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Die Erfindung betrifft ein als Normal-Körper ausgebildetes Normal, insbesondere ein Oberflächen-Prüfnormal und/oder ein Oberflächen-Kalibriernormal, mit Merkmalsstrukturen zur Prüfung und/oder Kalibrierung von Messgeräten zur berührenden oder berührungslosen Messung von Oberflächenmerkmalen, insbesondere der Oberflächenrauheit, eines Messobjekts. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Normals.
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Oberflächenprofil- und Rauheitsmessgeräte werden üblicherweise mittels geometrischen Normalen bezüglich ihrer Kalibrierung überprüft. Dies gilt sowohl für taktile als auch für berührungslose Messverfahren. Dazu wird auf einem geeigneten Körper aus geeignetem Material, beispielsweise aus Metall, Glas oder Silizium, eine definierte Oberflächenstruktur aufgebracht, vorzugsweise durch Schleifen oder Ätzen. Die Oberflächenstruktur kann eine definierte lineare Schleifstruktur sein, die beispielsweise durch eine gleichförmige oder statistische Verteilung von Rauheitsbergen und Rauheitstälern gekennzeichnet sein kann. Die Oberflächenstruktur kann auch definierte, beispielsweise parabelförmige, trapezförmige und/oder sinusförmige oder sonst wie geformte, Rillen aufweisen. Wichtig ist eine möglichst gute zeitliche und thermische Stabilität sowie Verschleißfestigkeit der Oberflächenstruktur.
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Die bisher bekannten Prüf- und/oder Kalibriernormale sind vergleichsweise aufwendig in ihrer Herstellung und weisen vergleichsweise beschränkte Einsatzmöglichkeiten auf.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile zu vermeiden.
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Diese Aufgabe wird in überraschend einfach erscheinender Art und Weise hinsichtlich des Normals insbesondere durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
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Das Normal kann auch als Prüf- und/oder Kalibriernormal oder als Oberflächen-Prüfnormal und/oder Oberflächen-Kalibriernormal bezeichnet werden. Unter funktionell unterschiedlichen Oberflächenmerkmalen im Sinne dieses Schutzrechts werden solche Oberflächenmerkmale verstanden, die sich hinsichtlich ihrer Funktion zur Prüfung und/oder Kalibrierung unterscheiden bzw. die dazu bestimmt sind, eine unterschiedliche Prüfung und/oder Kalibrierung zu ermöglichen. Unter Merkmalsstrukturen im Sinne dieses Schutzrechts werden körperliche und/oder nicht körperliche Merkmale verstanden. Die Merkmalsstrukturen bzw. Merkmale können geometrischer Natur und/oder nicht-geometrischer Natur sein.
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Gemäß einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsvariante können mehrere zu der gemeinsamen Symmetrieachse konzentrische Kreis-Ringe oder Kreis-Bögen mit definierten, jedoch von Kreis-Ring zu Kreis-Ring oder von Kreis-Bogen zu Kreis-Bogen unterschiedlichen geometrischen Merkmalsstrukturen bzw. Merkmalen und/oder unterschiedlichen nicht geometrischen Merkmalsstrukturen bzw. Merkmalen bzw. physikalischen Eigenschaften vorgesehen sein.
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Alternativ oder zusätzlich können mehrgängige oder sich kreuzende, um die gemeinsame Achse umlaufende Helices mit definierten, jedoch von Helix zu Helix unterschiedlichen geometrischen Merkmalsstrukturen bzw. Merkmalen und/oder unterschiedlichen nicht geometrischen Merkmalsstrukturen bzw. Merkmalen bzw. physikalischen Eigenschaften vorgesehen sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung kann das Normal einen Träger und eine darauf aufgebrachte Beschichtung umfassen oder besteht das Normal aus einem Träger und aus einer darauf aufgebrachten Beschichtung, vorzugsweise aus Nickel.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die rotationssymmetrisch zu der gemeinsamen Symmetrieachse ausgebildeten geometrischen Merkmalsstrukturen und/oder dass die helixförmig um die gedachte gemeinsame Achse umlaufend angeordneten oder ausgebildeten geometrischen Merkmalsstrukturen oder die in Form der Helix oder der Helices um die gedachte gemeinsame Achse umlaufend ausgebildeten geometrischen Merkmalsstrukturen durch Abdrehen mittels einer Präzisionsdrehmaschine und/oder durch Abschleifen mittels einer Präzisionsschleifmaschine erzeugt werden.
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Die eingangs erwähnte Aufgabe wird auch in überraschend einfach erscheinender Art und Weise hinsichtlich des Verfahrens zur Herstellung eines bzw. des als Normal-Körper ausgebildeten Normals insbesondere dadurch gelöst, dass entweder ein Körper oder eine Beschichtung eines Körpers mittels einer Präzisionsdrehmaschine unter Ausbildung von rotationssymmetrisch zu einer gedachten gemeinsamen Symmetrieachse ausgebildeten Merkmalsstrukturen und/oder unter Ausbildung von helixförmig um eine gedachte gemeinsame Achse umlaufend angeordneten oder ausgebildeten Merkmalsstrukturen oder unter Ausbildung von in Form einer Helix oder in Form von Helices um eine gedachte gemeinsame Achse umlaufend ausgebildeten Merkmalsstrukturen zu dem erfindungsgemäßen Normal, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 24, abgedreht wird und/oder dass entweder ein Körper oder eine Beschichtung eines Körpers mittels einer Präzisionsschleifmaschine unter Ausbildung von rotationssymmetrisch zu einer gedachten gemeinsamen Symmetrieachse ausgebildeten Merkmalsstrukturen und/oder unter Ausbildung von helixförmig um eine gedachte gemeinsame Achse umlaufend angeordneten oder ausgebildeten Merkmalsstrukturen oder unter Ausbildung von in Form einer Helix oder in Form von Helices um eine gedachte gemeinsame Achse umlaufend ausgebildeten Merkmalsstrukturen zu dem erfindungsgemäßen Normal, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 24 abgeschliffen wird.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Gesichtspunkte der Erfindung lassen sich dem nachfolgenden Beschreibungsteil entnehmen, in dem bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren beschrieben sind.
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Es zeigen:
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1 einen Teil-Querschnitt eines erfindungsgemäßen Normals 1 in einer schematisierten Darstellung;
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2 Beispiele für unterschiedliche Strukturgruppen, die sich jeweils in ihren Merkmalsstrukturen bzw. Oberflächenmerkmalen unterscheiden;
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3 Beispiele für umlaufende Merkmalsstrukturen bzw. Oberflächenmerkmale;
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4 separat gefertigte Abschnitte bzw. Segmente, die sich in ihren jeweiligen Merkmalsstrukturen bzw. Oberflächenmerkmalen unterscheiden.
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Das in 1 in einem Teil-Querschnitt schematisch gezeigte Normal 1 ist als ein Körper bzw. Gegenstand ausgebildet. Es handelt sich um ein Oberflächen-Kalibriernormal.
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In der Darstellung gemäß 1 kann das Normal 1 entweder als eine Scheibe oder mit einer Scheibe oder als ein Zylinder oder mit einem Zylinder gestaltet sein. Der Zylinder erstreckt sich entlang seiner Axialachse 5b. Bei einer Ausgestaltung als Scheibe oder mit einer Scheibe weist das Normal 1 Merkmalsstrukturen auf, die rotationssymmetrisch zu der Symmetrieachse 5a ausgebildet sind. Die Scheibe kann bevorzugt als Kreisscheibe oder als Teil-Kreisscheibe oder als Kreisscheibenabschnitt gestaltet sein. Bei einer Ausgestaltung als Zylinder oder mit einem Zylinder weist das Normal 1 Merkmalsstrukturen auf, die die rotationssymmetrisch zu der Symmetrieachse 5b ausgebildet sind. Bei dem Zylinder kann es sich bevorzugt um einen Kreiszylinder, insbesondere um einen senkrechten oder geraden Kreiszylinder handeln. Außer den in 1 gezeigten Merkmalsstrukturen kann das als ein Zylinder oder mit einem Zylinder gestaltete Normal 1 auch auf einer Stirnseite oder auf den in Richtung der Achse 5b voneinander weg weisenden Stirnseiten seines Zylinders mit rotationssymmetrisch zu der Symmetrieachse 5b ausgebildeten Merkmalsstrukturen versehen sein.
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Das Normal 1 ist sinnvollerweise mit einer Beschichtung beschichtet, die mit den gewünschten Merkmalsstrukturen versehen ist, die eine Prüfung und/oder Kalibrierung eines nicht gezeigten Messgeräts zur berührenden oder berührungslosen Messung von Oberflächenmerkmalen eines nicht gezeigten Messobjekts ermöglichen.
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Die Herstellung des Normals 1 erfolgt ausgehend von einer, vorzugsweise als Kreisscheibe gestalteten, Scheibe oder ausgehend von einem Zylinder. Die Scheibe oder der Zylinder kann bevorzugt aus Edelstahl oder Messing bestehen. Vorzugsweise ist bzw. wird die Scheibe oder der Zylinder mit einer Beschichtung, beispielsweise aus Nickel, beschichtet. Die funktionelle Seite der Scheibe oder des Zylinders bzw. die Beschichtung wird mit einem sehr feinen Werkzeug, beispielsweise mit einem Stichel, einer nicht gezeigten Werkzeugmaschine in Form einer Präzisionsdrehbank und/oder mit einem sehr feinkörnigen Schleifkörper einer nicht gezeigten Werkzeugmaschine in Form einer Präzisionsschleifmaschine bearbeitet. Die Bearbeitung erfolgt durch Abdrehen und/oder durch Abschleifen von Material der Scheibe oder deren Beschichtung oder des Zylinders oder dessen Beschichtung mittels des besagten Werkzeugs der Präzisionsdrehbank und/oder mittels des Schleifkörpers der Präzisionsschleifmaschine. Dabei wird die Scheibe bzw. deren Beschichtung oder der Zylinder bzw. dessen Beschichtung mit gewünschten rotationssymmetrischen Merkmalsstrukturen in Form eines geometrischen Oberflächenprofils versehen, wobei die Merkmalsstrukturen rotationssymmetrisch zu einer gedachten gemeinsamen Symmetrieachse 5a und/oder 5b ausgebildet werden, welche die Scheibe im Bereich deren Zentrums oder in deren Zentrum 5a bzw. welche den Zylinder im Bereich dessen Zentrums oder in dessen Zentrum schneidet oder durchdringt. In dem fertig bearbeiteten Normal 1 ist also die Scheibe bzw. ist deren Beschichtung oder ist der Zylinder bzw. dessen Beschichtung mit den gewünschten rotationssymmetrischen Merkmalsstrukturen in Form eines geometrischen Oberflächenprofils versehen, wobei die Merkmalsstrukturen rotationssymmetrisch zu der gedachten gemeinsamen Symmetrieachse 5a bzw. 5b bzw. Achse 5b ausgebildet sind, welche das Normal 1 im Bereich dessen Zentrums oder in dessen Zentrum schneidet oder durchdringt. Vorzugsweise wird im Anschluss an die besagte Bearbeitung die Scheibe bzw. deren Beschichtung oder der Zylinder bzw. dessen Beschichtung gehärtet.
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Das geometrische Oberflächenprofil ist gekennzeichnet durch Profilamplituden bis in den mm-Bereich bei einer rotationssymmetrischen Gleichmäßigkeit im Nanometerbereich. In radialer Richtung bzw. senkrecht zu der Symmetrieachse 5a und/oder 5b parallel zu der Symmetrieachse bzw. Achse 5b betrachtet sind Profilstrukturmerkmale im unteren Mikrometerbereich und gegebenenfalls im nm-Bereich darstellbar. Solche Strukturmerkmale sind beispielsweise Profil- oder Rauheitsstrukturen, insbesondere Rauheitsberge und Rauheitstäler, Rillen, Kanten und/oder schräge Ebenen.
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Wie beispielhaft in 1 gezeigt, sind auf einem Träger, der mit Bezug zu der das Zentrum 5a bzw. 5b des Normals 1 schneidenden Symmetrieachse 5a bzw. 5b rotationssymmetrisch ausgebildet ist, in radialer Richtung Ra bzw. senkrecht zu der Symmetrieachse 5a oder parallel zu der Symmetrieachse 5b betrachtet verschiedene bzw. unterschiedliche Oberflächenstrukturen aufgebracht. Beispiele für solche Oberflächenstrukturen sind eine Schräge A, mehrere Orientierungsriefen B, die in einem gleich großen radialen bzw. axialen Abstand zueinander, entsprechend einem bestimmten Abstandsraster, angeordnet sind, Kalibrierriefen C und schließlich eine Referenzebene D. Mit der gestrichelten Linie 4 ist beispielhaft ein Übergang zwischen zwei radialen bzw. axialen Abschnitten veranschaulicht, die beispielhaft zwei unterschiedliche Rauheitsstrukturen 2 und 3 enthalten. Die Orientierungsriefen B dienen beispielsweise zur Kontrolle der Abtastgeschwindigkeit eines nicht gezeigten Messwertaufnehmers eines ebenfalls nicht gezeigten Messgeräts.
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Das hier vorgestellte Oberflächen-Kalibriernormal 1 weist in radialer bzw. axialer Richtung eine rechnerisch und dann über eine Maschinensteuerung der Werkzeugmaschine vorgebbare bzw. vorgegebene Profilstruktur auf, während in Umfangsrichtung die Gleichmäßigkeit sehr hoch ist und von der Eigenschaft der Werkzeugmaschine abhängt.
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Neben rein geometrischen Oberflächen-Merkmalsstrukturen bzw. Merkmalen können bei dem Normal 1 auch noch radiale bzw. axiale Abschnitte definiert sein, welche nicht-geometrische Oberflächen-Merkmalsstrukturen bzw. Merkmale aufweisen. Diese können für entsprechend funktionserweiterte Oberflächenprofilometer relevant sein. Genannt seien beispielhaft radiale bzw. axiale Abschnitte bzw. Sektoren, vorzugsweise begrenzt durch die Radien Rxm und Rym mit 0 < Rx < Ry sowie m = 1, 2, 3, ..., die gekennzeichnet sind durch unterschiedliche physikalische Eigenschaften, wie zum Beispiel Farbe, Materialzusammensetzung, Glanzgrad, elektrische oder thermische Leitfähigkeit, Magnetisierung, Härtegrad, Reibkennwert oder weitere geeignete physikalische Größen. Beispielsweise können solche Ringe mit definierter physikalischer Eigenschaft dadurch geschaffen werden, dass in den Träger, vorzugsweise nach außen offene, Ausnehmungen, beispielsweise Gräben oder Nuten, eingebracht werden bzw. sind und dass diese Ausnehmungen mit einem Material der gewünschten physikalischen Eigenschaft aufgefüllt werden. Somit lässt sich ein solches Normal auch für Messgeräte nutzen, welche nicht-geometrische Kenngrößen erfassen.
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Neben statistischen geometrischen Oberflächenprofilen lassen sich auch periodische Profile in radialer bzw. axialer Richtung R realisieren. Diese kann man mit konstanter Wellenlänge und/oder Amplitude ausführen oder als sogenannte „Chirp-Profile“ mit in radialer bzw. axialer Richtung unterschiedlicher Wellenlänge und/oder Amplitude. Damit kann man das Signalübertragungsverhalten der Messwertaufnehmer eines bzw. des Messgeräts ermitteln.
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Die unterschiedlich strukturierten Oberflächenabschnitte sind so zu verstehen, dass sie im Normalfall durch nicht-funktionelle, also nicht zur Prüfung und/oder Kalibrierung dienende, beispielsweise glatte bzw. strukturlose, Oberflächenabschnitte bzw. -segmente getrennt sind und sich geometrisch und/oder nicht geometrisch bzw. funktionell unterscheiden. Die unterschiedlichen Oberflächenmerkmale bzw. Oberflächenabschnitte können aber auch gemischt, also räumlich nicht getrennt durch nicht zur Prüfung und/oder Kalibrierung dienende Oberflächenabschnitte bzw. Oberflächensegmente, vorhanden sein. Beispiele für solche unterschiedliche Strukturgruppen sind in 2 gezeigt, wobei mit 35 Rauheitsstrukturen, mit 34 Rillen, mit 32 Riefen und Schneiden, mit 33 Sinuswellen und Treppen und mit 36 eine Mehrzahl von weiteren unterschiedlichen Oberflächenstrukturen gekennzeichnet sind, die aus einer Gruppe ausgewählt sind, die Drallstrukturen, Chirpstrukturen, Spiegelflächen, Rauheitsstrukturen mit unterschiedlichen Rauheitsparametern und Oberflächenabschnitte unterschiedlicher Härte umfasst.
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In 3 sind zwei Beispiele für als Zylinder gestaltete Normale gezeigt. Das erste Beispiel betrifft ein als Zylinder gestaltetes Normal mit in Form von mehrgängigen Helices um eine gedachte gemeinsame Achse 5b umlaufenden Merkmalsstrukturen, wobei die Fläche 46 Drallstrukturen zeigt. Das zweite Beispiel betrifft ein als Zylinder gestaltetes Normal mit helixförmig um eine gedachte gemeinsame Achse 5b umlaufend angeordneten Merkmalsstrukturen, wobei die Fläche 47 Mikrodrallstrukturen 30 vermischt mit Kratzern 31 zeigt.
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Alle diese auf dem Normal aufgebrachten Strukturen dienen zur Kalibrierüberprüfung eines Messgeräts oder einer Messmaschine bzw. zum Nachweis der Messfähigkeit eines Messgeräts oder einer Messmaschine.
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Die genannten unterschiedlichen Oberflächenmerkmale bzw. die genannten, unterschiedlich strukturierten Oberflächenabschnitte, sind nicht so zu verstehen, dass sie ausschließlich auf einem einzigen physischen Körper aufgebracht sein müssen. Vielmehr können die unterschiedlich strukturierten Oberflächenabschnitte 23–28 des in 4 schematisch gezeigten Normals 22 auch einzeln gefertigt und dann beispielsweise auf einen gemeinsamen Trägerkern aufgeschoben sein, der in den Figuren nicht gezeigt ist. Jeder unterschiedlich strukturierte Oberflächenabschnitt 23–28 ist dann Bestandteil jeweils eines separaten Hohlzylinder-Segments. Demgemäß sind die Mantelflächen der separaten Hohlzylinder-Segmente mit Merkmalsstrukturen versehen, die sich von Hohlzylinder-Segment zu Hohlzylinder-Segment unterscheiden. Für den Fall von Segmenten unterschiedlicher Oberflächenhärte geht dies fertigungstechnisch wohl sonst, also ohne separate Segmente, kaum ohne beträchtlichen Aufwand. Insgesamt findet der Anwender aber ein in sich geschlossenes Normal bzw. einen in sich geschlossenen Kalibrierkörper vor, so dass sich die darauf aufgebrachten unterschiedlichen Strukturelemente‚ in einem Zug, also ohne wesentliche Justierarbeit, im Zuge des Kalibrierverfahrens abtasten lassen.
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Mit der Erfindung lassen sich zwei vorteilhafte Verbesserungen des fertigungstechnischen Istzustandes erreichen: Zum einen eine einfachere reproduzierbare Herstellbarkeit von gattungsgemäßen Normalen und zum anderen eine Funktionserweiterung der bislang bekannten gattungsgemäßen Normale und damit eine bessere Wirtschaftlichkeit für den Anwender sowie ein erhöhter Nutzen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Normal/Normal-Körper/Träger/Oberflächen-Kalibriernormal
- 2
- Rauheitsstruktur
- 3
- Rauheitsstruktur
- 4
- Linie/Übergang
- 5a
- Symmetrieachse/Zentrum/Achse
- 5b
- Symmetrieachse/Zentrum/Axialachse/Achse
- 22
- Normal/Normal-Körper/Oberflächen-Kalibriernormal
- 23–28
- unterschiedlich strukturierte Abschnitte
- 30
- Mikrodrallstrukturen
- 31
- Kratzer
- 32
- Riefen, Schneiden
- 33
- Sinuswellen, Treppen
- 34
- Rillen
- 35
- Rauheitsstrukturen
- 36
- Drallstrukturen, Chirpstrukturen, Spiegelflächen, Rauheitsstrukturen mit unterschiedlichen Rauheitsparametern, Oberflächenabschnitte unterschiedlicher Härte
- 46
- Fläche
- 47
- Fläche
- A
- Schräge
- B
- Orientierungsriefe/Rille
- C
- Kalibrierriefe
- D
- Referenzebene
- Ra
- radiale bzw. axiale Richtung
