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Verfahren zur unmittelbaren und vollständigen Messung bzw. Prüfung
der Formfehler an Drehflächen oder sonstwie gesetzmäßig gestalteten Flächen, insbesondere
Innenflädlen, mittels Lichtinterferenz In jeder Pr,älzisionsfertigung ist neben
der Maßhaltigkeit der einzelnen Teile auch die Einhaltung ihrer geometrischen Form
von größter Wichtigkeit und oft entscheidend für die einwandfreie Funktion. Die
Formmessung bzw. -prüfung ist daher zu einem dringenden Problem geworden.
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Einer eindeutigen Formbestimmung stehen jedoch beträchtliche Schwierigkeiten
im Wege Wohl ist es möglich, bei der Messung von Außenzylindern und Außenkegelflächen
durch Kombinationen mehrerer geeigneter Meßverfahren gewisse Rückschlüsse auf die
geometrische Form der Stücke zu ziehen, doch gelingt dies nicht in allen Fällen
und selten mit der erforderlichen Genauigkeit. Die Verfahren sind überdies äußerst
umständlich und zeitraubend. Bei anderen Flächenformen und ganz besonders bei Innenflächen
ersclieinen.die SchwiLerigkeiten unüberwindlich. Sie sind im wesentlichen dadurch
begründet, daß bisher nur mehrere, im allgemeinen voneinander unabhängige Maß werte,
z. B. einzelne Durchmesser, ermittelt werden konnten.
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Unter Formfehlern sind die Abweichungen der Werkstücksoberfläche,
der Istfläche, von einer die gewollte Form aufweitsenden Sollfläche zu verstehen.
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Diese Sollfläche muß in ihren Abmessungen und in ihrer Lage zur Istfläche
festgelegt werden. An dem Beispiel einer zylindrischen Bohrungsfläche sei das näher
erläutert.
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Man denke sich eine Drehzylinderfläche, welche die Bohrungsfläche
(Istfläche) in mindestens einem Punkt berührt und nirgends ins Stoffinnere eindringt,
also einenStützzylinder. Koaxial mitdiesem Stützzylinder denke man sich einen zweiten
solchen.
der ganz im Stoffinnnern liegt. Das von den beiden Stützzylindern
gebildete Rdhr (Stützflächenrohr) schließt dann zwischen seinen beiden zylindrischen
Grenzflächen die Istfläche ein. Solche Stützfläichenrohre gibt es unzählig viele,
unter -denen jedoch im allgemeinen eines sein vrird, dessen Wandstärke einen KIeinstwert
aufweist. Der stoffabseitig gelegene Grenazylinder des so ausgezeichneten Stützflächenrohres
ist als Sollflädhe zu betrachten. Die Formfehler der Istfläche sind nun derenAbweichengen
von der Sollfläche, senkrecht zu dieser gemessen.
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Die größte Formabweichung ist gleich der Wandstärke des ausgezeichneten
Stützflächenrohres.
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Dieser Gedanke kann sinngemäß auch auf alle anderen gesetzmäßigen,
sowohl Außen- als auch Innenflächen übertragen werden und ist naturgemäß in gleicher
Weise für makrogeometrische wie auch für mikrogeometrische Formfehler (Pa.u.higkeit)
gültig.
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Eine unmkittelhare und vollständige Formfehlermessung, wie sie die
Formfehlerdeflnition verlangt, ist nur für die Untersuchung einzelner ebener Meßflächen
mittels Lichtinterferenz unter Benutzung einer Vergleichsehene (bekannt. Diesem
Zwecke dienen die Interferennkomparatoren. Um die grundsätzliche Funktion eines
solchen Geräts an einem Beispiel zu erläutern, sei der Köstersche Interferenzkomparator,
dem die Michelsonsche Anordnung zugrunde liegt, herausgegriffen; in Fig. I ist das
Wirkungsschema dargestellt. Eine Lichtquelle G beleuchtet über den Kondensator K
eine Spaltbleide Sp'. Die von ihr ausgehenden Lichtstrahlen sammelt das Objektiv
O, zu einem Parallelstrahlenbündel B, das von einem als Monochrümator dienenden
Prisma Pr abgelenkt wird. Die durchlässig versilberte Platte Pl1 spaltet das Bündel
in zwei Parallelstrahlenbündel I und II. I wird nach Durchsetzen der Korrekturplatte
Pl2 (deren Zweck später erläutert mrird3 an dem optisch eben polierten Spiegel 5
in sich reflektiert und nach nochmaligem Durchgang durch Pl2 sowie Pll vom Objektiv
°2 im Brennpunkt F gesammelt, wo sich eine Beobachtnngsblende Bl befindet. Das Bündel
II reflektiert die PrüfflächeP des Prüflings E in sich, so daß es gleichfalls, nach
Reflexion an der Platte Pll, von. °2 an der Stelle F gesammelt wird. Die Reflexion
an S hat die gleiche Wirkung wie eine gedachte Reflexion an dem von der Platte Pl1
entworfenen virtuellen Spiegelbild R von S, da ja der Weg von Pl1 bis S und zurück
ebenso lang ist, wie von Pli biss R und zurück. Um die beiden Wege auch optisch
gleich zu machen, ist das Einschalten der Korrekturplatte Pl2 erforderlich, welche
die gleiche Dicke wie Pl1 aufweist. Dadurch wird n,äimlich erneicht, Jdaß die Strahlen
beider Bündel dreimal Glas in der Plattenstärke ,diurc-hsetzen. Bündel I geht dann
einmal durch Pl2 und auf dem Rückweg von S noch einmal durch Pl2 und einmal durch
Pll.
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Bündel II geht einmal durch Pll und auf dem Rückweg von der Prüffläche
noch einmal durch - die -gleiche Platte. Liegt die Prüffläche außerhalb der Ebene
R, der Referenzebene, dann haben die Strahlen- aus den Bündeln 1 und II verschieden
lange Wege zurückzulegen, es entsteht ein Gangunterschied. Ist dieser Gangunterschied
in einem zusammengehörigen, interferierenden Strahlenpaar des Bündels I und II ein
ungeradzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge A/2, dann heben sich die Intensitäten
von I und II auf. Bei Beobachtung durch die Blende Bl und das Objektiv O2 erscheint
die betreffende Stelle des Prüflings dunkel. Hell erscheinen jene Stellen, für welche
der Gangunterschied zwischen dem reflektierten Strahl II und Strahl 1 ein geradzahliges
Vielfaches von A/2 ist. Der Sachverhalt läßt sich bildlich so darstellen, daß man
sich eine Schar von abstandgleichen Schichtenebenen Se parallel zur Referenzebene
mit dem Abstand i/2 gelegt denkt, die die Oberfläche des Prüflings schneiden.
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Diese Schnittlinien sind dann die Verbindungslinien der dunkel erscheinenden
Stellen. Es sind dies die bekannten Interferenzstreifen, wobei jeder Punkt eines
solchen Streifens von der Referenzebene den gleichen Abstand hat (Interferenzen
gleicher Dicke). Sie können somit als Schichtenlinien der P rüflingsoberfl äche
gedeutet werden und sind zu deren genauer Beschreibung, zur Formprüfung, vorzügl-ich
geeignet, sofern die Sollform eine Ebene ist. Hierfür sind eine Reihe von Geräten
auf dem Markt, unter anderem auch solche, die für den Vergleich eine materielle
Ebene und nicht ihr virtuelles Bilid benutzen.
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Erflndungsgemäß läßt sich der Grundgedanke der interferentiellen
Formuntersuchung einzelner ebener Prüfflächen zu einem Verfahren zur unmittelbaren
und vollständigen Messung bzw. Prüfung der Formfehler an Drehflächen oder sonstwie
gesetzmäßig gestalteten Flächen, insbesondere Innenflächen, ausbilden, indem yon
der besamten zu prüfenden Oberfläche durch spiegelnde Flächen, unter Vermittlung
der Strahlen eines einzigen Parallelstrahlenbündels, ein solches SpiegelbiLd erzeugt
wird, welches im Fall einer fehlerlosen Prüffläche eine Ebene wäre und die Atbweichungen
des Bildes der fehlerbehafteten Prüffläche von einer möglichst fehlerfreien materiellen
oder virtuellen Vergleichsehene festgestellt und gemessen bzw. geprüft werden, Ist
z. B. in Fig. 2 die PrüfflächeP ein Innenzylinder, dann gelingt die gekennzeichnete
Abbildung mit Hilfe eines spiegelnden Kegels Sp mit dem Öffnungswinkel 90°, der
- koaxial zum Zylinder liegt. Die Achse hat die Richtung der Bündelstrahlen, das
ist senkrecht zu den Schichtenebenen.
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Das vom Kegel Sp durch die Strahlen des Bündels II entworfene Spiegelbild
der Zylinderfläche P ist die EbeneSe, eine Schichtenebene, wie sich aus dei Verfolgung
der -die Abbildung erzeugenden Bündelstrahlen ergibt. Der Strahl St z. B. verläuft
von I über 2 nach 3 und geht nach Reflexion an der Zylinderfläche den gleichen Weg
wieder zurück. Die Länge seines Weges wäre die gleiche, wenn er von I über 2 nach
4 (in Se) und von dort wieder zurückliefe. Der Punkt 4 ist das Spiegelbild des Zylinderpunktes
3. Das gilt für sämtliche Prüfflächenpunkte unter Bedachtnahme darauf, daß die Abbildung
der
Prüffläche an der mit ihr gleichachsig justierten Spiegelfläche
durch das zur gemeinsamen Achse parallel eingestellte Strahlenbündel des Interferenzgeräts
erfolgt. Diese Verhältnisse gelten ebenso für anders gestaltete Prüfflächen.
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In Fig. 3 ist bei gleicher Bezeichnungsweise wie in Fig. 2 die Abbildung
einer Innenkegelfläche schematisch dargestellt.
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Durch geeignete Gestaltungtdes Spiegels lassen sich auch andere Flachen
in Ebenen abbilden, z. B.
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Innenkugelflächen, bei Verwendung eines außen spiegelnden Paraboloides
mit dem Brennpunkt im Kugelmittelpunkt. Fig. 4 zeigt diese Anordnung im Schema bei
gleicher Bezeichnungsweise wie in Fig. 3; M ist der Kugelmittelpunkt und n die Flächennormale
des spiegelnden Paraboloids im Punkte 2.
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Ist die Prüffläche eine Kreisringfläche, wie in Fig. 5 dargestellt,
dann dient als spiegelnde Fläche eine Drehfläche, deren Merifdian eine Parabel ist.
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Ihr Brennpunkt liegt im Mittelpunkt des erzeugenden Kreises; n ist
eine Flächennormale des Spiegels.
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Zu jeder beliebigen Prüffläche läßt sich durch Rechnung odér Zeichnung
eine Spiegelfläche angeben, die jene in eine Ebene abbildet. Dies ist in gleicher
Weise für Innen- wie auch Außenflächen durchführbar. Bei der Messung von Außenflächen
tauschen Prüfling und Spiegel gewissermaßen die Rollen. Es liegt dann nicht, wie
in den gezeigten Beispielen, die spiegelnde Außenfläche im Innern des Prüflings,
sondern es ragt umgekehrt der Prüfling in das Innere der im allgemeinen hohlen Spiegelfläche.
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Dem Beobachter zeigt sich im Gesichtsfeld des Geräts ein ebenes Bild
der gesamten Prüflingsfläche.
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Sie erscheint je nach den vorhandenen Formfehlern mit Interferenzstreifen
oder -kurven bzw. -flecken überzogen, aus deren Lage, Anzahl und Bewegungsrichtung
Art und Größe der Formfehler sofort auf den ersten Blick zu erkennen sind. Sämtliche
Abweichungen von Ider Sollform sind leicht zu überblicken, auch zu lokalisieren,
und es kann die Messung der Formfehler durch bloßes Abzählen der sichtbaren Interferenzkurven
oder -flecken erfolgen, wobei der Prüfling so einzustellen ist, daß die Streifenzahl
ein Minimum wird. Es ist jedoch auch möglich, die Streifenzahl bei einer solchen
Lage Ides Prüflings gegen die Sollfläche zu zählen, welche die funktionsbedingte
Gebrauchslage vorstellt, oder- den Prüfling absichtlich in eine verschobene, verdrehte
usw. Lage zu bringen, um am Verlauf der Interferenzerscheinung die Formfehler im
Detail zu studieren.
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Selbstverständlich sinld neben den makrogeometrischen Formfehlern
auch die innerhalb kleiner Flächenbereiche auftretenden, mikrogeometrischen Formfehler
(Rauhigkeiten) in der bekannten Weise an den Ausbuchtungen und Zacken der Interferenzkurven
zu erkennen.
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Die Genauigkeit des IMeß- bzw. Prüfungsergebnisses ist natürlich
von der Genauigkeit der abbildenden Spiegelflächen abhängig. Die Feststellung kleiner
Fehler an den Spiegeln kann ähnlich wie bei ebenen Spiegeln dadurch erfolgen, Idaß
etwa die Prüffläche in sich verschoben wird. So kann man z. B. bei Kegelspiegeln
zur Formleessung an Zylindern die Querschnittsfehler dadurch feststellen, daß man
den Prüfling etwa um seine Achse etwas dreht und wieder in Meßstellung bringt.
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Interferenzkurven oder -flecken, die dabei an der gleichen Stelle
des Gesichtsfeldes -wieder auftauchen, sind auf Spiegelfetder zurückzuführen. Sie
lassen sich auf diese Weise erkennen und durch örtliche Nacharbeit beseitigen. Eine
Verschiebung des Prüflings in Richtung seiner Achse deckt in analoger Weise die
Abweichungen der Längsschnitte des Kegelspiegels von geraden Linien auf. Um den
Öffnungswinkel des Kegelspiegels zu prüfen, wind der Prüfling in gestürzter Lage
untersucht, bei der also der früher obenliegenide Rand jetzt nach unten kommt. Fehler
im Öffnungswinkel des Kegelspiegels verraten sich sofort Idadurch, daß die von ihnen
verursachten Interferenzerscheinungen an gleicher Stelle verbleiben, während die
von den Prüflingsfehlern stammenden Interferenzbilder auf den Kopf gestellt erscheinen.
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Bei allgemeinen Flächen, die keine Verschiebung in sich erlauben,
ist eine solche Selbstkontrolle der Spiegelfläche nicht möglich. Sie ist dann mit
den üblichen Werkstatts, und Laboratorienmeßmitteln, wie Feintaster, Meßmikroskope
u. dgl., nachzuprüfen. Die GenNauiglçeit der Formmessung ist durch die so bedingte
Genauigkeit des Spiegels begrenzt. Wenn auch in diesen Fällen mit geringeren Meßgenauigkeiten
gerechnet werden muß, wird doch gerade bei solchen Prüfflächen die Formmessung durch
Idas interferentielle Formmeßverfahren überhaupt erst möglich gemacht.