DE3901352C2 - Vorrichtung zur Oberflächenmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Oberflächenmessung, insbesondere zur Ermittlung von Profiltiefe, Welligkeit und Rauheit einer zu prüfenden Oberfläche.

In der Oberflächenmeßtechnik werden Abweichungen technischer Oberflächen von der idealen geometrischen Gestalt ermittelt. Da ein einziger Wert für die Charakterisierung einer technischen Oberfläche nicht ausreicht, sollte deren Beschreibung immer durch mehrere Angaben erfolgen, z.B. durch mehrere Rauheits- und Oberflächenkennwerte. In der betrieblichen Anwendung sind dabei insbesondere die Ermittlung von Profiltiefe, Welligkeit und Rauheit von Interesse. Für die exakte meßtechnische Erfas­ sung einer Oberfläche können dabei mechanische Tastsysteme ein­ gesetzt werden, bei welchen die Abtastung der Oberfläche mit einer Diamant- oder Saphirnadel mit festgelegtem Spitzenradius vorgenommen wird. Die Bewegungen der Nadel werden induktiv oder kapazitiv in proportionale Spannungssignale verstärkt und einem Schreiber zur Profilaufzeichnung und/oder einer Auswerteeinheit zur Anzeige eines Rauheitswertes zugeführt. Für die exakte meß­ technische Erfassung einer Oberfläche können jedoch auch berüh­ rungslos arbeitende optische Tastsysteme eingesetzt werden, bei welchen beispielsweise das Licht eines im Taster eingebauten Halbleiterlasers stark gebündelt auf die zu prüfende Oberfläche gerichtet wird. Die Objektivlinse des Tasters ist beweglich aufgehängt und wird stets so nachgeführt, daß der Brennpunkt des Lichtstrahls auf der zu prüfenden Oberfläche liegt. Damit wird über den gesamten Meßbereich ein gleichbleibender Licht­ fleckdurchmesser gewährleistet. Der optische Taster ist dabei so konzipiert, daß eine Verschiebung der Objektoberfläche in Strahlrichtung eine Verschiebung des Lichtflecks über Fotodioden bewirkt und daraus die zu ermittelnden Rauheits- und Oberflächenkennwerte abgeleitet werden können.

Für die Ermittlung von Profiltiefe, Welligkeit und Rauheit einer zu prüfenden Oberfläche werden sogenannte Bezugsebenen-Taster eingesetzt, deren mechanische Taster auf einer Bezugsebene außerhalb der zu prüfenden Oberfläche ge­ führt werden. Die Vorrichtungen umfassen Linear-Vorschubgeräte mit eingebauten Bezugsebenen, wobei die mechanischen Taster je nach Meßaufgabe in verschiedenen Positionen an der Hauptwelle des Vorschubgerätes befestigt werden können. Für Bezugsebenen-Messungen, die ein Höchstmaß an Genauigkeit er­ fordern, ist dabei eine Position möglich, bei welcher der Taster durch eine entsprechende Abkröpfung des an der Hauptwelle ange­ brachten Halters unmittelbar unter der Bezugsebene des Vor­ schubgerätes hängt. Die bekannten Bezugsebenen-Taster sind dabei insbesondere für den Einsatz in einem Meßlabor mit einer Aufstellung der Vorrichtung auf einem Meßtisch und für die Oberflächenmessung relativ großer Oberflächen geeignet.

Für den betrieblichen Einsatz sind eher als Zweikufen-Taster bekannte Vorrichtungen geeignet, die sich durch eine besonders einfache Handhabung auszeichnen und zur Durchführung von Ober­ flächenmessungen mit ihren Gleitkufen einfach auf die zu prü­ fende Oberfläche aufgesetzt werden. Diese Zweikufen-Taster ermöglichen jedoch nur die Ermittlung von Profiltiefe und Rau­ heit, während die Welligkeit nicht gemessen werden kann, da die Kufen der Welligkeit der Oberfläche folgen.

Aus der DE-PS 4 25 125 ist ein Gerät zum Messen von Eindrucktiefen bekannt, welches in der Materialuntersuchung eingesetzt wird und durch Messungen an verschiedenen Stellen einer Eindruckfläche zu einem brauchbaren Mittelwert der Eindrucktiefe führen soll. Das nach Art eines bezugsebenen-Tasters ausgebildete Gerät besteht aus einem auf die Prüffläche aufsetzbaren Dreifuß, in dem ein Längsschlitten mit einer ersten Spindel bewegt wird. Auf dem Längsschlitten läuft ein Querschlitten, der mittels einer zweiten Spindel verschoben werden kann. In dem Querschlitten ist ein Feinmeßgerät eingespannt, dessen nach oben ragender Gehäuseteil eine Skala trägt und in dessen nach unten ragenden Gehäuseteil ein Taster angeordnet ist.

Aus der GB-PS 8 45 795 ist eine Vorrichtung zur Oberflächenmessung bekannt, bei welcher die Unterseite eines Pilotblockes eine genaue Bezugsebene bildet, die im wesentlichen parallel zu der zu prüfenden Oberfläche ausgerichtet ist. Unterhalb dieser Bezugsebene befindet sich ein mit mehreren Noppen (skids) ausgerüsteter Trägerblock, der mit mehreren auf einem Schlitten abgestützen Federn gegen die Bezugsebene gedrückt wird. Der vorstehend erwähnte Schlitten dient zur Verschiebung des Trägerblockes auf der Bezugsebene, wobei der Trägerblock durch eine Öffnung des Schlittens nach unten ragt. An der Unterseite des Trägerblockes ist ein seitlich auskragender Halter befestigt, der an seinem freien Ende einen Taster trägt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine für den betrieblichen Einsatz in der Fertigung geeignete, kompakt ausgebildete und leicht handhabbare Vorrichtung zur Oberflächenmessung zu schaffen, die einfach auf die zu prüfende Oberfläche aufgesetzt wird und eine exakte Ermittlung von Profiltiefe, Welligkeit und Rauheit ermöglicht.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Vorteile einer Bezugsebenen-Messung auch bei einer kompakten und leicht handhabbaren Vorrichtung dann realisiert werden können, wenn Auflage und Taster, Führung mit Bezugsebene und der Schlitten des Vorschubgerätes in platzsparender Weise unmittelbar über­ einander angeordnet werden. Diese Übereinanderanordnung in verschiedenen Ebenen kann dabei dadurch realisiert werden, daß der am Schlitten befestigte und den Taster tragende Halter durch eine Aussparung der Führung hindurchgeführt ist. Die entsprechenden geringen Abmessungen der erfindungsgemäßen Vor­ richtung gewährleisten den Einsatz auch auf kurzen Meßflächen. Eine exakte Parallelführung des Schlittens ist dadurch gewährleistet, daß gefederte Abstützrollen den Schlitten mit seiner Dreipunktauflage federnd gegen die Bezugsebene drücken.

Ist die Bezugsebene zumindest annähernd parallel zu der zu prüfenden Oberfläche ausgerichtet, so liefert die Vorrichtung unmittelbar die erwünschten Rauheits- und Oberflächenkennwerte, d. h. die bei einer geneigten Lage erforderliche Korrektur der Kennwerte durch den Rechner der Auswerteeinheit kann entfallen. Außerdem erfordert die parallele Ausrichtung von Auflage und Bezugsebene auch das geringste Bauvolumen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Auflage als Dreipunktsauflage ausgebildet, die eine besonders einfache und günstige Positionierung auf dem Meß­ objekt gewährleistet. Die Auflage umfaßt dann vorzugsweise drei auf die zu prüfende Oberfläche aufsetzbare Schneiden, wobei derartige Auflageschneiden dann auch beispielsweise Messungen an einem mit Bohrungen versehenen Motorblock ermöglichen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist an dem Halter ein an der Unterseite der Führung anlie­ gendes und die Aussparung abdeckendes Dichtblech befestigt. Dieses zusammen mit Schlitten, Halter und Taster verfahrbare Dichtblech verhindert den Zutritt von Staub, Spritzwasser und dergleichen in den besonders empfindlichen Führungsbereich des Schlittens.

Schließlich kann eine weitere Reduzierung der Baugröße dadurch erreicht werden, daß oberhalb des Schlittens ein Antriebsmotor und ein mit dem Schlitten sowie dem Antriebsmotor verbundener Bewegungsumsetzer angeordnet sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dar­ gestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 das Grundprinzip einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Oberflächenmessung,

Fig. 2 einen bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1 einsetzbaren mechanischen Taster,

Fig. 3 einen bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1 einsetzbaren berührungslosen optischen Taster,

Fig. 4 die Anordnung der Auflageschneiden der Vorrichtung gemäß Fig. 1 und

Fig. 5 eine entsprechend dem in Fig. 1 dargestellten Grund­ prinzip aufgebaute Vorrichtung zur Oberflächenmessung in stark vereinfachter schematischer Darstellung.

Gemäß dem in Fig. 1 aufgezeigten Grundprinzip umfaßt die er­ findungsgemäße Vorrichtung eine auf die zu prüfende Oberfläche O aufsetzbare Auflage Af, eine oberhalb der Auflage Af angeord­ nete, als ebene Platte ausgebildete Führung F, einen auf der Führung F verfahrbaren Schlitten S und einen in Fig. 1 lediglich als Block dargestellten Antrieb At für den Schlitten S. Die obere Fläche der Führung F bildet eine im Abstand parallel zur Oberfläche O ausgerichtete Bezugsebene B, auf welcher der Schlitten S mit Hilfe des Antriebes At in Richtung des Doppelpfeiles Dpf linear verfahren werden kann. An der Unterseite des Schlittens S ist ein Halter H befestigt, der durch eine sich in Richtung des Doppelpfeiles Dpf erstreckende Aussparung As der Führung F nach unten ragt und einen in Fig. 1 durch strichpunktierte Linien lediglich als Block aufgezeigten Taster T trägt. Als Taster T kann gemäß Fig. 2 ein mechanischer Taster T1 zur berührenden Abtastung der Oberfläche O und gemäß Fig. 3 ein optischer Taster zur berührungslosen Abtastung der Oberfläche O verwendet werden. Die als Dreipunktsauflage aus­ gebildete Auflage Af umfaßt drei Schneiden Sd, deren Anordnung zueinander aus Fig. 4 hervorgeht. Mit diesen Schneiden Sd kann die gesamte Vorrichtung auch auf unterbrochenen Oberflächen wie z.B. auf Motorblock-Oberflächen positioniert werden. Um trotz­ dem eine einwandfreie Dreipunktsauflage zu gewährleisten, sind die Schneiden Sd leicht hohl geschliffen, wobei die den beiden kürzeren Schneiden Sd gegenüberliegende längere Schneide Sd zusätzlich über ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Blatt­ federgelenk kippbar gelagert ist. Abweichend vom dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Auflage Af für den Einsatz in flexiblen Fertigungszentren aber auch mit drei durchbohrten Auflagefüßen ausgerüstet werden, so daß die Auflagestellen während des Positionierungsvorganges durch die Füße hindurch schmutzfrei geblasen werden können.

Bei der in Fig. 5 etwas ausführlicher dargestellten Vorrichtung trägt der Halter H den auch in Fig. 1 aufgezeigten mechanischen Taster T1. Es ist ferner zu erkennen, daß am Halter H ein an der Unterseite der Führung F anliegendes und die Aussparung As abdeckendes Dichtblech D befestigt ist. Dieses mit dem Schlitten S, dem Halter H und dem Taster T1 verfahrbare Dicht­ blech D verhindert den Zutritt von Schmutz, Staub und Spritzwasser in den Bereich des auf der Bezugsebene B geführten Schlittens S. Um eine möglichst exakte Parallelführung des Schlittens S zu gewährleisten, sind an seiner Oberseite gefederte Abstützrollen Ar angeordnet, die an der durchbrochenen Trennwand Tw zum Antrieb At abgestützt sind und den Schlitten S mit seiner Dreipunktauflage Daf federnd gegen die Bezugsebene B drücken. Der Antrieb At umfaßt einen Antriebsmotor Am und einen Bewegungsumsetzer Bu, welcher die durch einen Pfeil aufgezeigte Rotationsbewegung Ro des Antriebsmotors Am in eine ebenfalls durch einen Pfeil aufgezeigte Linearbewegung Li des Schlittens S umsetzt. Dabei ragt ein an dem Schlitten S befestigter Übertragungsarm Ua durch einen schlitzförmigen Durchbruch Db der Trennwand Tw hindurch nach oben, so daß eine auf einer Wendelbahn Wb geführte und am oberen Ende des Übertragungsarmes Ua angebrach­ te Rolle Re die rotierend/lineare Umsetzung vollziehen kann. Bei der Linearbewegung Li über den gesamten Meß- bzw. Tastbereich des Tasters T1 wird eine mit Rf bezeichnete Rück­ stellfeder gespannt, die neben der Rückstellung des Schlittens S auch eine spielfreie Anlage der Rolle Re an der Wendelbahn Wb gewährleistet.

Die in Fig. 5 dargestellte Vorrichtung kann zur raschen Ermitt­ lung von Profiltiefe, Welligkeit und Rauheit von Hand auf die jeweilige Prüfstelle aufgesetzt werden. Die Vorrichtung kann jedoch auch in ähnlicher Weise wie ein Werkzeug fest mit der Maschinenspindel einer Bearbeitungsmaschine verbunden werden, wobei die Vorrichtung über einen entsprechenden Adapter dann auch wahlweise in eine axiale Meßstellung oder eine radiale Meßstellung geschwenkt werden kann. Somit kann die Vorrichtung beispielsweise automatisch an stirngefräste oder wälzgefräste Flächen innerhalb des Arbeitsraumes einer Fräseinrichtung po­ sitioniert werden.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Oberflächenmessung, insbesondere zur Ermitt­ lung von Profiltiefe, Welligkeit und Rauheit einer zu prüfenden Oberfläche (O), mit

• - einer auf die zu prüfende Oberfläche (O) aufsetzbaren Auf­ lage (Af);
• - einer oberhalb der Auflage (Af) angeordneten Führung (F), deren Bezugsebene (B) einen definierten Abstand zur Auflage (Af) aufweist;
• - einem mit einer Dreipunktauflage (Daf) auf der Bezugsebene (B) geradlinig verfahrbaren Schlitten (S);
• - gefederten Abstützrollen (Ar), welche an einer parallel zur Bezugsebene (B) ausgerichteten Wand (Tw) abgestützt sind und den Schlitten (S) mit seiner Dreipunktauflage (Daf) federnd gegen die Bezugsebene (B) drücken;
• - einem am Schlitten (S) befestigten und durch eine Aussparung (As) der Führung (F) nach unten ragenden Halter (H) und mit
• - einem am Halter (H) befestigten Taster (T; T1; T2).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsebene (B) zumindest annähernd parallel zu der zu prüfenden Oberfläche (O) ausgerichtet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflage (Af) als Dreipunktsauflage ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflage (Af) drei auf die zu prüfende Oberfläche (O) aufsetzbare Schneiden (Sd) umfaßt.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Halter (H) ein an der Unterseite der Führung (F) anliegendes und die Aussparung (As) abdeckendes Dichtblech (D) befestigt ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb des Schlittens (S) ein Antriebsmotor (Am) und ein mit dem Schlitten (S) sowie dem Antriebsmotor (Am) verbundener Bewegungsumsetzer (Bu) angeordnet sind.