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Einrichtung zur Abtastung von Oberflächen und Modellen Gegenstand
der Erfindung ist eine Einrichtung zur reibungslosen Abtastung von Oberflächen für
Geräte zur Messung der Oberflächengüte und zum Kopieren von Modellen, z. B. durch
Kopierfräsen, unter Verwendung eines vibrierenden Tasters.
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Zum Abtasten von Oberflächen hat Woxen eine Einrichtung angegeben,
bei der ein Fühl'hebelinstrument verwendet wird. Die Tastspitze dieses Fühl'hebelinstrumentes
wird, nachdem sie höher als die höchsten Erhebungen des Oberflächengebirges angehoben
worden ist, abgesenkt, bis sie auf, die Oberfläche aufsetzt. Der Ausschlag des Zeigers
des Fühlhebelinstrumentes. wird abgelesen und auf Millimeterpapier aufgetragen.
Darauf wird die Oberfläche um einen gewissen Betrag unter dem vorher angehobenen
Taster des. Fü'hl'hebelinstrumentes weitergeführt- und dieser von neuem aufgesetzt.
Auf diese Weise wird die ganze Oberfläche punktweise abgetastet. Der Vorgang ist
außerordentlich langwierig, da eine selbsttätige Aufzeichnung nicht erfolgt und
außerdem die Tastspitze sehr hoch angehoben werden muß. Um keine Beschädigungen
der Oberfläche zu erzeugen, muß das Absenken langsam erfolgen. Hierdurch erklärt
sich die lange Zeitdauer.
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Dieses Verfahren wurde von Fo r s t e r -dadurch verbessert, daß er
den Taster über die Oberfläche ständig gleichmäßig bewegt, wie es vorher bei der
Abtastung von Oberflächen bereits üblich war. Der auf der Oberfläche gleitende Taster
wird nun durch einen Impuls in die Höhe geschlagen und fällt durch sein Eigengewicht
wieder auf die Oberfläche herab.
Die Einrichtung hierzu ist folgende:
Der Taststift wird in einer langen geläppten Führung geführt und besitzt unterhalb
der Führung einen Bund. Gegen diesen Bund schlägt ein Schlaghebel, der durch einen
kleinen Motor mit Exzenter angehoben wird und dann frei gegen den Bund schlägt.
Durch den Schlag auf den Bund wird der Taststift in der geläppten Führung "hochgeschleudert
und fällt dann durch sein Eigengewicht wieder herab. Der Taststift wird nicht so
hoch gehoben wie bei der Einrichtung von Wo xen.
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Der Nachteil dieser Einrichtung von Forste r ist folgender: Der Taststift
gleitet den größten Teil der Zeit auf der Oberfläche; nur während der Zeit, in der
der Schlagimpuls auf ihn wirkt, wird er von der Oberfläche abgehoben. Dies dauert
aber nur den Bruchteil der Zeit während der er auf der Oberfläche selbst aufliegt.
Hierdurch wird das Profil der Oberfläche aber ebenso beschädigt wie bei der Abtastung
ohne Impulseffekt. Ein weiterer Nachteil ist in dem Impulseffekt selbst zu erblicken.
Der hochgeschlagene Taststift fällt durch sein Eigengewicht wieder herab. Infolgedessen
tritt zu der statischen Belastung, die der Taststift auf die Oberfläche ausübt,
noch eine dynamische Stoßbelastung hinzu, die in ihrer Größe gar nicht zu erfassen
ist. Die Oberfläche wird durch sie verletzt, und zwar nicht geritzt, sondern eingeschlagen
und dies erheblich mehr als bei statischer Abtastung. Außerdem ist durch den Bearbeitungsvorgang
die Oberfläche verschieden aufgerissen und, daher auch verschieden elastisch. Die
herabfallende Tastnadel wird daher das eine Mal mehr, das andere Mal weniger tief
in die Oberfläche eindringen, wodurch dasMeßergebnis ungenau wird.
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Der größte Nachteil liegt aber darin, daß der Taster in einer Längsführung
geführt werden muß, die erstens Spiel und zweitens Reibung hat. Hierdurch ergibt
sich zwangsläufig die Notwendigkeit der Verwendung des Impulseffektes, um Spiel
und Reibung in der Führung zu verhindern, nicht aber zwischen Tastnadel und Oberfläche.
Das bisher allgemein verwendete Kreuzfedergelenkkahn aber mit dem Impulseffekt zusammen
nicht verwendet werden, weil dann das ganze System, eben wegen der fehlenden Reibung
in der Führung, -in wilde Schwingungen geraten würde. Dadurch würde aber die Messung
völlig unmöglich- werden.
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Bei den Kopiermaschinen und Apparaten sind vibrierende Taster bisher
noch nicht bekanntgeworden. Bei ihnen spielten bisher die Reibungsverhältnisse nicht
die Rolle wie bei der Oberflächenmessung, weil genügend große Antriebskräfte vorhanden
waren. Infolgedessen mußte man in Kauf nehmen, .daß das ahzutastende Modell aus
einer festen Masse, z. B. Metall oder Gips, herzustellen war und daß die Reibung
in den Übertragungsgliedern, Gelenken und Kontakten zu Verzerrungen der zu übertragenden
Form führte.
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Diese oben gekennzeichneten Nachteile werden durch -die vorliegende
Erfindung beseitigt, so daß ein wesentlicher Fortschritt gegenüber dem bisherigen
Stand der Technik erzielt wird. Der Grundgedanke der Erfindung ist, den Taster oder
Taststift durch eine sinusförmige Schwingung derart zu erregen, daß die Berührung
der Oberfläche gerade im unteren Umkehrpunkt der Schwingung erfolgt, also zu einem
Zeitpunkt, wo die Auftreffgeschwindigkeit des Tasters auf die Oberfläche sehr klein
ist. Durch die sinusförmige Schwingung wird außerdem erreicht, daß bei kontinuierlichem
Vorschub gegenüber der abzutastenden Oberfläche die Berührung selbst nur kurz gegenüber
der Vorschubzeit ist, daß also der kontinuierliche Vorschub bei abgehobener Tastnadel
erfolgt und ,der Taster das Oberflächenprofil punktweise abfühlt. Weiterhin gehört
es zu dem grundsätzlichen Gedanken der Erfindung, daß das gesamte Tastsystem, bestehend
aus Taster, Drehpunkt oder Gelenk und Fühler, der die Auslenkungen vergrößert oder
überträgt, auf die Schwingungen abgestimmt ist, d. h. auf die Schwingung oder eine
Harmonische in Resonanz ist. Hierdurch wird erreicht, daß `keinerlei wilde Schwingungen
in das System hineinkommen, ein geringer Energieaufwand für die Erregung notwendig
ist und die Vibrationen über die Oberfläche tatsächlich mit geringster Auftreffgeschwindgkeit
erfolgen.
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Wesentlich ist, daß in jeder Auslenkungslage des gesamten Tastsystems
dieses so ausgeglichen ist, daß gleichmäßige Resonanz erhalten bleibt. Bisher war
bei derartigen Systemen mit zunehmender Auslenkung eine Vermehrung oder Verminderung
des statischen Druckes auf die Oberfläche verbunden.
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Bei der Erfindung wird der einmal eingestellte statische Druck in
jeder Auslenkungslage erhalten, dadurch daß durch zusätzliche Mittel, z. B. elektrische
Einwirkung auf das System, ein konstanter Andruck erhalten bleibt.
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Die Ausführung der Erfindung wird durch die Abb. i bis 8 verdeutlicht.
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Abb. i zeigt zunächst @die grundsätzliche Ausführung der Abtastung
nach Woxen. Von einer über den höchsten Erhebungen der Oberfläche i liegenden Linie
z, die in gleichmäßige Abschnitte unterteilt ist, wird die Absenkungstiefe 3 bis
auf die Oberfläche i gemessen. Durch graphische Auftragung erhält man dann ein Oberflächenprofil
q., welches von dem natürlichen selbstverständlich abweichen muß. Die Messung dauert
sehr lange, da stets der große Abstand zwischen li und 2 durchmessen werden muß
und hierbei die Absenkungsgeschwind'igkeiten nicht groß werden dürfen, um eine Verletzung
der Oberfläche zu vermeiden. Allerdings findet keinerlei Verschiebung der Tastnadelspitze
auf der Oberfläche statt, so daß die Tastnadelabrundung sehr klein- sein kann, wenn
deren statische Belastung klein gewählt wird.
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Abb. 2 zeigt die grundsätzlicheArtderAbtastung nach F o r s.te r .
Hier ist das, große Abheben der Tastnadel zwar vermieden, dafür gleitet die Tastnädel
aber auf der Oberfläche. In bestimmten Intervallen wird sie nun durch einen Schlag
auf den Bund' des Tasters in die Höhe geworfen und fällt
unter dem
Eigengewicht auf die Oberfläche herab. Die Zeit, während deren die Nadel auf der
Oberfläche gleitet, ist sehr groß gegenüber der Abhebezeit durch den Schlagimpuls.
Es kann daher die Tastnadelabrundung auch nicht wesentlich herabgesetzt werden,
wenn man eine Verletzung der Oberfläche vermeiden will. Weiterhin tritt zu der statischen
Belastung der Nadelspitze noch die dynamische durch den Aufprall auf die Oberfläche,
deren Größe sich überhaupt nicht erfassen läßt. Die dynamische Belastung ist aber
vielmals größer (mehr als zehnfach) als die statische.
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Im Gegensatz hierzu zeigt die Abb. 3 das Wesen der Erfindung. Die
Tastnadelspitze beschreibt eine sinusförmige Schwingung 6 und berührt die Oberfläche
i nur im untersten Punkt der Schwingung. Hierdurch ist eine sehr bringe Geschwindigkeit
der Tastnadel und damit keine zusätzliche dynamische Beanspruchung der Oberfläche
zum statischen Tastdruck erreicht. Außerdem berührt die Tastnadel nur punktförmig,
während sie den größten Teil der Zeit, in der der Taster gleichmäßig gegenüber der
Oberfläche bewegt wird, abgehoben ist. Das Anzeigeinstrument besitzt eine solche
Trägheit, daß es die Vibrationen .der Tastnadel nicht mit aufzeichnet, sondern ausgleicht.
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Abb. q. stellt das Gerät dar. i ist die abzutastende Oberfläche, die
sich horizontal gegenüber dem Test-. Stift 7 bewegt (oder umgekehrt). Die Tastnadel
7 befindet sich an dem Hebel 8, der in 9 reibungsfrei, z, B. in einem Isreuzfedergelenk,
gelagert ist. Er trägt an seinem anderen Ende einen Fühler io, der aus einem beliebigen
elektrischen, mechanischen oder optischen Fühler (Kondensator; Induktionsspule,
Widerstand, Blende einer Fotozelle, Spiegel usw.) bestehen kann: Der Fühler .erzeugt
bei 14. eine elektrische Spannungs- oder Stromänderung, die nach Verstärkung aufgezeichnet
werden kann, oder die Auslenkung eines Lichtstrahles zur direkten Aufzeichnung auf
fotografischem Papier oder zur Beeinflussung einer Fotozelle.
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An dem Hebel 8 befindet sich der kleine Anker i i, :der in eine Spule
12 taucht, die außerhalb befestigt ist und von einem Wechselstrom 13 durchflossen
wird. Hierdurch gerät der Hebel 8 und damit 7 und io in Schwingungen. Das Wesentliche
ist nun, daß durch diesen Wechselstrom das ganze System 7, 8; io infolge seiner
Bemessung in Resonanz gerät, und zwar zur Grund- oder einer Oberschwingung. Es ist
dabei gleichgültig, wo das Schwingungssystem angebracht ist, sei es wie hier über
der Tastnadel oder an derer Stelle des Hebels B. Die Erregung 'kann auch in anderer
Weise, z. B. durch einen Hufeisenmagneten, kapazitiv oder durch einen mechanischen
Schwingungsgenerator erfolgen, vorausgesetzt, daß hierdurch das ganze System 7,
B. '1o in sinusförmige Resonanz gerät.
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Abb..I zeigt ferner mehrere Möglichkeiten zum Gewichtsausgleich. In
Abb. 5 sinddiegrundsätzlichen Verhältnisse dargestellt. In der Stellung bist normalerweise
bei einem Federgelenk Gleichgewicht. Wird nun die Tastnadel 7 aus der Stellung 7b
in die Stellung 71t gebracht, dann nimmt der Druck auf die Unterlage zu. Auf diese
Weise wird der Tastdruck hergestellt. Zur Resonanz des Systems ist es nun notwendig,
daß der Tastdruck in jeder Lage gleichmäßig ist. Es muß also die eine Seite des
Hebels in der Stellung a entlastet werden (Abb. d. und 5). An einem in 17 beweglich
gelagerten Hebel 15 ist ein kleines Gewicht 16 befestigt, das zugleich der Anker
eines außen befestigten Magneten 2o ist. Dieser trägt eine Spule 21, die durch einen
Gleichstrom 22 durchflossen wird. Der Hebel 15 wird gegen Umkippen durch den Anschlag
18 gesichert und erhält. durch- die Federig eine solche Rückstellkraft, daß sich
16 in einer bestimmten Entfernung von 2o hält. Durch die entsprechende Formung des
Polschuhes von 2o kann nun bei einer Auslenkung von 8 durch Verlagerung.von 16 und
eines Anteiles von 15 das Übergewicht auf der Tastnadelseite 7 in jeder Stellung
konstant gehalten werden.
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Eine weitere Möglichkeit der Gewichtskonstanthaltung läßt Abb. q.
durch die Verwendung des Ankers i i zusammen mit der der Spule 12 erreichen: Wird
der Anker i i z. B. rechts von dem Drehpunkt 9 angebracht, so wird er bei der Auslenkung
des Hebels: 8 aus der Stellung b in die Stellung a aus der Spule 12 herausgezogen.
Läßt man nun durch diese Spule Gleichstrom fließen, so werden die Zugkräfte auf
den Anker 1,1 am größten, wenn der Anker fast aus der Spule herausgezogen ist, am
kleinsten, wenn er sich mitten in der Spule befindet. Die Spule 1a befindet sich
außen am Gehäuse, kann also in der Höhe verstellt werden. Außerdem läßt sich die
Wicklung so bemessen und der sie durchfließende Strom so beeinflussen, daß die gewünschte
Konstanthaltung des Andruckes erreicht wird. Ein besonderer Vorteil ist, daß die
Spule gleichzeitig durch Beaufschlagung mit Wechselstrom zur Schwingungserregung
des Tastsystems benutzt werden kann.
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Die Konstanthaltung des Andruckes kann auch mit rein mechanischen
Mitteln erreicht werden indem z. B. ein Gewicht infolge der Auslenkung entsprechend
verschoben wird.
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Es ist nun möglich, die Schwingung durch die Berührung der Tastspitze
mit der Oberfläche zu steuern. Abb. 6 zeigt, daß die Spule 12 in den Anodenkreis
einer Elektronenröhre 24 gelegt ist. Der aus der Batterie 29 fließende Anodenstrom
ist gestopft, da das Gitter 26 der Röhre 24 über 28 an hoher negativer Gittervorspannung
liegt. Andererseits ist: der Taster 7 mit dem Gitter 26 und die Oberfläche i mit
einem Punkt geringer negativer Gittervorspannung verbunden. Berührt nun 7 die Oberfläche
i, so bricht die Gittervorspannung zusammen, der Anodenstrom aus 29 fließt durch
die Spule 12, da die Röhre 24 nicht mehr gestopft ist. Die Tastna@del 7 wird daraufhin
von. der Oberfläche abgehoben. Durch das Abheben wird das Gitter wieder gestopft,
der Anodenstrom unterbrochen, die Anziehung hört auf, die Tastnadel kehrt wieder
um. Da das ganze System 7, 8, !io auf Resonanz abgestimmt ist, entstehen keine wilden,
sondern
genau definierte Schwingungen. Da die Gittersteuerung leistungslos
arbeitet, können auch an der Tastnadelspitze keine Funken auftreten, die die Spitze
bzw. die Oberfläche beschädigen.
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Eine weitere Verbesserung läßt sich noch durch folgende Maßnahme erzielen.
Legt man wie in Abb. 7 an die Tastsp.itze 7 eine genügend hohe Spannung 34 so bildet
sich um- die Spitze ein Feld 3o, das nach "der Spitze zu außerordentlich scharf
ausläuft. Man braucht also mit der Spitze 7 gar nicht die Oberfläche i in Abb. 6
zu berühren, sondern es erfolgt die Freigabe des Anodenstromes bereits in einer
gewissen Entfernung der Spitze 7 von der Oberfläche i. Auf diese Weise ist einmal
eine berührungslose Abtastung erreicht worden und zum zweiten mit einer - Tastnadelkrümmung,
die unter der von mechanischen Tastnadeln liegt, da das. elektrische Feld an der
Spitze schärfer als die mechanische Spitze zusammengezogen ist.
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Abb. 8 zeigt eine Abschirmung der elektrischen Tastnadel. Die eigentliche
elektrische Nadel ? ist von einer Isolierung 32 und einer Abschirmung 33 umgeben.
An 7 liegt die Spannung 35, es bildet sich die elektrische Spitze 3q.. Die Abschirmung
33 befindet sich nur im unteren Teil der Nadel 7, um diese gegenhohe Berge
des Oberflächengebirges abzuschirmen. Die weitere Verbesserung wird durch die Verwendung
eines bestimmten Materials für die Tastspitze 7 erzielt, bei dem bereits durch Anlegen
geringerer Spannungen 35 Elektronen aus der Spitze zum Austreten gebracht werden
können. Geeignetes Material - ist z. B. Wolfram, Aluminium usw., aber auch Stahl
mit einem Überzug von Cäsium, Barium usw. Die Abschirmung 33 kann aber auch so ausgebildetwerden,
daß sie älsDrahtsp.irale um die Nadel 7 gelegt wird. Wird diese Drahtspirale von
einem elektrischen Strom,durchflossen, so wird 7 erwärmt und der Elektronenaustritt
erleichtert. Umströmen von - 7 mit Gas, z. B. Stickstoff, Neon (eingetragenes Warenzeichen),
Argon usw., ergibt eine weitere Steigerung.
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Durch diese Mittel wird die elektrische Spitze zur berührungslosen
Abtastung noch schärfer. Durch die vibrierende Abtastung, sei es mit Berührung als
auch ohne Berührung der Oberfläche ist eine wesentliche Verbesserung der Geräte
-zur Abtastung von Oberflächen und zum Kopieren derselben erreicht worden.