DE2411952C3

DE2411952C3 - Verfahren und Einrichtung zum selbsttätigen Errechnen und Aufzeichnen statistischer Verteilungsfunktionen in Verbindung mit Diagrammaufzeichnung

Info

Publication number: DE2411952C3
Application number: DE19742411952
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-03-13
Filing date: 1974-03-13
Publication date: 1980-09-11
Also published as: DE2411952B2; DE2411952A1

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und eine Einrichtung, die gleichzeitig zu einem ablaufenden und in der Regel dabei registrierten Meßvorgang, der als elektrische Größe aufgenommen, verarbeitet und angezeigt wird, statistische Verteilungsfunktionen, beispielsweise die Summenhäufigkeitsfunktion der Ampli- eo tuden, errechnet und sofort im Anschluß an das Aufzeichnen des Meßgrößenverlaufes selbst mit demselben Registriergerät auf dem Diagrammstreifen aufzeichnet

Ein für diese Erfindung besonders kennzeichnender Anwendungfall ist das Messen der Gestaltabweichun gen 1. bis 5. Ordnung von Oberflächen, insbesondere deren Rauheit bzw. Gestaltabweichungen 3. bis 5.

Ordnung und der Welligkeit als Gestaltabweichung 2. Ordnung. Wird beispielsweise die Oberflächengestalt bearbeiterer Werkstücke untersucht, dann wird durch einen Vorschubapparat ein elektrischer Tiefenmeßtaster, der einen eingebauten elektromechanischen Meßwertwandler mit sehr niedriger Meßkraft und eine an dessen beweglichen Wandlerteil befestigte Diamanttastspitze besitzt, über die Oberfläche geführt Der Meßwertwandler erzeugt elektrische Spannungsschwankungen, die dem abgetasteten Schnittprofil der Oberfläche proportional sind. Diese werden anschließend in einem elektronischen Meßverstärker so vergrößert und verstärkt, daß in einem angeschlossenen Meßwertschreiber die sich über ablaufendem Registrierpapier bewegende Schreibfeder mittels des durch die verstärkten Spannungsschwankungen bewegten Teils eines elektrischen Schreibsystems das vergrößerte Oberflächenprofil aufzeichnet Der Vorschub des Registrierpapieres erfolgt mit einer konstanten Geschwindigkeit, die zu der ebenfalls konstanten Oberflächenabtastgeschwindigkeit des Vorschubapparates in einem bestimmten, den Horizontalvergrößerungsmaßstab bestimmenden Verhältnis steht Das so erhaltene, meist sehr überhöht, d.h. mit sehr viel größerer Vertikal- als Horizontalvergrößerung, aufgezeichnete Oberflächenprofil enthält die Summe aller Informationen über die Gestaltabweichungen, aber in der Form eines Profilbildes.

Die Auswertung eines solchen Profilbildes ist aufwendig und mühsam. Außerdem ist dann nicht immer gewährleistet, daß die Auswertung stets nach bestimmten vereinbarten oder erst noch zu vereinbarenden Regeln erfolgt Die Fertigungs-Kontrolle verlangt aber quantitative Vorschriften über die zulässige Oberflächenfeingestalt Da es aber unmöglich ist, das oft sehr zerklüftete Oberflächengebirge einzeln zu vermessen, bedient man sich statistischer Oberflächenmaße, die aus einer kontinuierlichen Vermessung einer Vielzahl von Einzelmaßen nach einer zu Grunde gelegten Funktion errechnet wurden. Derartige Maße sind die Gesamtprofiltiefe Pt, die Wellentiefe W, die Rauhtiefe Rt, die gemittelte Rauhtiefe R₂, der Mittenrauhwert R₁, die Glättungstiefe T_p und der Traganteil tp. Es ist auch bekannt, wie diese Maße mit elektronischen Recheneinrichtung während des Abtastvorganges selbsttätig errechnet werden können, so daß sie am Schluß des Meßvorganges quantitativ zur Verfugung stehen.

jedes Maß hat eine funktioneile Bedeutung. Die Rauhtiefe kennzeichnet vor allem die Tiefe der Zerklüftung und den dadurch bedingten Aufwand für die spätere Glättung der Oberfläche. Andererseits kann sie für das Haften von Überzügen wichtig sein. Für die Beurteilung, ob die Oberfläche brauchbar ist oder nicht hat sie den Nachteil, daß nur einige wenige tiefe Rillen einen höheren Meßwert ergeben können, als zulässig ist Daher ist neuerdings auch die gemittelte Rauhtiefe R_z eingeführt worden, um den Einfluß von Extremwerten zu verringern. Die Glättungstiefe R_p läßt erkennen, ob die Erhebungen größer, d. h. vor allem breiter sind als die Täler und Vertiefungen, denn die Zunahme der Glättungstiefe beruht auf Vergrößerung des Talvolumens. Die geringste Aussagekraft hat der Mittenrauhwert R₃, der sich aber in der Praxis einiger Beliebtheit erfreut, weil die Meßwerte weniger streuen. Geringere Streuung bedeutet aber geringere Aussagekraft Eine Aussage über die Oberflächengestalt bezogen auf die Horizontalerslreckung gibt der Traganteil tp, bei dem parallel zu einer über die Profilspitzen gelegten

Umhüllenden eine Schnittlinie in bestimmten Abstand durch das Oberflächenprofil gelegt und die Länge der Durchtrittsstellen dieser Schnittlinie durch die werkstofferfüllten Profilberge addiert und in Beziehung zur Taststrecke gesetzt wird. Dieser Trag urteil t_p gibt dann in vH. der Gesamtstrecke an, wie groß die tragende Länge bzw. Fläche der Oberfläche ist, wenn die Profilberge um einen gewissen Höhenunterschied abgetragen sind. Daraus lassen sich Schlüsse auf die Tragfähigkeit und die Abnutzung ziehen. Da die Schnittlinie nicht reell, sondern durch eine elektrische Bezugsspannung ausgeführt wird, lassen sich schnell solche Traganteilmessungen in verschiedener Schnittiefe verwirklichen. Steigt hierbei der Traganteil t_p schnell zu höheren Werten an, dann sind die Berge des Oberflächenprofils massiv und tragfähig. Bei langsamem Anstieg ist die Oberfläche also ungünstiger gestaltet

Wird die Schnittiefe auf der Ordinate, der Traganteil auf der Abszisse eines Diagrammes eingetragen, dann erhält man die sog. Tragkurve, aus deren Verlauf umso bessere Schlüsse über den Zustand der Oberfläche gezogen werden können, je dichter das Netz der Schnittlinien ist.

Es ist auch schon unternommen worden, bei einer einzigen Abtastung für mehrere in verschiedener Tiefe geführte Schnittlinien den Traganteil zu errechnen und auf elektronischen Speichern festzuhalten, um dann anschließend die Traganteilwerte abzufragen und von Hand in ein Diagramm einzutragen. Aber gerade diese Diagrammaufzeichnung ist mit einem teuren Zeitaufwand verbunden, ganz abgesehen davon, daß auch die Anzahl der Schnitte begrenzt bleibt

Aufgabe der Erfindung ist es, ein wesentlich dichteres Schnittliniennetz zu erzeugen und die erhaltenen Traganteilwerte anschließend an den Abtastvorgang sofort in einer Tragkurve selbsttätig aufzuzeichnen, wobei dies stets über ein und derselben Basislänge erfolgt, sodaß die Diagramme untereinander besser vergleichbar sind. Ist beispielsweise die Diagrammlänge 100 mm, dann entspricht jeder 1 mm Basislänge 1 vH Traganteil. Bei 50 mm Länge würde 1 mm 2 vH Traganteil zugeordnet sein. Die Tragkurve stellt die Summenhäufigkeit der in horizontaler Richtung addierten Schnitt- bzw. Traglängen dar, bzw. kann man sich ihre Entstehung auch so vorstellen, daß das Oberflächenprofil in horizontaler Richtung bis auf die im Anfangspunkt errichtete Ordinate zusammengeschoben wurde. Bei der Erfindung wird nun über die gesamte Höhe des Diagrammpapiers bzw. des Meßbereiches ein horizontales Schnittliniensystem von 62 Schnittlinien — beispielsweise — gelegt Senkrecht dazu wird in einem Abstand von 0,2 μπι bei 0,1 mm/s Meßgeschwindigkeit festgestellt, ob die Schnittlinie innerhalb des Oberflächengebirges liegt oder außerhalb in dem mit Luft erfüllten Talvolumen. Durch die Zählung der Überschreitungen dieser Schnittlinien würde man die Summenhäufigkeit der Amplitudenüberschreitungen erhalten. Es muß aber die normierte Summenhäufigkeit in Papierlängsrichfung aufgezeichnet werden, d. h. die Umkehrfunktion übere^:i.?r konstanten Basislänge.

Der Gegenstand der Erfindung wird durch die A b b. 1 verdeutlicht Das Oberflächenprofil 1 wird durch den Mikrometer 2, der vom Vorschubapparat 4 über die Oberfläche transportiert wird, abgetastet Dadurch folgt die Diamanttastspitze 3 den Erhebungen und Vertiefungen des Oberflächengebirges. Diese Bewegungen werden durch den im Mikrotaster 2 eingebauten elektromechanischen Meßwertwandler in elektrische Spannungsänderungen umgeformt, die dann anschließend in dem im Oberflächenmeßgerät 5 eingebauten Meßverstärker genügend verstärkt werden. Der Ausgang des Meßverstärkers 5 irt über den Schalter S3 mit dem Schreibsystem 7 das Oberflächenprofilschreibers 6 verbunden, dessen elektrosensitives Registrierpapier 9 durch die Schreibfeder 8 unter der Einwirkung einer elektrischen Schreibspannung aus i]er SpannuDgsquelle

ίο 10 geschwärzt wird.

Gleichzeitig mit dieser Abtastung der Oberfläche und dem Aufzeichnen des Profildiagrammes muß die Einspeicherung derjenigen Werte erfolgen, die später dazu dienen, die Tragkurve aufzuzeichnen. Dazu muß die Einrichtung beschrieben werden, mit der das Zeilenraster und die Erfassung der Werte erfolgt, bei denen das Oberflächenprofil die jeweils eingestellte Zeile überschreitet Die hier angegebene Ausführung ist allerdings als Beispiel anzusehen, da sie selbstverständlieh in zweckentsprechender Art und Weise abgewandelt werden kann. Sie besieht aus einem 2048 Bit Schieberegister 11, das in 64 Wörter zu je 32 Bit aufgeteilt ist Es sind nun 62 Schnittlinien vorgesehen, für die je 1 Wort d. h. also 62 Wörter des Schieberegisters 11 zugeordnet sind. Von den zwei verbleibenden Wörtern wird ein Wort dazu benutzt, die Gesamizahl der Messungen zu speichern, während das andere Wort unbenutzt bleibt Des weiteren ist ein ca. 1 MHz-Taktgenerator 12 eingebaut, der sowohl das Schieberegister 11 als auch den Bitzähler 13 und den Wortzähler 14 taktet. Deren Zählerstand gibt ständig an, welches Bit und Wort im Augenblick am Ausgang des Schiebregisters erscheint Die Stellung des Wortzählers 14 (0 ... 63) wird mittels eines Digital-Analog-Wandlers 15 in eine proportionale Spannung 16 umgewandelt, die sich zwischen den Grenzen +5 V und —5 V stufenförmig ändert Es ist hierbei angenommen, daß diese Spannungsgrenzen derjenigen Spannung entspricht die am Ausgang des Meßverstärkers 5 für das Erreichen der vollen Schreibbreite quer über das Registrierpapier vorhanden sein muß. Der Schreiber darf aber bei der Aufnahme nicht mit 100% ausgesteuert werden, sondern höchstens mit 90% weil eine gewisse Lagetoleranz von 2 Klassen für das Raster vorgesehen werden muß.

Die Stufenspannung 16 wird nun mit dem vom Mikrotaster gelieferten Oberflächensignal 17 verglichen und zwar durch einen Komparator 18, der immer dann ein Signal 19 abgibt, wenn das Oberflächensignal größer als die Stufenspannung ist. Dieses Komparatorsignal wird in dem Block »Worterzeugung 20« bis zum Schluß, d. h. bis zur Verarbeitung des 63. Wortes abgespeichert. Es verursacht daß zu den folgenden Wörtern der Wert 100 addiert wird. Dieser Aufnahmevorgang ist auf der A b b. 2 dargestellt, allerdings nur für 5 Messungen und 7 Wörter bzw. Zeilen. Tatsächlich würden am Ende der Messung in den Wörtern 1 bis 62 die Signalüberschreitungen gespeichert sein. Da bereits während der Messung die Überschreitungen mit 100 multipliziert

bo wurden, ist die normierte Summenhäufigkeit Wodurch die Gleichung gegeben:

w ^n{x)

Hierin bedeutet:

W(x) = Summenhäufigkeit in der Klasse X
n(x) = Überschreitungen · 100
N = Gesamtzahl der Messungen

Da in der digitalen Rechenschaltung nur ganzzahlige Binärzahlen dargestellt und verarbeitet werden können, liegt W(x) im Bereich O ... 100, d. h. die Auflösung der Prozentwerte beträgt 1%.

Zunächst sei festgestellt, daß in der Stellung »OE« (Oberflächenprofilaufzeichnung und Einspeicherung) des Schalters S 2 in der beschriebenen Art und Weise (Abb. 1 und 2) die mit 100 multiplizierten Überschreitungen n(x) eingespeichert sind. In dem Augenblick, in dem der Vorschubapparat 4 den Rücklauf des Mikrotasters 2 über die Oberfläche 1 einschaltet, d. h. wenn der Abtastvorgang beendet ist, wird der Schalter S3 umgelegt. Dadurch wird die Registrierung der Tragkurve eingeleitet Hierzu wird, was in A b b. 1 nicht dargestellt ist, das Papiervorschubgetriebe mittels elektrischer Kupplungen oder ähnlicher Einrichtungen so umgeschaltet, daß das Registrierpapier 9 während der Aufzeichnung der Tragkurve eine ganz bestimmte Registrierlänge beispielsweise von 100 oder 50 mm zurücklegt. Das Schreibsystem 7 wird an die Leitung 21, die Schreibfeder an den steuerbaren Schalter 22 angeschlossen der die Schreibspannung 10 ein- oder ausschalten kann. Der Schalter S 2 — 2 wird erst dann in die Stellung TK (Tragkurvenregistrierung) umgeschaltet, wenn sich der Bitzähler 13 und der Wortzähler 14 in der 0-Stellung befinden.

Die Durchführung der Division n(x)IN wird in der Weise durchgeführt, daß in der digitalen Rechenschaltung die Werte 0 χ N und 100 χ Ν errechnet und damit mit den Werten n(x) verglichen werden. Dazu wird die Schreibfeder 8 durch die dem Schreibsystem 7 zugeführte Stufenspannung 16 über die Leitung 21 periodisch ausgelenkt, sodaß sie das gesamte Zeilenraster bzw. die ihm zugeordneten 63 Wörter überstreicht Die Tragkurve ergibt sich dadurch, daß während jeder Auslenkung ein Strich bestimmter, durch die in 20 eingespeicherten nftWerte gesteuerter, Länge geschrieben wird, indem die Schreibspannung 10 durch 22 entsprechend ein- und ausgeschaltet wird. Die Funktionswerte 0χN... 100χNfür die Division liefert das 32 Bit-Schieberegister 23, das zunächst gelöscht ist, aber durch den Schalter 52 eingeschaltet wird, sobald der Bit- und der Wortzähler 13/14 in Nullstellung sind In den dann folgenden 32 Takten wird das erste Wort im 2048 Bit-Schieberegister 11 mit dem 32 Bit-Schieberegister 23 in dem 1 Bit-Addierer 24 verknüpft

Wird der Wert im 32 Bit-Schieberegister 23 mit N' bezeichnet, so lautet die Verknüpfung: N'-n(o). Am Ende der Verknüpfung wird dann mit dem 32. Taktimpuls das Vorzeichen der Differenz in das FF 2 26 gespeichert, das bei negativem Vorzeichen über 22 die Sehrcibspannung i0 einschaltet Paraiiei mit der Verstellung der Schreibfeder wird der beschriebene Vorgang mit den Wörtern n(l) bis η (62) wiederholt Gelangt nun der Wortzähler auf die 63. Stellung, so schaltet der Schalter S1 um. In den folgenden 32 Takten wird dann zu dem Wert N', der sich in 23 befindet, der Wert N= Anzahl der Messungen addiert

Der so beschriebene Vorgang wiederholt sich lOOmal, wobei nach jeder Zeile der Inhalt des 32 Bit Schieberegisters 23 um den Wert N erhöht wird. In vereinfachter Form ist der Ablauf der Tragkurvenaufzeichnung auf der A b b. 3 dargestellt worden. Hierin ist:

38 - die Stufenspannung, die die Schreibfeder 8 durch

das Schreibsystem 7 auslenkt.

39 — Der Horizontalraster, beispielsweise für 0 ... 7

Wörter, gesteuert durch den Wortzähler 14

40 - Gespeicherte Werte in 20

41 - intern erzeugte Funktionswerte in 23

42 - Vergleichsdurchführung in 24

43 - Vorzeichen in 26

44 - Länge des geschriebenen Vertikalstriches entsprechend der Summenhäufigkeit gesteuert durch 26 während des negativen Vorzeichens, indem 22 solange die Schreibspannung 10 einschaltet

31 - 1. Zeile

32 - 20. Zeile

33 - 40.ZeUe

34 - 60. Zeile

35 - 100. Zeile

36 — stellt die eingeschaltete Schreibspannung dar an

der Schreibfeder 8

37 — stellt die ausgeschaltete Schreibspannung dar an

der Schreibfeder 8

Zu A b b. 1 ist noch nachzutragen, daß mit 27 noch ein Block eingetragen ist, der die Gesamtsteuening des Oberflächenmeßgerätes mit anschließender Aufzeichnung der Tragkurve selbsttätig ablaufen läßt

In Abb.2 sind 5 Messungen 45—49 dargestellt, die jede 2 ms dauern bei der Einspeicherung der Meßwerte. Das bedeutet eine Abfragefrequenz von 500 Hz oder 0,2 μπι Abfrageabstand bei 0,1 m Abtastgeschwindigkeit Ferner:

50 - Schnittlinien0...7

51 - Stand des Wortzählers (verkürzt)

52 — Kompensatorentscheidung

53 - Wortzuwachs, wobei die Zahl 9 dem Wert 100

entspricht

Es gehört zum Umfang der Erfindung, daß der Schreibstrom durch 22 nicht nur gemäß dem Befehl von 26 ein- oder ausgeschaltet werden kann, sondern auch durch 27 und zwar in der Form, daß Eichlinien, z. B. gestrichelt oder Strichpunktiert gezeichnet werden oder bei 20—40-60% Traganteil. Ferner können unter entsprechender Erweiterung dieses Verfahrens auch andere statistische Verteilungsfunktionen ausgewertet und sofort aufgezeichnet werden, beispielsweise die Ordinaten-(Rauhtiefen-) Häufigkeiten oder die RillenzahL Statt einer kontinuierlichen Abtastung einer Oberfläche kann auch aus einer Vielzahl von Einzelmessungen ein Trendverlauf gebildet und statistisch ausgewertet werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum selbsttätigen Errechnen und Aufzeichnen statistischer Verteilungsfunktionen in Verbindung mit Diagrammaufzeichnung eines Ober eine Strecke oder während einer Zeit ablaufenden, sich als elektrische Größe darstellenden Meßvorganges dadurch gekennzeichnet, daß während des Ablaufens und Aufzeichnens des Meßvorganges die Meßspannung mit einer von einer digitalen Recheneinrichtung gesteuerten Säge- ι ο zahn-Stufenspannung analog in einem Komparator verglichen und, wenn die Meßspannung die Stufenspannung überschreitet, die Anzahl der Überschreitungen multipliziert mit 100 und bezogen auf die jeweilige Schnitt- bzw. Stufenhöhe digital in einem Speicher eingespeichert werden und daß nach Ablauf des Einspeicherungsvorganges und nach Umschaltung der Registriereinrichtung auf eine konstante Papierablaufstrecke sowie ständige Querpendelbewegung der Schreibfeder über die Breite des Diagrammpapiers der Speicher abgefragt, das eingespeicherte Produkt n(x) ■ 100 durch die Anzahl der Messungen dividiert und die an der Schreibfeder liegende elektrische Schreibspannung entsprechend der Größe der normierten Summenhäufigkeit W(x) eingeschaltet wird, wodurch diese als senkrechter Strich auf dem Diagrammpapier aufgetragen wird, und daß sich dies solange fortsetzt, bis sämtliche im Speicher eingespeicherten Werte angefragt und in einer aneinandergereihten Strichfolge geschrieben sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche, die Auswertung erleichternde Eich- und Kontroilinien aufgezeichnet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß außer der normierten Summenhäufigkeit auch andere statistische Verteilungsfunktionen selbsttätig aufgezeichnet werden.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 zur Durchführung eines Verfahrens nach A 1 -3, gekennzeichnet durch eine beispielsweise Ausführung mit einem 2048 Bit Schieberegister (11), eingeteilt in 64 Wörter zu 32 Bit, einen Taktgenerator (12) einen Bitzähler (13) einen Wortzähler (14) einen Digital-Analog-Wandler (15) einen Komparator (18) einen Wortspeicher (20) sowie eine Divisionseinrichtung bestehend aus einem 32 Bit Schieberegister 23, einem 1 Bit Addierer 24 und einem die Ein- und Aus-Steuerung der Schreibspannung bewirkenden Vorzeichen-Differenzspeicher 26.