DE2620895C3

DE2620895C3 - Einrichtung zur Messung der mittleren Rauhtiefe einer Werkstückoberfläche

Info

Publication number: DE2620895C3
Application number: DE19762620895
Authority: DE
Inventors: Kurt 7220 Schwenningen Kreiensen
Original assignee: Hommelwerke 7220 Schwenningen GmbH
Current assignee: Hommelwerke 7220 Schwenningen GmbH
Priority date: 1976-05-12
Filing date: 1976-05-12
Publication date: 1980-11-20
Also published as: DE2620895B2; DE2620895A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Unter dem Begriff Rauhtiefe R wird der Abstand zwischen der höchsten Spitze und dem tiefsten Tal des Profils einer Werkstückoberfläche verstanden. Die mittlere Rauhtiefe R_z entlang einer Meßstrecke auf einer Werkstückoberfläche kann man durch Messung der Rauhtiefen in mehreren Teilmeßstrecken und Berechnung der arithmetischen Mittel sämtlicher Rauhtiefen bestimmen. R₂ bestimmt sich nach der Formel

R. =

wobei π die Zahl der Teilmeßstrecken und R, die Rauhtiofe in der /-ten Meßstrecke ist. Die Mittelwertbildung dient dazu, den Einfluß zufällig auftretender sogenannter »Ausreißer« auf das Meßergebnis zu verringern.

Zur Ermittlung der Rauhtiefe einer Werkstückoberfläche wird neuerdings nach einer DIN-Vorschrift der Mittelwert aus fünf Rauhtiefenmessungen genommen.

Es ist bekannt, eine Parallelschaltung von z=10 Kondensatoren zu verwenden (DE-OS 16 73 865 und DE-OS 19 24 975), von denen jeweils z/2 = 5 auf positive Spannungsspitzen aufgeladen werden, die der jeweils an den betreffenden Meßstrecken gemessenen maximalen Spitze des Oberflächenprofils entsprechen, und jeweils z/2 — 5 Kondensatoren auf negative Spannungsspitzen aufgeladen werden, die jeweils dem in dem betreffenden Meßbereich gemessenen Tal des Oberflächenprofils entsprechen. Durch einen mittels Schallern erfolgenden Ladungsausgleich erhält man sozusagen automatisch eine mittlere Aufladung der Kondensatoren, die der mittleren Rauhtiefe R₁ entspricht. Nachteilig ist bei diesen bekannten Verfahren die notwendigerweise große Zahl von Kondensatoren und Schaltern, die bauteilmäßig einen erheblichen Aufwand bedeutet. Ferner müssen zur Erzielung größerer Meßgenauigkeiten die Kondensatoren möglichst difi gleiche Kapazität aufweisen. Es muß also eine sorgfältige Auswahl getroffen werden. Da in einem gewissen Maße Ladungsverluste der Kondensatoren auftreten, besteht die Gefahr einer Verfälschung der Meßergebnisse.

Durch die DE-OS 19 30 840 ist eine Schaltungsanordnung zur Addition elektrischer Signale bekannt, bei der zwei Kondensatoren sowie ein Schalter derart miteinander verbunden sind, daß jedes Signal den Ladungszustand beider Kondensatoren um einen dem Signal proportionalen Wert ändert, wobei vor dem Eintreffen des nächsten Signals der eine Kondensator durch den Schalter entladen wird, während der andere Kondensator den erreichten Ladungszustand beibehält. Diese Schaltungsanordnung hat den Nachteil, daß immer nur Bruchteile der zu addierenden elektrischen Signale addiert werden können. Es ist angegeben, daß der jeweils seinen Ladungszustand beibehaltende Kondensator sehr groß sein muß im Verhältnis zur Summe der beiden Kondensatoren, woraus sich ergibt, daß die genannten Bruchteile extrem klein sein müssen. Damit

ergeben sich beträchtliche Schwierigkeiten bei der Störanfälligkeit und weiteren Auswertung, zumal dann, wenn später noch eine Division durch die Anzahl der addierten Spannungen zum Zwecke einer Mittelwertbildung erfolgen soll. In keinem Fall st eine genaue, sondern immer nur eine näherungsweise Addition möglich.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Nachteile der bekannten Verfahren und Einrichtungen zu vermeiden und eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die einen geringen Bauteilaufwand erfordert und genauere Meßergebnisse liefert.

Die der Erfindsing zugrundeliegende Aufgabe wird dadurch gelöst daß die Einrichtung zur Bestimmung der Differenzspannungen an einen ersten Eingang der Summiereinrichtung angeschlossen ist und diesem nacheinander die ermittelten Differenzspannungen zuführt, daß der Ausgang der Summiereinrichtung an eine erste Speicherstufe einer zweistufigen Speichereinrichtung angeschlossen ist, deren zweite Stufe an einen zweiten Eingang der Summiereinrichtung zurückgeführt is>t, und daß eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, die am Ende jeder Meßstrecke die Trennung der ersten Speicherstufe, die Übernahme des in der Summiereinrichtung gebildeten Summenwertes in die erste Speicherstufe und die Löschung der zweiten Speicherstufe sowie anschließend die Trennung der ersten Speicherstufe von der Summiereinrichtung, das Verschieben des Summenwertes auf die zweite Speicherstufe und das Löschen der ersten Speicherstufe bewirkt.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht also darin, die Spannungen nacheinander der Summiereinrichtung zuzuführen, den ersten Summanden (Spannung), beispielsweise Äi, in die Summiereinrichtung zu geben, die als Ergebnis R\ liefert, dieses Ergebnis R\ zum Summierer zurückzuführen und mit dem nächsten zugeführten Summanden, beispielsweise R2, zu addieren, das Ergebnis /?i + R2 wiederum dem Summierer zuzuführen und mit dem dritten Summanden, beispielsweise R3, zu addieren, das Ergebnis /?i + R2 + R3 wieder dem Summierer zuzuführen usw., bis schließlich, beispielsweise bei fünf Teilmeßstrecken und entsprechend fünf Summanden (Spannungen) die Summiereinrichtung das Ergebnis Ä, liefert, das dann nur noch durch die Zahl der Summanden, hier fünf, geteilt zu werden braucht, um die gewünschte mittlere Rauhtiefe

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zu erhalten.

Anders ausgedrückt besteht die erfindungsgemäße Lösung darin, die jeweils im Summierer gebildete Spannungsteilsumme vor Zuführung dts nächsten Spannungswertes wieder der Summiereinrichtung einzugeben, so daß bei Zuführung der nächsten Teilsumme der Addierer die vorher gebildete Teilsumme mit dem neu zugeführten Spannungswert addiert. Die jeweils gebildete Teilsumme wird also zyklisch mit ihrem genauen Wert zurückgeführ' so daß keine Speicher für die einzelnen Teilspan-.^ngcu erforderlich sind. Diese zurückgeführte Teilsumme hat immer den exakten Wert, so daß auch das Ergebnis exakt ist.

Die erfindungsgemäße Speichereinrichtung wirkt sozusagen wie ein Schiebespeicher. Das schrittweise Verschieben der Summenspannung vom Ausgang der Summiereinrichtung bis zu deren zweiten Eingang unter

50

55

60

65 Trennung der beiden Speicherstufen bei Übernahme in die erste Stufe und Trennung der ersten Stufe von der Summiereinrichtung bei Übernahme in die zweite Stufe innerhalb der Meßzeit für eine Meßstrecke sichert, daß der Summenwert zwecks weiterer Aufsummierung zeitlich rechtzeitig am zweiten Eingang der Summiereinrichtung erscheint und ferner, daß schädliche Rückkopplungswirkungen im Summierkreis aufgrund der jeweiligen im Rückführungszweig stehenden Summenspannung vermieden werden.

Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist die erste Speicherstufe zur Trennung von der Summiereinrichtung über einen ersten Schalter mit dem Ausgang der Summiereinrichtung und zur Trennung von der zweiten Speicherstufe über einen zweiten Schalter mit der zweiten Speicherstufe verbunden ist, dessen Ausgang an dem zweiten Eingang der Summiereinrichtung angeschlossen ist, wobei die Stellungen der Schalter so gesteuert sind, daß der eine Schalter öffnet, wenn der andere schließt

Zweckmäßig erfolgt die Steuerung dabei so, daß die Steuereinrichtung am Ende jeder Meßstrecke nach erfolgter Summenbildung in der Summiereinrichtung gleichzeitig den zweiten Schalter öffnet und den ersten Schalter schließt und die zweite Speicherstufe löscht und dann gleichzeitig den ersten Schalter öffnet und den zweiten Schalter schließt und die erste Speicherstufe löscht

Die am Ausgang der Summiereinrichtung erscheinende Spannung bzw. Summenspannung wird durch Schließen des ersten Schalters in den ersten Speicher übernommen, wobei gleichzeitig der zweite Schalter geöffnet und der zweite Speicher gelöscht wird. Anschließend wird der Inhalt des ersten Speichers durch Schließen des zweiten Schalters in den zweiten Speicher geschoben, wobei gleichzeitig der erste Schalter geöffnet und der erste Speicher gelöst wird. Der Inhalt des zweiten Speichers gelangt automatisch an den Eingang der Summierschaltung und kann nun mit dem nächsten Meßwert addiert werden. Durch die aufeinanderfolgenden Speicher- und Löschvorgänge und das wechselseitige Schließen und öffnen der beiden Schalter werden nachteilige Rückwirkungen auf die Summiereinrichtung und damit Additionsfehler vermieden.

Der schaltungsmäßige Aufwand wird gemäß einer zweckmäßigen weiteren Ausgestaltung der Erfindung dadurch gering gehalten, daß jede Speicherstufe nur einen Kondensator zur Speicherung der Ausgangsspannung der Summiereinrichtung aufweist

Um Ladungsverluste zu vermeiden, sind gemäß einer Weiterbildung der Erfindung Impedanzwandler zwischen den beiden Kondensatoren bzw. den beiden Speicherstufen und der zweiten Speicherstufe bzw. dem zweiten Kondensator und der Summiereinrichtung vorgesehen.

Zweckmäßig ist die Steuereinrichtung so ausgeführt, daß sie am Ende der letzten Meßstrecke die Zufuhr des in der Summiereinrichtung gebildeten letzten Summenwertes zu der Einrichtung zur Bildung des Mittelwertes steuert.

Die Erfindung soll nun anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt ist, näher erläutert werden.

Es sind

F i g. 1 ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Einrichtung,

F i g. 2 ein Prinzipschaltbild des Teiles der erfindungs-

gemäßen Einrichtung zur Erzeugung der der jeweiligen Rauhtiefe entsprechenden Spannung,

F i g. 3 ein Prinzipschaltbild der Summierschaltung.

In der Fig. 1 ist mit der Bezugsziffer 2 ein Längenmeßtaster bezeichnet, der die Oberfläche eines Werkstücks 4 abtastet. Die vom Längenmeßtaster gemessenen Spannungen, die den höchsten Spitzen und tiefsten Tälern der Meßstrecke entsprechen, werden einer Einrichtung 5 zur Speicherung der positiven und negativen Spitzen und Erzeugung der der Rauhtiefe entsprechenden Differenzspannung zugeführt. Die Einrichtung 5 ist an einen Eingang 6 einer Summiereinrichtung 7 angeschlossen, die über einen ersten Schalter 8 mit einem ersten Speicher 10 verbunden ist. Der Speicher 10 ist über einen zweiten Schalter 12 mit einem zweiten Speicher 14 verbunden, welcher über eine Leitung 16 an einen zweiten Eingang 17 der Summiereinrichtung 6 angeschlossen ist. Der Speicher 10 weist eine Ausgabeleitung 18 auf, die zu einer Einrichtung zur Mittelwertbildung und Anzeigeeinrichtung 20 führt. Die Schalter 8 und 12 sind beispielsweise in Form von Doppelschaltern ausgeführt, derart, daß beide nicht gleichzeitig geschlossen sind.

Die Einrichtung gemäß F i g. 1 funktioniert folgendermaßen: Von der dem Meßtaster 2 nachfolgenden Auswerteschaltung werden nacheinander Meßspannungen Ur der Summiereinrichtung 7 zugeführt, die den Rauhtiefen R, in einer bestimmten Zahl geeignet gewählter Meßstrecken, beispielsweise fünf Meßstrekken, der Oberfläche des zu überprüfenden Werkstückes 4 entsprechen. Der erste dem Eingang 6 der Summiereinrichtung 7 zugeführte Spannungswert Ur\ gelangt, da am Eingang 17 bei Meßbeginn der Spannungswert 0 anliegt, unverändert an den Ausgang der Summiereinrichtung. Durch Schließen des Schalters 8 wird Ur ι auf den Speicher 10 übertragen durch nachfolgendes Schließen des Schalters 12 auf den Speicher 14 und von dort auf den Eingang 17 der Summiereinrichtung.

Beim Einlaufen des zweiten Spannungswertes Ur2 erhöht die Summiereinrichtung den am Eingang 17 anstehenden Spannungswert Ur\ und Ur2. so daß am Ausgang die Summe Ur \ + Ur 2 erscheint, die, wie zuvor für Ur 1 beschrieben wurde, zum Eingang 17 der Summiereinrichtung 7 geschoben wird. Diese Vorgänge wiederholen sich für sämtliche Meßspannungen Ur 1 bis Ur^. Nach Durchführung der letzten Addition wird die Summenspannung über die Leitung 18 der Einrichtung zur Mittelwertbildung zugeführt und der Mittelwert

Σ ι/ -

zur Anzeigegebracht- Er ist ein Maß für die zu messende mittlere Rauhtiefe.

Die einzelnen Additions- und Verschiebevorgänge können über eine geeignete Steuereinrichtung, die beispielsweise in bestimmten aufeinanderfolgenden Takten die Übernahme der Spannungswerte in den Speicher 10, das Löschen dieses Speichers und die Übernahme in den Speicher 14, dessen Löschen und die Zufuhr zum Eingang 17 der Summiereinrichtung 7 steuert, gesteuert werden.

Zur zeitrichtigen Weiterleitung der Summenspannung zur Mittelwertbildung kann beispielsweise ein Zähler mitlaufen, der jedesmal nach Beendigung eines Additionsvorganges um eins weiterzählt und beim Erreichen der der letzten Addition entsprechenden Zahl einen Impuls abgibt, durch den die Übernahme des Summenwertes in die Einrichtung zur Mittelwertbildung bewirkt wird.

Die Verschiebezykluszeit kann der jeweiligen Meßgeschwindigkeit ohne weiteres derart angepaßt werden, daß keine Fehler bei der Summenbildung auftreten.

Es soll nun Bezug genommen werden auf das Prinzipschaltbild nach F i g. 2. Die Schaltung weist zwei

ι« elektrische Speicher 30 und 32 auf, die aufgrund der vorgeschalteten Dioden 34 und 36 von dem Eingang 38 zugeführten den Spitzen und Tälern des Oberflächenprofils des zu prüfenden Werkstücks entsprechenden positiven und negativen Spitzenspannungen aufgeladen werden, und zwar der Speicher 30 auf die jeweilige negative und der Speicher 32 auf die jeweils positive Spannungsspitze. Die Spannungen werden dem nachgeschalteten Differenzverstärker 40 zugeführt, in dem die der Rauhtiefe entsprechende Differenzspannung erzeugt wird, die dann dem in der Fig.3 dargestellten Summierkreis zugeführt wird. Der positive und negative Spitzenspeicher ist jeweils mit einem Schalter 42 und 44 verbunden, über die die Speicher zwecks Speicherung des nächsten positiven und negativen Speicherpaares und Berechnung der Differenzspannung gelöscht werden können.

In der Fi g. 3 isl beispielhaft ein Prinzipschaltbild des Summierkreises gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt, dem über den Anschluß 50 die den

jo Rauhtiefen der einzelnen Meßstrecken entsprechenden Spannungen U, nacheinander zugeführt werden. Für die nachfolgende Betrachtung soll, wie bereits im Zusammenhang mit der Fig. 1 geschehen, angenommen werden, daß die Oberfläche des zu überprüfenden Werkstückes in fünf Teilstücke eingeteilt ist.

Die aufzusummierenden Spannungswerte gelangen über den Eingang 52 in den Summierer 54. Nach Beginn der Messung lädt der Summierer 54 (Verstärkung V= 1) am Ende der erslen Meßstrecke zunächst über einen Schalter 56 einen Kondensator 58 auf den Spannungswert Ur ι auf. Danach sperrt der Schalter 56 und über den Verstärker iiO (Feldeffekt-Operationsverstärker, Verstärkung V=I), der als Impedanzwandler wirkt, wird der Spannungswert Ur ι über einen Schalter 62, der beim Schließen des Schalters 56 offen war, auf den Kondensator 64 übertragen und von dort über eine Verstärkerstufe 66 auf einen weiteren Eingang 68 der Summiereinrichtung 54. Am Ende der zweiten Meßstrecke erscheint am Eingang 52 der Spannungswert Ur2, der mit dem am Eingang 68 anstehenden Spannungswert Ur, zu dem Summenwert Ur\ + Ur₂ addiert wird, der am Ausgang des Summierers 54 erscheint und auf die oben beschriebene Art wieder dem Eingang 68 des Summierers zugeführt wird zwecks Aufsummierung auf den dritten Spannungswert Ur₃. Diese Vorgänge wiederholen sich solange, bis am Ausgang des Summierers 54 die Gesamtsummenspannung

Σ U₁

'Ri

erscheint, deren Mittelwert

Σι/«

der gesuchten mittleren Rauhüefe entspricht. Der

.■if Uf

Mittelwert wird über das Instrument 70 zur Anzeige gebracht, was beispielsweise bei einer vorgegebenen Zahl von Teilmeßstrecken über einen geeigneten Spannungsteiler 72 erfolgen kann.

Von Vorteil ist bei dieser Schaltung der geringe Steueraufwand. Um Rückkopplungseffekte zu vermeiden, müssen die Schalter 56 und 62 so gesteuert werden, daß nicht beide zur gleichen Zeit geschlossen sind. Die

beiden als Schiebespeicher ausgebildeten Speicher lassen es dabei zu, daß der im Kondensator 64 gespeicherte Summenwert über die gesamte Summierteilstrecke ohne Rückwirkungen anliegen kann. Eine Übernahme in einen gesonderten Speicher, aus dem der Wert zwecks weiterer Aufsummierung jeweils abgerufen werden muß, ist somit nicht notwendig.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Messung der mittleren Rauhtiefe einer Werkstückoberfläche mit einem elektrisehen Längenmeßtaster, der über die in π Meßstrekken, beispielsweise fünf, aufgeteilte Oberfläche des zu prüfenden Werkstückes bewegt wird und den Tälern und Spitzen des Oberflächenprofils des Werkstückes entsprechende elektrische Spannungen erzeugt, mit einer Einrichtung 7ur Bestimmung der den η Rauhtiefen entsprechenden Differenzspannungen zwischen den der höchsten Spitze und dem tiefsten Tal einer jeden Meßstrecke entsprechenden Spannungen, mit einer Summiereinrichtung und einer Einrichtung zur Mittelwertbildung, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (5) zur Bestimmung der D'fferenzspannungen an einen ersten Eingang (6) der Summiereinrichtung (7) angeschlossen ist und diesem nacheinander die ermittelten Differenzspannungen zuführt, daß der Ausgang der Summiereinrichtung (7) an eine erste Speicherstufe (10) einer zweistufigen Speichereinrichtung angeschlossen ist, deren zweite Stufe (14) an einen zweiten Eingang (17) der Summiereinrichtung (7) zurückgeführt ist, und daß eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, die am Ende jeder Meßstrecke die Trennung der ersten Speicherstufe (10), die Übernahme des in der Summiereinrichtung (7) gebildeten Summenwertes in die erste Speicherstufe (10), und die Löschung der zweiten Speicherstufe sowie anschließend die Trennung der ersten Speicherstufe (10) von der Summiereinrichtung (7), das Verschieben des Summenwertes auf die zweite Speicherstufe (14) und das Löschen der ersten Speicherstufe (10) bewirkt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Speicherstufe (10) zur Trennung von der Sumrriereinrichtung (7) über einen ersten Schalter (8 oder 56) mit dem Ausgang der Summiereinrichtung und zur Trennung von der zweiten Speicherstufe (14) über einen zweiten Schalter (12 oder 62) mit der zweiten Speicherstufe (14) verbunden ist, dessin Ausgang an dem zweiten Eingang (17) der Summiereinrichtung angeschlossen ist. wobei die Stellungen der Schalter so gesteuert sind, daß der eine Schalter öffnet, wenn der andere schließt.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung am Ende jeder Meßstrecke nach erfolgter Summenbildung an der Summiereinrichtung (7) gleichzeitig den zweiten Schalter (12 oder 62) öffnet und den ersten Schalter (8 oder 56) schließt und die zweite Speicherstufe (14) löscht und dann gleichzeitig den ersten Schalter (8 oder 56) öffnet und den zweiten Schalter (12 oder 62) schließt und die erste Speicherstufe (10) löscht.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Speicherstufen (10, 14) jeweils einen Kondensator (58, 64) ω aufweisen.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen beide Kondensatoren und den Eingang (17) der Summiereinrichtung (7) jeweils ein Impedanzwandler (60,66) geschaltet ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung am Ende der letzten Meßstrecke die Zufuhr des in der Summiereinrichtung (7) gebildeten letzten Summenwertes zu der Einrichtung zur Bildung des Mittelwertes (20) steuert.