelteilung. Somit bleiben die Meßstationen unverrückt zueinander "stehen".

Eine besondere Temperaturkompensierung erfolgt in bezug auf die Meßstationen 10'''. Der waagerechte Abstand der Gelenkpunkte der Schubstangen 38, 39 an den Hebeln 47, 48 bleibt durch die Wahl der Position der Gelenkpunkte trotz der Temperaturände­ rung konstant. Insgesamt bewegen sich jedoch beide Punkte in Richtung zum Fixpunkt 6 gemäß der Längenkompensierung.

Durch die beschriebenen Funktionen behalten somit alle Meßstationen unabhängig von der Temperatur ihre Positionen bei.

In der Fig. 8 wird ein anderes Prinzip des temperaturkompensierten Eich-Maßstabes veranschaulicht. Hier wird der Effekt ausgenutzt, daß der Längenausdehnungskoeffizi­ ent von Aluminium etwa doppelt so groß ist wie der von Stahl. Doch statt der sonst mindestens erforderlichen 3 Stäbe kommt man hier mit insgesamt 2 Stäben aus. Die Grundplatte dieses Eich-Meßstabes ist aus Stahl. Die Stäbe 26, 29, 30 und 33 sind aus Aluminium und an den Punkten 22, 23, 24 und 25 mit der Grundplatte fixiert.

Dagegen sind die Stäbe 27, 28, 31 und 32 wieder aus Stahl. Die Koppelungselemente 34 sind aus einem beliebigen Werkstoff und verbinden lediglich die Dehnungsstäbe bzw. die beweglichen Meßanschläge 21 und 20 mit den Dehnstäben. Die Führungen 35 sorgen lediglich dafür, daß die relativ lange Konstruktion der Dehnungsstäbe ge­ führt wird. Der Meßanschlag 19 ist fest mit der Grundplatte 18 verbunden.

Bei einer z. B. Erwärmung des Eich-Meßstabes über die Bezugstemperatur hinaus, dehnt sich insgesamt die Grundplatte 18 auch im Bereich der festen Anschlagfläche 19 und den beweglichen Anschlagflächen 20 und 21 aus. Im folgenden soll für den be­ weglichen Meßanschlag 21 die Funktionsweise erläutert werden. Ein Aluminiumstab, der in etwa die Länge vom Abstand des Meßanschlages 21 zur Meßfläche 19 hat, ist in der Nähe des Meßanschlags 21 fixiert. Da er sich etwa doppelt so stark ausdehnt wie die darunter liegende Stahlebene, erfolgt über einen zweiten Stab 27 die Gegenkom­ pensierung, die wiederum mit einem Stahlstab erfolgt. Somit ist die Längendehnung der Grundplatte (18) kompensiert und der Meßanschlag 21 behält seinen Abstand zum Meßanschlag 19 bei. In gleicher Weise funktioniert dieses Prinzip für den Meßan­ schlag 20, bezogen auf den Meßanschlag 19. Weil der Längenausdehnungskoeffizient von Aluminium nicht genau doppelt so groß ist wie der von Stahl, kann durch eine ge­ naue Längenabstimmung des Aluminiumstabes bzw. eine genaue Definierung seines Fixierungspunktes noch der Restfehler behoben werden.

Eine Anbringung von Anschlägen 11 und 12, wie sie beim Eich-Maßstab mit dem He­ belsystem erläutert wurde, ist auch bei diesem Dehnstab-Eich-Maßstab denkbar, so daß auch hier sowohl Innen- als auch Außenmaße justiert werden können.

Claims (6)

1. Längen-Eich-Maßstab aus Werkstoffen mit einem Ausdehungskoeffizienten un­ gleich Null, dadurch gekennzeichnet, daß durch mechanisches Zusammenwirken mit mindestens einem weiteren Werk­ stoff - der einen anderen Ausdehnungskoeffizienten hat - die temperaturbedingte Längenausdehnung im wesentlichen eleminiert wird.

2. Längen-Eich-Maßstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Län­ genausdehnungskoeffizient zwischen den Meßpunkten kleiner als 6.10^-7/°Kelvin ist.

3. Längen-Eich-Maßstab nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mindestens zwei Eich-Meßpunkte vorhanden sind.

4. Längen-Eich-Maßstab nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die temperaturbedingte Längenausdehnung mittels eines He­ belsystemes eleminiert wird.

5. Längen-Eich-Maßstab nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Hebel­ system voreinstellbar ist.

6. Längen-Eich-Maßstab nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die temperaturbedingte Längenausdehnung mittels substrakti­ ver Dehnstabanordnung eleminiert wird, wobei einer der Dehnstäbe durch die Grundplatte gebildet wird.