CH689840A5 - Verfahren zur Anzeige von Laengenmassen geometrischer Pruefobjektabmessungen und Materialeigenschaften von Pruefobjektoberflaechen. - Google Patents

Description

  
 



  Die Erfindung dient zur rationellen Erfassung geometrischer und materialtechnischer Prüfobjekteigenschaften und ist mit einer qualifizierten Aussage zur Längenabhängigkeit eines geometrischen Prüfmasses vom Werkstoffverhalten des Prüfobjektes verbunden. 



  Sie kann insbesondere dort eingesetzt werden, wo Präzisionslängenmessungen von Prüfobjekten und die gleichzeitige Kenntnis physikalischer Materialeigenschaften verlangt werden. 



  Breite Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich vor allem daraus, dass bei Prüfobjekten mit Präzisionsforderungen bei der Längenmasseinhaltung in der Regel gleichzeitig hohe Anforderungen an die materialtechnischen Eigenschaften, besonders der Prüfobjektoberfläche, gestellt werden. 



  Vorteilhafte Anwendungen sind beispielsweise im Zusammenhang mit der Bereitstellung von Längenmassverkörperungen aber auch von Präzisionselementen, zum Beispiel von Endmassen und Kugeln, zu sehen, die hinsichtlich ihrer fertigungstechnischen Längenmassrealisierung bzw. ihres masslichen Langzeitverhaltens parallele Aussagen zum geometrischen Mass und den materialtechnischen Eigenschaften verlangen. 



  Weitere Anwendungsbeispieie sind aber auch Führungs- und Lagerelemente mit hohen Genauigkeitsforderungen. Hier sind Aussagen zur materialtechnischen Homogenität der Führungs- und Lageflächen von besonderer Bedeutung. 



  Grundsätzlich beeinflussen Materialabweichungen bzw. Materialinhomogenitäten das physikalisch-technische Verhalten von Präzisionsbauteilen und unterliegen daher häufig einer ständigen Kontrolle im Entwicklungs-, Herstellungs- und Anwendungsprozess. 



  Es ist allgemein bekannt, die Erfassung von Endmassnormallängen mittels eines Endmassprüfplatzes durchzuführen und eine nachfolgende Untersuchung des Endmassoberflächenhärteverhaltens mittels Vickers-Mikrohärtemessung vorzunehmen. So ist beispielsweise der Einsatz eines Prüfstandes 826E für Parallel-Endmasse der Firma Carl Mahr GmbH & Co. (Firmendruckschrift der  Carl Mahr GmbH & Co. in der Bundesrepublik Deutschland, Druckschrift-Nr. 1148) bekannt geworden, der zur Endmasskalibrierung bzw. Überwachung der Endmasslangzeitstabilität einsetzbar ist. 



  Für die mit diesem Endmassgerät erzielten Längenkalibrierwerte wird vom Hersteller eine Abweichung von interferenziell gemessenen Werten innerhalb von +/- 0,01  mu m angegeben. 



  Diese geringe Messunsicherheit macht in Verbindung mit hohen Klassengenauigkeitsforderungen der Endmasse deutlich, dass hier an das die Endmasslänge beeinflussende Materialgefüge hohe Anforderungen hinsichtlich der Materialzusammensetzung und Materialhomogenität gestellt werden. Eine Lösung zur Anwendung des Mikrohärteprüfsystems LECO M-400 PC-2 ist aus der Firmendruckschrift der LECO INSTRUMENTE GmbH in der Bundesrepublik Deutschland (Druckschriften-Nr. SD 8/89) ersichtlich. 



  Der Nachteil dieser weit verbreiteten Werkstoffgefügeuntersuchung mittels Mikrohärtemessungen besteht vor allem darin, dass in der Regel spezielle Präparationen der Prüfobjektoberfläche erforderlich sind und Beschädigungen der Prüfobjektoberfläche durch bleibende Eindrücke in Form plastischer Verformungen erfolgen. Weitere Nachteile ergeben sich durch die üblicherweise gerätetechnische Trennung von hochwertigen Längenmesseinrichtungen in Messräumen für genaue Längenmessungen und in spezielle Werkstoffprüfgeräte in Prüflabors für gezielte Werkstoffuntersuchungen. Diese Trennung ist zwangsläufig mit örtlichen und zeitlichen Problemen sowie mit erhöhten Anschaffungskosten für die unterschiedlichen Messeinrichtungen verbunden. 



  Eine andere Lösung ist in der DE-P 4 103 060 angegeben, wobei hier ein auf Messkraftvariation beruhendes Längenmessverfahren für Präzisionsmessungen mit Längenmesseinrichtungen zur Anwendung kommt. 



  Dabei wird mittels einer mechanisch berührenden Antastung vor der Prüflingsmessung ein Kalibriervorgang und unter Anwendung von  unterschiedlichen Messkräften- und Messabläufen eine die nichtlineare und lineare elastische Deformationen umfassende Kompensation durchgeführt die eine hohe Genauigkeit von Längenmassen geometrischer Prüfobjektabmessungen ergibt. 



  Bei allen bekannten Lösungen erfolgt eine gerätetechnische Trennung zwischen genauer Längenmessung und Untersuchungen vom Werkstoffverhalten. 



  Ausgehend von dem geschilderten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, für Prüflinge mit verschiedener Geometrie und Materialzusammensetzung mittels einer zerstörungsfreien Messmethode eine rationelle Erfassung und Auswertung von Längenmassen von Prüfobjektabmessungen und physikalischen Materialeigenschaften von Prüfobjektoberflächen zu erhalten. 



  Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zur Anzeige von Längenmassen geometrischer Prüfobjektabmessungen und von Materialeigenschaften von Prüfobjektoberflächen mittels Längenmesseinrichtungen berührender Antastung, umfassend eine oder mehrere Längenmesseinrichtungen mit Messkraftvariation für n unterschiedliche Messkräfte eines Antastelementes, mit n >/= 2, wobei die Messkraftverhältnisse Ym = 
EMI3.1
  mit m = 1, 2, 3, ... 
EMI3.2
  als mögliche Messkraftverhältnisse 
EMI3.3
  und die Deformationsvielfachen Xm = 
EMI3.4
  
 mit m = 1, 2, 3, ...

   
EMI3.5
  für nicht-lineare Materialdeformationen -B von Prüfobjekt und Antastelement bei überlagerter linearer Deformation -C der Längenmesseinrichtung für jeweils zwei unterschiedliche Messkräfte F1 und F2 gebildet werden, wobei mit einer Messkraft F1 der Längenmesseinrichtung unter Anwendung des Antastelementes an der Prüfobjektoberfläche bei einer willkürlichen Längenmesswertverschiebung A ein erster Längenmesswert M1 nach der Beziehung M1 = A-B-C und mit einer Messkraft F2 der Längenmesseinrichtung unter Anwendung des gleichen  Antastelementes für die Ermittlung des ersten Längenmesswertes M1 und an der gleichen Antaststelle der Prüfobjektoberfläche ein zweiter Längenmesswert M2 nach der Beziehung M2 A-Xm . B-Ym .

   C ermittelt wird, bei dem aus der Differenzbildung (M2-M1) und der Division durch (Xm-1) das unkorrigierte Materialprüfmass MPM nach der Beziehung MPM = -B - 
EMI4.1
 und/oder das korrigierte Materialprüfmass MPM min  nach der Beziehung MPM min  = -B gebildet wird und dass neben den ermittelten Längenmassen von geometrischen Probjektabmessungen das auf Materialprüfung beruhende, dem jeweiligen Längenmass zugeordnete, unkorrigierte Materialprüfmass MPM und/oder das korrigierte Materialprüfmass MPM min  angezeigt wird. 



  Gemäss einer bevorzugten Weiterbildung werden die Längenmasse von geometrischen Prüfobjektabmessungen und das unkorrigierte und/oder das korrigierte Materialprüfmass in parallelen Anzeigefeldern gleichzeitig oder zeitlich verzögert angezeigt. 



  Bei einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung wird bei nicht interessierenden Längenmassen geometrischer Prüfobjektabmessungen allein das unkorrigierte Materialprüfmass und/oder das korrigierte Materialprüfmass angezeigt. Eine andere vorzugsweise Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass mittels einer Einrichtung, umfassend Mittel zur Längenmesseinrichtungs- und Prüfobjektaufnahme, sowie einen Anzeige-Rechen-Steuerkomplex mit einer oder mehreren Anzeigeeinheiten, die Anzeige der Längenmasse von geometrischen Prüfobjektabmessungen und die Anzeige für das korrigierte und/oder unkorrigierte Materialprüfmass in parallelen Anzeigefeldern der Anzeigeeinheit angeordnet sind. 



  Es ist vorteilhaft, dass die Anzeige des Längenmasses von geometrischen Prüfobjektabmessungen und die Anzeige für das korrigierte und/oder unkorrigierte Materialprüfmass umschaltbar in einem gemeinsamen Anzeigefeld der Anzeigeeinheit angeordnet sind. 



  Die weiterhin mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen in der gezielten Aussage zur Wechselwirkung von Längenmass und Materialverhalten. Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist die Anzeige physikalischer Materialeigenschaften, z.B. chargenbedingter Materialabweichungen bzw. von Inhomogenitäten, ohne dass dabei die Prüfobjektoberfläche durch plastische Verformungen beschädigt wird und dadurch das zur Messstelle zugeordnete  Längenmass einer geometrischen Prüfobjektabmessung erhalten bleibt. Hiermit wird ein weiterer Weg zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung ermöglicht. 



  Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen im Prinzip näher erläutert. 



  Es zeigen: 
 
   Fig. 1 die Anordnung eines Längenmesstasters und einer Anzeige-Rechen-Steuertechnik im Blockschaltbild 
   Fig. 2 eine Endmasslängenmessung mit vertikaler Antastung der ersten Messstelle bei gleichzeitiger Erfassung des Werkstoffverhaltens der Endmassoberfläche an der ersten Messstelle im Schema 
   Fig. 3 eine Anzeigeeinheit mit gemeinsamem Anzeigefeld zur umschaltbaren Anzeige von Längenmassen geometrischer Prüfobjektabmessungen auf physikalische Materialeigenschaften 
   Fig. 4 eine Anzeigeeinheit mit zwei parallelen Anzeigefeldern zur gleichzeitigen Anzeige von Längenmassen geometrischer Prüfobjektabmessungen und von physikalischen Materialeigenschaften. 
 



  Für die Anzeige von Längenmassen geometrischer Prüfobjektabmessungen und von physikalischen Materialeigenschaften ist in Fig. 1 die Anordnung eines Längenmesstasters mit Messkraftvariation des Tastbolzens für zwei Messkräfte F1 und F2 und einer Anzeige-Rechen-Steuertechnik dargestellt. 



  Die Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung bIeiben nicht auf dieses Beispiel beschränkt und erfassen unter anderem unterschiedliche Längenmesseinrichtungen und in die Längenmesseinrichtungen integrierte bzw. separat angeordnete Anzeigeeinrichtungen. 



  Für eine Endmasslängenmessung L mit vertikaler Antastung an der ersten Messstelle 8 zeigt Fig. 2 schematisch den Messaufbau. 



  Dieser besteht aus einem Messtisch 1 mit einer Messtischbezugsfläche 2, einem mit dem Messtisch 1 gestellfest verbundenen Längenmesstaster 4 mit dem zugehörigen  Tastbolzen 5 und dessen Tastkugel 6 sowie einem auf die Messtischbezugsoberfläche 2 aufgesetzten Endmass 3 mit der die Endmasslänge L begrenzenden Endmassdeckfläche 9. 



  Dabei ist die Wahl eines geeigneten Antastelementes (z.B. Kugel, kugelförmig, eben) von der Prüfobjektgeometrie abhängig. 



  In einem ersten Messschritt wird der mit der Messkraft F1 belastete Tastbolzen 5 an die Endmassdeckfläche 9 des Endmasses 3 angefahren. Bei der Berührung der Tastkugel 6 mit der Endmassdeckfläche 9 wird an der ersten Messstelle 8 ein erster Längenmesswert M1.
 



  M1 = A-B-C ermittelt. 



  In einem zweiten Messschritt wird mit dem nun mit der Messkraft F2 belasteten Tastbolzen 5 an der gleichen Messstelle 8 ein zweiter Längenmesswert M2.
 



  M2 = A-X. B-Y . C ermittelt. 



  Dabei entspricht
 A einer willkürlichen Längenmesswertverschiebung
 B der nichtlinearen Materialdeformation von Endmassdeckfläche 9 und Tastkugel 6
 C der linearen Deformation des Längenmesstasters 4
 y dem Messkraftverhältnis Y = 
EMI6.1
  
 x dem Deformationsvielfachen mit X = 
EMI6.2
 



  Aus der Differenzbildung (M2-M1) und der Division durch (X-1) folgt schliesslich das Materialprüfmass MPM zu
 



  MPM = -B- 
EMI6.3
  in unkorrigierter Form mit linearer Überlagerung von 
 - 
EMI6.4
 
 



  Dieses Materialprüfmass MPM drückt auf der Basis eines Längenmesswertes das  materialtechnische Verhalten der Endmassdeckfläche 9 an der Messstelle 8 aus. Das Materialprüfmass MPM macht Aussagen zu Materialabweichungen, insbesondere zu Materialinhomogenitäten. 



  In korrigierter Form ohne lineare Überlagerung
 von - 
EMI7.1
 folgt das Materialprüfmass MPM min  zu 
 MPM min  = -B. 



  Mit dem Materialprüfmass MPM min  lässt sich das materialtechnische Verhalten der Endmassdeckfläche 9 noch differenzierter ausdrücken, da die Linearüberlagerung nicht mehr enthalten ist und mit -B vorrangig das Materialverhaften der Endmassdeckfläche 9 beschrieben wird. Der in -B noch enthaltene Anteil der Deformation der Tastkugel 6 ist als konstant zu betrachten und beeinflusst so die Materialaussage zur Endmassdeckfläche 9 nicht. 



  Das geschilderte Messverfahren ist entsprechend auch mit mehr als 2 Messkräften durchführbar. 



  In einem dritten und vierten Messschritt wird der mit der Messkraft F1 bzw. F2 belastete Tastbolzen 5 nach Entfernung des Endmasses 3 an die Messtischbezugsfläche 2 angefahren. Bei der Berührung der Tastkugel 6 mit der Messtischbezugsfläche 2 werden an der zweiten Messstelle 7 zwei weitere die Endmasslänge L enthaltene Längenmesswerte M3 und M4 ermittelt. 



  Aus den Längenmesswerten M1, M2, M3 und M4 lässt sich die Endmasslänge L sehr genau bestimmen. Mit der nun vorliegenden Endmasslänge L und dem an der gemeinsamen Messstelle 8 ermittelten Materialprüfmass MPM bzw. MPM min liegen zwei Aussagen zum Längen- bzw. Materialverhalten des Endmasses 3 auf der gemeinsamen Basis von Längenmesswerten vor. Beide Aussagen lassen sich durch Anzeigeumschaltung in einem gemeinsamen Anzeigefeld 11 einer in Fig. 3 gezeigten Anzeigeeinheit 10 wechselseitig darstellen. In Fig. 4 wird eine Anzeigeeinheit 12 vorgestellt, die in sehr anschaulicher Weise die beiden Aussagen in parallelen Anzeigefeldern 13 und 14 gleichzeitig darstellt. 

Claims (5)

1. Verfahren zur Anzeige von Längenmassen geometrischer Prüfobjektabmessungen und von Materialeigenschaften von Prüfobjektoberflächen mittels Längenmesseinrichtungen berührender Antastung, umfassend eine oder mehrere Längenmesseinrichtungen mit Messkraftvariation für n unterschiedliche Messkräfte eines Antastelementes, mit n >/= 2, wobei die Messkraftverhältnisse Ym = EMI8.1 mit m = 1, 2, 3, ... EMI8.2 als mögliche Messkraftverhältnisse EMI8.3 und die Deformationsvielfachen Xm = EMI8.4 mit m 1, 2, 3, ...

EMI8.5 für nichtlineare Materialdeformationen -B von Prüfobjekt und Antastelement bei überlagerter linearer Deformation -C der Längenmesseinrichtung für jeweils zwei unterschiedliche Messkräfte F1 und F2 gebildet werden, wobei mit einer Messkraft F1 der Längenmesseinrichtung unter Anwendung des Antastelementes an der Prüfobjektoberfläche bei einer willkürlichen Längenmesswertverschiebung A ein erster Längenmesswert M1 nach der Beziehung M1 = A-B-C und mit einer Messkraft F2 der Längenmesseinrichtung unter Anwendung des gleichen Antastelementes für die Ermittlung des ersten Längenmesswertes M1 und an der gleichen Antaststelle der Prüfobjektobertläche ein zweiter Längenmesswert M2 nach der Beziehung M2 A-Xm . B-Ym .

C ermittelt wird, bei dem aus der Differenzbildung (M2-M1) und der Division durch (Xm-1) das unkorrigierte Materialprüfmass MPM nach der Beziehung MPM = -B- EMI8.6 und/oder das korrigierte Materialprüfmass MPM min nach der Beziehung MPM min = -B gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass neben den ermittelten Längenmassen von geometrischen Prüfobjektabmessungen das auf Materialprüfung beruhende, dem jeweiligen Längenmass zugeordnete, unkorrigierte Materialprüfmass MPM und/oder das korrigierte Materialprüfmass MPM min angezeigt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Längenmasse von geometrischen Prüfobjektabmessungen und das unkorrigierte und/oder das korrigierte Materialprüfmass in parallelen Anzeigefeldern gleichzeitig oder zeitlich verzögert angezeigt werden.

3.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei nicht interessierenden Längenmassen geometrischer Prüfobjektabmessungen allein das unkorrigierte Materialprüfmass und/oder das korrigierte Materialprüfmass angezeigt wird.

4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, umfassend Mittel zur Längenmesseinrichtungs- und Prüfobjektaufnahme, sowie einen Anzeige-Rechen-Steuerkomplex mit einer oder mehreren Anzeigeeinheiten, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeige der Längenmasse von geometrischen Prüfobjektabmessungen und die Anzeige für das korrigierte und/oder unkorrigierte Materialprüfmass in parallelen Anzeigefeldern der Anzeigeeinheit angeordnet sind.

5.

Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet dass die Anzeige der Längenmasse von geometrischen Prüfobjektabmessungen und die Anzeige für das korrigierte und/oder unkorrigierte Materialprüfmass umschaltbar in einem gemeinsamen Anzeigefeld der Anzeigeeinheit angeordnet sind.