DE2535912A1 - Verfahren und vorrichtung zur rauhigkeitspruefung von oberflaechen - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur rauhigkeitspruefung von oberflaechenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Prüfen von Werkstück-Oberflächen, insbesondere von
durch ein Schleifwerkzeug bearbeiteten Oberflachen^ auf ihre
Rauhigkeit, wobei die Oberfläche mittels eines nachgiebig gehaltenen Tastorgans unter linsenförmiger Relativbewegung
zwischen Tastorgan und Oberfläche abgetastet wird.
Die Rauhigkeit ist ein wichtiges Qualitätsmerkmal geschliffener oder in anderer Weise feinbearbeiteter Werkstücke. Gelingt
es, den Verlauf der Rauhigkeit als Funktion der Schleifzeit zu
ermitteln, ergeben sich daraus zugleich wichtige Aufschlüsse über den Zustand der Schleifscheibe und die Änderungen dieses
Zustandes, so daß auch das Standzeitende festgestellt werden kann. Es ist wünschenswert, die Rauhigkeit jeweils schnell und
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möglichst sogar während des Bearbeitungsvorganges, namentlich
bei einer Schleifoperation, zu ermitteln, um dadurch den Ablauf des BearbeitungsVorganges und das Standzeitverhalten der
Schleifscheibe überwachen zu können. Bestehende Meßverfahren lassen dies nicht zu. Bei bekannten Methoden erfolgt die Ermittlung
der Rauhigkeit außerhalb der Bearbeitungsmaschine in einer gesonderten Einrichtung. Eine solche weist eine
Tastspitze auf, die über die Oberfläche des Prüflings geführt wird und zugeordnete Elemente so beeinflußt, daß das Profil
dieser Oberfläche auf einem Aufzeichnungsträger wiedergegeben wird. Bei solchen Einrichtungen wird angestrebt, daß das
Tastorgan der Oberflächenkontur einwandfrei folgt, um eine möglichst exakte geometrische Beschreibung der Oberflächentopographie
zu erhalten. Das sich dabei ergebende Diagramm muß anschließend ausgewertet werden.
Mit der Erfindung soll es nun möglich gemacht werden, in vorteilhafter Weise und ohne großen Zeitaufwand ein Kriterium
für die Rauhigkeit von Werkstück-Oberflächen zu gewinnen, so daß sich jeweils schnell und insbesondere sogar während
des Bearbeitungsvorganges der Zustand der Werkstückoberfläche hinsichtlich der Rauhigkeit beurteilen läßt und
auch Rückschlüsse auf den Zustand eines Bearbeitungswerkzeuges, namentlich einer Schleifscheibe, gezogen werden können.
Das Beurteilungskriterium soll nach Möglichkeit geeignet sein, für eine Beeinflussung eines Bearbeitungsvorganges
selbst verwendet zu werden. Die Erfindung strebt ferner die
r·.
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Schaffung einer zweckmäßigen und den Bedürfnissen der Praxis besonders gut gerecht werdenden Vorrichtung zur Prüfung der
Rauhigkeit einer Oberfläche an. Weitere, mit der Gesamtaufgabe in Verbindung stehende Probleme, mit denen sich die Erfindung
befaßt, ergeben sich aus der jeweiligen Erläuterung aufgezeigter Lösungen.
Die. Erfindung sieht vor, daß beim Abtastvorgang an dem Tastorgan oder an mit ihm in Verbindung stehenden Teilen auftretende
mechanische Schwingungen aufgenommen werden, dabei ein der Größe der Amplituden dieser Schwingungen wenigstens annähernd
entsprechender Wert ermittelt wird und daß dieser Amplitudenwert als Kriterium für die Rauhigkeit der Oberfläche
verwendet wird.
Bei der Erfindung wurde erkannt, daß eine Korrelation zwischen den Amplituden von beim Abtastvorgang auftretenden
Schwingungen und der Rauhigkeit der abgetasteten Oberfläche besteht. Der Informationsgehalt des ermittelten Amplitudenwertes genügt vollauf, um die Rauhigkeit einer Oberfläche
in einer sehr großen Zahl von Bedarfsfällen ausreichend beurteilen
zu können, so daß dann eine bildliche Wiedergabe des Oberflächenprofils und die zeitraubende Auswertung einer
solchen nicht erforderlich ist. Bei alledem ist das Verfahren auch geeignet, unter Werkstattbedingungen und sogar
unmittelbar an einer Bearbeitungsmaschine, besonders einer
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Schleifmaschine, durchgeführt zu werden, so daß es nicht der besonderen Gegebenheiten eines Prüfraumes od.dgl. bedarf.
Eine Anzeige der Größe der Schwingungsamplituden ist grundsätzlich
auf verschiedene Weise möglich. Die Erfindung sieht insbesondere vor, daß in Verbindung mit der Aufnahme der
mechanischen Schwingungen ein den Amplitudenwert repräsentierendes elektrisches Signal erzeugt wird. Ein solches
Signal ist sowohl für eine Anzeige als auch für eine Weiterverarbeitung gut geeignet.
Weiterhin sieht die Erfindung vor, daß wenigstens eine eine Bearbeitungsoperation beeinflussende Größe oder Einstellung
in Abhängigkeit von der Größe der Schwingungsamplitude oder einem diese repräsentierenden Signal gesteuert oder geregelt
wird.
Auf diese Weise kann insbesondere ein Schleifprozeß so gesteuert werden, daß die Werkstückrauhigkeit immer unterhalb
eines vorgebbaren größten Wertes bleibt. Es läßt sich sowohl eine Qualitätsüberwachung bei den Werkstücken wie auch eine
Überwachung der Schleifscheibenstandzeit erreichen. Aufgrund der jeweiligen Ergebnisse, die während einer Bearbeitung oder
z.B. sofort im Anschluß an eine solche ermittelt werden, kann eine Sortierung der Werkstücke erfolgen. Weiterhin läßt sich
beim Erreichen eines vorgegebenen Grenzwertes der Schwingungsamplitude ein Kommando zum Abrichten einer Schleifscheibe
od.dgl. auslösen.
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Die Rauhigkeit einer geschliffenen Oberfläche ist von der Zustellung
und der Schneidenraumtopographie der Schleifscheibe abhängig. Wenn letztere sich infolge von Verschleiß verändert,
kann ihr Einfluß auf die Rauhigkeit durch die Zustellung kompensiert
werden. Auch dies läßt sich in Abhängigkeit von dem jeweils ermittelten Wert durchführen.
Bei einem mehrstufigen BearbeitungsVorgang sollen während des
Schruppens das Werkstückaufmaß abgeschliffen und beim Schichten und Ausfunken die geforderte Werkstückrauhigkeit bei der
gewünschten Maßgenauigkeit erzielt werden. Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann durch das Abtasten der
Werkstückoberfläche während des Schlichtens gemeldet werden, ob und wann die geforderte Rauhigkeit erreicht ist. Dementsprechend
kann der Schlichtprozeß gesteuert werden. Mit weiterführender Datenverarbeitung läßt sich sogar eine Optimierregelung
erzielen.
Eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens weist ein beweglich gegen einen nachgiebigen Widerstand von
einer Halterung getragenes Tastorgan auf und kennzeichnet sich dadurch, daß an die Halterung des Tastorgans ein an seinem
Ausgang elektrische Signale lieferndes Aufnahmersystem für Schwingungen angekoppelt ist. Es kann sich dabei insbesondere
um ein piezoelektrisches Aufnehmersystem oder auch
um ein induktives oder kapazitives Aufnehmersystem handeln.
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Bei einer zweckmäßigen Ausführung der Vorrichtung ist ein Tragorgan
an einem Ende mit einer Tastnadel od.dgl. versehen und am anderen Ende in einen Grundkörper elastisch eingebettet sowie
über ein Verbindungsglied mit dem Aufnehmersystem gekoppelt.
Insbesondere läßt sich die Ausführung so treffen, daß ein Biegeplättchen
aus piezo- keramischem Material im Grundkörper gehalten und im Bereich seines freien Teiles über einen Steg
mit dem Tragorgan verbunden ist.
Das vom Aufnehmersystem gelieferte Signal wird zweckmäßig verstärkt
und gleichgerichtet und kann, ggfs. über einen Filter, einem Organ zur Abnahme und/oder Anzeige der gelieferten
Größe zugeführt werden.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung des Verfahrens
und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen der Vorrichtung sowie aus den beigefügten Ansprüchen. Es zeigen:
Fig. 1 eine grundsätzliche Darstellung einer Vorrichtung nach der Erfindung, teils im Schnitt,
Fig. 2 eine Ausführungsform der Vorrichtung, ebenfalls zum Teil im Schnitt, und
Fig. 3 ein Blockschaltbild der Signalverarbeitung.
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Wie Fig. 1 erkennen läßt, ist ein Tragorgan 1, vorteilhaft
ein leichtes Metallröhrchen od.dgl., an seinem hinteren Ende
in einem Block 2 aus Gummi oder einem anderen elastischen Material eingebettet und dadurch nachgiebig gehalten. Der
Gummiblock 2 greift mit einem Ansatz 2a in einen.festen Grundkörper/ein
und ist dadurch an dem letzteren befestigt. Der Grundkörper kann z.B. ein aus Leichtmetall oder Kunststoff
hergestelltes Teil mit geeigneter äußerer Form sein. Am vorderen Ende des stab- oder rohrförmigen Tragorgans 1 ist eine
Tastnadel 4 angebracht.
Oberhalb des Tragorgans 1 befindet sich ein Biegeplättchen 5 aus piezo- keramischem Material, das mit einem Ende im Grundkörper
3 gehalten ist und zwei Kontakte 6a, 6b mit von diesen abgehenden Leitungen 7a, 7b aufweist. Außerdem ist am Biegeplättchen
5 in der Nähe seines freien Endes ein Steg 8 aus
steifem Material befestigt, dessen unteres Ende einen gabelartigen Kopf 8a bildet, der an dem Tragorgan 1 angreift. Dieses
stegförmige Verbindungsglied kann Schwingungen des Tragorgans 1 auf das Biegeplättchen 5 übertragen. Es handelt
sich hierbei also um ein Aufnehmersystem für mechanische Schwingungen, das an seinem Ausgang (Leitungen 7a, 7b) elektrische
Signale liefert, die eine relativ hohe Frequenz haben können. Es lassen sich aber auch anders ausgebildete Aufnehmersysteme
verwenden, namentlich ein solches nach Art eines Phono-Tonkopfes. .
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Die gelieferten Signale werden zweckmäßig, wie Fig. 3 zeigt, in einem Verstärker 21 verstärkt, dann einem Gleichrichter 22
zugeleitet und, ggfs. unter Zwischenschaltung eines Filters 23,
an einem geeigneten Gerät 24, beispielsweise einem Zeigerinstrument, durch Ziffernröhren od.dgl. angezeigt. In Fig. 3
ist strichpunktiert eine unmittelbare Verbindung zwischen dem Gleichrichter 22 und dem Anzeigegerät 24 angedeutet.
Die gleitend im Sinne des Pfeiles Fl über die in Fig. 1 durch die strichpunktierte Linie 9 angedeutete Oberfläche eines
Prüflings geführte Tastnadel 4 kann in gewissem Maße der Kontur des Prüflings folgen, wird in jedem Fall aber zu Eigenschwingungen
angeregt, deren Amplitudengröße ein Kriterium für die Beurteilung der Rauhigkeit der abgetasteten Oberfläche
ist. Bei gleicher Grundcharakteristik der Oberfläche und gleicher Richtung der Tastbewegung relativ zu den auf dem
Prüfling vorhandenen Bearbeitungsriefen ist somit bei einer beliebigen Anzahl von gleichen oder unterschiedlichen Werkstücken
eine schnelle und den Bedürfnissen der Praxis besonders gut gerechtwerdende Beurteilung der Rauhigkeit möglich
gemacht worden.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführung der Vorrichtung sind die im Prinzip mit Fig. 1 übereinstimmenden Teile mit
denselben Bezugsziffern versehen, so daß insoweit auf die vorausgegangene Erläuterung verwiesen werden kann. Der Grund-
körper^ 3 ist mit dem Tragorgan 1 und dem Aufnehmersystem 5
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in einem dichten Gehäuse 11 untergebracht, das nur an seiner Unterseite eine Durchtrittsöffnung 12 für die Tastnadel M-aufweist.
Beiderseits der Durchtrittsöffnung 12 sitzen am Gehäuse 11 bzw. einer unteren Deckplatte lla desselben zwei
Kufen 13, die sich beim Einsatz der Vorrichtung auf die Oberfläche
19 des Prüflings, z.B. eines zylindrischen Werkstückes W, auflegen. Das elastisch gehaltene Tragorgan 1 und
das Aufηehmersystem 5 sind derart in das Gehäuse 11 eingebaut
und darin justiert, daß bei Auflage der Kufen 13 auf der Oberfläche 19 die bis dahin etwas über die Kufen nach
unten vorstehende Tastnadel 4 um einen solchen Betrag nach oben zurückweicht, daß eine gewünschte Tastkraft der Tastnadel
M- mit Bezug auf die Oberfläche 19 erreicht wird. Dies läßt sich u.a. durch Wahl eines geeigneten elastischen Körpers
2 (vgl. Fig. 1) und dessen Anbringung erreichen.
Der vom Gehäuse 11 mit den in ihm untergebrachten Teilen gebildete, insgesamt mit dem Buchstaben M bezeichnete Meßkopf
kann mit den Kufen 13 z.B. durch die Kraft einer hier nicht dargestellten, in der Halterung des Meßkopfes vorgesehenen
Feder oder durch Eigengewicht an die Werkstück-Oberfläche 19 angelegt sein. Es ist aber auch möglich, auf die
Kufen 13 zu verzichten, wenn die Auflagekraft der Tastnadel M-durch
eine definierte Zustellung bezüglich der Werkstück-Oberfläche 19 auf die letztere in vorgegebener Weise eingestellt
wird.
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Die Tastbewegung beim PrüfVorgang kann entweder vom Werkstück W,
z.B. durch Drehung desselben im Sinne des Pfeiles F2 um einen ausreichenden, ggfs. in seiner Größe vorgebbaren Betrag, oder
von der Vorrichtung ausgeführt werden.
Bei dem Beispiel nach Fig. 2 befindet sich am Meßkopf M ein rohrförmiger Ansatz IM-, durch den die Leitungen 7a, 7b hindurchgeführt
sind und der von einem Arm 15 gehalten ist. Dieser Arm 15 kann in nicht besonders wiedergegebener Weise einstellbar
bzw. verstellbar an einem Stativ oder der Führung eines Ständers angebracht sein, so daß sich der Meßkopf M
in der jeweils gewünschten Weise auf das zu prüfende Werkstück aufsetzen und auch relativ zu diesem verschieben läßt,
etwa bei den in Fig. 2 gezeigten Gegebenheiten in Achsrichtung des Werkstückes W, um dieses an verschiedenen Stellen
prüfen zu können. Sowohl für das Aufsetzen als auch für eine Verstelibewegung können entsprechende Vorrichtungen und ggfs.
auch motorische Antriebe vorgesehen sein. Ungeachtet der Ausbildung im einzelnen läßt sich die Vorrichtung so ausführen,
daß die Tastkraft an der Tastnadel und die Abtastgeschwindigkeit jeweils konstant sind. Es ist aber auch möglich, unterschiedliche
Bedingungen durch Eichung zu berücksichtigen.
Der Meßkopf M läßt sich ohne weiteres so ausbilden, daß empfindliche Teile desselben vor Beschädigungen und Verschmutzungen
geschützt sind. Bei Einsatz unter nassen Bedingungen kann die Tastnadel insbesondere durch eine Manschet-
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te od.dgl. hindurch aus dem Gehäuse 11 herausgeführt sein, so
daß letzteres völlig abgeschlossen ist. Bei Verwendung feuchtigkeits- oder ölempfindIieher Aufnehmersysteme kann auch
eine Membran, die z.B. das Tragorgan und/öder das Verbindungsglied
zum Aufnehmersystem umgibt, Schutz bieten. Es kann weiterhin auch zweckmäßig sein, Luft durch das Gehäuse des
Meßkopfes zu leiten oder eine Luftdüse vor der Tastnadel anzuordnen, um dadurch eine schützende Wirkung zu erzielen und
einen unerwünschten Eintritt von Schmutzteilchen oder Flüssigkeit in den Meßkopf zu verhindern.
In Fig. 3, deren Elemente zum Teil weiter oben schon erläutert
wurden, ist mit der Ziffer 25 ein parallel zum Ausgang für das Anzeigegerät 24 liegender Ausgang für ein Amplitudenwertsignal
bezeichnet, um anzudeuten, daß dieses Signal noch weiter ausgenutzt werden kann. So läßt sich dasselbe einer
Steuer- oder Regeleinrichtung 26 zuführen, um z.B. in Abhängigkeit vom.Oberschreiten eines an dieser Einrichtung einstellbaren
Grenzwerts eine Abrichtvorrichtung 27 einer Schleifmaschine einzuschalten oder um eine Zustelleinrichtung 28
einer Schleifmaschine in vorgebbarer Weise zu beeinflussen..
Alle in der vorstehenden Beschreibung erwähnten bzw. in der
Zeichnung dargestellten Merkmale sollen, sofern der bekannte Stand der Technik es zuläßt, für sich allein oder auch in
Kombinationen als unter die Erfindung fallend angesehen werdea.
Patentansprüche
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Claims (16)
- Patentansprüche'Verfahren zum Prüfen von Werkstück-Oberflächen, insbesondere von durch ein Schleifwerkzeug bearbeiteten Oberflächen, auf ihre Rauhigkeit, wobei die Oberfläche mittels eines nachgiebig geha-ltenen Tastorgans unter linienförmiger Relativbewegung zwischen Tastorgan und Oberfläche abgetastet wird, dadurch gekennzeichnet, daß beim Abtastvorgang an dem Tastorgan oder an mit ihm in Verbindung stehenden Teilen auftretende mechanische Schwingungen aufgenommen werden, dabei ein der Größe der Amplituden dieser Schwingungen wenigstens annähernd entsprechender Wert ermittelt wird und dieser Amplitudenwert als Kriterium für die Rauhigkeit der Oberfläche verwendet wird.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Verbindung mit der Aufnahme der mechanischen Schwingungen ein den Amplitudenwert repräsentierendes elektrisches Signal erzeugt wird.
- 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsaufnahme und die Amplitudenwertermittlung während der Bearbeitung des zu prüfenden Werkstückes durchgeführt wird.-2-709807/0954
- 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine eine Bearbeitungsoperation des Werkstückes beeinflussende Größe oder Einstellung in Abhängigkeit von der Größe des Amplitudenwertes oder einem diesen repräsentierenden Signal gesteuert oder geregelt wird.
- 5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4·, mit einem beweglich gegen einen nachgiebigen Widerstand von einer Halterung getragenen Tastorgan, dadurch gekennzeichnet, daß das Tastorgan (U) oder dessen Träger (1) mit einem an seinem Ausgang elektrische Signale lieferndenAufnehmersystem (5) für Schwingungen in Verbindung steht.
- 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch ein piezoelektrisches Aufnehmersystem (5).
- 7. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch ein induktives Aufnehmersystem.
- 8. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch ein kapazitives Aufnehmersystem.-3-709807/0954
- 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Tragorgan (1) an einem Ende mit einer Tastnadel (■+) od.dgl. versehen und am anderen Ende in einem Grundkörper (3) elastisch gehalten ist und über ein Verbindungsglied (8) mit dem Aufnehmersystem (5) gekoppelt ist.
- 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch ein Biegeplättchen (5) aus piezo-keramischem Material, das im Grundkörper (3) gehalten und im Bereich seines freien Teiles über einen Steg (8) mit dem Tragorgan (1) verbunden ist.
- 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Tragorgan (1) ein leichtes Röhrchen ist.
- 12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie in an sich bekannter Weise auf die Oberfläche (9, 19) des Werkstückes (W) aufsetzbare Kufen (13) aufweist, zwischen denen sich das Tastorgan (·+) befindet.
- 13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufnehmersystem (5) über einen Verstärker (21) mit einem Gleichrichter (22) verbunden ist und ein Organ (24; 25) zur Abnahme und/oder Anzeige der gelieferten Größe vorgesehen ist.709807/0954
- 14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Gleichrichter (22) und dem Organ (24; 25) zur Abnahme und/oder Anzeige der gelieferten Größe ein Filter (23) vorgesehen ist.
- 15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (1) für das Tastorgan (4) und das Aufnehmersystem (5) einen von einem Gehäuse (11) umschlossenen Meßkopf (M) bilden.
- 16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkopf (M) mit Abdichtungen versehen ist.709807/0954Leerseite
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