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Einrichtung zur Ermittlung von Längenmeßfehlern in einer Längenmeßeinrichtung
auf Grund von Temperaturänderungen Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Ermittlung
von Längenmeßfehlern. in einer Längenmeßeinricetung auf Grund von Temperaturänderungen
mit ein.em Temperaturfühler, der die Temperatur. eines zu messenden. Werkstückes
feststellt und ein der festgestellten Temperatur entsprechendes elektrisches Signal
abgibt, das in ein Rechenwerk gelangt, welches unter Berücksichtigung von Wärmeausdehnungskoeffizient
und Abmessung des zu messenden Werkstückes einen Längenkorrekturwert für das Werkstück
bildet.
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In der modernen Fertigungstechnik mit ihren-immer größer werdenden
Geschwindigkeiten und. ihren immer höher werdenden Genauigkeitsforderungen ist es
in zunehmendem Maße notwendig, beim Messen von Längen die Einflüsse von
Temperaturänderungen
zu kennen, zu berücksichtigen und zu korrigieren. Beim vergleichenden Messen von
Längen werden in der Regel sogenannte Einstellmeister als Messnormale benutzt. Es
ist wichtig, die Temperaturänderungen bei Längenmessungen zwischen Meßstation und
Meßnormal und den zu prüfenden Werkstücke-n genau zu erfassen, um die durch Temperaturänderungen
bedingten Fehlmessungen zu korrigieren. Normalerweise wird die Abweichung des Ist-Wertes
einer Länge von dem Soll-Wert einer Länge geme~ssen. Dabei ist zu beachten, daß
z. 3. bei Paarungsmessung mehrere Maße gleichzeitig erfaßt werden. Die Einstellung
auf die Soll-Werte erfolgt dann mit mehreren Meßnormalen. Im Normalfall haben die
Meßstationen und die Meßnormale dieselbcn Temperaturen und dieselben Ausdehnungskoeffizienten,
so daß durch Temperaturunterschiede zwischen Meßstation und Meßnormalen keine Fehler
entstehen.
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Wenn die zu messenden Werkstücke eine von der Meßstation und den Meßnormalen
abweichende Temperatur aufweisen, erfolgt eine Fehlmessung, die durch geeignete
Maßnahmen korrigiert werden muß.
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Unter der Voraussetzung, daß das Werkstück, das Meßnormal und die
Meßstation die gleiche Temperatur haben, sind zur Feststellung der Längenkorrekturwerte
einfache Meßgerät te anwendbar, z. B. Mikrometer, mit denen bei beliebigen Umgebungstemperaturen
die Größe des Werkstückes relativ zum Meßnormal genau festgestellt werden kann.
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In der Praxis ist diese Voraussetzung meist nicht erfüllt, woraus
sich die Forderung ergibt, durch Temperaturänderung entstandene Fehler zu korrigieren.
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Es ist ein Meßverfahren zur Korrektur des Temperatureinflusses bei
spanabhebenden Fertigungen bekannt. (KEIM 1971, Februar) Es handelt sich dabei um
das Meßgerät Thermophil 4463, das im wesentlichen aus der Temperaturfühlerspannung,
die der Differenztemperatur zwischen dem zu messenden Werkstück und dem Meßnormal
proportional ist, und unter Berücksichtigung des Wärmeausdehnungskoeffizienten des
Werkstückes und dessen Abmessung einen Längenkorrekturwert bestimmt. Dieses Meßverfahren
setzt voraUs, daß die Wärmezufuhr gleichmäßig stattgefunden hat und daß die zugeführte
Wärme in der relativ kurzen Zeit zwischen Wärmezufuhr und Messung sich soweit im
Werkstück ausgleichen konnte, daß nur noch geringe Temperaturunterschiede innerhalb
des Werkstückes gegeben sind. Die notwendige Wartezeit bis zur Durchführung der
Messung wird bei einem Erststück ermittelt, indem man die Ablesung des Meßwertes
nach mehreren Zeitabständen wiederholt und dadurch den stationären Zustand erkennt.
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Vor jedem Meßvorgang wird das Meßgerät auf den Meßwert O eingestellt,
wobei als Bezugswert jeweils die Temperatur des Meßnormals genommen wird. Die Längenmessung
erfolgt mit einer Meßuhr. Soll nun das Werkstück relativ zu einem Meßnormal ausgemessen
werden, wird der Längenunterschied zwischen Werkstück und Meßnormal mittels der
Meßuhr festgestellt.
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Gleichzeitig stellt das Meßgerät über den Temperaturfühler und die
am Meßgerät einstellbaren Werte von Wärmeausdehnungskoeffizienten des Werkstückes
und dessen Abmessung einen Längenkorrekturwert fest. Aus den an der Meßuhr und dem
Meßgerät Thermophil 4463 ablesbaren Werten kann jetzt der wirkliche Längenkorrekturwert
errechnet werden.
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Ein Nachteil dieses Meßverfahrens besteht darin, daß vor jedem Messvorgang
zeitraubend und umständlich auf die Abmessungen und Temperatur des Meßnormals abgeglichen
werden muß, um genaue Messungen durchführen zu können. Ein weiterer erheblicher
Nachteil besteht darin, daß Temperaturänderungen während des Meßvorganges nicht
berücksichtigt werden, da ohne großen und zusätzlichen Aufwand keine gleichzeitigen
Kontrollmessungen am Meßnormal und der Meßeinrichtung vorgenommen werden können
und ein O-Abgleich nicht kontinuierlicn durchführbar ist. Immerhin bewirkt eine
Temperaturänderung von 0,500 bei einem im langen Aluminium-Werkstück schon eine
Längenänderung von mehr als 10 um. Diese Nachteile können nicht tolerierbare Meßfehler
bedingen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, die durch Temperaturänderungen
der Meßnormaléßder Längenmeßeinrichtung und der zu prüfenden Werkstücke hervorgerufenen
Meßfehler zu korrigieren und die oben beschriebenen Nachteile der schon bekannten
Einrichtung zu vermeiden.
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Eine Lösung der gestellten Aufgabe besteht darin,
daß
ein weiterer Temperaturfühler vorgesehen ist, der die Temperatur der Längenmeßeinrichtung
feststellt und ein der festgestellten Temperatur entsprechendes Signal abgibt, das
in ein Rechenwerk gelangt, welches unter Berücksichtigung des Wärmeausdehnungskoeffizienten
der Längenmeßeinrichtung und deren Abmessung einen Längenkorrekturwert für die Längenmeßeinrichtung
bildet, daß die Längenmeßeinrichtung eine elektrische Längenmeßeinrichtung ist,
die ein der abgetasteten Länge entsprechendes elektrisches Signal abgibt, und daß
eine Summiereinrichtung vorgesehen ist, die die Längenkorrekturwerte für das Werkstück
und die Längenmeßeinrichtung sowie den der abgetasteten Länge entsprechenden Signalwert
mit den richtigen Vorzeichen zu einem wahren Längenmeßwert addiert.
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Der Vorteil dieser Lösung besteht darin, daß gleichzeitig mit der
Feststellung der Temperatur des zu messenden Werkstückes durch den einen Temperaturfühler
ein zweiter Temperaturfühler die Temperatur der Längenmeßeinrichtung erfaßt, wodurch
die Temperaturänderungen und damit die genauen Temperaturunterschiede zwischen den
zu messenden Werkstücken und der Längenmeßeinrichtung und, bei vorgegebenen Wärmeausdehnunskoeffizienten
und Abmessungen der Werkstükke und der Längenmeßeinrichtung, die Längenkorrekturwerte
kontinuierlich bestimmbar sind.
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Eine weitere Lösung der Aufgabe besteht darin, daß ein weiterer Temperaturfühler
vorgesehen
ist, der die Temperatur ein-s zweiten, in der gleichen
Längenmeßeinrfchtung gemessenen Werkstückes feststellt und der ein der festgestellten
Temperatur entsprechendes Signal abgibt, das in ein Rechenwerk gelangt, welches
unter Berücksichtigung des Wärmeausdehnungskoeffizienten des zweiten Werkstückes
und dessen Abmessung einen Längenkorrekturwert für das zweite Werkstück bildet,
daß die Län-genmeßeinrichtung eine elektrische Längenmeßeinrichtung ist, die ein
der abgetasteten Länge entsprechendes elektrisches Signal abgibt, und daß eine Summiereinrichtung
vorgesehen ist, die die Längenkorrekturwerte für die Werkstücke sowie den der abgetasteten
Länge entsprechenden Signalwert mit den richtigen Vorzeichen zu einem wahren Längenmeßwert
addiert.
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Der Vorteil dieser Lösung besteht darin, daß gleichzeitig mit der
Peststellung der Temperatur des zu messenden Werkstückes durch den einen Temperaturfühler
ein weiterer Temperaturfühler die Temperatur eines zweiten Werkstückes, das z. B.
auch ein Meßnormal sein kann, erfaßt. Da außerdem gleichzeitig mit den Temperaturmessungen
die Abmessungen der Werkstücke feststellbar sind, ermöglicht die erfindungsgemäße
Einrichtung, Längenmeßfehler bei Längenmessungen in Werkstücken auf Grund von Temperaturänderungen
kontinuierlich und genau zu bestimmen.
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Das gemeinsame erfindungsgemäße Grundmerkmal der beiden Lösungen
der gestellten Aufgabe besteht in dem großen Vorteil dieser Erfindung gegenüber
bekannten Einrichtungen,
die Temperaturen und Abmessungen der zu
prüfenden Werkstücke, der Meßnormale und der Längenmeßeinrichtung gleichzeitig zu
bestimmen und die den Temperaturen und Abmessungen entsprechenden elektrischen Signale
mit richtigen Vorzeichen den Rechnwerken zuzuführen, in denen unter Berücksichtigung
der Wärmeausdehnungskoeffizienten und Abmessungen ein Längenkorrekturwert erzeugt
wird.
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Vorzugsweise wird der Wert für die Abmessungen der zu prüfenden Werkstücke
dem Rechenwerk direkt von der Längenmeßeinrichtung zugeführt, was besondersvorteilhaft
ist, denn dadurch ist eine stets genaue und kontinuierliche Brzeugung von Längenkorrekturwerten
gewährleistet, wodurch z. B. Temperaturänderungen bei längeren Bearbeitungsprozessen
und Längenmeßfehler infolge dieser Temperaturänderungen sicher festgestellt werden
können.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und soll im folgenden näher beschrieben werden.
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Es zeigt Fig. 1 im Schema in der Form eines Blockschaltbildes eine
erfindungsgemäße Einrichtung zur Ermittlung von Längenmeßfehlern mit Wechselspannungsspeisung.
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In der Pig. 1 sind zwei Temperaturfühler 2 und 4, die z. B. aus temperaturkorrigierenden
Widerständen oder Halbleitern bestehen können, mit Andrückeinrichtungen 6 und 8,
z. B. Federn, versehen. Mit Hilfe dieser Andrückvorrichtungen 6 und 8 sind die Temperaturfühler
2 und'4 mit einem konstanten
Meßdruck an ein Meßnormal 10 und an
ein zu prüfendes Werkstück 12 anlegbar. Zwei Leitungen 14 und 16 verbinden die Temperaturfühler
2 und 4 mit einer Wechselspannungsquelle 18. Zwei weitere Leitungen 20 und 22 verbinden
die Temperaturfühler über Differenzverstärker, die hier nicht gezeigt sind, mit
einem Summierwerk 24, in dem. die Spannungen, die die Temperaturfühler 2 und 4 liefern
und die den Temperaturen des Meßnormals 10 und des zu prüfenden Werkstückes 12 proportional
sind, addiert werden, derart, daß bei Temperaturgleichheit zwischen Meßnormal und
zu prüfendem Werkstück bei gleichen Temperaturkoeffizienten am Ausgang der Korrekturwert
Null erscheint. In dem Summierwerk 24 ist eine Einrichtung 26 zur Einstellung der
Empfindlichkeit vorgesehen.
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Eine Leistung 28 verbindet das Summierwerk 24 mit einem Rechenwerk
30, in dem die Ausgangsspannung des Summierwerks 24 entsprechend dem Wärmeausdehnungskoeffizienten
der jeweils zu prüfenden Werkstücke bewichtet wird.
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Eine Leitung 32 verbindet das Rechenwerk 30 mit einem Rechenwerk
34, in dem die Ausgangsspannung des Rechenwerks 30 entsprechend dem Längenwert des
zu messenden Werkstückes bewichtet wird. Die Ausgangsspannung des Rechenwerkes 34
entspricht dem Längenkorrekturwert für das zu messende Werkstück. Zwei Längenmeßeinrichtungen
36 und 38 sind mit Tastern 40 und 42 versehen, die auf das Meßnormal 10 und das
Werkstück 12 auffahrbar sind. Die Leitungen 44 und 46 verbinden die Längenmeßeinrichtungen,
die vorzugsweise aus induktiven Wegaufnehmern bestehen, über eine Leistung 48 mit
der Wechse
Lspannungsquelle 18, die in der Fig. 1 schematisch als
Oszillator dargestellt ist. Eine Leitung 49 führt dem Rechenwerk 34 den durch die''längenmeßelnrictitung
38 festgestellten Wert für die- Werkstücklänge direkt- zu. Zwei Leitungen 50 und
52 und eine Leistung 54 verbinden die Längenmeßeinrichtungen 36 und 38 und das Rechenwerk
34 mit einem Summierwerk 56, in dem die Ausgangsspannungen der-Längenmeßeinrichtungen
36 und 38 und des Rechenwerks 34 mit richtigen Vorzeichen addiert werden. Eine Leitung
58 verbindet das Summierwerk 56 mit einem Verstärker 60, durch den die Ausgangsspannung
des Summierwerke 56 verstärkt wird. Eine Leitung 62 verbindet den Verstärker 60
mit einem phasenabhängigen Gleichrichter 64, der durch ßie Leitung 66 mit der Spannungsquelle
18, die dem Gleichrichter 64 die Vergleichsphase liefert, verbunden ist. Die Ausgangsgleichspannung
des Gleichrichters- 64, die ein Maß für den Längenkorretturwert relativ zum -Meßnormal
ist, kann, wie in der Fig. 1 gezeigt ist, mittels eines Meßinstrumentes 68 angezeigt
werden, wobei das Meßinstrument 68 in Längeneinheiten gewicht werden kann. Die Ausgangsgleichspannung
kann darüberhinaus auch direkt zur Steuerung automatischer Bearbeitungsmaschinen
ausgenutzt werden. Ergänzend sei noch bemerkt, daß die Einrichtung auch mit mehr
als zwei Längenmeßeinrichtungen und Temperaturfühlern versehen sein und mit Gleichspannung
versorgt werden kann. Die erfindungsgemäße Einrichtung kann vorteilhaft bei Paarungsmessungen
eingesetzt werden.