2 Messgeräte zur Erfassung von Maschineneigenschaften

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1 2 Messgeräte zur Erfassung von Maschineneigenschaften In diesem Kapite werden ae zur Beurteiung von Werkzeugmaschinen erforderichen Messgeräte zusammenhängend vorgestet. Die in den nachfogenden Kapiten beschriebenen Vorgehensweisen bei der Durchführung der Messungen greifen auf diese Darsteung zurück. In den ersten bschnitten werden zunächst die übichen Mess- und uswertegeräte zur ängen-, Winke-, Geschwindigkeits- und Bescheunigungsmessung beschrieben. Da Genauigkeitsprüfungen an Werkzeugmaschinen grundsätzich in Form von bweichungsmessungen durchgeführt werden, sind diese Geräte von großer Bedeutung. Die Kenntnis des Genauigkeitsverhatens unter Betriebsasten (Prozess- und Gewichtskräfte) wird künftig an Bedeutung gewinnen. Hierzu wird die Verformungsneigung der Maschinen unter definierter astaufbringung erfasst. Die dafür künstich einzueitenden statischen, dynamischen und thermischen Beastungen müssen ebenfas gemessen werden. us diesem Grunde werden die zur Untersuchung notwendigen Kraftmessaufnehmer und Temperatursensoren behandet. Die Interferometrie mit asericht ermögicht ein fächiges und sogar dreidimensionaes Erfassen der Verformungen von Maschinenstrukturen. Diesem künftig bedeutsamen Messverfahren wird daher ein eigener bschnitt gewidmet. 2.1 Geräte zur Messung von Wegen In diesem bschnitt werden die für die Untersuchungen an Werkzeugmaschinen wichtigen Geräte zur Messung von Wegen bzw. ängenänderungen oder Dehnungen vorgestet. Viefach werden die geichen ufnehmertypen auch für die Erfassung von Geschwindigkeiten und Bescheunigungen verwendet, da durch Differentiation bzw. Integration eine Umwandung der Messgrößen mögich ist. Der grundsätziche Nachtei der Differentiation besteht häufig darin, dass ae höherfrequenten Störungen das Messergebnis stark verfäschen. Zu den am häufigsten bei Geometriemessungen einsetzbaren Messgeräten gehören die reativen Wegaufnehmer. Je nach nwendungsfa kann zwischen berührenden und berührungsosen, mechanisch und eektronisch wirkenden ufnehmern verschiedener Messbereiche, ufösung (keinster unterscheidbarer Messschritt) und Genauigkeit gewäht werden. M. Weck, C. Brecher, Werkzeugmaschinen 5, DOI / _2, Springer-Verag Berin Heideberg 2006

2 12 2 Messgeräte zur Erfassung von Maschineneigenschaften Wie in späteren Kapiten dieses Buches noch ausführich beschrieben wird, eignen sich Wegaufnehmer in Kombination mit eferenznormaen (Prüfinea, Prüfwinke oder Prüfkuge usw.) für viefätige Messaufgaben wie z.b. Messung der Tischgerad- bzw. -ebenheit (siehe bschnitt ) oder undaufmessungen von otationsachsen (siehe bschnitt ) Mechanische Wegmessgeräte Zu den ätesten Wegmessgeräten zähen die mechanischen Messuhren. Hierbei wird die transatorische Messbewegung über Präzisionszahnstange und -ritze in eine rotatorische Zeigerbewegung umgewandet, Bid 2-1. dern haten unabhängig von der Bewegungsrichtung immer dieseben Zahnfanken in Kontakt. Hierdurch wird das Spie der Getriebeeemente weitgehend ausgeschatet. Über einen usgeichshebe wird für eine annähernd von der Tasterposition unabhängige ndruckkraft gesorgt. Durch Wah geeigneter Zahnstangenängen und Getriebeübersetzungen können unterschiediche Messbereiche und ufösungen reaisiert werden [2-1]. Messbereich: 0,1 bis 10 mm ufösung: 1 bis 10 μm Bid 2-1. ufbau und Wirkungsweise einer Messuhr

3 2.1 Geräte zur Messung von Wegen 13 Zahnradsegmente ückstefeder Zeigerritze Spiraausgeichsfeder (Spirae) Einspannschaft Messbozen Kugeführung Messeinsatz Messbereich: 0,1 bis 10 mm ufösung: 1 bis 10 μm Bid 2-2. ufbau und Wirkungsweise eines inzeigers inzeiger, Bid 2-2, sind anaoge ängenmessgeräte mit einem imaen Zeigerausschag von weniger as 360 [2-2]. Sie unterscheiden sich von den Messuhren durch eine größere mechanische Übersetzung, die mit Hife von itze- und Zahnradsystemen erreicht wird. Sie weisen zwar einen geringeren Messbereich, dafür aber eine höhere ufösung auf. Einen Mikrokator zeigt Bid 2-3. Hierbei wird as Übersetzungseement für den Messweg ein dünnes Metaband benutzt, das von der Mitte aus zur einen Seite hin rechtsgängig und zur anderen Seite hin inksgängig verdrit ist. In der Mitte ist ein Zeiger befestigt. Die axiae Messbozenbewegung wird durch einen Winkehebe um 90 umgeenkt und auf das verdrite Metaband übertragen. Die dadurch entstehende Streckung des Metabandes bewirkt eine proportionae Drehung des Zeigers. Da in der gesamten Kette der Messwegübertragung nur dern ausgeenkt werden, tritt bei dem Mikrokator nahezu keine Umkehrspanne auf [2-1, 2-3].

4 14 2 Messgeräte zur Erfassung von Maschineneigenschaften Winkehebe Skaenbatt Zeiger Strichskaa verdrites derband Justiereinrichtung Battfeder Einspannschaft ückstefeder Messbozen Membran (zur Tasterführung) Messeinsatz Messbereich: 0,1 bis 0,5 mm ufösung: 0,02 bis 1 μm Bid 2-3. ufbau und Wirkungsweise eines Mikrokators Potentiometer-Weggeber Weggeber nach dem Potentiometer-Prinzip überführen die Wegmessgröße in eine Widerstandsänderung. Durch eine wegproportionae Verschiebung des bgriffspunktes des Scheifers auf einem über der Wegänge ausgedehnten Widerstand ändert sich der Widerstand entsprechend. Das Hauptmerkma dieser Geber ist ihre hohe Nutzspannung, was einfache und robuste Schatungen ohne Verstärker ermögicht. Die einfachste Form des Potentiometergebers besteht aus einem gerade gespannten Widerstandsdraht konstanten Querschnitts, auf dem sich ein Scheifer bewegt, Bid 2-4 [2-4]. Der zwischen dem Scheifer und dem einen Ende des Drahtes wirksame Widerstand S veräuft proportiona zum entsprechenden Weg s s s o (2-1) s Hierin bedeutet s den ima mögichen Weg und o den gesamten Widerstand. Nutzt man den Potentiometergeber as Spannungsteier, erhät man bei einer Nichtbeastung durch das Messgerät (I S = 0) eine wegproportionae Spannung U S : s U s U o (2-2) s mit U 0 as der an 0 aniegenden Spannung. Der wesentiche Nachtei der Potentiometergeber ist durch das Scheiferprinzip bedingt: Scheifer und Widerstandsdraht nutzen sich ab, der Übergangswiderstand beibt nicht konstant.

5 2.1 Geräte zur Messung von Wegen 15 Bid 2-4. Potentiometergeber (Quee: nach TWK-Eektronik GmbH) Potentiometer-Weggeber sind einsetzbar für Messhübe von bis über 1000 mm, bei einer ufösung von 0,01 mm. Die inearitätsabweichungen betragen je nach Bauweise und Messweg ca. 0,05 bis 0,5% [2-5, 2-6] Kapazitive Weggeber Zwei einander mit dem bstand d gegenüberstehende, eitende Patten der Fächen, zwischen denen sich ein Materia mit der reativen Dieektrizitätskonstante befindet, besitzen die Kapazität C [2-7]: 1 C o d mit 11 o 10 2 Farad cm (2-3) Hierin ist 0 die Dieektrizitätskonstante des eeren aumes. Zur Wegmessung kann die Änderung des bstandes d der beiden Patten voneinander genutzt werden. Sie beeinfusst proportiona die Kapazität C, deren Veränderung eektronisch ausgewertet wird. Nach einer Änderung des bstandes d der Patten um d ergibt sich eine Kapazität C(d +d) zu [2-4]: o Cd d (2-4) d d

6 16 2 Messgeräte zur Erfassung von Maschineneigenschaften Bid 2-5. Kapazitiver Wegaufnehmer (Quee: nach Mikro Epsion Messtechnik) us den Geichungen (2-3) und (2-4) erhät man die Grundgeichung des kapazitiven bstandsgebers zu: Cd 1 d d C d d (2-5) uf diese Weise ässt sich die Änderung des Pattenabstandes bestimmen zu: C d d 1 d (2-6) Cd d Durchfießt ein Wechsestrom konstanter Frequenz den Kondensator, so ist die mpitude der Wechsespannung am Sensor dem bstand der Kondensatorpatten proportiona. Hierzu speist der Osziator den Sensor mit einer frequenz- und ampitudenstabien Wechsespannung. Der in Bid 2-5 im Bockschatbid dargestete Vorverstärker ermögicht die Überbrückung größerer Entfernungen zwischen Messort und Haupteektronik. Die ufgabe des Demoduators ist die Demoduation, inearisierung und Verstärkung des abstandsabhängigen Messsignas [2-8]. Kapazitive bstandsgeber benutzt man meist zur berührungsosen Messung der Bewegungen schwingender Bauteie. Hierzu wird der Messgeber in einem geringen bstand (ca. mm) von der Oberfäche eines metaischen Bauteis angebracht. Seine Frontfäche stet die eine Patte des Kondensators dar. Die andere Patte wird vom metaischen Bautei sebst gebidet. Änderungen der eitfähigkeit wirken sich nicht auf die Empfindichkeit oder inearität aus.

7 2.1 Geräte zur Messung von Wegen 17 Messungen gegen Isoatorwerkstoffe sind mögich, wenn das Materia eine konstante Dieektrizitätskonstante besitzt. Das ineare Verhaten wird durch eine eektronische Beschatung erreicht. Um die Streukapazität der festen Eektrode zu definieren, ist eine bschirmung vorgesehen, die auch geichzeitig Störfeder abschirmt. Mit einer derartigen Messeinrichtung assen sich je nach Sensortyp Messungen in Messbereichen von 0,05 mm bis zu 10 mm, bei einer ufösung von 0,002 bis 0,4 m durchführen. Die inearitätsabweichungen betragen ca. 0,2% vom Messbereich. Der Frequenzbereich iegt zwischen 0 und 6 khz Wirbestrom-Weggeber Wirbestromaufnehmer eignen sich zur berührungsosen Wegmessung gegen jegiche Messobjekte aus eektrisch-eitenden Werkstoffen. Es ist geichgütig, ob diese ferromagnetische Eigenschaften aufweisen oder ob es sich um nichtferromagnetische Materiaien handet [2-9]. Der ufbau der ufnehmer ist nahezu identisch mit dem ufbau kapazitiver Geber. Eine in ein Sensorgehäuse eingegossene Spue wird von hochfrequentem Wechsestrom durchfossen. Das eektromagnetische Spuenfed induziert im eitfähigen Messobjekt Wirbeströme. Dadurch ändert sich der Wechsestromwiderstand der Spue. Diese Impedanzänderung bewirkt ein dem bstand des Messobjektes proportionaes, ineares, eektrisches Signa. Das Wirbestrom- Messverfahren reagiert im Gegensatz zum kapazitiven Messverfahren unempfindich auf Umweteinfüsse (Ö, Schmutz, Wasser und eektromagn. Störfeder), ist aerdings weniger hoch aufösend. ufgrund der geringeren Empfindichkeit gegen Umweteinfüsse kann beim ufbau von Wirbestrom- ufnehmern auf die bschirmung verzichtet werden (siehe Bid 2-5). us diesem Grund werden derartige ufnehmer keiner as kapazitive ufnehmer gebaut. Mit Wirbestrom-Wegaufnehmern assen sich je nach ufnehmertyp Messungen im Bereich zwischen 0,5 und 80 mm, bei einer ufösung von 0,05 bis 8 m durchführen. Der Messbereich iegt zwischen Hz und 100 khz [2-9] Induktive Weggeber Eine auf einen ferritischen Kern aufgebrachte Drahtwickung besitzt eine Induktivität. Die Größe der Induktivität ist abhängig von der Windungszah w, der Permeabiität des Kerns und den bmessungen von Wickung und Kern. Werden die Größen w, oder, d.h. aso die Induktivität von mechanischen Größen beeinfusst, so bezeichnet man sie as induktiven Geber. Je nachdem, ob w, oder einer Induktivität beeinfusst werden, ist die Wirkungsweise und der konstruktive ufbau des Gebers verschieden [2-4]. Induktive Geber, deren Induktivität durch Verändern des uftspates zwischen Kern und nker eines Magneten beeinfusst wird, heißen Querankergeber. In Bid 2-6 ist ein derartiger Geber, seine Kenninie und die Schatung eines Differentia- Querankergebers dargestet [2-7]. uf einen magnetischen Kern (z.b. in U-Form)

8 18 2 Messgeräte zur Erfassung von Maschineneigenschaften Bid 2-6. Induktiver Querankergeber (Quee: nach Hottinger Badwin Messtechnik) ist eine Spue aufgeschoben. Die magnetischen dinien durchsetzen den Kern, treten an seinen Stirnseiten aus und schießen sich im ebenfas magnetischen nker. Wird der nker reativ zum Kern bewegt, ändert sich der uftspat und damit die Induktivität. Bezeichnet man mit die änge der magnetischen dinien durch das Eisen, d.h. durch Kern und nker bzw. mit die dinien durch die uft, mit bzw. die entsprechenden reativen Permeabiitäten von Kern und uft, mit 0 die Permeabiität des eeren aumes, mit die Fäche des Kerns und mit w die Windungszah, so wird unter Vernachässigung von Streuung und Wirbeströmen die Induktivität des Querankergebers: 2 ow (2-7) 9 H mit o 4 10 (H = Vs/: Henry). cm Für = 0, aso für am Kern aniegenden nker, wird ima: 2 o w (2-8)

9 2.1 Geräte zur Messung von Wegen 19 us den Geichungen (2-7) und (2-8) fogt die Grundgeichung für Querankergeber: 1 (2-9) 1 In der Praxis ist ausgehend von einem nkerabstand eine Wegänderung zu ermitten. Die sich dabei einsteende Induktivität ( + ) ässt sich nach G. (2-7) bestimmen zu: 2 o w (2-10) 3 uf diese Weise ässt sich die Wegänderung aus den Geichungen (2-7) und (2-10) errechnen zu: 1 (2-11) 3 Geichung (2-9) kennzeichnet einen hyperboischen Zusammenhang zwischen der Induktivität und dem nkerweg. Querankergeber besitzen nur für keine nkerwege eine näherungsweise konstante Empfindichkeit. Um auch für etwas größere nkerwege konstante Empfindichkeit zu erhaten, schatet man meist zwei gegenüberiegende Querankergeber in einer Wheatstone schen Brückenschatung zusammen. Bei einer Verschiebung des nkers wird entsprechend der Kenninie des Querankergebers die eine Induktivität der einen Spue größer, die der anderen keiner. Die beiden Induktivitäten sind mit den Vergeichswiderständen V und dem zum Phasenabgeich nötigen Kondensator C so in eine Wheatstone sche Brücke geschatet, dass bei einer Verschiebung des nkers beide Induktivitäten das Brückengeichgewicht geichsinnig beeinfussen. U ist die Speisespannung der Brücke und U M die gemessene Spannung bei einer Verschiebung des nkers um. Queranker-Wegaufnehmer sind in Messbereichen von 0,4 bis 0,7 mm bei einer inearitätsabweichung von ca. 1% des Messbereiches einsetzbar [2-10]. Die wesentiche Einschränkung des Querankergebers, sein begrenzter Messweg, führte zur Entwickung eines induktiven Gebers mit großem Messweg. Der sogenannte Tauchankergeber besteht aus einer Spue mit einem Querschnitt, einem verschiebbaren nker des Querschnittes und der Permeabiität sowie einem magnetischen ückschuss des Querschnittes und der Permeabiität. In erster Näherung aufen die magnetischen dinien durch den uftraum der änge im Inneren der Spue, durch den nker der änge und schießen sich wieder durch den magnetischen ückschuss der änge Bid 2-7.

10 20 2 Messgeräte zur Erfassung von Maschineneigenschaften Bid 2-7. Induktiver Tauchankergeber (Quee: nach Hottinger Badwin Messtechnik) Durch Verändern der Eintauchtiefe des nkers in die Spue ändert sich entsprechend die Induktivität. s Funktion des Weges git in erster Näherung: 2 o w (2-12) Für = 0 ( Sp ) wird bei genügend angem nker die Induktivität ima: 2 o w (2-13) us den Geichungen (2-12) und (2-13) fogt die Grundgeichung des Tauchankergebers zu: 1 1 (2-14)

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