DE2138289C3

DE2138289C3 - Vorrichtung zum Bestimmen der Rauheit sich bewegender Oberflächen eines Werkstücks

Info

Publication number: DE2138289C3
Application number: DE19712138289
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr.-Ing. 7250 Leonberg Dutschke
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Rank Taylor Hobson Ltd
Priority date: 1971-07-30
Filing date: 1971-07-30
Publication date: 1975-02-13
Also published as: DE2138289A1; DE2138289B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen der Rauheit sich bewegender Oberflächen eines Werkstücks mit einem periodisch auf die Werkstückoberfläche in voneinander entfernten Meßpunkten aufsetzbaren und einen Geber betätigenden Taststift.

Eine Vorrichtung mit einem derartigen Taststift ist bereits aus der Patentschrift Nr. 13 141 des Amtes für Erfindurigs- und Patentwesen in Ost-Berlin als vorbekannt zu entnehmen. Bei diesem Oberflächenprüfgerät wird die Rauheit der Oberfläche dadurch gemessen, daß der Taster periodisch mit Hilfe eines von Wechselstrom durchflossenen Magneten auf die Werkstückoberfläche aufgesetzt wird und mit einem induktiven Geber verbunden ist, so daß die zu prüfende Oberfluche an vielen voneinander entfernten Punkten abgetastet wird und die dabei erhaltenen Signale angezeigt werden.

Bei dieser Vorrichtung, wie auch bei den sogenannten Tastschnittgeräten allgemein, wird der Taststifi

mit geringer Geschwindigkeit (ζ. Β. 0,5 mm/sec) über eine Meßstrecke von ζ. B. 5 mm Länge auf der Oberfläche eines ruhenden Prüflings bewegt.

Eine weitere Vorrichtung, bei der ebenfalls die Rauheit einer Oberfläche, hier einer Straßendecke, mittels eines auf diese in stochastisch verteilten Meßpunkten aufsetzbaren Tasters gemessen wird und die dabei sich einstellenden Tasterverstellungen in eine summierende Recheneinrichtung übertragen werden, ist in der Zeitschrift »Straßen- und Tiefbau«, 1963, Heft 4, Seiten 473 bis 476, beschrieben worden.

Bei dieser Vorrichtung stellt die Summe der Tasterverstellungen, dividiert durch die Anzahl der Meßstellen, welche ebenfalls mit Hilfe eines Zählwerkes erfaßt wird, die gesuchte Rauhtiefe dar. Dieses Gerät eignet sich sinngemäß auch zur Prüfung der Oberflächen von Metallteilen.

Die Bestimmung der Oberflächenrauheit an Prüflingsflächen, die sich selbst bewegen, und zwar wesentlich schneller, als es der üblichen Meßgeschwindigkeit der bekannten Geräte entspricht, ist mit diesen bekannten und ähnlichen Geräten nicht möglich. Das Messen der Rauheit bewegter Oberflächen ist aber von besonderem Interesse z. B. bei Meßsteuerungen an Walzenschleifmaschinen. Die bekannten Meßgeräte bedingen ein Stillsetzen der Maschinen, um den Meßvorgang durchführen zu können. Dieses Stillsetzen ist jedoch aus fertigungstechnischen Gründen nicht angängig, weil beim Wiederanlaufen der Maschine Markierungen in der Oberfläche de» Werkstücks entstehen. Hier setzt die Erfindung ein. Die Erfindung gestattet ferner, über die Oberfläche des Werkstückes den Zustand des Werkzeugs an einer Werkzeugmaschine zu beurteilen.

Bei dem Gerät nach der Erfindung wird das Messen der Oberflächenrauheit während der Bearbeitung, insbesondere während des Schlcifens einer Walze dadurch ermöglicht, daß der vorzugsweise bei der Berührung mit der Oberfläche horizontal liegende Taststift radial beweglich in einem den Geber aufnehmenden, rotationssymmetrischen, in einer Halterung drehbar gelagerten und in Antriebsberührung mit der Werkstückoberfläche zu bringenden Gehäuse (Meßiudchen) angeordnet ist, daß die Taststiftspitze eine Öffnung in der Mantelfläche des Gehäuses durchsetzt und mit Hilfe bekannter Meßsignalübertragungseinrichtungen die Meßsignale in bekannte Rechenschaltungen zur Ermittlung von Oberflächenkennwerten, z. B. der geometrischen Rauhtiefe, eingegeben werden. In den Meßsignalverarbeitungseinrichtungen werden Oberflächenkennwerte, z. B. die geometrische Rauhtiefe R_s, als Standardabweichungen der Meßsignale berechnet, die angezeigt oder nach der die Fertigung geregelt oder gesteuert werden kann.

Der Taststift trägt eine verschließ^feste Tastspitze, deren Rundungshalbmesser so klein ist, daß die Spitze in das Rauheitsgebirge der Oberfläche einzudringen vermag.

Das Gehäuse trägt zwei Spurkränze, mit denen es auf der zu prüfenden Oberfläche abrollt. Die Öffnung für den Taststift befindet sich vorzugsweise in der Mantelfläche des Gehäuses zwischen den Spurkränzen. Sie kann aber auch seitlich der Spurkränze liegen, wenn nämlich auch solche Teile der Oberfläche abgetastet werden sollen, die nahe an einem Bund oder an einem Absatz liegen, die also von einem zwischen den Spurkränzen liegenden Taststift nicht erreicht werden könnten. In der Ruhelage ragt die Spitze des Taststifts mindestens so weit über den Hüllzylinder der Spurkränze hinaus, wie es der maximalen Rauhtiefe der abzutastenden Oberfläche entspricht.
Ebenso wie die Tastspitze bestehen auch die Spur-

kränze aus einem verschleißfesten Werkstoff. Damit wird die Nullpunktkonstanz des Meßwertaufnehmers gesichert, weil der Abstand der Tastspitze vom Hüllzylinder der Spurkränze konstant bleibt. Außerdem wird damit verhindert, daß die Spurkränze unrund werden.

Beide Spurkränze müssen gleichmäßig an der Oberfläche des Prüflings bzw. des Werkstücks anliegen. Dazu ist vorgesehen, daß die Halterung des Gehäuses bzw. Meßrädchens mittels zweier Kreuzfeder-

'5 gelenke um eine Achse schwenkbar ist, die sowohl senkrecht zum Taststift in Meßlage als auch senkrecht zu der Geraden liegt, welche die Berührungspunkte der Spurkränze mit dem Werkstück enthält. Die notwendige Anpreßkraft wird dadurch erzielt, daß ein

Blattfederpaar, das die Halterung für das Gehäuse mit einer Zustelleinrichtung verbindet, in Richtung auf die zu untersuchende Oberfläche vorgespannt werden kann.

Zur radial beweglichen Lagerung des Taststifts in

^J5 dem Gehäuse dient ebenfalls ein Blattfederpaar. Es sind ferner Anschläge zur Hubbegrenzung des Taststifts in beiden Bewegungsrichtungen sowie Mittel zur Schwingungsdämpfung des Taststifts vorgesehen.
Als Dämpfungsmittel kann eine Luftbremse aus

Kolben und Zylinder dienen. Es kann dazu auch eine Beschichtung der Blattfedern verwendet werden, die den Taststift tragen. Ferner sind die Anschläge zur Hubbegrenzung mit einer dämpfenden Schicht versehen.

Wie schon oben ausgeführt, wird die Vorrichtung an der laufenden Bearbeitungsmaschine benutzt. Daher ist erforderlich, Mittel vorzusehen, mit denen das Eindringen von Verunreinigungen in das Innere des Gehäuses verhindert wird. Dazu dient z. B. Luft unter geringem Überdruck, für deren Zuleitung ein axialer Stutzen in der freien Stirnwand des Gehäuses vorgesehen ist.

Der Signalgeber ist nicht auf die induktive Form beschränkt. Es können statt dessen auch z. B. ein ohmscher, ein kapazitiver, ein optischer, ein fotoelektrischer, ein pneumatischer, ein auf dem Hall-Prinzip beruhender Geber oder ein Feldplattengeber verwendet werden.

Zur Vermeidung von bei Schleifkontakten mögli-

chen Fehlerquellen ist eine Abwandlung der Grundbauart in der Weise möglich, daß die Spule des induktiven Signalgebers ortsfest nicht rotierend im Gehäuse angeordnet ist. Damit erübrigen sich Schleifringe zur Signalübertragung. Diese werden nur benötigt, wenn der Signalgeber mit dem Gehäuse rotiert.

Eine andere Lösung besteht darin, daß drahtlose Übertragungsmittel (Sender und Empfänger) verwendet werden.

Schließlich sind Mittel zum Anzeigen der Anpreßkraft des Gehäuses an die zu untersuchende Oberfläche vorgesehen.

Dazu dient eine Meßuhr, die den Verstellweg der Halterung des Gehäuses gegenüber der Zustelleinrichtung anzeigt.

Sofern ein pneumatischer Geber verwendet wird, kann dessen Abluft als Mittel zum Verhindern des Eindringens von Verunreinigungen in das Innere des Gehäuses herangezogen werden.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Tastvorrichtung nach der Erfindung sowie deren verfahrensmäßige Anwendung schematisch dargestellt.

Es zeigt

Fig. 1 einen Horizontalschnitt durch die Vorrichtung,

Fig. 2a, b, c, d Meßrädchen und Prüfling jeweils nach einer vollen Umdrehung des Meßrädchens, letzteres verkleinert, das Oberflächenprofil stark überhöht,

Fig. 3 verschiedene Winkellagen des Prüflings: Fig. 3a kurz bevor, Fig. 3b während und Fig. 3c kurz nachdem der Taster die Oberfläche berührt,

Fi g. 4 den Signalverlauf am Ausgang der Tastvorrichtung.

In Fig. 1 ist das aus einem rotationssymmetrischen Gehäuse bestehende Meßrädchen mit 1 bezeichnet. Dieses liegt über zwei Spurkränze 2 aus verschleißfestem Werkstoff kraftschlüssig an der sich bewegenden Oberfläche des Prüflings bzw. Werkstücks 3 an. Statt dieser Außenfläche kann es sich auch um eine innen liegende Rotationsfläche oder um die Oberfläche eines band- oder stangenförmigen Materials handeln. Durch Reibung zwischen den Oberflächen des Werkstücks und der Spurkränze wird das Meßrädchen in Drehung versetzt, wobei nach kurzem Schlupf beim Anfahren die Umfangsgeschwindigkeiten an den Berührungspunkten gleich sind.

Das Meßrädchen ist in Lagern 4 drehbar gelagert. Um Spielfreiheit mit Reibungsarmut zu verbinden, werden hier zweckmäßigerweise vorgespannte Wälzlager verwendet. Die Lager 4 befinden sich in einer Halterung 15, die durch Kreuzfedergelenke 5 um kleine Winkel schwenkbar ist. Die Lage dieser Gelenke 5 ist nur schematisch dargestellt. In der praktischen Ausführung liegen diese Gelenke mit ihrer gemeinsamen Schwenkachse oberhalb und unterhalb der Zeichenebene. Diese Achse verläuft senkrecht zum Taststift und zu einer Geraden, welche die Berührungspunkte der Spurkränze mit dem Werkstück enthält. Mit diesen Gelenken 5 soll sichergestellt werden, daß die Spurkränze 2 des Meßrädchens auch dann an der Prüflings- bzw. Werkstückoberfläche anliegen, wenn diese Formfehler aufweist. Diese können als z. B. Konizität oder Balligkeit in Achsrichtung liegen oder dann auftreten, wenn der Prüfling nicht exakt um seine Symmetrieachse rotiert. Das Kreuzfedergelenkpaar erzeugt zugleich das erforderliche Rückstellmoment.

Ein Blattfedergelenkpaar 6 verbindet die Halterung 15 mit einer Zustelleinrichtung 7 und sorgt zugleich durch aufzubringende Vorspannung für die erforderliche Anlagekraft zwischen dem Meßrädchen und dem Prüfling. Diese wird auch dann aufrechterhalten, wenn der Prüfling außer den obengenannten Formfehlern noch Rundlaufabweichungen aufweisen sollte. Die Zustelleinrichtung ermöglicht zugleich eine Anpassung der Lage des Meßrädchens an unterschiedliche Prüflingsdurchmesser.

Innerhalb des Meßrädchens ist ein Taststift 8 mittels eines Blattfederpaares 9 reibungs- und spielfrei gelagert. Die Vorspannung dieser Blattfedern erzeugt zugleich die in der Größenordnung von 1 ρ liegende Meßkraft. Diese Meßkraft ist klein genug, um Beschädigungen der zu untersuchenden Oberfläche und

ίο damit Verfälschung des Meßsignals zu vermeiden. Die Spitze des Taststifts ist in der bei Tastschnittgeräten bekannten Weise ausgebildet.

Der Taststift trägt einen Kern 10, über den die Induktivität einer Spule 11 beeinflußt wird. Die dabei erhaltenen elektrischen Signale werden über Schleifringe und Kontaktfedern 13 vom Meßrädchen in bekannter Weise auf nachgeschaltete Empfänger zur Verarbeitung übertragen.

Die Schwingungen des Taststifts gegenüber dem

so Meßrädchen werden mittels einer Luftbremse 12 aus Kolben und Zylinder gedämpft. Ferner sind Anschläge als Hubbegrenzung in beiden Bewegungsrichtungen vorgesehen (nicht dargestellt).

Um zu verhindern, daß Verunreinigungen in das

»5 Innere des Meßrädchens eindringen, wird bei 14 gereinigte Luft unter geringem Überdruck zugefuhri. Zum Anzeigen der Anpreßkraft des Meßrädchens ist eine Meßuhr vorgesehen (nicht dargestellt). Diese zeigt den Verstellweg der Halterung 15 gegenüber der

Zustelleinrichtung 7 an.

Fig. 2 zeigt verschiedene Eindringtiefen _y, bis y_A des Taststifts, jeweils nach einer vollen Umdrehung des Meßrädchens. Diese Werte sind bezogen auf einen angenommenen Hüllzylinder des Werkstücks und beschreiben die Oberflächenrauheit am Umfang des Prüflings in der jeweils durch die Spitze des Taststifts gekennzeichneten Ebene.

In Fig. 3 ist dargestellt, wie der Taststift beim Abwälzen des Mcliradchens auf dem Prüfling dessen

Oberfläche berührt. Dabei wird der Taststift kurzzeitig aus seiner Ruhelage radial nach innen bewegt, um danach wieder in die Ruhe- bzw. Ausgangslage zurückzukehren.

Die bei zweimaligem vollständigen Abwälzen des

Meßrädchens erhaltenen zwei Signale >,. v\ sind in Fig. 4 gezeigt. In dieser bezeichnet d den Hülikreisdurchmesser des Meßrädchens. Demnach haben die abgetasteten Punkte auf der Prüflingsoberfläche einen Abstand von d π voneinander.

Die Signale y,, y₂ entsprechen zwei stochastischen Ordinatenwerten der Prüflingsoberfläche. Aus einer genügend großen Anzahl solcher Signale y,, y₂ ... y, lassen sich bekannte Oberflächenkenngrößen berechnen. Die geometrische Rauhtiefe R, (RMS) entspricht

beispielsweise der Standardabweichung der von dem Oberflächentastsystem erzeugten Meßsignale.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Bestimmen der Rauheit sich bewegender Oberflächen eines Werkstückes mit einem periodisch auf die Werkstückoberfläche in voneinander entfernten Meßpunkten aufsetzbaren und einen Geber betätigenden Taststift, dadurch gekennzeichnet, daß der vorzugsweise bei der Berührung mit der Oberfläche (3) horizontal liegende Taststift (8) radial beweglich in einem den Geber (10,11) aufnehmenden, rotationssymmetrischen, in einer Halterung (15) drehbar gelagerten und in Antriebsberührung mit der Werkstückoberfläche (3) zu bringenden Gehäuse (1) (Meßrädchen) angeordnet ist, die Taststiftspitze eine Öffnung in der Mantelfläche des Gehäuses (1) durchsetzt und mit Hilfe bekannter Meßsignalüjjertragungseinrichtunge» die Meßsignale in bekannte Rechenschaltungen zur Ermittlung von Oberflächenkennwerten, z. B. der geometrischen Rauhtiefe, eingegeben werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Taststift (8) eine verschleißfeste Tastspitze trägt, deren Rundungshalbmesser so klein ist, daß sie in das Rauheitsgebirge der Oberfläche einzudringen vermag.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) zwei Spurkränze (2) trägt, mit denen es auf der zu prüfenden Oberfläche (3) abrollt, daß sich die Öffnung für die Taststiftspitze vorzugsweise in der Mantelfläche des Gehäuses (1) zwischen den Spurkränzen (2) oder seitlich der Spurkränze (2) befindet, und daß die Spitze des Taststiftes (8) in der Ruhelage so weit über den Hüllzylinder dieser Spurkränze (2) hinausragt, wie es der maximalen Rauhtiefe der abzutastenden Oberfläche entspricht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spurkränze (2) aus einem verschleißfesten Werkstoff bestehen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (15) des Gehäuses (1) mittels zwener Kreuzfedergelenke (5) um eine Achse schwenkbar ist, die sowohl senkrecht zum Taststift (8) in Meßlage als auch senkrecht zu der Geraden liegt, welche die Berührungspunkte der Spurkränze (2) mit dem Werkstück (3) enthält und daß ein Blattfederpaar (6) die Halterung (15) für das Gehäuse (1) mit einer Zustelleinrichtung (7) in Richtung auf die zu untersuchende Oberfläche (3) verbindet.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Taststift (8) in dem Gehäuse (1) mittels eines Blattfederpaares (9) radial beweglich gelagert nnd durch Anschläge in beiden Bewegungsrichtungen hubbegrenzt ist und daß Mittel zur Schwingungsdämpfung des Taststiftes (8) vorhanden sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Dämpfungsmittel eine Luftbremse (12) aus Kolben und Zylinder dient.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6. dadurch gekennzeichnet, (.laß als Dämpfungsmittel eine Beschichtung der Blattfedern (9) dient, welche den Taststift tragen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschläge zur Hubbegren-

zung mit einer dämpfenden Beschichtung versehen sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, mit denen das Eindringen von Verunreinigungen in das Innere des Gehäuses (1) verhindert wird.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel Luft unter geringem Überdruck dient, für deren Zuleitung ein axialer Stutzen (14) in der freien Stirnwand des Gehäuses (1) vorgesehen ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein induktiver, ein ohmscher, ein kapazitiver, ein optischer, ein fotoelektrischer, ein pneumatischer, ein auf dem Hall-Prinzip beruhender Geber oder ein Feldplattengeber verwendet wird.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (11) des induktiven Gebers ortsfest nicht rotierend im Gehäuse (1) angeordnet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsignale von einem mit dem Gehäuse (1) rotierenden elektrischen Geber mit Hilfe eines Schleifringabnehmers (13) übertragen werden.

15. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß drahtlose Übertragungsmittel (Sender und Empfänger) zur Übertragung der Gebersignale verwendet werden.

16. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Anzeigen der Anpreßkraft des Gehäuses (1) an die zu untersuchende Oberfläche vorgesehen sind.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel eine Meßuhr dient, welche den Verstellweg der Halterung (15) gegenüber der Zustelleinrichtung (7) anzeigt.

18. Vorrichtung nach den Ansprüchen IQ, ii und 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel zum Verhindern des Eindringens von Verunreinigungen in das Innere des Gehäuses (1) die Abluft des pneumatischen Gebers dient.