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Verfahren und Einrichtung zum Prüfen der Oberflächen-und Fehlgestalt
eines Werkstückes Das Prüfen der Oberflächen- und Fehlgestalt eines Werkstückes
erfolgt durch Abtasten mit einem meist auf elektrischer Grundlage arbeitenden Längenfeintaster,
dessen Ausschläge stark vergrößert aufgezeichnet werden. Der Längenfeintaster bewegt
sich dabei parallel zur ideal-geometrischen Oberfläche. Infolgedessen entsteht die
Aufgabe, den Längenfeintaster und das zu vermessende Werkstück, die sich relativ
zueinander bewegen, so zueinander auszurichten, daß sie sich bei dieser gegenseitigen
Relativbewegung nicht von der ideal-geometrischen Oberfläche entfernen. Der Längenfeintaster
und das Werkstück können beispielsweise zueinander eine umlaufende Bewegung, vorzugsweise
um einen Mittelpunkt, ausführen. Ihre gegenseitige Relativbewegung muß dabei so
erfolgen, als vçenn sie einen gemeinsamen Mittelpunkt für ihre Relativbewegung hätten.
Es kommt also bei der Grundeinstellung darauf an, beide so zueinander auszurichten,
daß dieser gemeinsame Mittelpunkt mit größtmöglicher Annäherung erreicht wird. Dieser
Vorgang wird als Zentrieren bezeichnet.
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Wird zwischen Längenfeintaster und Werkstück eine Längsverschiebung
vorgenommen, so kann eine nicht durch die Gestalt des Werkstückes bedingte abweichende
Richtung der Achse des Werkstückes und der Bewegungsrichtung des Meßgerätes ebenfalls
dazu führen, daß beide außer Eingriff kommen. Man muß daher die Werkstückachse und
die Meßgerätebewegung ebenfalls in eine zueinander parallele Richtung bringen. Dieser
Vorgang sei daher im folgenden »Ausrichten« genannt.
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Das Zentrieren und Ausrichten ist vor allem auch deswegen notwendig,
weil die zu ermittelnden Fehler der Oberflächen- und Formgestalt in der Größenordnung
von 0,001 bis 0,1 mm liegen und hohe Vergrößerungen von 100- bis 10000fach erfordern,
wenn man sie erkennen will. Das Zentrieren und Ausrichten muß also so weitgehend
erfolgen, daß die Fehler der Zentrierung und Ausrichtung wesentlich kleiner sind
als die Fehler der Oberflächen- und Fonngestalt. Hieraus crkennt man schon, daß
an die Genauigkeit der Zentrierung und Ausrichtung ganz besondere Anforderungen
gestellt werden.
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Bisher wurde das Zentrieren und Ausrichten von Hand mit rein mechanischen
Mitteln durchgeführt, und dabei wurden entweder das Prüfstück oder das Meßgerät
oder beide durch feinverstellbare Spindeln oder ähnliche Mittel so lange zueinander
verschoben, bis der kleinstmögliche Zentrier- und Ausrichtefehler er reicht war.
Dieses Verfahren ist sehr zeitraubend. Es erfordert eine hohe mechanische Präzision
der verwendeten Einstellmittel sowie eine große Erfahrung des Prüfenden.
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Die hochgenauen mechanischen Zentrier- und Aus-
richtemittel, die
das zu prüfende Werkstück sogar um 0,001 mm genau verstellen sollen, machen den
mechanischen Bauteil der Prüfeinrichtung sehr unstabil, auf den das Prüfstück und
der elektrische Längenmeßtaster aufgespannt werden. Bei der Prüfung kommt der mechanische
Bauteil nicht zur Ruhe und federt gewissermaßen nach, so daß der eingestellte Meßwert
sich verändert, unzuverlässig und ungenau wird. Dies beruht ebenso auf der Elastizität
der mechanischen Bauteile selbst als auch auf der Reibung in den Führungen, die
bei den erforderlichen Relativbewegungen, wechselnden Meßkräften, Erschütterungen
und Temperaturänderungen sich ändert, nachgibt und dadurch nicht zu beherrschende,
sich über längere Zeit erstrekkende Verstellungen, d. h. Meßfehler, bewirkt.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die mechanische Feinzentrierung
und Feinausrichtung des Werkstückes bei seiner Prüfung nicht erforderlich ist und
die hochgenauen mechanischen Zentrier- und Ausrichtemittel unnötig sind, wenn die
vom Feintaster gelieferten elektrischen Werte, welche dem Oberflächenprofil, der
Fehlgestalt des Werkstückes und dem Zentrier- und Ausrichtefehler entsprechen, in
einer elektrischen Schaltung von den elektrisch ermittelten Werten des Zentrier-
und Ausrichtefehlers befreit werden. Dann können besonders einfach und robust ausgeführte
Mittel zum Aufspannen des Werkstückes und des elektrischen Feintasters benutzt werden.
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Demgemäß wird die Oberflächen- und Fehlgestalt eines Werkstückes,
das nur grob zentriert und ausgerichtet ist, durch Abtasten mit einem elektrischen
Längenmeßtaster,
der relativ gegenüber dem zu prüfenden Werkstück bewegt wird, erfindungsgemäß in
folgender Weise geprüft: Es werden gleichzeitig die elektrische Gesamtmeßgröße,
die der Längenmeßtaster beim Abtasten des Prüfobj ektes erzeugt, und die elektrische
Berichtigungsgröße, die dem Zentrier- und Ausrichtefehler entspricht, dem differenzbildenden
Meßinstrument zur Differenzbildung zugeführt, und dabei wird die Berichtigungsgröße
entweder von dem Prüfenden auf Grund der Ablesung oder selbsttätig durch Steuer-oder
Verstellwerte eingestellt, die aus der Meßgröße abgeleitet werden.
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Die Berichtigungsgröße wird dabei in ihrer Amplitude und Phase entsprechend
der Größe und der Lage der Exzentrizität des Prüfobjekts und in ihrem Verlauf mittels
einer Berichtigungseinrichtung den elektrischen Werten des Zentrier- und Ausrichtefehlers
proportional und gleichgemacht. Die - Berichtigungseinrichtung besteht aus einem
oder mehreren. Spannungsgebern und Schaltmitteln zur Bildung der Berichtigungsspannung
Der Spannungsgeber wird von der mechanischen Einrichtung angetrieben, die das Prüfobjekt
grob zentriert und ausrichtet und die die Relativbewegung zwischen dem Längenmeßtaster
und dem Prüfobjekt besorgt. Der Spannungsgeber liefert den Berichtigungsschaltmitteln
eine oder zwei phasenverschobene Sinusspannungen. Sie werden entweder durch Taster
erzeugt, die einen exzentrisch zum Prüf objekt angeordneten Zylinder abtasten, oder
durch einen mit der Relativbewegungseinrichtung gekuppelten Sinus-Cosimls-Spannungsgeber.
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Die Berichtigungsschaltmittel zur Bildung der elektrischen Berichtigungsspannung
können durch Steuersignale, die aus der Gesamtmeßgröße abgeleitet werden, automatisch
so gesteuert werden, daß die Berichtigungsspannung den elektrischen Werten des Zentrier-und
Ausrichtefehlers in Amplitude, Phase und Verlauf proportional und gleich wird.
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Der Einfluß der Berichtigungsgröße bei ihrer Einstellung in bezug
auf den gesuchten Meßwert des Oberflächenproflis und der Fehlgestalt wird zweckmäßigenveise
auf dem Schirm eines Kathodenstrahloszillographen beobachtet und angezeigt. Dabei
dient der vorher erwähnte Sinus2Cosinus-Spanuungsgeher, der die Spannungen für die
Berichtigungsschaltmittel liefert, zweclnnälligerweise auch zur Aussteuerungdes
Aitierplattenablenlæsystems im Kathodehoszillographen bei der Anzeige des gesuchten
Meßwertes.
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Damit ist das Zentner- und Ausrichtungsproblem unabhängig von er
mechanischen Meßeinnchtung, die den Beharrungszustand einnehmen kann, der dann nicht
mehr gestört wird. Das elektrische Zentrieren und Ausrichten kann wesentlich weiter
getrieben werden als das mechanische, und es kann vor allem auch weitgehend autamatisiert
werden, so daß es unabhängig von der Geschicklichkeit des Prüfenden wird.
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Das Verfahren wird nachstehend an 3 Hand der Zeichnung eHäutert.
Darin zeigen die Abb. 1 bis 3 schematisch drei Åusfü-hrungsbeispiele von Zentriereinrichtungen
mit Berithtigungseinrichtungen und differenzbildenden Anzeigeinstrumenten.
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Gemäß Abb. 1' wird die Spannung für die Berichtigungsgrbße mit zwei
Meßtastern erzeugt, die einen in der Ebene verstellbaren Zylinder -abtasten.
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Gemäß Abb.2 wird die Spannung für die Berichtigungsgrölle durch 2wei
um 900 versetzt -angebrachte Meßtaster erzeugt, die einen mit einer festen Exzentrizitat
umlaufenden Zylinder abtasten. Die mechanisch nicht -erstellbaren Meßtaster liefern
zwei elektrische
Spannungen, aus denen die Berichtigungsgröße mitS tels einer besonderen
elektrischen Schaltung gebildet wird.
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Gemäß Abb. 3 werden der Zylinder und die beiden Meßtaster vermieden
und die Spannungen zur Erzeugung der Berichtigungsgröße mit einem Sinus-Cosinus-Meßwertgeber
erzeugt, der mit dem werkstückfreien Ende der Spindel verbunden ist.
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Der Sinus Cosinus - Meßwertspannungsgeber ist nach Abb. 4 kapazitiver,
nach Abb. 5 induktiver und nach Abb. 6 ohmscher Art.
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Gemäß Abb. 7 werden die Sinus-Cosinus-Spannungen aus Rechteckspannungen
erzeugt, die durch Schaltnocken geliefert werden, welche von der Spindel gesteuert
sind.
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Nach Abb. 8 werden die Sinus-Cosinus-Spannungen aus üblichen Wechselstromgeneratoren
entnommen und mit der in diesem Falle schnellaufenden Spindel synchronisiert.
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Abb. 9 stellt eine Einrichtung dar, mit der die Berichtigungsgröße
aus der durch den Meßtaster 16 ermittelten Ge&amtmeßgröß e herausgefiltert werden
kann.
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Abb. 10 zeigt eine elektrische Schaltung, mit der ein Steuer- bzw.
Verstellwert aus der Meßgröße abgeleitet wird, um die Berichtigungsgröße von der
Gesamtmeßgröße selbsttätig abzuziehen, um also selbsttätig das Meßobjekt elektrisch
zu zentrieren.
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Gemäß Abb. 11 wird der Verstellwert mechanisch eingegeben.
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Der Zentrier- oder Ausrichtevorgang wird auf dem Schirm eines elektrischen
Kathodenstrahloszillographen angezeigt und beobachtet.
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Abb. 12 zeigt die Übertragung der Ablenkspannungen auf das Vierplattensystem
des Oszillographen mit Hilfe eines rotierenden Übertragers.
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Nach Abb. 13 wird dazu der bei der Abb. 3 dargestellte Sinus-Cosinus-Meßwertspannungsgeber
mit ausgenutzt.
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Abb. 14 bringt schließlich ein Beispiel für den automatischen Ausrichtevorgang
bei der Längsabtastung (Manteilinienabtastung) des zu prüfenden Werkstückes.
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Gemaß Abb. l befindet sich unterhalb der Spindel eine sehr genau
rund gearbeitete Scheibe 7, die auf einer Ebene aufliegt und durch die beiden Verstellschrauben
9 und 10 in zwei zueinander senkrechten Koordinaten zu verschieben ist. Gegen die
Verstellschraube 9 wirkt die Feder 11, während die gegen die Verstellschraube 10
wirkende Feder in Abb. 1 nicht zu sehen ist. An der Spindel 3 sind zwei elektrische
Berichtigungsmeßtasterl2 und 13 angebracht, die zweckmäßiger weise unterschiedliche
Tastorgane aufweisen, beispielsweise der eine eine Tastkugel 14 und der andere eine
Tastschneide 15.
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Die Berichtigungsmeßtaster sind hier einander gegenüberliegend gezeichnet,
wobei sie elektrisch mit entgegengesetzter Polarität geschaltet werden müssen.
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Sie können aber auch auf einer Seite übereinan,derliegend, aber dann
mit gleicher Polarität geschaltet, angebracht werden.
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Die von den Tasternl2 und 13 gelieferten Spannungen werden zunächst
einem gemeinsamen Widerstandsdrehregler 17 zugeführt, an dem die Berichtigungsspannung
Ub abgegriffen wird. Diese wird sabtraktiv der vom Meßtaster 16 aufgenommenen Gesamtspannung
Ug entgtegengeschaltet, im Verstärker 19 verstark und auf dem Anzeigeinstrument
20 als ge--wünschte Meßgröße Ua angezeigt. Zur schnellen Einstellung der Zentrierung
wird zweckmäßig ein Kathodenstrahloszillograph
21 benutzt. Mit
den Verstellschrauben 9 und 10 berichtigt man unter Beobachtung von Instrument20
und Oszillograph 21 die Exzentrizität E und die Lage L der Exzentrizität, während
durch Verstellung des Schleifers 18 des Drehwiderstandes 17 der Durchmesser des
zu prüfenden Werkstückes und sein Einfluß auf eine besondere quadratische Berichtigungsgröße
berücksichtigt wird. Aus diesem Grund sind auch die Tastkugel 14 sowie die Tastschneide
15 vorgesehen. Es sei noch erwähnt, daß statt der Taster 12 und 13 auch die verstellbare
Exzenterscheibe 7 umlaufen und die Taster 12 und 13 fest stehen könnten.
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Die Anordnung von zwei Berichtigungstastern 12 und 13 mit verschiedenen
Tasterformen 14 und 15 ist vor allem bei großen Exzentrizitäten und kleinen Werkstückdurchmessern
erforderlich. Wenn bei kleinen Vergrößerungen und großen Werkstücken an die Berichtigung
der Exzentrizität keine so großen Ansprüche gestellt werden müssen, genügt auch
ein Berichtigungstaster vorzugsweise mit gerader Tastschneide.
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Die in Abb. 1 dargestellte Anordnung wird durch die Einrichtung nach
Abb. 2 verbessert und vereinfacht. An der Spindel 3 ist eine sehr genau rund gearbeitete
Scheibe 25 so befestigt, daß sie stets mit einer bestimmten, mechanisch nicht mehr
veränderbaren Exzentrizität umläuft. Diese Scheibe 25 wird von zwei elektrischen
Berichtigungstastern 26 und 27 abgetastet, die sie tangential mit lkLeßschneiden
berühren. Die Meßtaster 26 und 27 sind zueinander im Winkel von 90.0 angeordnet.
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Die vom Taster 26 gelieferte Spannung wird einem Differentialübertrager
mit den Spulen28-29-30 zuge führt, die additiv mit einem zweiten, von dem Taster
27 gespeisten Differentialübertrager 3.2-33-34 zusammengeschaltet ist. Durch die
verschiebbaren Kerne 31 und 35 der beiden Übertrager läßt sich die Kopplung zwischen
den beiden Spulen 28/29 bzw 28/30 und 32/33 bzw. 32/34 verändern, wodurch eine stufenlose
Regelung der Amplitude der von den Tastern 26 und 27 gelieferten Spannung erfolgt.
Durch die Addition dieser beiden Spannungen kann aber allein durch die Verstellungen
der Kopplungskerne 31 und 35 jede beliebige resultierende Exzentrizitätsgröße E
und jede beliebige ExzentrizitätslageL zwischen 0 und 3600 eingestellt werden.
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Die beschriebenen regelbaren Differentialübertrager 28-29-30-31 und
32-33-34-35 steilen nur einebeispielsweise Ausführung dar, denn es wäre auch durch
andere Mittel möglich, die Exzentrizität E uad deren Lage L zu berichtigen.
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Die an den Differentialübertragern entstehende Ausgangsspannung wird
einmal dem Verstärker39, zum zweiten als Teilspannung der Quadrierschaltung 36 zugeführt,
die beispielsweise aus einem quadratischen Gleichrichter, einem Hallgenerator, einer
Elektronenröhre mit quadratischer Kennlinie oder einem anderen geeigneten Quadrierglied
bestehen kann. Die nun mehr quadrierte Spannung gelangt zu dem Spannungsteiler 37,
an dessen Regelknopf 40 der Werkstückdurchmesser eingestellt wird. Die am Spannungsteiler
abgegriffene Teilspannung wird ebenfalls dem Verstärker 39 zugeführt, ebenso wie
eine aus einer Gleichspa'nnungsquelle 38 stammende Spannung.
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Die elektrische Zentrierung erfolgt also durch Einstellen des Regelknopfes
40 auf den Werkstückdurchmesser und durch Verstellen der UTbertragerkopplungen 31
und 35 so lange, bis auf dem Schirm des Oszillographen 21 ein konzentrischer Kreis
geschrie-
heu wird, Schließlich regelt man die Gleichspannungsquelle 38 auf eine
solche Spannungshöhe ein, daß der Zeiger des Instrumentes 20 auf Null steht bzw.
bei mit Formfehlern behafteten Werkstücken um den Nullpunkt herum pendelt.
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Statt einer Regelung der Gleichspannungsquelle 38 kann auch ein Regelglied
verstellt werden, das zusammen mit dem Meßtaster 16 in der Eingangobrüche liegt
und deren Abgleich verändert.
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Bei den Einrichtungen nach Abb. 1 und 2 ist besonders wesentlich,
daß die elektrischen Berichtigungsmeßtaster 12/13 und 26127 eine wesentlich geringere
Empfindlichkeit als der Gesamtmeßtaster 16 besitzen.
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Wenn ihre Empfindlichkeit beispielsweise ein Zehntel der Empfindlichkeit
des Tasters 16 beträgt, dann muß die Exzentrizität der Scheiben 7 bzw. 25 zehnmal
größer als die des Werkstückes 1 sein, wenn die von den Berichtigungsmeßtastern
12/13 bzw, 26/27 abgegebene Spannung dieselbe Größe haben soll wie die Spannung
des Meßtasters 16. Durch diese Maßnahme wirken sich aber kleine Ungenauigkeiten
und Oberflächenfehler der Scheiben 7 bzw. 25 nur mit einem Zehntel ihrer wirklichen
mechanischen Größe auf die elektrische Berichtigungsgröße aus.
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Die durch die Abb. 3 dargestellte Einrichtung vermeidet die Abtastung
der exzentrischen Scheibe mit Berichtigungsmeßtastern. Dazu ist die Spindel 3 mit
zwei elektrischen Gebern 45 und 46 verbunden, die bei einem einmaligen Umlauf der
Spindel 3 zwei nach einer Sinusfunktion verlaufende elektrische Spannungen abgeben,
die zueinander um 900 versetzt sind. Die Speisung der Geber sowie des Längenmeßtasters
16 erfolgt durch einen Schwingungserzeuger 47 mit einer Wechselspannmig höherer
Frequenz, einer sogenannten Trägerfrequenz, deren Amplitude durch die Geber 45 und
46 nach einer Sinusfraktion durch den Meßtaster 16 proportional der Gesamtmeßgröße
moduliert, d. h. in ihrer Spannungshöhe verändert wird. Die Geber 45 und 46 wirken,
falls erforderlich, über Verstärker 49 und 50 auf zwei Regelglieder, beispielsweise
die Differentialtransformatoren 28-29-30-31 und 32-33-34-35, von denen eine Teilspannung
unmittelbar, eine zweite Teilspannung mittelbar über Verstärker 52 Ouadrierglied
.53, Verstärker 54 und den zur Durchmessereinstellung erforderlichen Regler 55 der
Summierstufe 51 zugeführt wird. Mit Hilfe des im lvIeß tastereingangskrei s liegenden
Reglers 48 erfolgt die Nulleinstellung, wobei die Bedienung der Zentrierung entsprechend
der zu Abb. 2 gegebenen Beschreibung erfolgt.
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Der Geber 45 für die Bildung der sinusförmigen Wechsel spannungen
kann nach Abb. 4 kapazitiver Art sein, wobei beispielsweise der mit der Spindel
3 verbundene :Sontdensatorbeleg56 vor geeignet ausgebildeten festen Belegen57-58-59-60
umläuft, von denen 57 und 58 am Nulipotential liegen, während 59 und 60 mit dem
Schwingungserzeuger 47 verbunden sind. Abb. 5 zeigt einen induktiven Geber mit dem
umlaufenden Spulensystem 61 vor den festen, unter 90" versetzten Spulen 62 und 63,
Abb. 6 einen ohmschen Widerstandsgeber mit einem ringförmigen, an vier Stellen angezapften
Widerstand 64 und zwei um 909 versetzten Schleiffedern6.5 und 66 für den Abgriff
der Sinusspannungen. Es ist hierbei selbstverständlich, daß diese Geber 45/46 in
geeigneter Weise ausgebildet oder korrigiert sind, damit die von ihnen gelieferte
Spannung auch wirklich sinusförmig ist.
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In Abb. 7 sind mit der Spindel 3 zwei um 900 versetzte Nocken 70
und 71 verbunden, die Schalter 72 und 73 derart betätigen, daß der Spannungsabfall
an
den Widerständen74 und 75 einen rechteckförmigen Verlauf hat.
Durch die Siebketten 76 Grund 77 werden sämtliche Oberwellenanteile herausgefiltert.
Es entstehen reine Sinusspannungen, die um 90" gegeneinander verschoben sind und
die dem ohmschen Regelglied78/79 zugeführt werden, durch dessen Verstellung man
die Exzentrizität nach Größe und Lage nachbilden kann. Mit der am Ausgang 80 erhaltenen
Berichtigungsspannung wird dann wie in den Abb. 1 bis 3 die Gesamtspannung berichtigt.
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Bei einer sehr schnell umlaufenden Spindel 3 ließen sich die zur
Berichtigung erforderlichen Sinusspanzungen oder -ströme aus den bekannten üblichen
Wechselspannungsgeneratoren, die mit der Spindel 3 synchronisiert werden, entnehmen.
An deren Ausgang wird dann ein Regelglied nach Art der Abb. 8 angeschlossen, an
dessen Reglern 81 und 82 wiederum die Exzentrizität nach Größe und Lage eingestellt
und an dessen Ausgang 83 die gewünschte Berichtigungslgröße abgenommen werden kann.
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Es läßt sich außerdem, wie Abb. 9 zeigt, dile Berichtigungsgröße
aus der vom Meßtaster 16 abgegebenen Gesamtmeßgröße heraussieben. Der im Meßtaster
16 befindliche elektromechanische, bei spielsweise induktive Wandler 84/85/86 wird
von einem Schwingungserzeuger 88 gespeist. Das mit dem Spulensystem 85/86 eine Meßbrücke
bildende Verstellglied 87 dient zum Nullabgleich. Nach Verstärkung in dem Verstärker
89 und phasenempfindlicher Gleichrichtung im Demodulator 90 erhält man die Gesaintspannung,
von der eine Teilspannung der Summier-bzw. Subtrahierstufe 91, eine zweite Teilspannung
der Siebkette 92 zugeführt wird. Hier wird durch scharfe Filter die ja sinusförmige
Grundwelle herausgesiebt und der Phasenumkehrstufe 93 zugeführt. Am Ausgang dieser
Stufe 93 liegt dann eine der Grund welle der Gesamtspannung entgegengesetzte Spannung
vor, die in der Summierstufe 91 voneinander abgezogen werden können. Am Ausgang
von 91 erhält man die zudem gesuchten Formfehler proportionale Anzeigespannung,
die über den Verstärker 94 in derselben Art und Weise mit Hilfe eines Instrumentes,
Schreibers oder Oszillographen, wie in den Abb. 1 bis 3 ausgeführt wurde, dargestellt
oder abgelesen werden kann.
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Ein besonderer Vorteil der elektrischen Zentrierung besteht darin,
daß diese unabhängig von der Geschicklichkeit desjenigen, der das Gerät bedient,
selbsttätig durchgeführt werden kann. Abb. 10 zeigt eine beispielsweise Ausführung,
die sich an eine der oben besprochenen oder eine ähnliche Meßschaltung anschließen
kann. An ihren Eingangsklemmen 101 liegt die Anzeigespannung Ua, die der vorhandenen
Exzentrizität entsprechend schwankend verläuft, weil die Berichtigungsspannung ncch
nicht richtig eingestellt ist.
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Näch Abtrennungdés Gleichspannungsanteils durch den Kondensator 110
lädt die Anzeigespannung Ua über den Widerstand 102 und den Schalter 103-104-105
den Kondenlsator 106 entsprechend ihrer Größe auf. Die SchaltzungelO5 wird hierbei
so gesteuert, daß der Kondensator während einer Umdrehung der Spindel 3 zwischen
0 und 1800 aufgeladen wird. Der Schalter 103-104-105 kann hierbei durch Nocken von
der Spindel 3 gesteuert werden. Er kann aber auch aus Schleifringen, Steuerkontakten
oder elektronischen kontaktlosen Schaltern aufgebaut werden. Nach 180 Umdrehung
wird die Kontaktzunge 105 auf den Kcntakt 104 gelegt. Dadurch liegt die Aufladespannung
des Kondensators 106 am Verstärker 108, der nun dem
an seinem Ausgang liegenden Motor
109 eine entsprechende Steuerleistung zuführt. Dadurch kann der Motor 109 den Di-fferentialtransformator
32-33-34-35 verstellen, mit dessen Hilfe die Berichtigungsspannung geregelt wird,
wie dies oben eingehend erläutert wurde. Der Kondensator 106 wird aber andererseits
durch den Widerstand 107 entladen, so daß die am Verstärker 108 liegende Spannung
wieder abklingt und der Motor 109 nach einer von der Größe des Widerstandes 107
abhängigen Zeit wieder zum Stillstand kommt. Die Verstellung des Berichtigungsgliedes32-33-34-35
ist auf diese Weise sowohl von der Größe der vorzunehmenden Berichtigung als auch
von der Lage der Exzentrizität zur Verstellachse x abgängig.
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In derselben Weise erfolgt die Einstellung der Berichtigungsspannung
für die y-Achse über die analogen Glieder Widerstand 112 - Schalter 113-114-115
- Ladekondensator 116 - Verstärker 118 - Verstelluietor 119 - Berichtigungsglied
28-29-30-31 und Entladewiderstand 117. Es wird hier nur der Ladekondensator 116
bei einer Drehung der Spindel 3 zwischen 90 und 2700 aufgeladen und bei 270" die
Umschaltung der Schaitzunge 115 auf den Verstellkreis 114-117-118-119-28-29-30-31
vorgenommen.
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Die Verstellgröße zur Bildung der Berichtiigungsspannung nach Abb.
10 ist erfindungsgemäß nur von der Exzentrizität, nicht aber von Formfehlern, die
der Exzentrizität überlagert sind, abhängig. Durch mehrfaches Umlaufenlassen der
- Spindel 3 und Einschalten empfindlicherer Meßbereiche wird die Berichtigung der
Exzentrizität immer mehr verbessert, wobei zweckmäßig mit der Umschaltung auf größere
Meßempfindlichkeit die Widerstände 107 und 117 verkleiner werden. Dadurch verringert
sich der Verstellweg der Motore 109 und 119 entsprechend der Verkleinerung der noch
zu Iberichtigenden Exzentrizität.
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Die in Abb. 10 dangestellbe Ausschaltung der Formfehler auf die Bildung
der Nachstellgröße nur in Abhängigkeit von der Exzentrizität kann auch in anderer
Weise vorgenommen werden. Es läßt sich beispieLsweise der Kondensator 110 vermeiden,
wenn statt der einzelnen Kondensatoren 106 bzw. 107 zwei Kondensatoren gegebenenfalls
über Dioden aufgeladen und ihre Aufladespannungen voneinander subtrahiert werden.
Die sich ergebende Differenzspannung ist dann von der Exzentrizität, nicht aber
von den Formfehlern abhängig: Die vorbeschriebene selbsttätige Zentrierung läßt
sich aber auch dann anwenden, wenn die Berichtigung der Exzentrizität nicht auf
rein elektrischem Wege durch Bildung einer Berichtigungsspann,ung erfolgt, sondern
wenn sieQdurch mechanisches Feinzentrieren bzw. Verstellen von Werkstück und Meßtaster
zueinander vorgenommen wird. Eine derartige bei spielsweise Anordnung zeigt die
Abb. 11.
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Das zu prüfende Werkstück 1 befindet ,sich auf einem mit der umlaufenden
Spindel 3 - verbundenen Tisch und wird durch Spannbacken2 festgehalten.
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Diese Backen sind beispielsweise durch Federn oder H:aftmagnete mit
dem Spindel tisch 3 schwergängig verbunden, so daß sie sich zwar durch größere Kräfte
verschieben lassen, andererseits aber das Werkstück t gegen die geringe Meßkraft
des Meßtasters 16 sicher festhalten.
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Der Meßtaster 16 tastet das Werkstück 1 ab und nimmt die Exzentrizität
einschließlich der Formgestalt auf, die als Anzeigespannung Ua am Ausgang des Verstärkers
121 auftritt und -an dem Instrument 20 abgelesen werden kann.
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Die von der Exzentrizität abhängige Fehlerspannung lädt über den
Kondensator 110 und den Widerstand 102 die Kondensatoren 125 und 126 auf, wobei
die Zuordnung der Aufladung zu den Verstellkoordinaten x und y der Spannbacken 2
durch Schalter 122 und 123 erfolgt, die von einem mit feder Spindel 3 verbundenen
Nocken 124 betätigt werden. Hat sich einer der Kondensatoren 125 oder 126 auf einen
positiven Spannungswert aufgeladen, so wird nach einer Drehung der Spindel 3 um
180", sobald der Nocken 130 den Schalter 129 schließt, über die Röhrenschaltung
127/128 der Magnet 131 erregt, ruder mittels des Hamzers 132 einen Schlag auf die
Spannbacke2 ausübt.
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Hierdurch wird das Werkstück 1 um einen geringen Betrag verschoben.
Der Gleichrichter 133 verhindert einen Schlag auf die Spannbacke, wenn die Kondensatoren
122/123 negativ aufgeladen sein sollten. Es ist weiterhin vorgesehen, daß nach erfolgtem
Schlag die Kondensatoren 122/123 entladen werden, damit sie sich nunmehr auf die
neue, nachgestellteL Exzentrizität einstellen können. Die gesamte Anordnung der
Schalter und Kondensatorenl22-123-125-126-127-128-129-131-132 und 133 ist für die
Verstellung der y-Achse, um 900 versetzt, nochmals vorhanden, jedoch in Abb. 11
nicht eingezeichnet.
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Statt der Zentrierung des Werkstücks 1 mit Hilfe kleiner Schläge,
deren Kraft proportional wider Aufladung des Kondensators 122/123 bzw. der Exzentrizität
ist, kann auch eine Verstellung und Zentrierung mit motorisch angetriebenen Spindeln
oder ähnlichen Elementen vorgenommen werden. Der in Abb. 11 dSargestellte Aufbau
ist überhaupt beispielsweiser Art, denn es können auch andere Mittel zur Erreichung
des beschriebenen Zweckes benutzt werden. Vor allem können statt der aufzuladenden
Kondensatoren auch andere elektrische speichernde und integrierende Mittel angewandt
werden.
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In den Abb. 1 bis 3 ist zur Anzeige der Exzentrizität und der Fehlgestalt
ein Kathodenstrahlosziilograph 21 dargestellt, dessen Strahl entweder elchtro statisch
mit Hilfe von zwei zueinander rechtwinklig stehenden Ablenkplattenpaaren oder magnetischEdurch
ebenfalls rechtwinklig zueinander stehende Spulensysteme abgelenkt wird. Damit überhaupt
ein Kreis geschrieben wind, muß ruder Elektronenstrahl entsprechend der relativen
Drehzahl zwischen Werkstück und Meßtaster umlaufen und gleichzeitig entsprechend
der Größe der Exzentrizität und der Fehlgestalt in radialer Richtung ausgelenkt
werden.
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Bei magnetischer Ablenkung wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die
Anzeigespannung Ua bzw. einen entsprechenden Strom einer oder zwei, einander gegenüberstehenden,
im Gegentakt geschalteten Spulen zuzuführen, die mechanisch um den Kolbenhals des
Oszillographenrohres mit derselben relativen Drehzahl wie zwischen Werkstück und
Meßtaster rotieren.
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Wird der Elektronenstrahl statisch durch Ablenkplatten oder mechanisch
durch feststehende Spulen abgelenkt, dann wird gemäß Abb. 12 die Anzeigespannung
Ua einem rotierenden Umformer 140 zugeführt, der beispielsweise ,durch Kopplung
mit der Spindel 3 mit der relativen Drehzahl des Werkstückes gegenüber dem Meßtaster
umläuft. Er liefert zwei zueinander elektrisch um 90" verschobene Wechselspannungen,
deren Spannungsshöhe der Anzeigespannung Ua proportional ist. Diese Spannungen werden
in den Verstärkern 141 und 142 verstärkt und den Ablenksystemen der Oszillographenröhre
143 zugeführt.
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Der Umformer 140 kann kapazitiver Art ähnlich Abb. 4, induktiver
Art ähnlich Abb. 5 oder ohmscher
Art ähnlich Abb. 6 sein. Der Oszillograph 143 besitzt
vorzugsweise einen lang nachleuchtenden Schirm.
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Da zur Erzeugung der Berichtigungsspannung, die die Exzentrizität
elektrisch unterdrückt, bereits ein ähnlicher Geber eingebaut ist wie der Umformer
140, wird erfindungsgemäß der Geber für die Berichtigungsspannung gleichzeitig auch
als Umformer für die Erzeugung tder Kreisablenkung des Kathodenstrahles benutzt.
In Abb. 13 ist zunächst als Beispiel der prinzipielle Aufbau einer Einrichtung nach
Abb. 3 dargestellt, bei der die mit der Spindel 3 verbundenen Geber 45 und 46 über
die Verstärker 49 und 50, die Regelglieder 28 bis 35 und das Korrekturglied 52 bis
55 zusammen mit der vom Meßtaster 16 gelieferten Gesamtspannung am Ausgang der Summierschaltung
51 die Anzeigespannung Ua liefern. Diese Anzeigespannung Ua wird nun in der Schaltstufel47
gitterseitig den Röhren 149 und 150 zugeführt, die anodenseitig von den Gebern 49
und 50 vorzugsweise über Verstärker 145 und 146 moduliert werden. Über die stark
gegengekoppelten Röhren 148 und 151, die Übertrager 152 und 153 erfolgt nach Demodulation
durch Einführung,der Trägerspannung mittels des Übertragers 154 und durch die Gleichrichter
155, 156 die Anzeige auf dem Oszillographen 143. ähnlich, wie das Zentrieren auf
elektrischem Wege und weitgehend selbsttätig vorgenommen wurde, lassen sich auch
das zu prüfende Werkstück und der Meßtaster bei der Abtastung der Werkstückmantellinie
zueinander ausrichten. Eine erfindungsgemäße Möglichkeit zeigt die Abb. 14. Die
hier angegebene Schaltung wird an eine Prüfeinrichtung ähnlich Abb. l, 2 oder 3
angeschlossen, deren Anzeigespannung der Eingangsspannung Ue = 161 der Abb. 14 entspricht.
Der Meßtaster 16 befindet sich zunächst an einer Stelle des Werkstückes, von oder
aus die Man tellinienabtastung erfolgen soll. Erfindungsgemäß wird diese Stelle
dadurch markiert, daß bei einem relativen Umlauf von Werkstück und Meßtaster zueinander
an dieser Stelle stets ein Schalter betätigt wird. Man kann dazu entweder das Schaltstenerwerk
zu der umlaufenden Spindel verdrehbar ausführen oder das Werkstück zu dem mit der
Spindel fest verbundenen Schaltsteuerwerk verdrehen. Dieses entsprechendlder relativen
Drehbewegung zwischen Werkstück und Meßtaster innerhalb bestimmter Drehwinkelbereiehe
schaltende Schaltsteuerwerk besteht aus den Schaltern 162 bis 165, die innerhalb
von zwei Umläufen über die Widerstände 174 und 175 eine Aufladung der Kondensatoren
170 und 173 und damit die Integration der Eingangs spannung 161 durchführen. Es
könnten natürlich auch andere Integrations- und Speicherelemente verwendet werden.
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Wenn 0° die obenerwähnte Anfangsspannung der Mantellinienabtastung
ist, auf die Werkstück und Schaltsteuerwerk eingestellt werden, dann schaltet der
Schalter 174 von 0 bis 360° und der Schalter 164 von 90 bis 4500. Innerhalb dieser
Schaltperioden schaltet dann der Schalter 163 zwischen 0 und 180° auf ,den Kondensator
170 und zwischen 180 und 3600 auf den Kondensator 171. Entsprechend arbeitet der
Schalter 165 während 90 bis 270° auf den Kondensator 172 und von 270 bis 4500 auf
den Kondensator 173. Die Differenz der Spannungen anoden Kondensatoren 170 und 171
gibt ein Maß für die Berichtigung der Ausrichtung in der Richtung und die Spannungsfdifferenz
an den Kondensatoren 172 und 173 in der x-Rich= tung.
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Die Ausrichtung bei der Mantellinie erfolgt nun so, daß der Meßtaster
in die Anfangsstellung der Mantellinientaststrecke
gefahren und
dort in der oben beschriebenen Weise zentriert wird. In der durch das Schaltsteuerwerk
fixierten Lage fährt der Meßtaster nun nach dem anderen Ende der Mantellinientaststrecke,
nach dessen Erreichen zwei relative Umläufe des Werkstückes zum Meßtaster ausgeführt
und die Kondensatoren 170 bis 173 aufgeladen werden. Durch Betätigung der Schalter
166 bis 169 wird im Kathodenkreis der Röhren 176 bis 179 die Differenzgröße gebildet,
so daß hinter Sden Verstärkern 180 und 181 die Berichtigungsmittel 184 und 185 für
die y- und x-Achse betätigt werden. Da die Abtastung der Manzellinie mit vorzugsweise
konstanter Tastgeschwindigkeit erfolgt, kann durch Einstellung der Regler 182 und
183 die Berichtigung der Ausrichtung im Verhältnis zur Taststrecke erfolgen. Ebenso,
wie oben beim Zentrieren beschrieben, können die Berichtigungsmittel den Meßtaster
in der x- und y-Achse mechanisch verstellen oder die Ausrichtung allein durch elektrische
B erichtigungsspannungen vornehmen. Erwähnt sei noch, daß .die Schalter 162 bis
169 nicht nur elektromechanische Kontaktschalter, sondern auch elektronische kontaktlose
Schalter sein können.
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Die beschriebenen Einrichtungen stellen vor allem dadurch einen besonderen
Fortschritt dar, daß sie in bereits vorhandene Einrichtungen für die Erzeugung öer
relativen Bewegungen eingebaut werden können, beispielsweise unmittelbar inWerkzeubmaschinen,
auf denen derartige Werkstücke gefertigt werden. Gerade wegen der Zentrier- und
Ausrichtefehler und der Unmöglichkeit, Feinzentrierungen in die stark beanspruchten
Werkzeugmaschinen einzubauen, war es bisher nicht möglich, unmittelbar auf der Fertigungsmaschine
die Fehigestalt eines Werkstückes zu ermitteln. Dies wird nunmehr möglich, und man
ist sogar in der Lage, mit diesen Einrichtungen die Werkzeugmaschine so meßzusteuern,
daß die gefertigten Teile keine Fehlgestalt besitzen.
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PATENTANSPROCHE: 1. Verfahren zum Prüfen der Oberflächen- und Fehlgestalt
eines Werkstückes, das nur grob zentriert und ausgerichtet ist, durch Abtasten mit
einem elektrischen Längenmeßtaster, der relativ gegenüber dem zu prüfenden Werkstück
bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Längenmeßtaster elektrisch eine
Gesamtmeßgröße erzeugt wird, die dem Oberflächenprofil und der Fehlgestalt sowie
dem Zentrier- und Ausrichtefehler entspricht, und daß aus dieser Gesamtheit der
Meßwerte die dem Oberflächenprofil und der Fehlgestalt entsprechenden Meßwerte während
der Prüfung des Werkstückes in der Weise ermittelt werden, daß mindestens eine elektrische,
vorzugsweise sinusförmige Größe zugleich mit der Gesamtmeßgröße erzeugt, diese Größe
dem mechanischen Zentrier-und Ausrichtefehler des Werkstückes proportional und dem
durch den Zentrier- und Ausrichtefehler bedingten elektrischen Fehler gleichgemacht
und diese abgewandelte Größe von der Gesamtmeßgröße abgezogen wird.
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2. Gerät zum Prüfen der Oberflächen- und Fehlgestalt eines Werkstückes,
das nur grob zentriert und ausgerichtet ist, mittels eines das Werkstück abtasten
den elektrischen Längenmeßtasters, der relativ zum Werkstück bewegt wird, dadurch
gekennzeichnet, daß an den Längenmeßtaster eine elektrische Meßeinrichtung angeschlossen
ist, in der der Längenmeßtaster einen Gesamtmeßwert
erzeugt, der dem Wert des Oberflächenprofils
und der Fehlgestalt sowie dem Wert des Zentrier- und Ausrichtefehlers entspricht,
und daß eine Berichtigungsmeßeinrichtung, die von der Relativbewegung zwischen dem
Längenmeßtaster und dem Werkstück gesteuert ist und die mindestens eine zwischen
einem Maximal- und einem Minimalwert pendelnde elektrische Größe erzeugt, an die
Meßeinrichtung über solche Regelglieder angeschlossen ist, mit welchen die erzeugte
elektrische Berichtigungsgröße in ihrer Größe, nämlich Amplitude, in ihrer Lage
zum Gesamffehler, nämlich Phase, und in ihrem Verlauf, nämlich durch Korrekturglieder,
dem mechaniscben Zentrier- und Ausrichtefehler proportional und dem durch den Zentrier-
und Ausrichtefehler bedingten elektrischen Fehler gleich einzustellen ist.