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Rauhigkeitsmeßvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Rauhigkeitsmeßvorrichtung
mit einem piezoelektrischen, die Unebenheiten der zu untersuchenden Oberfläche abtastenden
und in elektrische Spannungen umwandelnden Tastkopf und einem Anzeigeverstärker
für die elektrischen Spannungen. Mit derartigen Vorrichtungen ist es möglich, die
Beschaffenheit der Oberfläche von bearbeiteten Maschinenteilen u. dgl. zu messen,
und zwar handelt es sich hierbei um eine Vergleichsmessung. Die Rauhigkeit des Werkstückes
wird dabei mit der Rauhigkeit eines Normals verglichen, und als Rauhigkeitsmaß dient
der mittlere Abstandsunterschied zwischen den Spitzen der Oberflächenunebenheiten
und einer durch die Unebenheiten laufenden Mittellinie.
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Bei den für diesen Zweck bekanntgewordenen Meßeinrichtungen ist ein
Tastkopf vorgesehen, der mit der Hand über die zu untersuchende Oberfläche bewegt
wird. Die hierbei in dem Tastkopf erzeugte elektrische Spannung ist der Rauhigkeit
proportional. Der Tastkopf besteht im wesentlichen aus einem Gehäuse, das an seiner
Unterseite einen Führungsstift trägt und in dem ein Plättchen mit piezoelektrischen
Eigenschaften angeordnet ist.
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Dieses Plättchen besitzt an seinem freien Ende einen Fühlstift, der
unten aus dem Gehäuse herausragt.
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Beim Bewegen des Tastkopfes folgt der Führungsstift den kleinen Unebenheiten
der Oberfläche nicht, im Gegensatz zu dem Fühlstift, der bei seiner durch die Unebenheiten
bedingten Vertikalbewegung entsprechende piezoelektrische Spannungen erzeugt.
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Ein Nachteil dieser bekannten RauhigkeitsmeB-vorrichtung besteht
darin, daß die Führung des Tastkopfes von Hand erhebliche Übung voraussetzt, um
sichere und reproduzierbare Meßergeb-
nisse zu erzielen. Diese Übung-
kann aber nicht in allen Fällen vorausgesetzt werden, und man hat daher bereits
versucht, diesem Nachteil durch einen maschinellen Antrieb des Tastkopfes zu begegnen.
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Man hat also eine Einrichtung geschaffen, in die der Tastkopf eingespannt
werden konnte und die beispielsweise mittels eines kleinen Elektromotors, der mit
einem Untersetzungsgetriebe und einem Kurbelgetriebe od. dgl. versehen war, den
Tastkopf in waagerechter Richtung über die zu messende Oberfläche hin und her bewegte.
Hierbei hat sich jedoch ergeben, daß die gewünschte Meßsicherheit damit zwar erreicht,
die Empfindlichkeit der Anzeige aber merklich herabgesetzt wurde.
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Die Erfindung hat sich zum Ziele gesetzt, diesen Nachteil zu beseitigen
und beruht auf der Erkenntnis, daß die durch den motorischen Antrieb unvermeidlichen
Vibrationen vom Tastkopf ferngehalten werden müssen, da sie sich auf das piezoelektrische
Umformerelement übertragen und in diesem eine Störspannung erzeugen, die die Meßerripfindlichkeit
erheblich herabsetzt. Bei kleinen Rauhigkeitsgraden gelangt nämlich die von der
Rauhigkeit erzeugte elektrische Spannung in die Größenordnung der Störspannung.
Die Erfindung kennzeichnet sich dementsprechend dadurch, daß ein die Unsicherheit
manueller Tasterführung ausschließender elektromechanischer Tastkopfantrieb vorgesehen
ist, bei dem durch geeigneteDämpfungsmittel nicht von der Meßfläche herrührende
Vibrationen vom piezoelektrischen Umformer ferngehalten werden.
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Besteht das Antriebsmittel des Tastkopfes aus einem Elektromotor
mit Untersetzungs- und Kurbeltrieb, so kann die Erfindung zweckmäßig in der Weise
ausgebildet sein, daß der Tastkopf über ein Dämpfungsglied, vorzugsweise aus Schwammgummi,
mit dem Kurbeltrieb gekuppelt ist. Dieses Dämpfungsglied überträgt sodann die Meßbewegung
auf den Tastkopf, hält aber Vibrationen des im allgemeinen verhältnismäßig schnell
laufenden Motors vom Tastkopf fern.
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Eine Rauhigkeitsmeßvorrichtung nach der Erfindung kann zweckmäßig
auch derart ausgestaltet sein, daß als dämpfendes Kupplungsglied zwischen dem mit
einer Untersetzung ausgerüsteten Antriebsmotor und dem Tastkopf eine biegsame Welle
Verwendung findet, wobei das Tastkopfgehäuse stillstehend angeordnet und der piezoelektrische
Umformer in ihm in seiner Längsrichtung verschiebbar gelagert ist. Hierbei kann
die Drehung der flexiblen Welle beispielsweise durch ein taumelscheibenähnliches
Glied auf das Piezoelement übertragen werden, und es ergibt sich der Vorteil, daß
der Tastkopf von Hand an die zu messende Stelle gebracht werden kann, dort aber
nicht weiterbewegt zu werden braucht. Durch Anordnung mehrerer Führungsstifte am
Tastkopf läßt sich eine sichere Auflage erzielen, so daß eine einwandfreie Messung
gewährleistet ist. Es hat sich gezeigt; daß eine solche biegsame Welle eine genügende
Dämpfung für die Vibrationen des Antriebs besitzt, so daß die volle Meßempfindlichkeit
erzielbar ist.
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Eine andere- zweckmäßige Ausbildung der Erfindung besteht darin,
daß der im ruhenden Tastkopf angeordnete Piezoumformer durch eine Magnetanordnung,
die im Tastkopf untergebracht ist und mit einem Wechselstrom sehr niedriger Frequenz
gespeist wird, seine Längsverschiebung erfährt und durch Luftpolster in seiner Bewegung
gedämpft ist. Hierbei wird der Vorteil erhalten, daß durch Vermeidung eines motorischen
Antriebs Vibrationen von vornherein ausgeschlossen sind, während durch die Speisung
mit einem Wechselstrom sehr niedriger Frequenz auch Störspannungen kaum unmittelbar
auf kapazitivem oder induktivemWege auf die Meßleitungen gelangen können.
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Um die bei der jeweiligen Bewegungsumkehr des oszillierenden Antriebs
möglicherweise auftretenden Erschütterungen aufzufangen bzw. vom Piezoumformer fernzuhalten,
ist die erwähnte Luftpolsterdämpfung vorgesehen.
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Die Erfindung wird an Hand einiger in der Zeichnung schematisch dargestellter
Ausführungsbeispiele des näheren erläutert, und zwar zeigt Fig. I eine Vorrichtung
nach der Erfindung, bei der der Tastkopf durch einen Elektromotor über ein Schneckengetriebe
und eine Kurbelschleife angetrieben wird, im Aufriß, Fig. 2 die gleiche Einrichtung
im Grundriß, Fig. 3 einen Tastkopf mit längsverschiebbarem Piezoumformer und Antrieb
über eine biegsame Welle, und Fig. 4 einen Tastkopf mit einer eingebauten, den Piezoumformer
antreibenden Magnetanordnung.
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In Fig. I und 2 ist der Tastkopf üblicher Ausführung mit I bezeichnet.
Zu seinem Antrieb dient ein Elektromotor 2, der an einem Stativ 3 in der Höhe verstellbar
angeordnet ist und durch eine Klemmvorrichtung 4 in jeder beliebigen Lage festgestellt
werden kann. Der Motor 2 ist mit einem Schneckenuntersetzungsgetriebe 5 ausgerüstet,
das die Drehzahl auf den für die Meßbewegung brauchbaren Wert von etwa 2 bis 3 Umläufen
pro Sekunde herabsetzt und über eine Kurbelschleife 6 ein Gestänge 7, 8 antreibt,
an dessen Ende der Tastkopf I gehaltert ist. Um eine Beschädigung des Tastkopfes
zu vermeiden, soll dieser stets auf dem Werkstück 9 leicht, d. h. etwa mit seinem
Eigengewicht, aufliegen. Daher ist zwischen den Teilen 7 und 8 des Gestänges ein
Gelenk 10 vorgesehen, das etwa nach Art des Ellenbogengelenkes ein Anlüften des
Tastkopfes I nach oben erlaubt, ein Abwärts senken über die Waagerechte hinaus aber
verhindert.
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Ist der Tastkopf I starr mit dem Gestänge 7, 8 verbunden, so übertragen
sich offenbar die Vibrationen des Motors. 2 unmittelbar auf den Tastkopf I und können
in seinem Piezoumformer eine Störspannung erzeugen. Um dies zu vermeiden, ist zwischen
dem Gestänge 7, 8 und dem Tastkopf I ein Dämpfungsglied in Gestalt eines Schwammgummi
futters II vorgesehen, das die mechanische Kupplung zwischen diesen beiden Teilen
herstellt, eine Übertragung der Vibrationen aber verhindert.
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In Fig. 3 ist ein Tastkopf im Schnitt im Auf-und Grundriß dargestellt
mit einem Gehäuse 2I, das an seinem vorderen Ende einen Führungsstift 22 unten herausragend
trägt. Im Gehäuse ist ein Gleitkörper 23 längsverschiebbar angeordnet, der einseitig
einen Fortsatz 24 aufweist, mit dem er sich unter dem Einfluß einer Feder 25 gegen
die schräge Vorderfläche eines taumelscheibenartigen Gliedes 26 stützt. Das letztere
besitzt einen Wellenzapfen27, der links aus dem Gehäuse 21 herausragt und mittels
der aus den Spiralen 28 und dem Spiralschlauch 29 bestehenden biegsamen Welle angetrieben
wird. Weiterhin ist im Gleitkörper 23 ein piezoelektrischer Umformer 30 befestigt,
der an seinem vorderen Ende mit einem Fühlstift 3I ausgerüstet ist. Außer dem Führungsstift
22 ist noch mindestens ein weiterer Führungsstift 33 am Gehäuse2I befestigt. Im
Oberteil des Gehäuses mündet ein Kabel 34 von zweckmäßig konzentrischer Bauart,
an das unterhalb eines Gehäusedeckels 35 die Zuführungsleiter 36 des Piezoumformers
angeschlossen sind.
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Setzt man den in Fig. 3 dargestellten Tastkopf so auf die bezüglich
ihrer Rauhigkeit zu untersuchende Werkstückoberfläche, daß die Führungsstifte 22,
23 fest aufruhen, und rotiert gleichzeitig die biegsame Welle 28, 29, so wird hierdurch
das Gleitstück 23 in eine längsgerichtete Hinundherbewegung versetzt. Dementsprechend
wird der auf der Werkstückoberfläche aufrubende Fühlstift 3I bewegt und vermittelt
elektrische Spannungen an das Kabel 34 und den an dieses angeschlossenen Verstärker,
die der Rauhigkeit der Werkstückoberfläche proportional sind. Vibrationen des den
Antrieb bewirkenden Motors können über die biegsame Welle 28, 29 nicht auf den Tastkopf
übertragen werden, so daß die an das Kabel 34 abgegebenen Spannungen frei von Störspannungen
sind.
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Bei dem in Fig. 4 dargestellten Tastkopf ist von vornherein der Entstehung
von störenden Vibrationen dadurch vorgebeugt, daß an Stelle eines Elektromotors
eine Magnetanordnung als Antrieb benutzt wird. Hierbei besteht das Gehäuse 41 des
Tastkopfes aus ferromagnetischem Material und trägt in entsprechenden ringförmigen
Ausnehmungen zwei Spulen 42 und 43. Diese werden aus einer Wechselstromquelle gespeist,
deren Frequenz etwa 2 bis 3 Hz beträgt und die zweckmäßig mit dem Anzeigeverstärker
des Rauhigkeitsmeßgerätes räumlich vereinigt ist. Als Wechselstromquelle kann beispielsweise
eine Röhrenkippschaltung dienen, die rechteckige gleichlange Impulse liefert, wobei
aber vorteilhaft die Rechteckform durch entsprechende Filteranordnungen stark abgerundet
ist, so daß sie sich der Sinusform nähert. Diese Maßnahme ist zweckmäßig, um einen
weichen Gang der Vorrichtung zu erzielen und gleichzeitig eine kapazitive oder induktive
Übertragung dieser Spannung auf den Meßteil zu erschweren oder zu verhüten. Die
Spulen 42 und 43 sind so geschaltet, daß im Tastkörper 41 der Reihe nach abwechselnd
magnetische Nord- und Südpole entstehen, die ihre Polarität im Takte der speisenden
Frequenz wechseln.
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Auf einem Führungsstab 44 im Innern des Tastkörpergehäuses ist ein
stabförmiger Dauermagnet 45 befestigt, und der Führungsstab ist in Lagerungen 46
längsverschiebbar angeordnet. Unter dem Einfluß der wechselnden Magnetisierung des
Gehäuses 42 erfolgt demnach eine hin und her gehende Längsverschiebung des Magnetstabes
45 bzw. des Führungsstabes44. Letzterer trägt an seinem einen äußeren Ende den Piezoumformer
47, der auf diese Weise die für die Messung erforderlichen Längsbewegungen ausführt.
Für den Anschluß des Anzeigeverstärkers einerseits und der niederfrequenten Speisestromquelle
andererseits ist am Ende des Tastkopfes eine Buchsenanordnung 48 vorgesehen, die
mit Hilfe eines entsprechenden Steckers und eines mehradrigen abgeschirmten Kabels
mit dem Anzeigeverstärker bzw. der Stromquelle verbunden wird.
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Durch Anwendung einer Kurvenform, die wenigstens, wie beschrieben,
annähernd der Sinusform entspricht, wird eine sehr gleichmäßige Bewegung des Piezoumformers
47 erreicht. Darüber hinaus dienen die rechts und links des Stabmagneten 45 zwischen
diesem und den Lagerungen46 vorhandenen ringförmigen Lufträume dadurch als Polster,
die die Bewegung noch weiter dämpfen, daß sie mit der Außenluft über entsprechend
knapp bemessene, nicht weiter dargestellte, enge Kanäle verbunden sind. Im allgemeinen
genügt hierfür das unvermeidliche Spiel zwischen dem Führungsstift 44 und den Bohrungen
in den Lagerungen 46. Es sei noch erwähnt, daß der Führungsstab 44 wenigstens an
einem Ende rechteckigen Querschnitt aufweisen sollte, damit eine Drehung des Magneten45
um seine Längsachse und damit ein Abheben des Fühlstiftes 49 von der Werkstückoberfläche
verhindert wird.