DE2556340A1 - Endstueck fuer messtaster - Google Patents

Description

PATENTANWALT DIPL.- ING. ULRICH K2NKELIN 7032 Sindelfingen -Auf dem Goldberg- Weimarer Str. 32/34 - Telefon 07031/86501

^ Telex 7265509 rose d

3. November 1975 11 569

Firma Helmut Fischer GmbH & Co. Institut für Elektronik und Meßtechnik 7032 Sindelfingen 6 - Industriestrasse 21

ENDSTÜCK FÜR MESSTASTER

Die Erfindung betrifft ein auswechselbares Endstück zur Befestigung auf den Stirnflächen eines weicheisenmagnetischen MagnetjocSes eines Meßtasters, welcher Meßtaster zur Messung der Dicke dünner, nicht ferromagnetischer Schichten auf einer ferromagnetischen Unterlage dient, wobei das Endstück ein Stiftelement, eine Kopfplatte und ein auf der Kopfplatte aufgeschweißtes Kontaktstück aufweist, welches Kontaktstück aus einem massengefertigten, jedoch hochpräzisen Bauteil aus Stahl herausgearbeitet ist, welches Bauteil nach einem einzigen Radius gekrümmte Außenflächen hat.

Mit solchen Meßtastern muß man die Dicke von Schichten auch in schlecht zugänglichen Gebieter von Werkstücken messen. Zum Beispiel muß man am Grund von Zahnflanken messen oder man muß auf Gewindegang-Flanken messen oder man muß in U-förmigen Rinnen messen usw. Dabei muß die Sonde auch dann richtige Spannungen abgeben, wenn die Sonde nicht völlig senkrecht auf der Schicht steht.

Aus der deutschen Gebrauchsmusterschrift 7 336 864 ist es bekannt, eine zur Hälfte

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abgeschliffene Kugellagerkugel zu verwenden und diese auf den Stirnflächen des Magnetjochs einer Sonde zu verwenden. Innerhalb eines sehr großen Raumwinkels ist es wegen der Punktsymmetrie einer Kugeloberfläche möglich, die Sonde auch schräg aufzusetzen. Man erhält dann trotzdem das gleiche Meßergebnis, wie wenn man sie senkrecht aufsetzen würde.

Wenn man aber - wie oben ausgeführt - an schlecht zugänglichen Stellen messen will, dann müßte man sehr viel kleinere Halbkugeln verwenden als bei der Messung auf ebenen Blechen oder anderen ebenen Flächen. Wenn man das System aus der Gebrauchsmusterschrift immer mehr verkleinert, dann spielt die Krümmung der Fläche, auf der gemessen wircl·, eine immer kleinere Rolle. Wenn man das gesamte Maß-System jedoch linear verkleinert, dann werden auch die Ausgangsspannungen immer kleiner und man gelangt immer mehr in die Nähe des Rauschens oder fängt Störspannungen ein, die aus der Fabrik kommen oder aber auch von Mittelwellensendern kommen. Solche Sonden arbeiten nämlich im gleichen Frequenzgebiet wie Mittelwellensender.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Sonde anzugeben, mit der man zwar einerseits auf Flächen mit kleinem Krümmungsradius messen kann, andererseits aber Ausgangsspannungen erhält, die in der sonst bei Meßsonden üblichen Größenordnung liegen und bei denen man nicht Gefahr läuft, daß Störspannungen stark überwiegen. Dieses Ziel soll jedoch mit minimalen Kosten erreichbar sein und den Meßpersonen soll nicht zugemutet werden, gegenüber der seitherigen Meßmethode wesentlich umlernen zu müssen.

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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch folgende Merkmale gelöst:

a) Der Radiuswinkel, gemessen von der Mitte der Unterseite des Kontaktstücks, ist wesentlich kleiner als 90 .

b) Die Außenflache des Kontaktstuckes außerhalb des Radiusbereichs verläuft gestreckt.

c) Die maximale, vom Radiuswinkel umschriebene Fläche, ist wesentlich kleiner als die Querschnittsfläche des Stiftelements bis zum Rand der Unterseite.

Erstaunlicherweise macht man durch diese Gestalt des Bauteils die Sonde noch empfindlicher als dies bei einem System nach der deutschen Gebrauchsmusterschrift 7 336 864 ist.

Durch die Merkmale des Anspruchs 2 erreicht man, daß man bei der Herstellung von einem hochpräzisen, überall erhältlichen und sehr billigen Bauteil ausgehen kann, sofern man dem Bauteil eine Kugeloberfläche geben will.

Durch die Merkmale des Anspruchs 3 kann man die Erfindung auch für solche Fälle verwenden, bei denen man mit Hilfe von Zy linde rf lachen statt Kugelflächen messen will.

Durch die Merkmale des Anspruchs 4 kann man von einem hochpräzisen, überall erhältlichen und dabei trotzdem billigen Bauteil ausgehen, und zwar nicht nur wegen der Gestalt, sondern auch wegen des Gefüges und der Schweißbarkeit von Wälzlager-Bauteilen.

Durch die Merkmale des Anspruchs 5 kann man auch von solchen Präzisionsstäben

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ausgehen, die ebenfalls gut erhältlich , recht billig und präzise sind.

Durch die Merkmale des Anspruchs 6 behält man zwar bei, daß die Sonde eine Messung auf Werkstücken kleinen Radius erlaubt und man nach wie vor von den Permeabilitätseigenschaften der Trägerschicht freier ist. Zusätzlich kann man jedoch durch die Merkmale des Anspruchs 6 die Meßkennlinie wieder in Richtung auf "Unempfindlich" verschieben. Dies ist dann erwünscht, wenn bestimmte Schichtdicken gemessen werden sollen und die Meßpunkte im linearen Teil der logarithm is chen Kennlinie liegen sollen. Zusätzlich erreicht man natürlich höhere Abriebfestigkeit.

Durch die Merkmale des Anspruchs 7 erhält man ein Karbid, das man besonders präzise, haftend und billig auf das Bauelement aufbringen kann.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausfuhrungsbeispielen hervor. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 die Seitenansicht eines Meßtasters mit nicht ganz eingeschraubten Tasterspitzen,

Fig. 2 die Draufsicht auf die Stirnflächen eines bewickelten U-Magnetkerns ohne

Tasterspitzen,

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung einer fertigen Tasterspitze kurz vor dem Einschiebet ,

Fig. 4 die noch zweiteilige Tasterspitze vor ihrer Fertigstellung,

Fig. 5 eine nochmals wesentlich vergrößerte Schnittansicht durch eine beschichtete

und bleistiftartig angespitzte Halbkugel,

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Fig. 6 eine fertige Tasterspitze eines zweiten Ausführungsbeispiels,

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht eines axial geschnittenen Zylinders und

Andeutungen, längs welchen Ebenen keilartig angespitzt werden kann, Fig. 8 eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen Schichtdicke

und induzierter Sondenspannung Us in normierter und doppellogarithmischer Darstellung.

Zu einem Meßtaster H'fUhrt ein Zuleitungskabel 12. Der Meßtaster ist in Fig. 1 in natürlicher Größe dargestellt und zweipolig ausgeführt. Erfindungsgemäß könnte es sich Jedoch auch um einen einpoligen Meßtaster handeln. In den Meßtaster 11 ist ein U-Magnetkern 13 eingegossen, der zwei zueinander parallele Schenkel 14, 16 aufweist, deren Stirnflächen 17, 18 von außen sichtbar sind und nicht übergössen sind. Der Schenkel 14 trägt eine Erregerspule 19, während der Schenkel 16 eine Induktionsspule 21 trägt, deren Enden über das Zuleitungskabel 12 herausgeführt sind. In jeden Schenkel 14, 16 ist von der Stirnfläche 17, 18 her eine Sacklochbohrung 22, 23 eingebracht, die lediglich etwa 4 mm lang ist. Die Stirnfläche 17, 18 ist eben.

Aus einer Kugellager-Kugel von etwa 2 mm Durchmesser ist die Hälfte abgeschliffen, so daß eine Halbkugel 24 übrig bleibt, deren Sch I if fläche 26 definiert eben ist. Solche Kugellagerkugeln stellen ferromagnetische Körper dar, die sehr widerstandsfähig gegen Abnutzung sind und eine sehr genaue Kugel geometrie haben. Ihre Außenfläche ist härter als der zähere Kern.

Ein kreiszylindrischer Schaft 27 von wenigen Millimetem Länge trägt eine kreisscheibenförmige

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Platte 28. Auf der Oberseite 29 der Platte 28 ist ein Kegelchen 31 angeformt. Um die beiden Teile miteinander zu verbinden, werden gemäß der Elektroschweißtechnik der Schaft 27 mit einem negativen Potential und die Halbkugel 24 mit einem positiven Potential genügender Größe verbunden. Drückt man nun die Halbkugel 24 auf die Oberseite 29, so verschmilzt das Kegelchen 31 mit der Halbkugel 24. Die Halbkugel 24 druckt man so lange gegen die Platte 28, bis praktisch kein Spalt mehr zwischen der Schleiffläche 26 und der Oberseite 29 vorhanden ist. Bei diesem Vorgang erwärmt sich nur der Kern der Halbkugel erheblich und die Wärmeerzeugung wird auf einen sehr kleinen Bereich lokalisiert. Trotzdem ist die Verbindung zwischen der Halbkugel 24 und der Platte 28 hervorragend, und zwar sowohl in magnetischer als auch in mechanischer Hinsicht. In der Außenhaut der Halbkugel 24 tritt keinerlei schädliche Umkristal I isation auf.

Auf die Halbkugel 24 wird nun z. B. durch Gasdiffusion eine Kappe 32 aus Titankarbid aufgebracht. Diese Kappe hat in Polnähe eine Dicke von 2 bis 15 My, weiche durch den Be-

schichtungsprozeß steuerbar ist und fällt in ihrer Dicke, wie

übertrieben deutlich gezeichnet ist, den Seiten zu ab. Nunmehr wird die Halbkugel 24 etwa kegelsrumpfförmig abgeschliffen , und zwar bis zu der Außenfläche 33. Diese Außenfläche 33 verläuft gemäß Fig. 5 genau in einer Kreiskegel fläche. Die Außenfläche 33 kann jedoch abweichend von der Zeichnung auch leicht konkav oder leicht konvex geschliffen sein. Wesentlich ist jedoch, daß durch diesen Schliff erhebliche Mengen an Material abgetragen werden. Der Radiuswinkel 34 liegt zwischen 5 und 20 . Die von diesem Radiuswinkel 34 umschriebene Kugelfläche 36 ist sehr viel kleiner als die Querschnittsfläche der Platte 28 und auch kleiner als der Querschnitt des Schafts 27, gemessen senkrecht zur Zeichnungsebene von Fig. 5. Beim Schleifen kann man die Tasterspitze 37

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am Schaft 27einspannen.

Sofern bestimmte, später noch zu erläuternde Effekte erwünscht oder nicht erwünscht sind, kann man die Kappe 32 auch weglassen und von einer unbeschichteten Halbkugel 24 ausgehen .

Femer ist es möglich, die noch unbeschichtete Halbkugel 24 zunächst zu schleifen und dann erst eine Kappe aus Karbid aufzubringen. In diesem Fall schlägt sich dann auch auf der Außenfläche 33 eine Schicht nieder, was im wesentlichen weder nützt noch schadet.

Die Tasterspitze 38 gemäß Fig. 6 weist wiederum einen Schaft 27 auf, der oben in eine Platte 28 übergeht, die im Gegensatz zu vorher recht flachförmige Gestalt hat. Das Bauteil 39 ist aus einem Wälzlager-Zylinder 41 entstanden, der radial längs einer ebenen Fläche 42 abgeschliffen wurde. Danach wurde dieser halbierte Zylinder 41 , wie bereits oben erwähnt, auf die Platte 28 aufgeschweißt und danach wurde er bis auf die Außenflächen 43 , 44 abgeschliffen. Der Schliff kann auch zu konkaven Flächen 45, 46 oder zu konvexen Flächen 48, 47 fuhren. Wesentlich ist jedoch auch hier, daß erhebliche Material mengen abgetragen werden und daß ein Radiuswinkel 34 zwischen 5 und 20 unbeschliffen stehen bleibt. Die stehenbleibende Zylinderfläche 52 kann mit Karbid beschichtet oder aber auch unbeschichtet sein.

Dieses erhebliche Abtragen von Flankenmaterial hat zur Folge, daß die Oberflächenkrümmung des zu messenden Gegenstands nicht mehr oder kaum mehr ins Gewicht fällt.

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Man braucht auch nicht so stark zu mikrominiaturisieren wie dies ansich notwendig wäre. Mit der Mikrominiaturisierung wäre auch eine verschlechterte Handhabung verbunden.

Die am Ausgang der Induktionsspule 21 erzeugte relative Änderung der Meßspannung für eine bestimmte Schichtdicke ist erstaunlicherweise größer, als wenn man die Halbkugel 24 bzw. den Zylinder 41 nicht abschleifen würde, d. h., daß das System empfindlichergeworden ist.

Noch erstaunlicher ist es aber, daß man durch diese Maßnahme auch von der Permeabilität der Trägerschicht ganz erheblich frei wird. Tiefziehblech, legierter Stahl oder gehärteter Stahl als Trägerwerkstoff haben unterschiedliche Permeabilitäten. Dadurch entstehen systematische Fehler, welche korrigiert werden müssen. Dies mußte man früher bei Messungen berücksichtigen. Durch die erfindungsgemäße Ausführung des Kontaktstücks wird jedoch die angezeigte Schichtdicke weniger abhängig von der Permeabilität des Trägerwerkstoffs.

Fig. 8 zeigt den typischen Verlauf des Zusammenhangs zwischen der Schichtdicke D und der induzierten Spannung U . Es sei angenommen, daß man mit nicht angespitzten Tasterspitzen 37, 38 längs einer Kurve 48 messen würde. Spitzt man nun die Tasterspitzen 37, 38 in der beschriebenen Weise an, dann erhält man als Meßkurve die Kurve 49. Das System ist nun empfindlicher für die Messung dünner Schichten geworden. Bei einer Schichtdicke Dl einer dickeren Schicht erhält man genau die gleiche Spannung U wie bei einer dünneren Schicht D 2. Dies gilt für diejenigen Fälle, bei denen feeine Kappe auf der Kugelfläche 36 oder der Zylinderfläche 47 aufgebracht wurde. Es gibt nun aber Fälle, bei denen man gar kein so empfindliches System haben möchte.

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Ferner gibt es Folie, bei denen die zu messenden Schichtdicken statistisch gesehen besser verteilt um den Schnittpunkt der Kurve 48 mit der Geraden 51 liegen, statt um den Schnittpunkt der Geraden 51 mit der Kurve 49 . In diesen Fällen bewirkt die Beschichtung der Kugelfläche 36 bzw. der Zylinderfläche 47, daß die Kurve 49 in Richtung auf die Kurve 48 zurückverwandelt wird, je dicker die Kappe 32 ist.

Wenn man im System nqch dem deutschen Gebrauchsmuster 7 336 864 die erfindungsgemäßen Tasterspitzen verwendet, dann braucht man dieses dort beschriebene System im Prinzip doch nicht zu ändern.

Bei dem Ausfuhrungsbeispiel nach Fig. 3 und 5 kann natürlich die Außenfläche 33 im Prinzip ähnlich verlaufen wie die Flächen 43, 45, 47, jedoch rotationssymmetrisch. Man könnte der Tasterspitze 37 prinzipiell aber auch die Form eines eckigen Kegelstumpfs geben. Nur ist dann die Herstellung schwieriger. Wesentlich ist lediglich, daß die Außenfläche 33 nicht mit einem erheblichen Bauch zur Schliff-Fläche 26 abschwingt. Einen solchen Bauch mit eine Kugel mit sich. Vielmehr muß die Außenfläche 33 deutlich schlanker als eine Kugelfläche verlaufen.

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Le e rs e

Claims (7)

Patentansprüche:

1. j Auswechselbares Endstück zur Befestigung auf den Stirnflächen eines weicheisen-

magnetischen Magnetjoches eines Meßtasters, welcher Meßtaster zur Messung der Dicke dünner, nicht ferromagnetischer Schichten auf einer ferromagnetischen Unterlage dient, wobei das Endstück ein Stiftelement, eine Kopfplatte und ein auf der Kopfplatte aufgeschweißtes Kontaktstück aufweist, welches Kontaktstück aus einem massengefertigten, jedoch hochpräzisen Bauteil aus Stahl herausgearbeitet ist, welches Bauteil nach einem einzigen Radius gekrümmte Außenflächen hat,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) Der Radiuswinkel (34) , gemessen von der Mitte der Unterseite (26,42) des Kontaktstücks (24,39), ist wesentlich kleiner als 90°.

b) Die Außenfläche (33,43,44) außerhalb des Radiusbereichs (36,47) verläuft gestreckt.

c) Die maximale, vom Radiuswinkel (34) umschriebene Fläche ist wesentlich kleiner als die Querschnittsfläche des Stiftelements (27) bis zum Rand der Unterseite (26, 42).

2. Endstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil (24)

eine Kugellagerkugel-Kalotte ist, die bleistiftartig angespitzt ist.

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ORIGINAL INSPECTED

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9.

3. Endstück nach Anspruch I₇ dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil (39) ein axial geschnittener Zylinder (41) ist, der keilartig angespitzt ist.

4. Endstück nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (41) ein Wälzlager-Zylinder ist.

5. Endstück nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (41) ein Präzisions-Stab ist.

6. Endstück, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet/ daß auf den Radiusbereich (36, 47) ein hartes, verschleißfestes, durch Wasser und verdünnte Säuren nicht zersetzbares Karbid mit einer Schichtdicke von einigen mü ist.

7. Endstück nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Karbid Titankarbid ist.

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Paten

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