DE2100304C - Verfahren und Vorrichtung zum beruh rungslosen Messen der Oberflachenbeschaf fenheit, insbesondere Rauhigkeit einer im wesentlichen ebenen Flache - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum berührungslosen Messen der Oberflächenbeschaffenheit, insbesondere Rauhigkeit einer im wesentlichen ebenen Fläche, wobei ein von einer Lichtquelle kommendes paralleles Lichtstrahlenbündel in schräger Richtung auf die zu untersuchende Oberfläche auftrifft und nach Reflexion an dieser Fläche von einer Fotozelle od. dgl. aufgefangen wird.

Zum zerstörungsfreien Messen von Oberflächenzuständen sind bereits Taster mit geeichten Stiften bekannt, die auf der zu untersuchenden Oberfläche bei

ίο deren zylindrischer Ausbildung längs einer Erzeugenden und bei deren ebener Ausbildung senkrecht zur Bearbeitungsrichtung verschoben werden.

Zwar können die mit Hilfe solcher Taster erzielbaren Meßergebnisse hinreichend genau sein, jedoch

entsteht dabei der Nachteil, daß der Oberflächenzusta-nd nur entlang einer Linie festgestellt werden kann, war zwar für den Fall eines bearbeiteten Werkstücks, dessen Fehler konstant ist oder sich wiederholt, angängig sein kann, dagegen dann unzulässig

wird, wenn es sich um mittels Walzen oder Ziehen hergestellte BIc. he handelt, bei denen die Bearbeitungsfehler willkürlich verteilt sind und für ihre Feststellung die Untersuchung einer kleinen Fläche und nicht einer einfachen Linie verlangen.

Weiterhin ist aus der deutschen Patentschrift 743 405 eine Einrichtung zur Prüfung der Ebenheit von reflektierenden Oberflächen bekannt, wobei diese Oberflächen in den Strahlengang eines optiscnen systems eingeschaltet sind und die Lichtstrahlen in

schräger Richtung auf die reflektierenden Oberflächen auftreffen. Im reflektierten Lichtstrahlenbündel befindet sich eine Beobachtungseinrichtung. Mit Hilfe dieser Einrichtung kann die Reflexion eines auf ein Prüfstück mit reflektierender Oberfläche einfallenden Lichtstrahlenbündels untersucht werden. Quantitative Aussagen über die Rauhigkeit, den Oberflächenzustand und die Farbe der untersuchten Oberfläche können mit Hilfe dieser Einrichtung aber nicht angestellt werden.

Ähnliches gilt für ein aus der britischen Patentschrift 880 135 bekanntes Prüfgerät, bei dem ebenfalls

" Lichtstrahlen schräg auf eine Oberfläche auftreffen. Das reflektierte Licht wird über eine Linse und einen Spalt einer Fotozelle zugeführt. Mit Hilfe dieses Geräts

sind lediglich qualitative Aussagen über die Reflexion der Oberfläche möglich.

Mit Hilfe eines aus der USA.-Patentschrift 2 720 812 bekarnten Gerätes ist es möglich, die Rauhigkeit einer Oberfläche zu untersuchen. Dabei treffen wiederum die von einer Lichtquelle ausgesandten Strahlen schräg auf die zu untersuchende Oberfläche auf, während die reflektierten Strahlen von einer Beobachtungseinrichtung erfaßt werden. Quantitative Aussagen über den Oberflächenzustand sind mit Hilfe dieses Gerätes aber nicht

möglich.

Eine aus der französischen Patentschrift 1 397 638 bekannte Einrichtung erlaubt Messungen der Rauhigkeit einer ebenen Oberfläche. Die Fehler der betrachteten Oberfläche werden dabei durch die Intensitätsänderung des von einer Fotozelle erfaßten reflektierten Lichts gemessen. Quantitative Aussagen über die Rauhigkeit können mit Hilfe dieser Einrichtung aber auch nicht gemacht werden.
Schließlich ist noch aus der Zeitschrift »Industrie-Anzeiger«, Essen, 27. 4. 1956, S. 19 und 20, ein Verfahren zur Glanzmessung und ihre Anwendung in der metallverarbeitenden Industrie bekannt. Dabei trifft wiederum Licht schräg auf der zu messenden Ober-

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fläche auf. Das reflektierte Licht wird mit Hilfe eines In άζτ Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise Fotoelements gemessen. Auch dieses Verfahren er- veranschaulicht; dabei zeigt die einzige Figur der Iaubt nur qualitative Aussagen über die Rauhigkeit der Zeichnung eine schematische Darstellung für den AufOberfläche, bau einer erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren 5 zum zerstörungsfreien Messen von Oberflächenzu- bzw. eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu ständen, wobei die Zeichenebene durch die Bündelschaffen, durch welche auf einfache und doch genaue achsen für die aus dem Kollimator der Vorrichtung aus-Weise die Rauhigkeit und der Obernachenzustand tretenden parallelen Lichtstrahlen einerseits und für die einer kleinen zweidimensionalen Fläche, beispiels- an der zu untersuchenden Oberfläche reflektierten weise eines mittels Walzen oder Ziehen hergestellten io Lichtstrahlen andererseits festgelegt ist.
Bleches, bei dem die Bearbeitungsfehler willkürlich Die dargestellte Vorrichtung besitzt eine in ihrer verteilt sind, quantitativ gemessen werden kann. Lichtstärke stabilisierte und feststehende Lichtquelle 1,

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, einen aus einer Linse 2 und einem einstellbaren

daß zunächst das parallele Lichtstrahlenbündel durch Spalt 3 bestehenden Kollimator, · ein erstes oder ob-

ein objektseitiges optisches Gitter hindurch auf einen 15 jektseitiges optisches Gitter 4, einen feststehenden

einen angenähert vollkommenen Spiegel darstellenden Träger 5 für die Aufnahme einer zu untersuchenden

Abschnitt der zu untersuchenden Oberfläche gerichtet Oberfläche 6, die einen ersten, einen angenähert voll-

und das an diesem Spiegel reflektierte parallele Licht- kommenen Spiegel darstellend? , Abschnitt und min-

strahlenbündel mittels eines zentrierten optischen Sy- destens einen zweiten in seinem Oberflächenzustand

stems auf einen Lummerschen TeilerwüJel konzen- 20 zu bestimmenden Abschnitt aufweist, ein zentriertes

triert sowie durch diesen in ein in Verlängerung der optisches System 7, einen Lummerschen Teilerwürfel 8,

Lichtbündelachse hindurchgehendes erstes und in ein ein dem ersten objektseitigen Gitter 4 gleiches zweites

um 90° dagegen umgelenktes zweites Teillichtbündel oder bildseitiges optisches Gitter 9, zwei Fotozellen 10

gleicher Intensität zerlegt wird, von denen das erste und 11, zwei zum Abgleichender Fotozellen 10 und 11

Teillichtbündel ein dem objektseitigen Gitter glei- 35 dienende und einstellbare Blenden 12 und 13 und zwei

chendes bildseitiges Gitter durchsetzt, welches so ein- Konvergenzlinsen 14 und 15 zum Fokussieren von

gestellt ist, daß seine lichtdurchlässigen Teile sich ge- Lichtbündeln auf die beiden Fotozellen 10 und 11.

nau im Weg der vom nhjrktseitigen Gitter ausgehender. Izas. der beider: Fotozellen IG \ir.d 11 ist an ein in der

Lichtstrahlen befinden, so daß eine erste Fotozelle drs Zeichnung nicht dargestelltes Galvanometer oder einen

gesamte Licht des ersten Teillichtbündels erfaßt, wäh- 30 Rechner angeschlossen.

rend eine zweite Fotozelle das umgelenkte zweite Teil- Die beiden optischen Gitter 4 und 9 sind in den

lichtbündel empfängt, und daß sodann das bildseitige Anfihauptebenen des optischen Systems 7 angeordnet

Gitter innerhalb seiner Ebene so verschoben wird, daß und liegen zu beiden Seiten dieses Systems 7 und in

seine lichtundurchlässigen Teile im Weg der vom ob- Abständen, die gleich der doppelten gegenstands-

jektseitigen Gitter ausgehenden Lichtstrahlen liegen, 35 seitigen Brennweite bzw. gleich der doppelten bild-

und daß anschließend der als vollkommener Spiegel seitigen Brennweite des optischen Systems 7 sind,

wirkende / bschnitt der Oberfläche durch den zu un- Der Lummersche Teilerwürfel 8 ist im bildseitigen

tersuchenden Abschnitt der Oberfläche ersetzt und der Brennpunkt F des optischen Systems 7 angeordnet.

Quotient der nunmehr an den beiden Fotozellen ab- Die Oberflächenzustandsmessungen mit Hilfe der

lesbaren Stromwerte als Maß für die Rauhigkeit der zu 4° dargestellten Vorrichtung vollziehen sich nach einem

untersuchenden Oberfläche gebildet wird. zweistufigen Verfahren:

Die Vorrichtung zur Durchführung des genannten In der ersten Verfahrensstufe bildet der von der

Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß schräg zur Lichtquelle 1 beleuchtete Abschnitt der Oberfläche 6

Achse des ein Bündel paralleles Licht erzeugenden einen angenähert vollkommenen Spiegel. Die von

Kollimators ein Träger zur Aufnahme der zu unter- 45 der Lichtquelle 1 abgegebenen Lichtstrahlen mit sta-

suchenden Oberfläche und im Weg des parallelen bilisierter Intensität durchqueren zunächst den Spalt 3

Lichtbündels ein objeiUseitiges optisches Gitter an- des Kollimator" und durchsetzen anschließend an

geordnet ist, daß im Weg des reflektierten parallelen dessen Linse 2 parallel zueinander das objekt«eitige

Lichtbünuels ein zentriertes optisches System angeord- optische Gitter 4.

net ist, in dessen büdseitigem Brennpunkt ein Lummer- 50 Anschließend erfahren sie an der ebenen Oberscher Teilerwürfe'. liegt und jenseits dieses Brennpunk- flache 6 eine Reflexion, und es entsteht ein Bündel 17 tes ein Bild des objektseitigen Gitters erzeugt wird, daß paralleler Lichtstrahlen, aus dem das zentrierte in der Bildebene ein in seiner Ebene verschiebbares optische System 7 ein konvergierendes Licht! ündel 18 bildseitiges optisches, dem objektseitigen Gitter glei- macht, das seinen Konzentrationspunkt im biidchendes Gitter angeordnet ist sowie daß im Weg der 55 seitigen Brennpunkt F des optischen Systems 7 hat beiden Teillichtbündel des Lummerschen Teilerwür- und jenseits dieses Brennpunktes F ein Bild des fels je eine Fotozelle sowie je eine einstellbare Blende objektseitigen Gitters 4 erzeugt,
zum Abgleichen der Fotozellen liegen. Mit Rücksicht auf die üblichen Eigenschaften zen-

Durch den Vergleich der von dem vollkommenen trierter optischer Systeme entsteht das Bild des in Spiegel zurückgeworfenen Lichtstrahlen mit den von 60 der objektseitigen Antihauptebene des Systems 7 liedem zu untersuchenden Abschnitt zurückgeworfenen genden objektseiligen Gitters 4 in der zweiten AntiLichtstrahlen wird es möglich, auf einfache und genaue hauptebene des optischen Systems 7, und dieses Bild Art quantitative Aussagen über die Rauhigkeit der be- ist von gleicher Größe, und umgekehrt,
trachteten Oberfläche zu machen. Weiterhin ermög- Im dargestellten Falle entsteht also das Bild des licht die Anordnung der beiden Fotozellen und des 65 objektseitigen optischen Gitters 4 in der Ebene des Lummerschen Teilerwü. cels, daß die zweite Fotozelle biidseitigen optischen Gitters 9.
das Reflexionsvermögen der Oberfläche für eine gege- Da der beleuchtete Abschnitt der Oberfläche 6 in bene Farbe angibt. der ersten Verfahrensstufe sich wie ein annähernd

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vollkommener Spiegel verhält, erscheint das ent- tierten Lichtes, mit α einen von der Farbe dieses

stehende Bild des objektseitigen optischen Gitters 4 Oberflächenabschnittes abhängigen Koeffizienten und

als dessen genaue Kopie. mit b einen von der Rauhigkeit dieser Oberfläche

Das bildseitige optische Gitter 9 wird so eingestellt, abhängigen Koeffizienten, so ergibt sich, daß für das

daß seine lichtdurchlässigen Teile sich genau auf dem 5 zu der Fotozelle 10 gelangende Licht die Beziehung

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seitigen optischen Gitters 9 befinden und die Foto- _zd|e „ _aur_lreff_{endcn Lichtes (lcr} Beziehung ' a

zelle 10 empfängt das gesamte von dem bildseitigen ^e 2

optischen Gitter 9 ausgehende Licht. io gehorcht.

Der Lummersche Teilerwürfel 8 lenkt die halbe Als Quotient für diese beiden Intensitätswertc

Intensität des Lichtbündels 18 zu der Fotozelle 11 um. ergibt sich daher der Koeffizient b, der nur noch

Damit die beiden Fotozellen 10 und 11 für gleiche von der Rauhigkeit des beleuchteten Abschnittes

Beleuchtungen genau gleiche elektrische Ströme ab- der Oberfläche 6 abhängt.

geben, werden sie mit Hilfe der Blenden 12 und 13 15 Da die von den Fotozellen 10 und 11 abgegebenen

ins Gleichgewicht gebracht. elektrischen Ströme den von diesen Fotozellen auf-

Anschließend wird das bildseitige optische Gitter 9 gefangenen Lichtintensitäten proportional sind, ergibt innerhalb seiner Ebene so verschoben, daß dann seine sich, daß der Quotient aus den an den Fotozellen lichtundurchlässigen Stellen auf dem Wege der vom 10 und 11 ablesbaren Stromwerten nur mehr eine bildseitigen optischen Gitter 4 ausgehenden Licht- ao Funktion der Rauhigkeit der beleuchteten Oberstrahlen liegen. Auf diese Weise gelangt dann keinerlei fläche 6 ist, nicht dagegen von deren Farbe abhängt. Licht zu der Fotozelle 10. Was die Fotozelle 11 allein anbetrifft, so liefert

In der zweiten Verfahrensstufe wird der als voll- sie für einen Abschnitt der Oberfläche 6 von vorkommener Spiegel wirkende Abschnitt der Ober- gegebener Farbe einen Strom, der dem Wert / und

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nungen infolge der Unebenheit dieses Oberflächen- die auf die Oberfläche 6 auftreffenae Lichtintensität

abschnitts geht darin eine gewisse Lichtmcnge durch he/eichnet ist.

das bildseitige optische Gitter 9 hindurch, wobei Mit anderen Worten gibt also die Fotozelle 11

diese Lichtmenge eine Funktion der Oberflächen- 30 das Reflexionsvermögen der Oberfläche 6 für eine

rauhigkeit darstellt, und die Fotozelle 10 wird wieder gegebene Farbe an.

erregt. In der Praxis ist die Intensität des das bild- Bei dem oben beschriebenen Experiment erfolgt

seitige optische Gitter 9 durchsetzenden' Lichts eine die Untersuchung wegen der Darstellung sowohl des

Funktion nicht nur der Rauhigkeit der untersuchten Gegenstandes als auch seines Bildes durch optische

Oberfläche, sondern auch eine Funktion von deren 35 Gitter mit einer bevorzugten Achse, jedoch liegt es

Farbe, während die Intensität des durch den Lum- auf der Hand, daß man je nach der Natur der zu

merschen Teilerwürfel 8 zur Fotozelle 11 umgelenk- untersuchenden Oberfläche 6 die optischen Gitter 4

ten Lichtes im wesentlichen nur von der Farbe der und 9 beispielsweise durch Netze mit quadratischen

beleuchteten Oberfläche abhängt. Maschen oder durch andere optische Anordnungen

A: Dies gilt deshalb, da in die Fotozelle 10 nur *o mit Symmetrieachsen höherer Ordnung ersetzen kann,

das auf Grund der Rauhigkeit abgelenkte Licht Außerdem kann die Oberfläche 6 statt vrhtändig

gelangt, während das in die Fotozelle 11 fallende eben auch nur im wesentlichen eben sein; so kann

Licht durch die Rauhigkeit in der Praxis nur sehr sie beispielsweise der Mantel eines Zylinders mit

wenig abgeschwächt wird. großem Krümmungsradius sein; schließlich braucht

Bezeichnet man daher mit / die Intensität des an 45 die Oberfläche 6 auch nicht festzustehen, sondern sie

dem beleuchteten Abschnitt der Oberfläche 6 reflek- kann sich in einer kontinuierlichen Bewegung befind«. J.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum berühfungslosen Messen der Oberflächenbeschaffenheit, insbesondere Rauhigkeit, einer im wesentlichen ebenen Fläche, wobei ein von einer Lichtquelle kommendes paralleles Lichtstrahlenbündel in schräger Richtung auf die zu untersuchende Oberfläche auftrifft und nach Reflexion an dieser Fläche von einer Fotozelle od. dgl. aufgefangen wird, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst das parallele Lichtstrahlenbündel (16) durch ein objektseitiges optisches Gitter (4) hindurch auf einen einen angenähert vollkommenen Spiegel darstellenden Abschnitt der zu untersuchenden Oberfläche (16) gerichtet und das < η diesem Spiegel reflektierte parallele Lichtstrahienbündel (17) mittels eines zentrierten optischen Systems (7) auf einen Lummerschen Teilerwürfel (8) konzentriert sowie durch diesen in ein in Verlängerung der Lichtbündeiachse hindurchgehendes erstes und in ein um 90° dagegen umgelenktes zweites Teillichtbündel gleicher Intensität zerlegt wird, von denen das erste Teillichtbündel ein dem objektseitigen Gitter (4) gleichendes bildseitiges Gitter (9) durchsetzt, welches so eingestellt ist, daß seine lichtdurchlässigen Teile sich genau Im Weg der vom objektseitigen Gitter (4) ausgehenden Lirhtstrar'sn befinden, so daß eine erste Fotozelle (10) das gesamte Licht des ersten Teillichtbündels erfaßt, wähn id eine zweite Fotozelle (11) das umgelenkte zweite Teillichtbündel empfängt, und daß sodann das bildseitige Gitter (9) innerhalb seiner Ebene so verschoben wird, daß seine lichtundurchlässigen Teile im Weg der vom objektseitigen Gitter (4) ausgehenden Lichtstrahlen liegen, und daß anschließend der als vollkommener Spiegel wirkende Abschnitt der Oberfläche (6) durch den zu untersuchenden Abschnitt der Oberfläche (6) ersetzt und der Quotient der nunmehr an den beiden Fotozellen (10, 11) ablesbaren Stromwerten als Maß für die Rauhigkeit der zu untersuchenden Oberfläche (6) gebildet wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß schräg zur Achse des ein Bündel (16) paralleles Licht erzeugenden Kollimators (2, 3) ein Träger (5) zur Aufnahme der zu untersuchenden Oberfläche (6) und im Weg des parallelen Lichtbündels (16) ein objektseitiges optisches Gitter (4) angeordnet ist, daß im Weg des reflektierten parallelen Lichtbündels (17) ein zentriertes optisches System (7) angeordnet ist, in dess.n bildseitigem Brennpunkt {F) ein Lummerscher Teilerwürfel (8) liegt und jenseits dieses Brennpunktes ein Bild des objektseitigen Gitters (4) erzeugt wird, daß in der Bildebene ein in seiner Ebene verschiebbares bildseitiges optisches, dem objektseitigen Gitter (4) gleichendes Gitter (9) angeordnet ist sowie, daß im Weg der beiden Teillichtbündel des Lummerschen Teilerwürfels (8) je eine Fotozelle (10, 11) sowie je eine einstellbare Blende (12, 13) zum Abgleichen der Fotozellen liegen.