DE2138289A1 - Verfahren und vorrichtung zum messen der oberflaechenrauheit sich bewegender flaechen - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Oberflächenrauheit sich bewegender Flächen.
• Die Erfindung betrifft ein mechanisch-elektrisches Oberflächentastverfahren sowie die zugehörige Vorrichtung zum Messen der Oberflächenrauheit sich bewegender Prüflingsflächen.
• Bei den bisher bekannten Verfahren werden die dabei benutsten Vorrichtungen mit geringer Geschwindigkeit (z.B. 0,5 mm/sec) über eine kurze Meßstrecke (z.B. 5 mm) auf der Oberfläche des ruhenden Frrflings bewegt. Die Bestimmung der OberilEchenrauheit an Pruflingsfläohen, die sich selbst bewegen und zwar wesentlich schneller als der üblichen Meßgcsehwindigkeit der bekannten Geräte entspricht, ist mit den bisherigen Verfahren und Vorrichtungen nicht möglich.
• Das Messen der Rauheit bewegter Oberflächen ist aber von besonderem Interesse z.B. bei Meßsteuerungen an Walzenschleifmaschinen.
• Die bekannten Meßverfahren bedingen ein Stillsetzen der Maechinen, um die Meßvorriohtung verwenden zu kannen. Dieses Stillset4;en iet Jedoch aus fertigungstechnischen GrUnden nicht angängig, weil beim Wiederanlaufen der Maschine Markierungen in der Oberfläche des Werkstücks entstehen. Hier setzt die Erfindung ein. Die Erwindung gestattet ferner, tiber die Oberfläche des Werkstückes den Zustand des Werkzeuges an einer Werkzeugmaschine mit adaptives Regelung zu beurteilen.
• Das Veriahren zum Messen der Oberflächenrauheit während der Bearbeitung, z.B. des Schleifens einer Walze besteht darin, daß die zu untersuchende Oberfläche an vielen verschiedenen Punkten abgetastet wird und daß die dabei erhaltenen stochastischen Signale auf nachgeschaltete Meßwertverarbeitungseinrichtungen uebertragen werden.
• In diesen werden Oberflächenkennwerte z.B. die geometrische Rauhtiefe R5 als Standardabweichung der Meßwerte berechnet, die angezeigte oder nach der die Fertigung geregelt oder gesteuert werden kann.
• Die Vorrichtung zum Ausüben dieses Verfahrens besteht nach der Erfindung aus einem bei der Berührung vorzugsweise horizontal liegenden Taststift mit Tastspitze und eines an eich bekannten induktiven Signalgeber. Der Taststift ist radial beweglich in einem, im folgenden als "Meßrädchen" bezeichneten/Radkörper angeordnet und dringt dabei durch eine Öffnung in der Mantelfläche dieses Radkörpers, der auch den Geber aufnimmt. Das Meßrädchen ist in einer Halterung drehbar gelagert und kann so auf der zu untersuchenden Oberfläche abrollen, wobei die entstehenden Signale über Schleifringe weitergeleitet werden.
• Der Taststift trägt eine verschleißfeste Tastspitze, deren Rundungshalbmesser so klein ist, daß sie in das Rauheitegebirge der Oberfläche einzudringen versagt Das Meßrädchen $trägt zwei Spurkränze, mit denen es auf der zu prtlfenden Oberfläche abrollt. Die Öffnung für den Taststift befindet sich vorzugsweise zwischen den Spurkränzen. Sie kann aber auch außerhalb der Spurkränze liegen, wenn nämlich auch solche Teile der Oberfläche abgetastet werden sollen, die nahe an einem Bund oder an einem Absatz liegen, die also von einem zwischen den Spurkränsen liegenden Taststif nicht erreicht werden könnten.
• In der Ruhelage ragt die Spitze des Taststifts mindestens so weit Aber den HUllzylinder der Spurkränze hinaus, wie es der maximalen Rauhtiefe der abzutastenden Oberfläche entspricht.
• Ebenso wie die Tastspitze bestehen auch die Spurkränze aus einem verschleißfesten Werkstoff. Damit wird die Nullpunktkonstanz des Meßwertaufnehmers gesichert, weil der Abstand der Tastspitze vom Hililzylinder der Spurkränze konstant bleibt. Außerdem wird damit verhindert, daß die Spurkränze unrund werden.
• Beide Spurkränze massen gleichmäßig an der Oberfläche des Prüflings bzw. des Werkstücks anliegen. Dazu ist vorgesehen, daß die Halterung des Meßrädchens mittels zweier Ireusfedergelenke um eine Achse schwenkbar ist, die sowohl senkrecht zum horizontal liegenden Taststift als auch senkrecht zu der Geraden liegt, welche die Berührungspunkte der Spurkränze mit dem Werkstück enthält. Die notwendige Anpreßkraft wird dadurch ersielt, daß die Halterung des Meßrädchens unter Zwischenschaltung eines Blattfederpaares in Richtung auf die zu untersuchende Fläche parallel verschiebbar ist.
• Zur radial beweglichen Lagerung des Taststifts in dem Meßrädchen dient ebenfalls ein Blattfederpaar. Es slnd ferner Anschläge zur Hubbegrenzung des Taststifts in beiden Bewegungsrichtungen sowie Mittel zur Schwingungsdämpfung des Stifts vorgesehen.
• Als Dämpfungsmittel kann eine Luftbremse aus Kolben und Zylinder dienen. Es kann dazu auch eine Beschichtung der Blattfedern verwendet werden, die den Taststift tragen. Ferner sind die Anschläge zur Hubbegrenzung mit einem dämpf enden Belag versehen.
• Wie schon oben ausgefuhrt, wird die Vorrichtung an der laufenden Bearbeitungsmaschine benutzt. Daher ist erforderlich, Mittel torzusehen, mit denen das Eindringen von Verunreinigungen in das Innere des Meßrädchens verhindert wird. Dazu dient Luft unter geringem Ueberdruck, für deren Zuleitung ein axialer Stutzen in der freien Stirnwand des Meßrädchens vorgesehen ist.
• mur Vermeidung von bei Schleifkontakten möglichen Fehlerquellen ist eine Abwandlung der Grundbauart in der Weise möglich, daß die Spule des induktiven Signalgebere ortsfest angeordnet wird. Damit erübrigen sich Schleifringe sur Signalübertragung. Eine andere Lösung besteht darin, an Stelle der Schleifkontakte drahtlose Übertragungsmittel (Sender und Empfänger) zu verwenden.
• Es können statt des induktiven auch andere Signalgeber z.B. ein ohmscher, ein kapazitiver, ein Feldplattengeber, ein auf dem Hall-Prinzip beruhender, ein optischer,ein fotoelektrischer oder ein pneumatischer Geber verwendet werden.
• Schließlich sind Mittel vorgesehen, um die Anpreßkraft des Meßrädchens an die zu untersuchende Oberfläche gleichmäßig einstellen zu können. Hierzu dient eine Meßuhr, die den Verstellweg der Halterung des Meßrädchens gegenüber der Zustelleinrichtung anzeigt.
• Sofern ein pneumatischer Geber verwendet wird, kann dessen abluft als Mittel zum Verhindern des Eindringena von Verunreinigungen in das Innere des Meßrädohens herangezogen werden.
• In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Tastvorrichtung nach der Erfindung, sowie deren verfahrensmäßige Anwendung schematisch dargestellt.
• Es zeigen: Fig. 1 einen Horizontalschnitt durch die Vorrichtung Fig. 2a, b, c, d Meßrädchen und Priifling Jeweils nach einer vollen Umdrehung des Meßrädchens, letzteres verkleinert, das Oberflächenprofil stark überhöht.
• Fig. 3 verschiedene Winkellagen des Prüflings Fig. 3a kurz bevor, Fig. 3b während und Fig. 3c kurz nachdem der Taster die Oberfläche berührt.
• Fig. 4 den Signalverlauf am Ausgang der Tastvorrichtung.
• In Fig. t ist das aus einem rotationssymmetrischen Gehäuse bestehende Meßrädchen mit 1 bezeichnet. Dieses liegt über zwei Spnrkrknze 2 aus verschleißfestem Wirkstoff kraftschlüssig an der sich bewegenden Oberfläche des Prüflings bzw. Werkstücks 3 an. Statt dieser Außenfläche kann es sich auch um eine innen liegende Rotationsfläche oder um die Oberfläche eines band- oder stangenförmigen Materials handeln. Durch Reibung zwischen den Oberflächen des Werkstücks und der Spurkränze wird das Meßrädchen in Drehung versetzt, wobei nach kurzem Schlupf beim Anfahren die Umfangsgeschwindigkeiten an den Berührungspunkten gleich sind.
• Das Neßrädchen ist in Lagern 4 drehbar gelagert. Um Spielfreiheit mit Reibungsarmut zu verbinden, werden hier zweckmäßigerweise vorgespannte Wälzlager verwendet. Die Lager 4 befinden sich in einer Halterung 15, die durch Kreuzfedergelenke 5 um kleine Winkel schwenkbar ist. Die Lage dieser Gelenke 5 ist nur schematisch dargestellt. In der praktischen Ausfuehrung liegen diese Gelenke mit ihrer gemeinsamen Schwenkachse oberhalb und unterhalb der Zeichenebene. Diese Achse verläuft senkrecht zum Taststift und zu einer Geraden, welche die Berührungs@unkte der Spurkränze mit dem Werkstück enthält. Mit diesen Gelenken 5 soll vichergestellt werden, daß die Spurkränze 2 des Meßrädchens auch dann an der Prüflings- bzw. Werkstückoberfläche anliegen, wenn diese Formfehler aufweist. Diese können als z.b. Konizität oder Balligkeit in Achsrichtung liegen, oder dann auftreten, wenn der Prüfling nicht exakt um seine Symmetrieachse rotiert. Das Kreuzfedergelenkpaar erzeugt zugleich das erforderliche Rilckstellmoment.
• Ein Blattfedergelenkpaar 6 verbindet die Halterung 15 mit einer Zustelleinrichtung 7 und sorgt zugleich durch auf zubringende Vorspannung flir die erforderliche Anlagekraft zwischen dem Meßrädchen und dem Prtlfling. Diese wird auch dann aufrechterhalten, wenn der Prüfling außer den obengenannten Formfehlern noch Rundlauiabweichungen aufweisen sollte. Die Zustelleinrichtung ermöglicht zugleich eine Anpassung der Lage des Meßrädchens an unterschiedliche Prüflingsdurchmesser.
• Innerhalb des Meßrädchens ist ein Taststift 8 mittels eines Blattfederpaares 9 reibungs- und sp@@lfrei gelagert. Die Vorspannung dieser Blattfedern erzeugt zugleich die in der Größenordnung tpn 1p liegende Meßkraft. Diese Meßkraft ist klein genug, um Beschädigung der zu untersuchenden Oberfläche und damit Verfälschung des Meßsignals zu vermeiden. Die Spitze des Taststifts ist in der bei Tastschnittgeräten bekannten Weise ausgebildet.
• Der Taststift trägt einen Kern 10, über den die Induktivität einer Spule 11 besinflußt wird. Die dabei erhaltenen elektrischen Signale werden über Schleifringe und Kontaktfedern 13 vom Meßrädchen in bekannter Weise auf nachgeschaltete Empfänger zur Verarbeitung übertragen.
• Die Schwingungen des Taststifts gegenüber dem Neßrädohen werden mittels einer Luftbremse 12 aus Kolben und Zylinder gedämpft.
• Ferner sind Anschläge als Hubbegrenzung in beiden Bewegungßrichtungen vorgesehen1 (nicht dargestellt) Um su verhindern, daß Verunreinigungen in das Innere des Meßrädchens eindringen, wird bei 14 gereinigte Luft unter geringem aber druck zugeführt.
• Zum gleichmäßigen Einstellen der Anpreßkraft für das Meßrädchen ist eine Meßuhr vorgesehen\ (nicht dargestellt). Diese zeigt den Verstellweg der Halterung 15 gegenüber der Zustelleinrichtung# an.
• Fig. 2 zeigt verschiedene Eindringtiefen y1 bis y4 des Taststifts, Jeweils nach einer vollen Umdrehung des Meßrädchens. Diese Werte sind bezogen auf einen angenommenen Hüllzylinder des Werkstücks und beschreiben die Oberflächenrauheit am Umfang des Prüflings in der jeweils durch die Spitze des Taststifts gekennzeichneten Ebene.
• In Fig. 3 ist dargestellt, wie der Taststift beim Abwälzen des Meßrädchens auf des Prüfling dessen Oberfläche berhhrt. Dabei wird der Taststift kurzzeitig aus seiner Ruhelage radial nach innen bewegt, um danach winder in die Ruhe- bzw. Ausgangslage zurückzukehren.
• Die bei zweimaligem vollständigen Abwälzen des Meßrädchens erhaltenen zwei Signale y1, y2 sind in Fig. 4 gezeigt. In dieser bezeichnot d don Hüllkreisdurchmesser des Meßrädchens. Demnach haben die abgetasteten Punkte auf der Prüflingsoberfläche einen abstand von d # # voneinander.
• Die Signale y1, y2 entsprechen zwei stochastischen Ordinatenwerten der Prüflingsoberfläche. Aus einer genügend großen Anzahl solcher Signale y1,y2.....y1 lassen sich bekannte Oberflächenkenngrößen berechnen. Die geometrische Rauht@@fe Rs (RNS) entspricht beißpielsweise der Standardabweichung der von dem Oberflächentastsystem erzeugten Meßsignale.

Claims (18)

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Verfahren zum Messen der Oberflächenrauheit sich bewegender Flächen eines Werkstücks in einer Bearbeitungsmaschine, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die zu untersuchende Oberfläche @n vielen verschiedenen Punkten abgetastet wird und daß die dabei erhaltenen stochastischen Signale auf nachgeschaltete Meßwertübertragungseinrichtungen übertragen werden, in denen mittels Rechenschaltungen Oberflächemkennwerte, z.B. die g@@metrische @@uhtiefe Rs als Standardabweichung der Meßwerte berechnet werden, die angezeigt oder nach der in der Fertigung geregelt oder gesteuert werden kann.

2. Vorrichtung zum Ausüben des Verfahrens nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n s e i c h n e t, daß zum Abtasten der Oberfläche ein Taststift, der bei der Berührung der Oberfläche vorzugsweise horizontal liegt. mit Ta@tspitze und einem @n sich b@kannten, ind@ktiven Signalgeber dient, wobei der T@ststift @@dial beweglich in einem, im folgenen als "Meßrädchen" bezeichmeten, hohlen Radkörper und dabei eine Öffnung in der Mantelflüche dieses Radkörpers durchsetzend gel@gert ist, der auch den feber aufnimmt, daß daß Meßrädchen, in einer Halterung drchbar gelagert, auf der zu untersuchenden Oberfläche abr@llen kann und daß Schleifringe zur Weiterleitung des bei jede@ Fastvergang entstehenden Signals vorgeschen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Taststift eine verschl@ißfeste Tastspitze trägt, deren Rundungshelbmesser to klein ist, daß @ie i@ das @auheitsgebi@ge der Oberfläche einsudringen ver@@@@.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Meßrädchen zwei Spurkränze trägt, mit denen es auf der zu prüfenden Oberfläche abrollt, daß sich die Offnung in der Mantelfläche des Radkörpers für den Taststift vorzugsweise zwischen den Spurkrknzen befindet, und daß die Spitze des Taststifts in der Ruhelage so weit über den Hüllzylinder dieser Spurkränze hinausragt, wie es der maximalen Rauhtiefe der abzutastenden Oberfläche entspricht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Spurkränze aus einem verschleißfesten Werkstoff bestehen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Halterung des deßrädchens mittels zweier Kreuzfedergelenke um eine Achse schwenkbar ist, die sowohl senkrecht zum horizontal liegenden Taststift als auch senkrecht zu der Geraden liegt, welche die BerEhrungspunkte der Spurkränze mit dem Werkstück enthält und daß ein BlattSederpaar die Halterung für das Meßrädchen mit einer Zustelleinrichtung in Richtung auf die zu untersuchende Fläche verbindet.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Taststift in dem Meßrädchen mittels eines Blattfederpaares radial beweglich gelagert und durch Anschläge in beiden Bewegungßrichtungen hubbegrenzt ist und daß Mittel zur Schwingungsdämpfung des Taststiftes vorhanden sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, d a d u r ch g e k e n n z e i e h n e t, daß als Dämpfungsmittel eine Luftbremse aus Kolben und Zylinder dient.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß als Dämpfungsmittel eine Beschichtung der BLattfedern dient, welche den Taststift tragen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Anschläge zur Hubbegrenzung mit einer dämpf enden beschichtung versehen sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i e h n e t, daß Mittel vorgesehen sind, mit denen das Eindringen von Verunreinigungen in das Innere des Neßrädchens verhindert wird.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i e h n e t, daß als Mittel Luft unter geringe@ Überdruck dient, für deren Zuleitung ein axialer Stutzen in der freien Stirnwand des Meßrädchens vorgesehen ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Spule des induktiven Signalgebers ortafest angeordnet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n Z e i c h n e t, daß an Stelle der Schleifkontakte drahtlose Übertragungsmittel (Sender und Empfänger) verwendet werden.

15. Vorrichtung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß an Stelle des induktiven andere Signalgeber, z.B. ein ohmscher, ein kapazitiver, ein Eeldplattengeber, ein auf dem Hall-Prinzip beruhender, ein optischer, ein fotoelektrischer oder ein pneumatischer weber vorgesehen sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß Mittel zum gleichmäßigen Einstellen der Anpreßkraft für das eßrädchen an die zu untersuchende Oberfläche vorgesehen sind.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß als Mittel eine Meßuhr dient, welche den Verstellweg der Halterung gegenüber der Zustelleinrichtung anzeigt.

18. Vorrichtung nach den Ansprüchen 11, 12 und 15, d a d u r c h g e k e n n s e i c h n e t, daß als Mittel zum Verhindern des Eindringens von Verunreinigungen in das Innere des Meßrädchens die Abluft des pneumatischen Gebers dient.