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Unmittelbares, selbsttätiges Oberflächenmeßgernt
Gegenstand der Erfindung
ist eine Einrichtung, um die größte Tiefe, gegebenenfalls außerdem die mittlere
Tiefe und den Völligkeitsgrad der Rauhigkeit einer Oberfläche selbsttätig zu messen.
Einrichtungen zur Rauhigkeitsmessung sind mehrfach bekanntgeworden.Sie geben aber
nicht eine Länge als Maß der Rauhigkeit an, sondern eine beliebige Große, deren
Einheit beispielsweilse Atmosphären, Ampere, Volt, Kilogramm usw. sein kann. Man
bezeichnet derartige Einrichtungen als mittelbare Oberflächemmeßgräte, da das von
ihnen angezeigte Maß erst durch eine Bezugsmessung oder Eichung auf ein unmittelbares
Oberflächenmaß umgerechnet werden mußl. Derartige unmiilbtelbare Oberflächenmaße
sind die größte Tiefe R, die mittlere Tiefe RmJ der Völligkeitsgrad K = Rn/R usw.
der rauhen Oberfläche.
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Zur Ermittlung dler größten Tiefe der Rauhigkeit bediente man sich
bisher zweier Geräte : des Lichtschnittgerätes nach Schmaltz und des Tastschnittgerätes
nach S chmaltz un, Kiesewetter. Bei dem Lichtschnittgerät wird ein Lichtband unter
45° mikroskopisch auf die Oberfläche projiziert und durch ein Mikroskop betrachtet,
dessen Achse mit der des, Mikroprojektors einen Winkel von 90° bildet. Im Okular
des Mikroskops ist dann das Profil der Oberfläche zu sehen. Mit Hilfe einher Okularfeinmeßschraube
wird ein Strich als Meßmarke einmal an den tiefsten, dann an den höchsten Punkt
des Profils, gelegt. Die an der Meßtrommel abgelesenen Teilstriche ergeben mit dem
VergrößerungsmaBIstab multipliziert die größe Rauhigkeitstiefe R. Diese Art drer
Messung ist genau, aber zeitraubend und umständlich Sie stellt an das, Können des
Prüfers besondere Anforderungen.
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Das Gerät von Schmaltz-Kiesewetter, beschrieben in der Zeitschrift
des Vereins Deutscher Ingenieure, Bd. 73, (I9129), S. I46I, und in der Disser-
tation
von Kiesewetter, Dresden 1931, bestehtaus einem Winkelhebel, an dessen einem Ende
eine spitze Tastnadel, an dessen anderem Ende ein Spiegel befestigt ist, der einen
von einer Lichtquelle ausgehenden Lichtstrahl auf lichtempfindliches Papier wirft.
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Wird nun die zu prüfende Oberfläche unter der Tastnadel vorbeitransportiert,
dann bewegt sich der Winkelhebel und damit der Spiegel, so daß der Lichtstrahl auf
dem proportional zum Prüfling bewegten lichtempfindlichen Papier das vergrößerte
Oberflächenprofil aufzeichnet. Nachdem das lichtempfindliche Papier entwickelt worden
ist, wird auf ihm der Abstand der Rauhigkeitsspitzen und täler gemessen und unter
Berücksichtigung der Vergrö-Berung die gößte Tiefe errechnet. Auch dieses Verfahren
bedarf eines großen Zeitaufwandes und sehr erfahrener prüfer, Es läßt sich daher
ebenfalls nicht zur Prüfung gröBerer Stückzahlen verwenden.
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Gegenüber diesem Stande der Technik wird durch den Gegenstand der
Erfindung ein wesentlicher Fortschritt erzielt, denn es wird die Meßzeit zur Ermittlung
der größten Tiefe wesentlich abgekürzt, und vor allem kann die Messung durch ungelernte
Hilfskräfte ausgeführt werden. Dadurch ist dieses neue Meßgerät für die Messung
in der Reihen-und Massenfertigung geeignet.
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Gegenüber dem Schmaltz-Kiesewetter-Gerät, das das Oberflächeaprofil
aufzeichnet und das sodann einer umständlichen Berechnung durch einen Prüfer bedarf,
wird bei dem Meßgerät nach der Erfindung die größte Tiefe des Oberflächenprofils
in kurzer Zeit nach Einbringen des, Prüflings in die Meßeinrichtung selbständig
mittels eines Zeigerinstrumentes angzeigt. Dlies wird erfindungsgemäß, wie Abb.
I beispielsweise zeigt, dadurch erreicht, daß auf die zu prüfende Oberfläche I eine
sehr gut bearbeitete Gegenfläche 2 aufgelegt wird. Sie berührt die Rauhigkeitsspitzen
und stellt die Verwirklichung der sonst nur gedachten idealen mathematischen Hüllfläche
dar, mit der die zu prüfende Oberfläche gefügt bzw. gepaart wird. Diese Gegenfläche
2 soll im folgenden kurz als Meßfläche bezeichnet werden.
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In dieser Meßfläche 2 befindet sich nun ein Spalt 3 von beispielsweise
I, 0 bis 3,0 mm Länge, durchl den eine Tastspitze 4 hindurchgeht und die Oberfläche
berührt. Diese Tastspitze 4 ist mit einem Winkelhebel 5 verbunden, an dessen anderem
Ende ein Fühler 6, beispielsweise ein elektrischer Fühler angebracht ist. Dieser
elektrische Fühler kann beispielsweise ein Kondensator, dessen Kapazität verändert
wird, oder eine an einer. Wechselstromquelle 8 liegende Drosselspule 7 sein, deren
induktiver Widerstand geändert wird. Die Änderung des Widerstandes oder der Kapazität
wird durch ein elektrisches Anzeigegerät 9 sichtbar gemacht, dessen Ausschlag der
Bewegung der Tastnadel hoch übersetzt proportional ist.
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Diese Einrichtung, Tastnadel 4, Winkelhebel 5 und elektrischer Fühler
6, ist an sich durch die Arbeiten von Schmaltz und Kiesewetter bekannt. Neu ist
demgegenüber außer der Einführung der meßfläche 2 die Forderung, daß der Zeigerausschlag
des Instrumentes 9 gerade gleich Null ist, wenn die Spitze der Tastnadel 4 mit der
auf die Oberfläche I aufzusetzenden Meßflnche 2 bündig abschließt, Wird nun unter
die Meßflnche 2 eine rauhe Oberfläche I so gebracht, daß die Rauhigkeitsspitzen
die Meßfläche 2 berühren, dann. kann die Tastnadel4 aus dem, Spalt 3 heraustreten
und in die Fehler des Oberflächengebirges eindringen.
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Infolgedessen schlägt der Zeiger des Meßinstrumentes 9 aus. Da mun
aber die Tastnadelspitze 4 nicht sofort gerade einem Tale gegenüberstehen wird,
so ist das Tastwerk 4, 5, 6 in Höhe des Winkelhebelgelenkes 10 horizontal verschieblich
eingerichtet, z. B. durch Anordnung einer Gleitführung oder, wie in Abb. I beispielsweise
gezeigt, durch Aufhängung an Blattfedern 11, 12 oder gemäß Abb. 2 z. B. mittels
einer geeigneten Lenkergeradführung Durch einen Motor 13, Kurbel 14 und Pleuel 15
wird das Tastsystem 4, 5, 6 hin und her bewegt, so daß die Tastnadel 4 eine größere
Strecke des Oberflächengebirges zwischen 1,0 und 2, 5 mm Weglänge abtastet. Die
Länge dieses Tastweges kann beispielsweise durch Veränderung der Kurbellände 14
eingestellt werden.
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Das Tastgerät ist ferner so gebaut, daß die Abtastung nur in einer
Richtung beispielsweise von A nach B erfolgt. Beim Rücklauf von B nach A wird die
Tastnadel 4 abgehoben, damit das Winkelhebel-System 5 nicht zenstört wird. Diese
Abhebung kann beispielsweise elektrisch erfolgen, indem der mitdem Motor 13 verbundene
Kontakt I6 über die Kontaktwalze I7 während des Rücklaufes von B nach =4 die Stromquelle
I8 an ein Solenoid 19 schaltet, welches den an dem Winkelhebel 5 befindlichen Anker
20 anzieht, wodurch die Tastnadel 4 in dem Spalt 3 der Meßfläche 2 verschwindet.
In Verbindung mit der Lenkergeradführung nach Abb. 2 erfolgt die Abhebung dagegen
mechanisch. Durch die vom Motor 13 angetriebenen Kurbeln 37 heben die Lenker38 das
ganze Meßsystem 39 an und bringen es beim Tastbeginn wieder in die richtige Lager
zur Oberfläche, wodurch die Tastnadel 4 den Weg 40 zur Oberfläche I beschreibt.
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Die Einschaltung des Motors I3 erfolgt nun so, daß dieser nur so
viele Umdrehungen macht, als zu einem einzigen Hin- und Rücklauf der Tastspitze
4 nötig ist. Wenn nämlich der Prüfer die Oberfläche 1 unter die Meß|fläche 2 gebracht
hat und den Schalter 2I kurzzeitig in die Stellung 22 »Messen« legt, dann wird der
Motor I3 eingeschaltet. Sobald der Tastweg beginnt, wird durch 16, 17 das Solenoid
19 ausgeschaltet. Die Tastspitze 4 tritt aus dem Spalt 3 der Meßfläche. 2 und gleitet
über die Oberfläche I.
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Am Ende des-Weges wird durch den Schleifer I6 und die Schaltwalze
17 das Solenoed 18 eingeschaltet, die Tastnadel 4 zurückgezogen, und nun bewegt
sich das Meßsystem wieder in die Anfangsstellung zurück. Hierbei wird durch den
Schleifer 23 und die Kontaktwalze 24 der Stromkreis zum Motor 13 unterbrochen, so
daß das Gerät mit angezogener Tastnadel stehenbleibt. Erst nacht erneuter Betntigung
des Einschalters 21 durch den Prüfer beginnt das Meßspiel von neuem. Stillstand
und
Meßlauf werden außerdem durch z. B. farbige Signale angezeigt.
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Es ist nun wesentlich, daß der Zeiger des elektrischen Anzeigeinstrumentes
9 die erreichte größte Rauhtiefe R dadurch anzeigt, daß er bei Erreichung des größten
Ausschlages festgehalten wird Dies kann einmal in bekannter Weise auf mechanischem
Wege durch einen Schleppzeiger oder durch eine Sperrklinke am Zeiger geschehen oder
elektrisch durch ein besonders träges Instrument, beispielsweise ein ballilstisches
Galvanometer oder Fluxmeter, wobei das letztere eine kurze Einstellzeit, aber eine
lange Rückstellzeit besitzt und sich daher ganz besonders eignet. Es kann aber auch
ein Konsdensator aufgeladen oder ein Widerstand verstellt werden, dessen Ladung
oder Verstellung dann als größte Tiefe der Rauhigkeit angezeigt wird. Das Anzeigegerät
kanm aber auchs so eingerichtet werden, daß die grölBte Tiefe durch einen Instrumentenzeiger
fest angezeigt wird, während ein zweiter beweglicher Zeiger die Aufundabbewegungen
der Tastnadel sichtbar macht. Es können hierzu beispielsweise ein weniger träger
Instrument 25 und ei, Fluxmeter g zusammen angeschlossen werden.
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Es ist noch zu bemerken, daß, die Anzeige der größten Tiefe bestehenbleibt,
wenn der Meßgang beendet ist. Sie geht erst wieder in die Nullstellung zurück, wenn
der Prü£er zum neuen Prüfgang den Schalter 21 auf die Stellung 22 »Messen« schaltet.
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Da das Oberflächenprofil nicht aufgezeichnet wird, kann die Tastgeschwindigkeit
sehr erhöht werden, beispielsweitse auf 30 mm/min gegenl bisher I mm/min nach Schmaltz-Kiesewetter.
Bei einer Abtastlänge von I mm dauert daher die reine Meßzeit nur 4 Sekunden, wodurch
in der Minute mindestens acht bis zehn Messungen gemacht werden können. Dies war
bisher nicht möglich.
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Von besonderer Wichtigkeit ist die Größe der Meßfläche 2. Es ist
bekannt, daß eine Oberfläche drei verschiedene Fehler haben kann: Die Rauhigkeit,
die Welligkeit und-die Unebenmäßgkeit. Ist die MeßIRäche 2 sehr klein, beispielsweise
I bis 2 mm2, dann wird nur die Rauhigkeit gemessen. Je größer die Meßfläche 2 wird,
desto mehr wird die Welligkeit und die Unebenmäßigkeit gemessen. Bei größerer MeßRäche
2 kann an ; sich auch die Tastlänge vergrößert werden, jedoch braucht sie 2, 5 mm
nicht zu überschreiten. Die Anzeige der Welligkeit und Unebenmäßigkeit hängt aber
nicht von der Tastlänge, sondern allein von der Größe der Meßflnche ab. Dies ist
ein entscheidender Fortschritt gegenüber dem Schmaltz-Kiesewetter-Gerät, bei dem
sie von der Tastlänge abhängt. Bei dem Gerät nac1D der Erfindung können daher diese
Fehler auch bei I mm Tastweg mit gleicher Genauigkeit, aber sehr viel größerer Schnelligkeit
ermittelt werden.
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Die in ihrer Größe verschiedenen Meß3ächen können beispielsweise
durch eine Revolverschaltung schnell eingeschaltet werden, so daß die drei Oberflächenfehler
in kurzerZeit ermittelt werden können.
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Es kann aber auch die Anordnung nach Abb. 3 gewählt werden, bei der
die kleine Meßfläche 41 fest ist und die Meßflächen für Welligkeit und UnebenmäBigkeit
durch Anschläge 42 bzw. 43, die bedarfsweise in MeßstellunZg gebracht werden, hergestellt
werden ; Weiterhin ist es, wie Abb. 4 zeigt, möglich, die Meßfläche 44 nicht auf
die Oberfläche 1 zu setzen, wo sich die Tastnadel4 befindet, sondern auf die entgegengesetzte
Seite 45. Es ist dann nur nötig, den Abstand dieser Meßfläche 44 gegenüber der Tastnadelspitze
4 durch Anschläge 46, 47 genau festzulegen. Nachteilig ist, daß Dickenabweichungen
des Prüflinge das Meßergebnis beeinflussen können.
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Wird statt des die größte Rauhigkeitstiefe R anzeigenden Meßgerätes
g oder zusätzlich zu diesem ein Motor 26 eingeschaltet, deslsen Drehzahl proportional
dem Strom, der Spannung oder sonst geeingneter Größe (Frequenz, Phase) desl Anzeigegerätes
g ilst und der bei dessen Ausschlag Null nicht umläuft, so kann, wenn dieser Motor
26 über ein geeignetes Getriebe 27 einen Zeiger 28 vor einer Skala2g verstellt,
an dieser die mittlere Rauhigkeitstiefe Rm abgelesen werden. Es kann aber auch ein
Motor 30 mit einer Plan-oder Kegelscheibe 3r verwendet werden, auf der ein Reibrad
32 rollt, welches entsprechend der Instrumentenanzeige 9a verstellt wird. Treibt
dieses ; Reibrad 32 über ein Getriebe 33 einen Zeiger 34 an, dann ist dessen Ausschlag
ebenfalls der mittleren Tiefe R"g der Rauhwigkeit proportional. Wird mit dem Zeiger
28 oder 33 für die mittlere Tiefe und dem Zeiger g für die größte Tiefe beispielsweise
ein Potentiometer 35a und 35b verstellt und die der Verstellung proportionalen Ströme
oder Spannungen auf ein Kreuzspulinstrument 36 geleitet, welches den Quotienten
dieser Ströme anzeigt, dann kann der Völligkeitsgrad, K odter der Quotient der mittleren
Tiefe R", durch die größte Tiefe R abgelesen werden. Statt des Kreuzspulinstruments
36 kann aber auchl jede andere dividierende Einrichtung verwendet werden oder ein
Ringeisen- oder Ferraris-Quotientenmesser.
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Auch die Übertragung des Auslschlages von g und 28 oder 33 braucht
nicht durch Widerstanldssender 35a und 35 zu erfolgen, sondern kann direkt oder
indirekf mit an sich bekannten Mitteln, beispielsweise Impulssendern, geschehen.
Es ist also zu erkennen, daß diesesl Gerät durch eine einfache Erweiterung des elektfischen
Anzeigeteiles mehrere unmittelbare Oberflächenmaße völlig selbsttätig und, ohne
einen erfahrenen Prüfer mit der Bedienung betreuen zu müssen, zu messen gestattet.
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Soll noch schweller gemessen werden, so kann dies nur durch weitere
Verkürzung des Abtastwveges erreicht werden. Dies zeigt beispielsweise dieAbb. 5.
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Auf die Oberfläche I ist wieder die Meßfläche 2 aufgesetzt, in der
sich ebenfalls ein Spalt3 befindet, der aber kleiner als in Abb. I ist. In dem Spalt
3 liegt lose eine Tastnadel 48 von geringem Gewicht, die an ihrem oberen Ende einen
kleinen Anker 49 trägt. Dieser Anker steht den Induktionsspulen 50 sowie einem elektrischen
Fühler 51 gegenüber, der induktiv sein kann, hier aber beispielsweise als an den
Polschuhen der Spule 50 befestigter Kondensatorbeileg 51 dargestellt ist. Wird nicht
gemessen, dann wird die Nadel48 mittels des Ankers4g an
die Spule
50 gezogen und verschwindet daher in der Meßfläche 2.
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Wird der Schalter 52 in die Stellung 53 »Messen« gebracht, dann fällt
die Nadel 48 herab und liegt mit ihrer Spitze auf einem Punkte der rauhen Oberflnche
1 auf. Nun wird die Nadel 48 erschüttert, was beispielsweise durch mechlanisches
Klopfen mittels eines Klopfers gegen den Prüfling oder durch das MeEgerät erfolgen
kann oder dadurch, daß durch kurze Stromstöße 54 in die Spule 50 die Nadel48 durch
den Anker 49 kurzzeitig um sehr geringe Beträge inl schneller Folge gehoben wird.
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Dadurch überwindet die Nadelspitze 48 die Reibung auf der Oberfläche
I und gleitet in die tiefste Stelle des Tales des, Oberflächengebirges.
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Nun liegt die Nadel 48 noch schräg im palt 3.
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Sie wird jetzt durch den kleinen Nocken 55, der durch einen Motor
angetrieben wird, aufgerichtet.
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Durch das Aufrichten nähert sich der Anker 49 der Nadel 48 den Kondens
51 und ändert so die Kapazität des elektrischen Fühlers. Infolgedessen schlägt das
Meßinstrument 56 aus. Der größte Ausschlag entspricht der senkrechten Stellung der
Nadel und gleichzeitig der größten Rauhigkeitstiefe R. Es wird also hierbei nicht
ein größeres Stück abgetastet, sondern nur die Nadel in ein Tal unter dem Spalt
abgesenkt. Dieser Vorgang geht infolge der Erschütterung und weil die oben beschriebenen
Vorgänge gleichzeitig abrollen, sehr schnell, so daß die Anzeige der größten Tiefe
fast augenblicklich erfolgt. Bei einem Abschalten des Gerätes ist vorgesehen, daß
der Spalt selbsttntig verschlossen wird, so daß die Nadel nicht herausfallen kansD.