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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Referenzkaliber für die Kalibrierung
eines Messgerätes. Die
vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls das Verfahren zur Kalibrierung
eines Messgerätes,
verbunden mit einem Referenzkaliber gemäss der Erfindung.
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Messgeräte umfassen
einen in eine oder mehrere Richtungen bewegbaren Arm, dessen Position
mit Genauigkeit mittels z.B. kapazitiver, induktiver, magnetoresistiver
oder optoelektronischer Messsysteme bestimmt wird. Am Ende des beweglichen Arms
wird ein allgemein sphärischer
Taster montiert. Der Arm des Messgeräts wird räumlich entlang einer bestimmten
Bahn verschoben, bis zu einem gewissen Messpunkt, z.B. bis zu einer
Fläche,
einer Kante oder einem genauen Punkt eines zu messenden Stücks. Die
Koordinaten dieses Punkts werden vermessen, entweder manuell durch
die Bedienungsperson, oder beispielsweise durch ein mit dem Messgerät verbundenes
Computerprogramm. Ein solches Computerprogramm erlaubt es nachher,
zum Beispiel, die Höhe
des Messpunkts in Bezug auf die Werkfläche oder auf jede andere Referenzebene
zu bestimmen, die Dimensionen eines Objekts zu berechnen oder, in
einigen Fällen,
ein zu messendes Objekt mittels einer Reihe von Messpunkten zwei- oder
drei-dimensional darzustellen.
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Um
die Genauigkeit der Messung zu gewährleisten muss das Messgerät regelmässig kalibriert werden,
um mögliche
Fehler zu korrigieren, die beispielsweise aus der Variation der
Umgebungsbedingungen, der Änderung
des Durchmessers des Tasters, usw. stammen. Die Kalibrierung erfolgt
mindestens bei jeder neuen Inbetriebnahme des Messgeräts, und
bevor die Messungen durchgeführt
werden können.
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Das üblicherweise
verwendete Werkzeug für die
Kalibrierung eines Messgeräts
ist ein Referenzkaliber. Das Referenzkaliber umfasst allgemein eine kalibrierte
Gabel, welche dazu dient, das Messgerät gemäss einer bestimmten Achse zu
kalibrieren. Die Gabel wird um den Taster angelegt. Der Arm des Messgeräts wird
gemäss
einer bestimmten Achse bewegt, bis der Taster mit einer ersten Seite
der Gabel in Kontakt kommt und somit einen ersten Messpunkt bestimmt.
Der Arm des Messgeräts
wird danach in die entgegen gesetzte Richtung bewegt, bis er die
andere Seite der Gabel berührt
und somit einen zweiten Messpunkt bestimmt. Da das Computerprogramm
des Messgeräts
die genaue Dimension der kalibrierten Gabel, ihre Bewegung und in
gewissen Fällen
die genaue Dimension des Tasters kennt, kann es also die Kalibrierungsparameter
berechnen, wie beispielsweise die Flexionen und Hysteresen, welche
in einem solchen mechanischen System während einer Richtungsänderung
existieren. Die Kalibrierungsprozedur muss nach jeder Inbetriebsetzung
des Messgeräts,
und bevor die Messungen durchgeführt
werden können,
wiederholt werden.
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Um
die Qualität
des Vermessens der Dimension der kalibrierten Gabel zu erhöhen ist
es vorteilhaft, den Weg des Arms des Messgeräts einzuschränken und
demzufolge die Dimension der Gabel selbst zu begrenzen. Eine solche
Verringerung hat den Nachteil, dass sie die Verwendung von Tastern mit
einem Durchmesser ungefähr
gleich oder grösser als
die Dimension der kalibrierten Gabel verhindert. Die Dimension der
Gabel ist somit das Resultat eines Kompromisses zwischen der gewünschten
Genauigkeit der Messung und der Möglichkeit, das Referenzkaliber
mit einem Maximum an üblichen
Tastern zu verwenden. Deshalb weisen die gegenwärtig verwendeten Kaliber alle
eine Referenzdimension von entweder 20 Millimetern oder 25.4 Millimetern
(1 Inch) auf, je nach gewähltem
Messsystem.
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Die
Patentanmeldung
JP2000039304 beschreibt
ein Kaliber, das erlaubt, einen Referenzabstand zwischen zwei, durch
ein Endmass getrennten parallelen Elementen zu messen.
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Das
Patent
US4899094 beschreibt
eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kalibrierung einer Drehbank,
worin der Innen- oder Aussendurchmesser eines durch die Spindel
der Drehbank gehaltenen Stücks
gemessen wird.
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Das
Patent
GB595190 beschreibt
ein Präzisionskaliber,
das mittels eines Masses mit nichtparallelen Seiten eingerichtet
werden kann.
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Das
Patent
US5134781 beschreibt
ein Kaliber zur Kalibrierung von Messgeräten mit einem herausragenden
Volumen mit parallelen Seiten.
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Ein
Ziel der Erfindung ist es, ein Referenzkaliber vorzuschlagen, das
eine genauere Kalibrierung als die gegenwärtigen Kaliber erlaubt, unabhängig davon,
was der Durchmesser des Tasters des Messgeräts ist.
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Erreicht
wird dieses Ziel, indem ein Referenzkaliber gemäss Anspruch 1 vorgeschlagen
wird, dessen Referenzdimension sowohl durch seine Innenseiten wie
durch seine Aussenseiten gemessen werden kann. Die Messung der Referenzdimension erfolgt
entweder, wie vorher beschrieben, indem die lineare Verschiebung
des Arms des Messgeräts
zwischen zwei Referenzflächen,
die eine kalibrierte Gabel definieren, gemessen wird, oder indem
der Abstand zwischen einem ersten Messpunkt auf der einen Seite
eines Endmasses und einem zweiten Messpunkt auf der entgegen gesetzten
Seite des gleichen Endmasses gemessen wird. Die für die Referenzdimension
gewählte
Dimension beträgt
weniger als 20 Millimeter, vorzugsweise weniger als 15 Millimeter
und vorzugsweise weniger als 7 Millimeter.
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Ein
Referenzkaliber gemäss
der Erfindung hat zwei Hauptvorteile:
Die Referenzdimension
wird stark verringert im Vergleich zu derjenigen der gegenwärtigen Kaliber,
was somit die Verschiebung des Arms des Messgeräts während der Kalibrierung einschränkt;
Die
Referenzdimension kann entweder auf die Innenseiten einer kalibrierten
Gabel oder auf die Aussenseiten eines herausragenden Volumens gemessen werden,
und die Verwendung des gleichen Referenzkalibers für die Kalibrierung
von Messgeräten,
welche Taster mit einem beliebigen Durchmesser verwenden, wird ermöglicht.
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Die
vorliegende Erfindung wird besser verstanden beim Lesen der als
Beispiel angegebenen Beschreibung, welche durch die beigelegten
Figuren illustriert ist.
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Die 1 stellt
eine perspektivische Ansicht eines Referenzkalibers gemäss der Erfindung
dar, welches für
die Kalibrierung von Höhenmesssäulen angepasst
ist.
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Die 2 zeigt
eine Querschnittansicht des in 1 dargestellten
Kalibers.
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Die
bevorzugte Ausführungsform
des Referenzkalibers gemäss
der Erfindung ist ein Referenzkaliber, das für die Kalibrierung einer Höhenmesssäule vorgesehen
ist. Eine Höhenmesssäule ist
eine Maschine, welche Abstände
nur entlang der senkrechten Achse misst. Die Höhenmesssäule wird allgemein auf eine
perfekt flache Werkfläche
gestellt, was die genaue Messung entweder des senkrechten Abstands
zwischen zwei Messpunkten oder der Höhe eines Messpunkts in Bezug
auf diese Werkfläche
erlaubt. Die Referenzdimension eines Referenzkalibers für die Kalibrierung
einer Höhenmesssäule ist
demzufolge in einer senkrechten Ebene in Bezug auf die Werkfläche orientiert.
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Die
Hauptelemente, die ein Referenzkaliber gemäss der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung bilden, sind: drei Endmassen 1, ein Sockel 2 und
eine Haube 3.
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Die
Endmassen 1 sind vorzugsweise parallelopipedförmige mechanische
Elemente, welche aus einem harten und auf Umgebungsvariationen wenig
empfindlichen Material gearbeitet werden, dessen mindestens eine
Dimension mit der grössten Genauigkeit
durch eine extrem genaue Bearbeitung von zwei entgegen gesetzten
Seiten bestimmt wird. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, aus
Vereinfachungs- und Kostenreduktionsgründen, sind die drei Endmassen 1 identisch.
Die gewählte Referenzdimension
d ist gleich 6.35 Millimeter (1/4 Inch), eine Dimension, welche
für Berechnungen
im metrischen wie auch im imperialen System geeignet ist. Die kalibrierte
Gabel 10 wird durch Überlagerung der
drei Endmassen 1 gebildet, wobei das mittlere Endmass merklich
verschoben in Bezug auf die zwei anderen ist. Auf diese Weise weist
der Zusammenbau der drei Endmassen 1, im Gegensatz zur
kalibrierten Gabel 10, ein herausragendes Teil 13 des mittleren
Endmasses für
die Kalibrierung von Messgeräten
auf, welche einen Taster verwenden, dessen Durchmesser zu gross
ist, als dass er in die kalibrierte Gabel 10 eingeführt werden
kann.
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Der
Sockel 2 umfasst eine Grundplatte 20, durch welche
das Referenzkaliber in Kontakt mit der Werkfläche steht. Der Sockel 2 verleiht
dem Kaliber seine Stabilität.
Er ist schwer und weist eine grosse Dimension im Vergleich zur Referenzdimension
d auf. Der Sockel 2 bestimmt den Abstand zwischen der kalibrierten
Gabel 10 oder dem herausragenden Volumen 13 und
der Werkfläche,
wobei der Abstand genügend
gross sein muss, um dem Arm der Messsäule zu erlauben, die kalibrierte
Gabel zu messen, ohne am Ende ihres senkrechten Wegs zu sein. Vorzugsweise
weist die Höhe
des Sockels zwischen 5% und 20% der Höhe der Höhenmesssäule auf. Die Grundplatte des
Sockels bestimmt ebenfalls die Orientierung der kalibrierten Gabel 10 und
des herausragenden Volumens 13 in Bezug auf die Werkfläche.
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Die
Haube 3 hält
die Endmasse auf dem Sockel und lässt gleichzeitig eine genügend grosse
Fläche
um die kalibrierte Gabel 10 und das kalibrierte Volumen 13 frei,
um dem Taster einen einfachen Zugang während der Kalibrierung zu ermöglichen.
Die Haube 3 wird auf den Sockel mittels zweier Schrauben 5 geschraubt
und eine zwischen der Haube und den Endmassen 1 eingeschobene
Feder 4 gewährleistet
einen konstanten Druck auf die Endmassen 1, um jegliche
Störung
des Referenzkalibers zu verhindern.
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Die
bevorzugte Ausführungsform
des Referenzkalibers gemäss
der Erfindung benützt
drei übereinander
liegende Endmassen 1, wobei das mittlere Endmass in Bezug
auf die anderen verschoben ist, um die kalibrierte Gabel 10 zu
bilden und einen Teil des mittleren Endmasses 13 herausragen
zu lassen. Es ist in einer nicht dargestellten Variante dieser bevorzugten
Ausführungsform
ebenfalls möglich,
das obere und das untere Endmass beispielsweise durch mechanische
Elemente zu ersetzen, von denen lediglich eine Fläche perfekt
eben ist. Da die perfekt ebene Fläche jeder dieser Elemente in
Kontakt mit dem mittleren Endmass steht, wird somit eine kalibrierte
Gabel gebildet, deren Flächen
perfekt eben sind. Die Dimensionen dieser Elemente müssen jedoch
einem Teil des Endmasses ermöglichen, überhängend in
Bezug dazu zu bleiben. Es ist ebenfalls möglich, entweder die obere Fläche des
Sockels oder die untere Fläche
der Haube oder beide mit der grössten
Genauigkeit zu bearbeiten, damit eine oder beide dieser Flächen als
eine Seite der kalibrierten Gabel definierende Fläche dienen.
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Die
Verwendung des Referenzkalibers gemäss der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wurde hier oben als Beispiel durch die Kalibrierung
einer Höhenmesssäule illustriert.
Der Fachmann wird jedoch leicht verstehen, dass ein solches Kaliber
ebenfalls zur Kalibrierung gemäss
der senkrechten Achse von jeder zwei- oder dreidimensionalen Messmaschine
dienen kann.
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In
einer zweiten, nicht dargestellten Ausführungsform des Referenzkalibers
gemäss
der Erfindung wird die Referenzdimension, ausgeführt wie in der bevorzugten
Ausführungsform
durch eine kalibrierte Gabel und ein herausragendes Volumen, in eine
waagrechten Ebene orientiert, was somit die Kalibrierung einer ein-,
zwei- oder dreidimensionalen Messmaschine gemäss jeder in einer Waagrechten situierten
Achse ermöglicht.
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In
einer dritten Ausführungsform
umfasst das Referenzkaliber mindestens zwei Kalibrierungsdimensionen,
welche gleichzeitig durch eine kalibrierte Gabel und ein herausragendes
Volumen dargestellt werden, wobei eine der mindestens zwei kalibrierten Dimensionen
in eine senkrechte Ebene orientiert ist, wobei eine andere der mindestens
zwei kalibrierten Dimensionen in eine waagrechte Ebene orientiert
ist, was somit die Kalibrierung einer zwei- oder dreidimensionalen
Messmaschine gemäss
der senkrechten und gemäss
mindestens einer waagrechten Achse mit Hilfe des gleichen Referenzkalibers
ermöglicht.
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Das
Verfahren zur Kalibrierung eines Messgeräts, verbunden mit der Verwendung
eines Referenzkalibers gemäss
der Erfindung, hat zwei Ausführungsformen.
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Falls
der Durchmesser des Tasters des Messgeräts fühlbar weniger als die kalibrierte
Dimension d ist, werden die zwei Flächen 11 und 12,
welche die kalibrierte Gabel definieren, auf jede Seite des Tasters
gemäss
der Achse positioniert, in welcher das Messgerät kalibriert werden muss. Der
Arm des Messgeräts
wird danach entlang dieser Achse verschoben, bis der Taster eine
erste Fläche 11 oder 12 berührt, was
einen ersten Messpunkt bestimmt. Der Arm des Messgeräts wird
danach in die entgegen gesetzte Richtung entlang der gleichen Achse
verschoben, bis er die andere, die kalibrierte Gabel definierende
Fläche 12 oder 11 berührt, was
den zweiten Messpunkt bestimmt. Die Kalibrierungsparameter werden
danach mittels der bekannten kalibrierten Dimension d, der Messung
der Verschiebung des Arms des Messgeräts und, falls er genau bekannt
ist, des Durchmessers des Tasters berechnet.
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Falls
der Durchmesser des Tasters des Messgeräts fühlbar gleich wie oder grösser als
die kalibrierte Dimension d ist, wird das herausragende Volumen
in die Nähe
des Tasters in einer genau bestimmten Position gesetzt, wobei seine
Flächen 14 oder 15 in
eine Ebene senkrecht zur Achse, in welcher das Messgerät kalibriert
werden muss, orientiert sind. Der Arm des Messgeräts wird
danach entlang dieser Achse verschoben, bis der Taster eine erste Fläche 14 oder 15 berührt, was
einen ersten Messpunkt bestimmt. Der Arm des Messgeräts wird
danach leicht in die entgegen gesetzte Richtung verschoben, um den
Einzug des Referenzkalibers zu erlauben, und dann in die Erstrichtung
auf eine fühlbar grössere Distanz
als d. Das Kaliber wird genau wieder in seine Erstposition gesetzt.
Der Arm des Messgeräts
wird dann in die entgegen gesetzte Richtung entlang der gleichen
Achse verschoben, bis er die andere, das herausragende Volumen definierende Fläche 15 oder 14 berührt, was
den zweiten Messpunkt bestimmt. Die Kalibrierungsparameter werden danach
mittels der bekannten kalibrierten Dimension d, der zwischen den
beiden Messpunkten gemessenen Distanz und, falls er genau bekannt
ist, des Durchmessers des Tasters berechnet.