DE4411819A1

DE4411819A1 - Verfahren zur Anzeige von Längenmaßen geometrischer Prüfobjektabmessungen und Materialeigenschaften von Prüfobjektoberflächen

Info

Publication number: DE4411819A1
Application number: DE19944411819
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Weis
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1994-04-08
Filing date: 1994-04-08
Publication date: 1995-10-12
Also published as: GB9507116D0; GB2289129B; CH689840A5; GB2289129A

Description

Die Erfindung dient zur rationellen Erfassung geometrischer und materialtechnischer Prüfobjekteigenschaften und ist mit einer qualifizierten Aussage zur Längenabhängigkeit eines geometrischen Prüfmaßes vom Werkstoffverhalten des Prüfobjektes verbunden.

Sie kann insbesondere dort eingesetzt werden, wo Präzisionslängenmessungen von Prüfobjekten und die gleichzeitige Kenntnis physikalischer Materialeigenschaften verlangt werden.

Breite Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich vor allem daraus, daß bei Prüfobjekten mit Präzisionsforderungen bei der Längenmaßeinhaltung in der Regel gleichzeitig hohe Anforderungen an die materialtechnischen Eigenschaften besonders der Prüfobjektoberfläche gestellt werden.

Vorteilhafte Anwendungen sind beispielsweise im Zusammenhang mit der Bereitstellung von Längenmaßverkörperungen aber auch von Präzisionselementen, zum Beispiel von Endmaßen und Kugeln, zu sehen, die hinsichtlich ihrer fertigungstechnischen Längenmaßrealisierung bzw. ihres maßlichen Langzeitverhaltens parallele Aussagen zum geometrischen Maß und den materialtechnischen Eigenschaften verlangen.

Weitere Anwendungsbeispiele sind aber auch Führungs- und Lagerelemente mit hohen Genauigkeitsforderungen. Hier sind Aussagen zur materialtechnischen Homogenität der Führungs- und Lageflächen von besonderer Bedeutung.

Grundsätzlich beeinflussen Materialabweichungen bzw. Materialinhomogenitäten das physikalisch-technische Verhalten von Präzisionsbauteilen und unterliegen daher häufig einer ständigen Kontrolle im Entwicklungs-, Herstellungs- und Anwendungsprozeß.

Es ist allgemein bekannt, die Erfassung von Endmaßnormallängen mittels eines Endmaßprüfplatzes durchzuführen und eine nachfolgende Untersuchung des Endmaßoberflächenhärteverhaltens mittels Vickers-Mikrohärtemessung vorzunehmen. So ist beispielsweise der Einsatz eines Prüfstandes 826E für Parallel-Endmaße der Firma Carl Mahr GmbH & Co. (Firmendruckschrift der Carl Mahr GmbH & Co. in der Bundesrepublik Deutschland, Druckschrift-Nr. 1148) bekannt geworden, der zur Endmaßkalibrierung bzw. Überwachung der Endmaßlangzeitstabilität einsetzbar ist.

Für die mit diesem Endmaßgerät erzielten Längenkalibrierwerte wird vom Hersteller eine Abweichung von interferenziell gemessenen Werten innerhalb von ± 0,01 µm angegeben.

Diese geringe Meßunsicherheit macht in Verbindung mit hohen Klassengenauigkeitsforderungen der Endmaße deutlich, daß hier an das die Endmaßlänge beeinflussende Materialgefüge hohe Anforderungen hinsichtlich der Materialzusammensetzung und Materialhomogenität gestellt werden. Eine Lösung zur Anwendung des Mikrohärteprüfsystems LECO M-400 PC-2 ist aus der Firmendruckschrift der LECO INSTRUMENTE GmbH in der Bundesrepublik Deutschland (Druckschriften-Nr. SD 8/89) ersichtlich.

Der Nachteil dieser weit verbreiteten Werkstoffgefügeuntersuchung mittels Mikrohärtemessungen besteht vor allem darin, daß in der Regel spezielle Präparationen der Prüfobjektoberfläche erforderlich sind und Beschädigungen der Prüfobjektoberfläche durch bleibende Eindrücke in Form plastischer Verformungen erfolgen. Weitere Nachteile ergeben sich durch die üblicherweise gerätetechnische Trennung von hochwertigen Längenmeßeinrichtungen in Meßräumen für genaue Längenmessungen und in spezielle Werkstoffprüfgeräte in Prüflabors für gezielte Werkstoffuntersuchungen. Diese Trennung ist zwangsläufig mit örtlichen und zeitlichen Problemen sowie mit erhöhten Anschaffungskosten für die unterschiedlichen Meßeinrichtungen verbunden.

Eine andere Lösung ist in der DE-P 41 03 060 angegeben, wobei hier ein auf Meßkraftvariation beruhendes Längenmeßverfahren für Präzisionsmessungen mit Längenmeßeinrichtungen zur Anwendung kommt.

Dabei wird mittels einer mechanisch berührenden Antastung vor der Prüflingsmessung ein Kalibriervorgang und unter Anwendung von unterschiedlichen Meßkräften und Meßabläufen eine die nichtlineare und lineare elastische Deformationen umfassende Kompensation durchgeführt, die eine hohe Genauigkeit von Längenmaßen geometrischer Prüfobjektabmessungen ergibt.

Bei allen bekannten Lösungen erfolgt eine gerätetechnische Trennung zwischen genauer Längenmessung und Untersuchungen vom Werkstoffverhalten.

Ausgehend von dem geschilderten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, für Prüflinge mit verschiedener Geometrie und Materialzusammensetzung mittels einer zerstörungsfreien Meßmethode eine rationelle Erfassung und Auswertung von Längenmaßen von Prüfobjektabmessungen und physikalischen Materialeigenschaften von Prüfobjektoberflächen zu erhalten.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zur Anzeige von Längenmaßen geometrischer Prüfobjektabmessungen und von Materialeigenschaften von Prüfobjektoberflächen mittels Längenmeßeinrichtungen, umfassend eine oder mehrere Längenmeßeinrichtungen berührender Antastung mit Meßkraftvariation für n unterschiedliche Meßkräfte des Antastelementes, mit n 2, wobei die Meßkraftverhältnisse

und die Deformationsvielfachen

für nichtlineare Materialdeformationen - B von Prüfobjekt und Antastelement bei überlagerter linearer Deformation - C der Längenmeßeinrichtung für jeweils zwei unterschiedliche Meßkräfte F₁ und F₂ gebildet werden, wobei mit einer Meßkraft F₁ der Längenmeßeinrichtung unter Anwendung eines Antastelementes an der Prüfobjektoberfläche ein erster Längenmeßwert M₁ nach der Beziehung M₁ = A-B-C und mit einer Meßkraft F₂ der Längenmeßeinrichtung unter Anwendung des gleichen Antastelementes für die Ermittlung des Längenmeßwertes M₁ und an der gleichen Antaststelle der Prüfobjektoberfläche ein zweiter Längenmeßwert M₂ nach der Beziehung M₂ = A-X_m·B-Y_m·C ermittelt wird, bei dem aus der Differenzbildung (M₂-M₁) und der Division durch (X-1) das unkorrigierte Materialprüfmaß MPM nach der Beziehung

und/oder das korrigierte Materialprüfmaß MPM′ nach der Beziehung MPM′ = - B gebildet wird, und daß neben den in bekannter Weise, z. B. nach DE-P 41 03 060 ermittelten Längenmaßen von geometrischen Prüfobjektmessungen das auf zerstörungsfreier Materialprüfung beruhende, dem jeweiligen Längenmaß zugeordnete, unkorrigierte Materialprüfmaß MPM und/oder das korrigierte Materialprüfmaß MPM′ angezeigt wird.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung werden die Längenmaße von geometrischen Prüfobjektabmessungen und das unkorrigierte und/oder das korrigierte Materialprüfmaß in parallelen Anzeigefeldern gleichzeitig oder zeitlich verzögert angezeigt.

Bei einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung wird bei nicht interessierenden Längenmaßen geometrischer Prüfobjektabmessungen allein das unkorrigierte Materialprüfmaß und/oder das korrigierte Materialprüfmaß angezeigt. Eine andere vorzugsweise Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß mittels einer Einrichtung, umfassend Mittel zur Längenmeßeinrichtungs- und Prüfobjektaufnahme, sowie einen Anzeige-Rechen-Steuerkomplex mit einer oder mehreren Anzeigeeinheiten, die Anzeige des Längenmaßes von geometrischen Prüfobjektabmessungen und die Anzeige für das korrigierte und/oder unkorrigierte Materialprüfmaß in parallelen Anzeigefeldern der Anzeigeeinheit angeordnet ist.

Es ist vorteilhaft, daß die Anzeige des Längenmaßes von geometrischen Prüfobjektabmessungen und die Anzeige für das korrigierte und/oder unkorrigierte Materialprüfmaß um- oder abschaltbar in einem gemeinsamen quasi parallelen Anzeigefeld der Anzeigeeinheit angeordnet ist.

Die weiterhin mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen in der gezielten Aussage zur Wechselwirkung von Längenmaß und Materialverhalten. Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist die Anzeige physikalischer Materialeigenschaften, z. B. chargenbedingter Materialabweichungen bzw. von Inhomogenitäten, ohne daß dabei die Prüfobjektoberfläche durch plastische Verformungen beschädigt wird und dadurch das zur Meßstelle zugeordnete Längenmaß einer geometrischen Prüfobjektabmessung erhalten bleibt. Hiermit wird ein weiterer Weg zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung ermöglicht.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen im Prinzip näher erläutert.

Die Anwendungsmöglichkeiten bleiben nicht auf dieses Beispiel beschränkt und erfassen unter anderem unterschiedliche Längenmeßeinrichtungen und in die Längenmeßeinrichtungen integrierte bzw. separat angeordnete Anzeigeeinrichtungen.

Es zeigen:

Fig. 1 die Anordnung eines Längenmeßtasters und einer Anzeige-Rechen-Steuertechnik im Blockschaltbild;

Fig. 2 eine Endmaßlängenmessung mit vertikaler Antastung der ersten Meßstelle bei gleichzeitiger Erfassung des Werkstoffverhaltens der Endmaßoberfläche an der ersten Meßstelle im Schema;

Fig. 3 eine Anzeigeeinheit mit gemeinsamem Anzeigefeld zur umschaltbaren Anzeige von Längenmaßen geometrischer Prüfobjektabmessungen auf physikalische Materialeigenschaften;

Fig. 4 eine Anzeigeeinheit mit zwei parallelen Anzeigefeldern zur gleichzeitigen Anzeige von Längenmaßen geometrischer Prüfobjektabmessungen und von physikalischen Materialeigenschaften.

Für die Anzeige von Längenmaßen geometrischer Prüfobjektabmessungen und von physikalischen Materialeigenschaften ist in Fig. 1 die Anordnung eines Längenmeßtasters mit Meßkraftvariation des Tastbolzens für zwei Meßkräfte F₁ und F₂ und einer Anzeige-Rechen-Steuertechnik dargestellt.

Für eine Endmaßlängenmessung L mit vertikaler Antastung an der ersten Meßstelle 8 zeigt Fig. 2 schematisch den Meßaufbau.

Dieser besteht aus einem Meßtisch 1 mit einer Meßtischbezugsfläche 2, einem mit dem Meßtisch 1 gestellfest verbundenen Längenmeßtaster 4 mit dem zugehörigen Tastbolzen 5 und dessen Tastkugel 6 sowie einem auf die Meßtischbezugsoberfläche 2 aufgesetzten Endmaß 3 mit der die Endmaßlänge L begrenzenden Endmaßdeckfläche 9.

Dabei ist die Wahl eines geeigneten Antastelementes (z. B. Kugel, kugelförmig, eben) von der Prüfobjektgeometrie abhängig.

In einem ersten Meßschritt wird der mit der Meßkraft F₁ belastete Tastbolzen 5 an die Endmaßdeckfläche 9 des Endmaßes 3 angefahren. Bei der Berührung der Tastkugel 6 mit der Endmaßdeckfläche 9 wird an der ersten Meßstelle 8 ein erster Längenmeßwert M₁

M₁ = A-B-C ermittelt.

In einem zweiten Meßschritt wird mit dem nun mit der Meßkraft F₂ belasteten Tastbolzen 5 an der gleichen Meßstelle 8 ein zweiter Längenmeßwert M₂

M₂= A-X·B-Y·C ermittelt.

Dabei entspricht

Aus der Differenzbildung (M₂-M₁) und der Division durch (X-1) folgt schließlich das Materialprüfmaß MPM zu

in unkorrigierter Form mit linearer Überlagerung von

Dieses Materialprüfmaß MPM drückt auf der Basis eines Längenmeßwertes das materialtechnischer Verhalten der Endmaßdeckfläche 9 an der Meßstelle 8 aus. Das Materialprüfmaß MPM macht Aussagen zu Materialabweichungen, insbesondere zu Materialinhomogenitäten.

In korrigierter Form ohne lineare Überlagerung

von
folgt das Materialprüfmaß MPM′ zu

MPM′ = - B.

Mit dem Materialprüfmaß MPM′ läßt sich das materialtechnische Verhalten der Endmaßdeckfläche 9 noch differenzierter ausdrücken, da die Linearüberlagerung nicht mehr enthalten ist und mit - B vorrangig das Materialverhalten der Endmaßdeckfläche 9 beschrieben wird. Der in - B noch enthaltene Anteil der Deformation der Tastkugel 6 ist als konstant zu betrachten und beeinflußt so die Materialaussage zur Endmaßdeckfläche 9 nicht.

Das geschilderte Meßverfahren ist entsprechend auch mit mehr als 2 Meßkräften durchführbar.

In einem dritten und vierten Meßschritt wird der mit der Meßkraft F₁ bzw. F₂ belastete Tastbolzen 5 nach Entfernung des Endmaßes 3 an die Meßtischbezugsfläche 2 angefahren. Bei der Berührung der Tastkugel 6 mit der Meßtischbezugsfläche 2 werden an der zweiten Meßstelle 7 zwei weitere die Endmaßlänge L enthaltene Längenmeßwerte M₃ und M₄ ermittelt.

Aus den Längenmeßwerten M₁, M₂, M₃ und M₄ läßt sich die Endmaßlänge L sehr genau bestimmen. Mit der nun vorliegenden Endmaßlänge L und dem an der gemeinsamen Meßstelle 8 ermittelten Materialprüfmaß MPM bzw. MPM′ liegen zwei Aussagen zum Längen- bzw. Materialverhalten des Endmaßes 3 auf der gemeinsamen Basis von Längenmeßwerten vor. Beide Aussagen lassen sich durch Anzeigeumschaltung in einem gemeinsamen Anzeigefeld 11 einer in Fig. 3 gezeigten Anzeigeeinheit 10 wechselseitig darstellen. In Fig. 4 wird eine Anzeigeeinheit 12 vorgestellt, die in sehr anschaulicher Weise die beiden Aussagen in parallelen Anzeigefeldern 13 und 14 gleichzeitig darstellt.

Bezugszeichenliste

1 Meßtisch
2 Meßtischbezugsfläche
3 Endmaß
4 Längenmeßtaster
5 Tastbolzen
6 Tastkugel
7 zweite Meßstelle
8 erste Meßstelle
9 Endmaßdeckfläche
10 Anzeigeeinheit
11 gemeinsames Anzeigefeld
12 Anzeigeeinheit
13, 14 parallele Anzeigefelder

Claims

1. Verfahren zur Anzeige von Längenmaßen geometrischer Prüfobjektabmessungen und von Materialeigenschaften von Prüfobjektoberflächen mittels Längenmeßeinrichtungen berührender Antastung, umfassend eine oder mehrere Längenmeßeinrichtungen mit Meßkraftvariation für n unterschiedliche Meßkräfte des Antastelementes, mit n 2, wobei die Meßkraftverhältnisse und die Deformationsvielfachen für nichtlineare Materialdeformationen - B von Prüfobjekt und Antastelement bei überlagerter linearer Deformation - C der Längenmeßeinrichtung für jeweils zwei unterschiedliche Meßkräfte F₁ und F₂ gebildet werden, wobei mit einer Meßkraft F₁ der Längenmeßeinrichtung unter Anwendung eines Antastelementes an der Prüfobjektoberfläche ein erster Längenmeßwert M₁ nach der Beziehung M₁ = A-B-C und mit einer Meßkraft F₂ der Längenmeßeinrichtung unter Anwendung des gleichen Antastelementes für die Ermittlung des Längenmeßwertes M₁ und an der gleichen Antaststelle der Prüfobjektoberfläche ein zweiter Längenmeßwert M₂ nach der Beziehung M₂ = A-X_m·B-Y_m·C ermittelt wird, bei dem aus der Differenzbildung (M₂-M₁) und der Division durch (x-1) das unkorrigierte Materialprüfmaß
MPM nach der Beziehung und/oder das korrigierte Materialprüfmaß MPM′ nach der Beziehung MPM′ = - B gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß neben den in bekannter Weise ermittelten Längenmaßen von geometrischen Prüfobjektabmessungen das auf Materialprüfung beruhende, dem jeweiligen Längenmaß zugeordnete, unkorrigierte Materialprüfmaß MPM und/oder korrigierte Materialprüfmaß MPM′ angezeigt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Längenmaße von geometrischen Prüfobjektabmessungen und das unkorrigierte und/oder das korrigierte Materialprüfmaß in parallelen Anzeigefeldern gleichzeitig oder zeitlich verzögert angezeigt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei nicht interessierenden Längenmaßen geometrischer Prüfobjektabmessungen allein das unkorrigierte Materialprüfmaß und/oder das korrigierte Materialprüfmaß angezeigt wird.

4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, umfassend Mittel zur Längenmeßeinrichtungs- und Prüfobjektaufnahme, sowie einen Anzeige-Rechen-Steuerkomplex mit einer oder mehreren Anzeigeeinheiten, dadurch gekennzeichnet daß die Anzeige der Längenmaße von geometrischen Prüfobjektabmessungen und die Anzeige für das korrigierte und/oder unkorrigierte Materialprüfmaß in parallelen Anzeigefeldern der Anzeigeeinheit angeordnet sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeige der Längenmaße von geometrischen Prüfobjektabmessungen und die Anzeige für das korrigierte und/oder unkorrigierte Materialprüfmaß um- oder abschaltbar in einem gemeinsamen quasi-parallelen Anzeigefeld der Anzeigeeinheit angeordnet sind.