DE977396C

DE977396C - Oberflaechenpruefer mit Anzeige mehrerer Oberflaechenmasszahlen

Info

Publication number: DE977396C
Application number: DE1949P0000131
Authority: DE
Inventors: Johannes Dr-Ing Perthen
Original assignee: Dr-Ing Johannes Perthen Hannover
Current assignee: Dr-Ing Johannes Perthen Hannover
Priority date: 1949-10-28
Filing date: 1949-10-28
Publication date: 1966-04-07

Description

Oberflächenprüfer mit Anzeige mehrerer Oberflächenmaßzahlen Gegenstand der Erfindung ist ein Gerät für eine umfassende Kennzeichnung der Rauhigkeit und Welligkeit von Oberflächen durch Anzeige mehrerer geometrischer Oberflächenmaßzahlen, die Längen darstellen oder auf diese zurückgehen.
Diese Maßzahlen sind: die größte Höhe bzw. die Rauhtiefe, die Glättungsgröße, die mittlere Höhe bzw. die mittlere Rauhtiefe, der Völligkeitsgrad, der Traganteil, der Riefenabstand, der arithmetische und der geometrische Mittelwert und vor allem ein Meßwert für die Profilform.
Ein Oberflächenprüfgerät. das alle diese Maßzahlen anzeigen kann, gibt eine so erschöpfende Aussage über die Oberflächengestalt, daß es an Hand dieser Meßwerte möglich ist, einander stets gleichende Oberflächen zu erzeugen. Ein derartiges Gerät ist außerordentlich nützlich.
Das Oherflächenprüfgerät nach der Erfindung tastet die Oberfläche mit einem mechanischen Taststift ab, der parallel zu der zu prüfenden Oberfläche verschoben wird und der durch die Rauhigkeit und Welligkeit der Oberfläche senkrecht zu ihr ausgelenkt wird. Nach elektrischer Verstärkung dieser Bewegungen erfolgt dann eine die Oberfläche keunzeichnende Anzeige von Oberflächenmaßzahlen.
Es sind nun Oberflächenmeßgeräte nach dem Tastverfabren bekannt, an deren Verstärkerausgang ein Diagrammschreiber, eine Kathodenstrahl röhre mit langer Nachleuchtdauer und ein sehr träges Galvanometer angeschlossen sind. Der Diagrammschreiber zeichnet auf das ablaufende Registrierpapier das vergrößerte Profilbild der Oberfläche auf. Dasselbe Bild vermittelt die Kathoden strahlröhre, wenn deren Lichtpunkt in horizontaler Richtung zeitproportional, in vertikaler Richtung durch die Verstärkerspannung abgelenkt wird.
Beide Einrichtungen vermitteln also ein Bild der Oberfläche.
Wird bei dem Kathodenstrahloszillographen die zeitproportionale horizontale Ablenkspannung abgeschaltet dann beschreibt der Lichtpunkt des Kathodenstrahloszillographen auf dessen Schirm einen geraden Strich. Durch Anlegen eines Maßstabes an diesen Strich könnte man dessen Länge, die allerdings wegen des durch den Abtastvorgang nach Höhe und Tiefe schwankenden Meßwertes sich ständig ändert, ausmessen und auf diese Weise eine ungefähre Angabe über die Höhe der Spitzen der Oberfläche machen Dieses in England bekannt gewordene Anzeigeverfahren läßt sich nicht ohne weiteres mit dem deutschen Oberflächenmaß der Rauhtiefe gleichsetzen. ganz abgesehen davon, daß sich mit diesem Verfahren wohl kaum im Betrieb eine praktische Oberflächenp rüfung durchführen läßt.
Das oben an dritter Stelle genannte träge Galvanometer, das im Ausgangskreis des elektrischen Verstärkers liegt, dient zur Anzeige des NIittelwertes des Oberflächenproflis bzw. der sich ständig ändernden Meßgröße. Dieses Meßinstrument integriert also in sich selbst. Es ist infolgedessen nicht geeignet und soll auch nicht dazu geeignet sein, dem Oberflächenprofilverlauf zu folgen oder den Maximalwert der Bergspitzen anzuzeigen.
Das Oberflächenmeßgerät nach der Erfindung löst nun die Aufgabe mit Hilfe eines einzigen Anzeigeinstrumentes ein und derselben Bauart, das in vorteilhafter Weise einen über einer Skala spielenden Zeiger besitzt, sowohl Maximalwerte, beispielsweise die Rauhtiefen, als auch Mittelwerte der Oberflächengestalt als Maßzahlen anzuzeigen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt in Verbindung mit einem Oberflächenmeßgerät, bei dem parallel zur Prüfoberfläche ein Taster verschoben wird. der senkrecht zur Oberfläche abtastet und der einen elektrischen Verstärker steuert, an den das die Oberflächenunelenheiten bzw. das die Oberflächengestalt anzeigende Instrument angeschlossen ist.
In diesem Oberflächenprüfgerät sind erfindungsgemäß Einrichtungen vorgesehen, welche Spannungen und Ströme erzeugen, die den vom Taster abgenommenen Maximalwerten und den aus den Momentanwerten abgeleiteten bzw. errechneten Mittelwerten der Oberflächengestalt entsprechen.
Diese Einrichtungen sind wahlweise an das Anzeigeinstrument anschaltbar, das dadurch sowohl die Maximalwerte als auch die Mittelwerte anzeigen kann. Dieses Instrument hat einen über einer Skala spielenden Zeiger. Mit Hilfe dieser Skala erfolgt dann die unmittelbare Ablesung des jeweiligen Meßwertes der eingestellten Oberflächenmaßzahl. Der Ausgang des Verstärkers ist je nach der Schalterstellung unmittelbar mit dem Anzeige instrument verbunden oder über eine der Rechenschaltungen, die zur Ermittlung der jeweiligen Oberfiächenmaßzahl dienen.
Der Vorteil und der Fortschritt dieses Oberflächenprüfgerätes bestehen also darin, daß nicht mehr mehrere Instrumente unterschiedlicher Bauart verwendet werden, nämlich für die Anzeige des Mittelwertes ein in sich integrierendes träges Galvanometer und für die Darstellung des Spitzenwertes ein Instrument völlig anderer Bauart, vorzugsweise in Form einer Kathodenstrahlröhre mit langer Nachl euchtdauer, sondern daß mit einem Anzeigeinstrument ein und derselben Bauart, das Zeiger und Skala besitzt, sowohl die Spitzenwerte als auch die Mittelwerte angezeigt werden können, weil diesem Anzeigeinstrument Rechenschaltungen vorgeschaltet sind. Daher kann bevorzugt die Anzeige aller Oberflächenmeßwerte auf einem einzigen Anzeigeinstrument vorgenommen werden.
Das Gerät nach der Erfindung wird beispielsweise durch die Abb. 1 bis 15 dargestellt. Diese dienen lediglich zur Erläuterung der in den Ansprüchen gekennzeichneten Erfindung.
In Abb. 1 beschreibt die Spitze 1 eines Tastgerätes während der Bewegung des Tasters über die Oberfläche 3 Hubbewegungen senkrecht zu seiner Fortbewegungsrichtung und verstellt dabei einen Meßfühler 4, an dessen Anschlußpunkten a und b dabei elektrische Spannungswerte entstehen, die den Auslenkungen des Tasters aus seiner Nulllage proportional sind. Die elektrischen Spannungswerte gelangen nach Verstärkung in dem Verstärker 5 über die an die Anschlußpunkte c und d angeschlossenen Leitungen e und / in die Rechenschaltungen 1 bis 19 für die Ermittlung der verschiedenen Oberflächenmaßzahlen, wie 10, 10 a Rauhtiefe H, R, 13, 14 mittlere Rauhtiefe üni Ri7l, 19 geometrischer Mittelwert der Profils tiefe RMS, 16 Traganteil AIT, Rauhigkeitsgrad, 11, 11 a, 12 Glättungsgröße G, 18 arithmetischer Mittelwert der Profiltiefe Ztave, 15, 15 a Völligkeitsgrad K, 17 Riefenabstand C, Makrogestalt.
Die Ausgänge der Rechenschaltungen i10 ... i 19 bzw. k 10... k 19 sind über Leitungen mit den Kontakten 110...119 bzw. m10...Z1W19 eines Umschalters 20, 20a verbunden. Die durch eine gemeinsame Antriebswelle22 mechanisch verbundenen Abgreifkontakte 21, 21 a verbinden diese Rechenschaltungen mit dem Anzeigeinstrument 23.
Der Zeiger 24 dieses Anzeigeinstrumentes gibt auf der Skala 25 die Größe der Oberflächenmaßzahl an, die jeweils mit derjenigen Rechenschaltung ermittelt worden ist, die über den Umschalter 20, 20 a an das Anzeigeinstrument 23 angeschlossen ist.
Im vorliegenden Fall ist angenommen, daß die Oberfläche 3 mittels des Supportes 36 unter dem Taster längsbewegt wird, dabei verstellt sie gleichzeitig den Schleifer eines Potentiometers 37, das aus der Stromquelle 38 gespeist wird. Die am Schleifer abgegriffenen Teilspannungen sind der Meßstrecke s bzw. der Änderung der Meßstrecke ds selbst oder deren Logarithmen proportional. Sie werden für die Bestimmung der auf Mittelwertbildung beruhenden Oberflächenmaße in den dazu vorgesehenen Rechenschaltungen benötigt und werden über die Anschlußleitungen g und 1 sowie die Anschlußstellengll bis g19 bzw. h11 bis hl9 in die Rechenschaltungen eingeleitet.
Die in Abb. 1 durch Rechtecke angedeuteten Rechenschaltungen 10 bis 19 sind in den folgenden Abb. 2 bis 15 vergrößert herausgezeichnet. Dabei sind die identischen Anschlußstellen gleichartig bezeichnet worden. Diese Darstellung durch Teilzeichnungen dient der Obersichtlichkeit, so daß sich besser erkennen läßt, wie sich beispielsweise das Gerät nach der Erfindung verwirklichen läßt.
Es ist offensichtlich, daß für eine bestimmte Meßaufgabe das Anzeigeinstrument jeweils an die dafür vorgesehene Rechenschaltung durch entsprechende Einstellung des Umschalters 20, 20a angeschlossen werden muß, so daß stets eine durchgehende elektrische Verbindung von der Tasteranordnung 1 bis 4 bis zum Anzeigeinstrument 23 besteht. Unter dieser Voraussetzung sind die verschiedenen Rechenschaltungen erklärt worden.
Zur Messung der größten Höhe H bzw. Rauhtiefe R wird die mit 10 bzw. 10a bezeichnete Rechenschaltung über den Umschalter 20, 20a an das Anzeigeinstrument 23 angeschlossen. Die Rechenschaltungen sind in Abb. 2 bzw. 3 vergrößert dargestellt.
Die am Ausgang des Verstärkers 5 entstehenden Gleichspannungswerte, die den Vertikalauslenkungen des Tastbolzens 1 aus seiner Nullage proportional sind, werden auf den Kondensator 26 (Abb. 2) gegeben und können an dem gemeinsamen Anzeigeinstrument 23 abgelesen werden. Um zu verhindern, daß bei einem Absinken der Klemmen spannung des Verstärkers 5 sich der Kondensator 26 rückwärts über den Verstärker wieder entlädt, ist das Ventil 27 dazwischengeschaltet (z.E. in Form einer Diode). Hierdurch kann zwar der Kondensator 26 aufgeladen werden, aber die Entladung rückwärts über den Verstärker ist gesperrt. Je nach dem Isolationswiderstand von 26 und 23 geht die Ladung mehr oder weniger schnell zurück. Dies kann auch durch Einschalten von Parallelwiderständen 28 willkürlich beschleunigt werden. Der Kondensator wird also sehr rasch aufgeladen, aber nur sehr langsam entladen. Dies ist abhängig von der Kapazität C des Kondensators und dem oder den Widerständen R. Die Aufladung ist schnell, wenn das ProduktR C in dem Kreis hinter dem Verstärkerausgang klein und das Produkt R' C in dem Kreis, in dem das Meßinstrument liegt, sehr hoch ist.
Beim Anschluß eines Röhrenvoltmeters mit einem sehr hohen Eingangswiderstand von beispielsweise 2000 Megaohm für R' hat der Kondensator im allgemeinen je nach der Profilform der Oberfläche und dem Widerstand des Ventils (Diode) eine Größe von 0,01 bis 0,1 I1F und geht auch bei geringerer Größe der Widerstände R und R' nicht über 0,5 bis 25 FF hinaus.
Wie Abb. 3 zeigt, die das Teil 10in vergrößert wiedergibt, erfordert die Ausstattung der Schaltanordnung mit einem Röhrenvoltmeter lediglich die Zwischenschaltung eines Röhrenmeßverstärkers 29 zwischen den Kondensator 26 und die Anschlußstellen i10 und klO; dann ergeben dieser Röhrenmeßverstärker 29 und das allgemeine Anzeigeinstrument 23 zusammen das erwünschte Röhrenvoltmeter in der Schaltanordnung.
Durch Verkleinerung des Widerstandes R' wird der auf dem Instrument angezeigte Ausschlag gelöscht. Überhaupt sind Maßnahmen vorgesehen, die gestatten, den Zeiger schnell wieder in die Ausgangslage zurückzubringen, insbesondere dann, wenn eine neue Messung beginnen soll.
Diese schnelle Riicklaufschaltung kann bei nichtperiodischen Oberflächen mit einem Teilbereichschalter verbunden werden, der nach Abtasten einer bestimmten Länge den Zeiger wieder auf Null zurückgehen läßt. In diesem Fall kann dann die größte Höhe mehrmals für diese verschiedenen Teilbereiche abgelesen werden.
Wie Abb. 4 zeigt, ist die Glättungsgröße G der Abstand der mittleren Ebene 30 von der Hüllebene 31 des Profils 32. Weiterhin ist die mittlere Höhe hm die Differenz zwischen der größten HöheH und der Glättungsgröße G. Die Ermittlung der Glättungsgröße G erfolgt von der Hüllfläche 31 ausgehend nach der Gleichung G = = ds, wobei wobei s der Tastweg, ds die Änderung des Tastweges in der Horizontalen, lZ' dagegen die zu jedem ds gehörige Tiefe des Profils, von der Hüllfläche aus gemessen, ist. Die mittlere Höhe hm würde sich nach derselben Formel ergeben, wenn h' nicht von der Hüllebene 31, sondern von der Grundfläche gemessen würde.
In dieser Gleichung ist die Produktbildung auch dadurch zu ersetzen, daß man den Logarithmus der einzelnen Meßwerte bildet und statt der Multiplikation eine Addition, statt der Division eine Subtraktion durchführt. Die obige Gleichung würde dann lauten: log & = log + log - logos.
Zur Bestimmung der Glättungsgröße G nach dem logarithmischen Verfahren wird die mit 11 bezeichnete Rechenschaltung über den Umschalter 20, 20a an das Anzeigeinstrument 23 angeschlossen; diese Rechenschaltung ist in Abb. 5 vergrößert dargestellt.
Die am Ausgang des Verstärkers 5 vorhandene Spannung wird einem kräftigen Verstellglied 33 zugeführt, welches sich im Takte proportional zu den Rauhigkeiten bewegt und den Schleifer des logarithmischen Potentiometers 34, das an einer Stromquelle 35 liegt, verstellt.
Wie die Gleichung für G zeigt, wird zu seiner Bestimmung neben der Größe der Rauhigkeit lt' auch die Größe des Verstellweges der Oberfläche s bzw. die Änderung ds benötigt. Diese gelangen über die Anschlußpunkte g 11 bzw. lt 11 in die Rechenanordnung. Im vorliegenden Fall wird die am Potentiometer 37 abgegriffene, dem log ds proportionale Teilspannung mit der am Potentiometer 34 abgegriffenen Teilspannung addiert und dem Verstellglied 39 zugeführt, das über ein addierendes Getriebe 40 das Potentiometer 41 verstellt und somit die Summe log B' + log s bildet. Von der dieser Summe proportionalen, an 41 abgegriffenen Teilspannung wird die am Potentiometer 37 abgegriffene, dem log s proportionale Teilspannung abgezogen und die Differenz auf der logarithmisch geteilten Skala des gemeinsamen Instrumentes 23 als Glättungsgröße angezeigt.
Zur Bestimmung der Glättungsgröße G auf linearem Wege dient die Rechenschaltung 11 a, die in Abb. 6 vergrößert dargestellt ist. In dieser sind an Stelle der Potentiometer 34, 41, 37 der Abb. 5 mit logarithmischer Kennlinie solche mit linearer Kennlinie 13 .44 verwendet, mit denen die beiden Teilspannungen miteinander multipliziert bzw. dividiert werden können.
Die beiden Potentiometer 43 und 44 werden dabei so zusammengeschaltet, daß am gemeinsamen Anzeigeinstrument 23 der Quotient der beiden Spannungen angezeigt wird, der gleich der Glättungsgröße G ist.
Die Bestimmung der Glättungsgröße G und auch anderer Oberflächenmaßzahlen, die auf die Meßlänge bezogen sind gestaltet sich besonders günstig, wenn sich der Taster mit einer stets gleichbleibenden Geschwindigkeit über die Oberfläche bewegt, was z.B. durch einen Antrieb mittels eines Synchronmotors möglich ist. Dann ist der horizontale Tastweg der Zeit t proportional. Es kann infolge dessen die obige Gleichung auch als & G = 1". dt geschrieben werden.
Zur Bestimmung der Glättungsgröße G als Zeit funktion dient die Rechenschaltung 12, die in Abb. 7 vergrößert dargestellt ist. Sie unterscheidet sich von der Rechenschaltung zur Bestimmung der -größten Höhe H dadurch, daß der Kondensator 45 erheblich größer ist als der Kondensator 26.
Während man zur Messung von H die Kapazität klein machen wird, muß sie für G erheblich größer sein. Der Kondensator soll sich ja nicht auf den Spitzenwert der ihm zugeführten Spannung, sondern auf deren Mittelwert, also den Glättungswert, aufladen. Da die Glättungsgröße den mittleren Wert einer Profilstrecke darstellt, ist sie unter diesen Umständen der Abtastzeit proportional und muß sie durch die der Profilstrecke proportionale Meßzeit dividiert werden. Dies geschieht durch Bemessung der Entladungsdauer des Kondensators.
Während bei der Messung der Rauhtiefe der Kondensator 26 schnell geladen und nur sehr langsam entladen wurde, wird zur Ermittlung der Glättungsgröße der schr viel größere Kondensator langsamer geladen, aber verhältnismäßig schneller entladen, wobei die Dauer der Entladung nur etwa die zwei- bis fünffache Zeit der Aufladung beträgt.
Hierdurch erfolgt die Division durch die 12Meßzeit.
Je nach der Größe der Meßzeit, der Profilform der abzutastenden Oberfläche und den Widerständen in den elektrischen Kreisen liegt die Kapazität des Kondensators zwischen 1 und 5000 TIEF.
Eine solche Schaltung gemäß Abb. 7 hat den praktischen Vorteil, daß durch schnelles Umschalten des Anzeigeinstrmnentes 23 auf zwei verschieden große, während desselben Tastvorganges aufgeladene Kondensatoren zwei Oberflächenmaße nacheinander angezeigt werden können.
Es ist natürlich auch hier möglich und zweckmäßig, wie in der Schaltungsanordnung nach Abb. 3 zwischen den Kondensator 45 und das Anzeigeinstrument 23 einen Röhrenverstärker 29 nach Art eines Röhrenvoltmeters zu schalten.
Die mittlere Höhehm bzw. die mittlere Rauhtiefe Rin wird dadurch erhalten, daß die Glättungsgröße G von der größten Höhe H abgezogen wird.
Das kann beispielsweise mit einer Rechenschaitung 13 geschehen, die in Abb. 8 vergrößert dargestellt ist und aus der Anordnung zur Bestimmung der größten Höhe H nach Abb. 2 und der Anordnung zur Bestimmung der Glättungsgröße G nach Abb. 5 zusammengesetzt ist.
Da zwischen den Anschlußpunkten c 13 und 13 der Abb. 8 die gleiche, h' entsprechende Eingangsspannung besteht wie zwischen den Anschlußpunkten e10 und f10 der Abb. 2, ist die der größten Höhe 11 entsprechende Spannung zwischen den Anschlußpunkten i 10 und k 10 der Abb. 2 beispielsweise zwischen den Punkten 46 und 47 der Abb. 8 vorhanden. Da ferner die beiden Steuerglieder 33 der Abb. 5 und 8 ebenfalls an der gleichen, lt' entsprechenden Eingangsspannung liegen und in die Anschlußpunkte g 11 und h 11 der Abb. 5 einerseits und b 13 und h 13 der Abb. 8 andererseits eine der Meßstrecke s bzw. deren Änderung ds entsprechende Spannung eingespeist wird, ist die der Glättungsgröße G entsprechende Spannung, die in der Anordnung nach Abb. 5 zwischen den Anschlußpunkten ill und k 11 herrscht, in der Abb. 8 beispielsweise zwischen den Punkten 48 und 49 vorhanden.
Bei subtraktiver Schaltung der einander entgegengesetzten Spannungspole von 46, 47 zum einen und von 48, 49 zum anderen herrscht zwischen den Anschlußpunkten i 13 und k 13 der Abb. 8 eine der mittleren Höhe km bzw. der mittleren Rauhtiefe Rin entsprechende Meßspannung.
Zu einem gleichartigen Ergebnis kommt man auf Grund entsprechender Überlegung, wenn man gemäß Abb. 9 die Anordnung nach Abb. 2 mit der Anordnung nach Abb. 6 verbindet. In diesem Fall würde die zwischen den Klemmen i 10 und h 10 vorhandene Spannung der Abb. 2 beispielsweise zwischen den Punkten 50 und 51 bestehen und die zwischen i 1 1 und k 11 der Abb. 6 vorhandene beispielsweise zwischen den Punkten 52 und 53 liegen.
Unter der bereits obengenannten Voraussetzung liegt dann wiederum zwischen den Anschlußpunkten i13 und k 13 der Abb. 9 eine dem hm bzw. Rm entsprechende Spannung.
Eine weitere Möglichkeit zur Bestimmung von hm bzw. Rm besteht in der Gegeneinanderschaltung der Anordnung nach Abb. 2 zur Feststellung der größten Höhe H und der Anordnung zur Bestimmung der Glättungsgröße G nach Abb. 7, wie in Abb. 10 gezeigt wird. Die gesuchte Spannung zur Kennzeichnung von lirn = Rm besteht dann zwischen den Anschlußpunkten i14 und k 14.
Eine Anordnung wie soeben geschildert, jedoch mit Röhrenverstärker nach Art eines Röhrenvoltmeters, ist in Abb. 11 wiedergegeben.
Die mittlere Höhe hrn bzw. die mittlere Rauhtiefe rom läßt sich mittels der Rechenschaltungen zur Bestimmung der Glättungsgröße G feststellen, wenn man nicht von der Hüllfläche, sondern von der Grundfläche ausgeht (s. Abb. 4). Diese Rechenschaltungen sind schon behandelt und in Abb. 1 durch die Teile 11, 11 a, 12 angedeutet und in den Abb. 5 bis 7 vergrößert wiedergegeben.
Um die Rechenschaltungen auf die Grundfläche einstellen zu können, ist es erforderlich, zunächst die Größe von Ii festzustellen. Dies kann beispielsweise mit einer der Rechenschaltungen 10 bzw. 10a, die in den Abb. 2 und 3 vergrößert dargestellt sind, geschehen, indem man in hekannter Weise die Oberfläche abtastet. An Hand des Ergebnisses stellt man die Nullinie der Rechenschaltung von der Hüllfläche auf die Grundfläche um. Das wird möglich durch mechanisches oder elektrisches Verstimmen oder durch Anlegen einer Gegenspannung entweder in der Verstärkeranordnung oder am Anzeigeinstrument. Die so umgestellte Rechenschaltung, die ursprünglich zur Bestimmung der Glättungsgröße G vorgesehen war. liefert dann bei erneutem Abtasten der Oberfläche die mittlere Höhe hm bzw. die mittlere Rauhtiefe Rm.
Der Der Völligkeitsgrad K = H läßt sich mit der Rechenschaltung 15, die der Abb. 12 entspricht, auf logarithmischem Wege und mit der Rechenschaltung 15a z. B. nach Abb. 13 auf linearem Wege ermitteln.
Ein Vergleich von Abb. 12 mit Abb. 8 zeigt, daß die zwischen den Anschlußstellen i13 und k 13 der Abb. 8 vorhandene, dem Wert von hin proportionale elektrische Meßgröße zwischen den Stellen 54 und 55 der Abb. 12 besteht. Entsprechend liegt die zwischen den Anschlußstellen e 13 und 13 vorhandene, dem Wert von H proportionale elektrische Meßgröße zwischen den Stellen 56 und 57.
Dem würde nach Abb. 5 die Eingabe einer dem Wert von hin proportionalen elektrischen Meßgröße in die Anschlußstellen c11 und fll und einer dem Wert von H proportionalen elektrischen Meßgröße in die Anschlußstellen gll und lt11 entsprechen. Diese Rechenschaltung würde dann zwischen den Anschlußstellen i 11 und k 11 eine dem Wert von IC proportionale elektrische Meßgröße erbringen.
Demnach findet sich die dem K-Wert proportionale elektrische Meßgröße in der Rechen schaltung nach Abb. 12 zwischen den Anschlußstellen i 15 und k 15 vor und wird auf dem gemeinsamen Anzeigeinstrument 23 angezeigt.
Abb. 13 stellt eine entsprechende Zusammenschaltung der Anordnungen nach Abb. 9 zur Ermittlung von lim und nach Ahh. 6 zur Ermittlung von G dar.
Im vorliegenden Fall steht zwischen den Anschluß stellen 58 und 59 eine elektrische Spannung, die hm proportional ist, und zwischen den Anschlußstellen 60 und 61 eine elektrische Spannung, die H proportional ist, an. Dann findet man wiederum zwischen den Anschlußstellen j 15 und k 15 eine dem Wert von K proportionale Spannung vor, die auf 23 eine Anzeige von K ergibt.
Der Traganteil MT einer Oberfläche beruht auf der Vorstellung, daß bei der Berührung einer glatten mit einer rauhen Oberfläche die Profilspitzen der rauhen Oberfläche entweder durch Druck (z. B. bei einem Festsitz) elastisch flach gedrückt oder bei aufeinander gleitender Relativbewegung der beiden Oberflächen abgetragen werden. Die hierdurch neu entstehende tragende Fläche im Verhältnis zur Gesamtgrundfläche wird als Traganteil MT bezeichnet, der mithin aussagt, welcher Bruchteil der Gesamtgrundfläche unter den gegebenen Verhältnissen insgesamt tragen würde.
Dieser Traganteil MT läßt sich mit dem Oberflächenprüfer nach der Erfindung ermitteln, denn bei dem Abtasten des Oberflächenprofils durch die Tastspitze entsteht am Ausgang des Verstärkerteils des Oberflächenprüfers eine Meßgröße, die zwischen den Tiefen der Oherflächentäler und den Spitzen der Oberflächenberge schwankt. Wenn nun diese Meßgröße vom Talgrund ansteigend sich mit einem kleinen einstellbaren Abstand unterhalb des Gipfelpunktes befindet, dann schaltet sie eine Summiervorrichtung so lange ein, bis sie nach Erreichen und Überschreiten des Gipfelpunktes zum Talgrund ansteigend sich wieder in demselben Abstand vom Gipfelpunkt befindet wie bei dem Anstieg. Die nunmehr ausgeschaltete Summiereinrichtung wird in derselben Art und Weise bei jedem Berg des Oberflächenprofils ein- und ausgeschaltet, so daß sie innerhalb der abgetasteten Gesamtstrecke zum Schluß sämtliche vorgenannten Teilstrecken, d. h. die Durchtrittsstrecken durch die Berge des Oberflächenprofils addiert hat.
Diese Profildurchtrittsstrecken sind natürlich dem Weg proportional, den der Taster längs der Oberfläche zurücklegt. Meistens bewegt sich der Taster mit gleichbleibender Geschwindigkeit, d. h. zeitproportional.
Zur Durchführung der Summierung wird eine Einrichtung verwendet, die entweder proportional zum Weg oder zur Zeit so verstellt wird, daß ihr Ausschlag immer größer wird. Bei einer Oberfläche ohne Täler bzw. Vertiefungen wird also Vollausschlag erfolgen. Je mehr und je hreitere Täler vor- handen sind, desto geringer wird der Zeigerausschlag werden.
Die praktische Messung des Traganteils MT durch die Rechenschaltung 16 zeigt die Abb. 14 als Einzeldarstellung, wobei diese Schaltung eine weitere Ausgestaltung der Schaltung zur Ermittlung der größten Höhe H bzw. der Rauhtiefe R darstellt.
Wird der Meßwert beispielsweise auf einen Kontaktgeber 62 gegeben, so kann dessen Zeiger 64 einen federnden Kontakt 63 berühren, der auf den obenerwähnten Abstand unterhalb des Gipfelpunktes eingestellt ist. Der Federungsweg von 63 entspricht im Vergröß erungsmaß stab des Oberfiächenprüfers einem Abstand von beispielsweise 1 F der Tastspitze vom Gipfelpunkt eines Oberflächenberges. Solange der Zeiger 64 des Kontaktgebers 62 den Endkontakt 63 berührt, wird die Summiereinrichtung eingeschaltet, die aus dem den Schleifer 66 eines Potentiometers 67 verstellenden Synchronmotor 65 bestehen kann. Die Verstellung dieses Schleifers 66 kennzeichnet also das Ergebnis der fortlaufenden Addition der Teilstrecken.
Sollte dieses Ergebnis durch den Abtastweg dividiert werden, dann wird das Potentiometer 67 mit dem Potentiometer 37 aus Abb. 1 so zusammengeschaltet, daß der Quotient bzw. der Traganteil MT auf dem an i 16 und k 16 angeschlossenen Instrument 23 angezeigt wird. Hierbei gelangen die dem Abtastweg proportionalen Spannungen des Potentiometers 37 über die Leitungen g und h bzw. die Anschluß stellen g 16 und lt 16 in die Schaltanordnung.
Statt an den Verstärker einen Kontaktgeber mit Zeiger 64 und federndem Kontakt 63 anzuschließen, können auch mechanische oder elektronische Relais verwendet werden. Durch eine einstellbare elektrische Spannung bei Relais und durch Beeinflussung der Gittervorspannung bei einem elektronischen Relais schalten diese entsprechend dem eingestellten Abstand vor dem Gipfelpunkt des Profilberges ein und aus.
Diese beschriebene Einrichtung läßt sich gemäß Abb. 15 zur Rechenschaltung 17 erweitern, mit der der Riefenabstand bzw. der mittlere Abstand C angezeigt wird. Die vom Potentiometer 37 in Abb. 1 über die Anschlußpunkte g17 und h17 eingeführte Spannung wird auf dem Anzeigeinstrument 23, das rn i 17 und k 17 angeschlossen ist, angezeigt, wobei eine Division durch Dezimalverschiebung dadurch erfolgt, daß die Anzahl der Bergspitzen durch einen Zähler 71 gezählt und die Übertragung des Nleßweges auf das Anzeigeinstrument 23 nach Erreichen einer bestimmten Zählerstellung, z. B. bei zehn oder hundert Erhebungen, unterbrochen wird.
Die Weiterschaltung des Zählers 71 erfolgt mit den kontaktgebenden Mitteln, die in Verbindung mit der Messung des Traganteils MT besprochen wurden.
Das Verhältnis vom Riefenabstand C zur größten Höhe H gibt den Rauhigkeitsgrad Rg an: Rg= C:H.
Der Rauhigkeitsgrad Rg läßt sich mit den Rechenschaltungen 11 oder 11 a, die in Abb. 5 und 6 wiedergegeben sind, ermitteln, wenn man in die Anschlußstellen ell und fll eine dem Riefenabstand C proportionale Spannung und in die Anschlußstellen gll und itll der Abb. 5 eine dem Logarithmus der größten Höhe H oder in die Anschlußstellen gll, hll der Abb. 6 eine der größten Höhe H selbst proportionale elektrische Spannung einspeist. Dann entstehen zwischen den Anschlußstellen i13 und k 13 Spannungen, die bei Abb. 5 dem Logarithmus Rg und bei Abb. 6 Rg selbst proportional sind und auf dem Anzeigeinstrument 23 angezeigt werden.
Zur rechnerisch genauen Ermittlung des arithmetischen Mittelwertes have ist eine Rechenschaltung 18 vorgesehen. Hierzu geeignet sind alle zur Bestimmung der Glättungsgröße G vorgesehenen Rechenschaltungen 11, 11 a, 12, welche in den Abb. 5 bis 7 vergrößert dargestellt sind, wenn man die Nullinie 31 auf die mittlere Fläche 30 gemäß Abb. 4 verlegt. Dies geschieht in entsprechender Weise wie bei der Bestimmung von hrn mit denselben Anordnungen zur Bestimmung von G, indem man mit diesen Einrichtungen zunächst im ersten Abtastgang oder während eines Teils des Abtastweges den Abstand der mittleren Fläche 30 von der Hüllfläche 31 ermittelt. Hierauf wird die Nullinie der Apparatur, die zunächst bei 31 lag, auf die mittlere Ebene verschoben, und zwar mit denselben Mitteln, wie sie oben bei der Ermittlung von hrn von der Grundlinie aus angegeben waren. Nun tastet man von dieser Ebene ab und erhält als Ergebnis have.
Für die genaue rechnerische Ermittlung des geometrischen Mittelwertes RMS ist die Rechenschaltung 19 vorgesehen. Diese beruht auf denselben bereits obengenannten Anordnungen zur Bestimmung der Glättungsgröße G nach Abb. 5 und 6.
Es muß dann nur statt der Summation der /Zr-Werte durch Einschaltung eines Exponentialgetriebes, beispielsweise eines exponentiellen Potentiometers oder Drehkondensators, das Quadrat von h' gebildet werden und nach Division durch die Tastlänge die Wurzel durch ein Radiziergetriebe gezogen werden. Dies läßt sich durch Logarithmieren vereinfachen, indem statt der Quadrat- und Wurzelbildung eine Multiplikation und Division der logarithmischen Werte durchgeführt wird.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Oberflächenprüfgerät mit einem parallel zur Prüfoberfläche zu verschiebenden, senkrecht dazu arbeitenden Taster und einem die Oberflächengestalt anzeigenden Meßinstrument, das der Taster über einen Verstärker steuert, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen zur Erzeugung von Spannungen und Strömen vorge- sehen sind, welche sowohl den vom Taster abgenommenen Maximal- als auch den aus den Momentanwerten abgeleiteten Mittelwerten der Oberflächengestalt entsprechen, und daß diese Einrichtungen wahlweise an das zur Anzeige der Mittel- oder Maximalwerte geeignete Anzeigeinstrument anzuschalten sind.
2. Oberflächenprüfgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Anzeige der Mittel- oder Maximalwerte verwendete Anzeigeinstrument (23) mit einem über einer Skala (25), die linear und/oder logarithmisch geteilt ist, spielenden Zeiger (24) ausgestattet ist.
3. Oberflächenprüfgerät nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Erzeugung von Spannungen und Strömen (Rechenschaltungen 10 bis 19) eingangsseitig an den die Senkrechtbewegungen des Tasters verstärkenden Verstärkerausgang (5) sowie an die Anordnung zur Erfassung des Meßweges (37) angeschlossen sind, während sie ausgangsseitig über einen Umschalter (20/20a) wahlweise mit dem Anzeigeinstrument (23), das dadurch sowohl Mittel- als auch Maximalwerte anzeigt, verbunden werden.
4. Oberflächenprüfgerät nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Recheneinrichtung zur Ermittlung der größten Höhe (11) bzw. der Rauhtiefe (R) mit einem an den Verstärkerausgang (5, c, d) angeschlossenen, auf den Spitzenwert der Spannung aufzuladenden Schaltmittel, z. B. einem Kondensator (26), der nach der Verstärkerseite durch ein Ventil (27), z. B. eine Diode, blockiert ist und dessen Entladezeit gegebenenfalls durch veränderliche Widerstände (28) einstellbar ist und dessen Ladespannung durch das allgemeine Anzeigeinstrument (23) angezeigt wird.
5. Oberflächenprüfgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität des Kondensators (26) entsprechend den Widerständen in den elektrischen Kreisen und der Profilform der zu messenden Oberfläche 0,01 bis 0,11lF, höchstens 0,5 bis 25 FF beträgt.
6. Oberflächenprüfgerät nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die I,adespannung des Kondensators (26) durch einen Meßverstärker (29) in Voltmeterschaltung abgegriffen wird und daß das Anzeigeinstrument (23) an diesen Meßverstärker angeschlossen ist.
7. Oberflächenprüfgerät nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Rechenschaltung zur Ermittlung der Glättungsgröße (&) mit einem von den Tasterhubbewegungen (ei') über den Verstärker (5) gesteuerten Verstellglied (33), durch dessen Veränderung an der elektrischen Einrichtung (34) elektrische Spannungen erzeugt werden, die dem Logarithmus der Tasterhubbewegungen proportional sind, und mit einem additiv verbundenen, von den Tasterlängsbewegungen gesteuerten Verstellglied (37), durch dessen Veränderung elektrische Spannungen erzeugt werden, die dem Logarithmus der Tasterlängsverstellungen (ds) proportional sind, so daß an der von der Summe beider Spannungen über das Verstellglied (39) und das Additionsgetriebe (40) gesteuerten elektrischen Einrichtung (41) eine elektrische Spannung entsteht, die dem Logarithmus der Summe aus den Produkten (h' ds) proportional ist, und daß diese Spannung, vermindert um die von dem Verstellglied (37) gelieferte Spannung, die dem Logarithmus der gesamten Tasterlängsbewegung (s) über die Meßstrecke proportional ist, die gesuchte, dem Logarithmus der Glättungsgröße (G) proportionale Spannung liefert, deren Anzeige auf der logarithmischen Skala des Anzeigeinstrumentes (23) erfolgt.
8. Abart des Oberflächenprüfgerätes nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rechen schaltung zur Ermittlung der Glättungsgröße (G) mit einem von den Tasterhubbewegungen (lot') über den Verstärker (5) gesteuerten Verstellglied (33) vorhanden ist, durch dessen Veränderung an der elektrischen Einrichtung (42) elektrische Spannungen erzeugt werden, die den Tasterhubbewegungen proportional sind, und einem damit additiv verbundenen, von den Tasterlängsbewegungen gesteuerten Verstellglied (37), durch dessen Veränderung elektrische Spannungen erzeugt werden, die den Tasterlängsverstellungen (ds) proportional sind, so daß an der von der Summe beider Spannungen über das Verstellglied (44) und das Additionsglied (40) gesteuerten elektrischen Einrichtung (43) eine elektrische Spannung entsteht, die der Summe aus den Produkten (H ds) proportional ist, und daß diese Spannung nach Division durch die von dem Verstellglied (37) gelieferte, der gesamten Tasterlängsbewegung (s) über die Meßstrecke proportionale Spannung die gesuchte, der Glättungsgröße (G) proportionale Spannung liefert, deren Anzeige auf der linearen Skala des Anzeigeinstrumentes (23) erfolgt.
9. Oberflächenprüfgerät nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Recheneinrichtung zur Ermittlung der Glättungsgröße, bei welcher der Kondensator (45) und der oder die Widerstände der Lade- und Entladekreise so bemessen sind, daß der Kondensator auf einen dem mittleren Ladestrom entsprechenden Spannungswert aufgeladen und dieser nach der Division durch den Gesamtwert der Meßzeit am Instrument angezeigt wird, während der Kondensator entsprechend den Widerständen in den elektrischen Kreisen der Profilform der zu messenden Oberfläche und der Meßzeit eine Größe von 1 bis 5000 F hat.
10. Oberflächenprüfgerät nach Anspruch 4 und 9, gekennzeichnet durch Vorrichtungen zum schnellen Umschalten des Anzeigeinstrumentes (23) auf die beiden verschieden großen Kondensatoren (26 und 45).
11. Oberflächenprüfgerät nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Rechen schaltung zur Ermittlung der mittleren Höhe, bei welcher die Einrichtung zur Ermittlung der Glättungsgröße nach Anspruch 7 subtraktiv mit der Einrichtung zur Ermittlung der größten Höhe gemäß Anspruch 4 gekuppelt ist und eine Spannung liefert, die dem Logarithmus der mittleren Höhe proportional ist und auf der logarithmischen Skala des allgemeinen Anzeigeinstrumentes (23) angezeigt wird.
12. Oberflächenprüfgerät nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Rechenschaltung zur Ermittlung der mittleren Höhe, bei welcher die Einrichtung zur Ermittlung der Glättungsgröße nach Anspruch 8 quotientenbildend mit der Einrichtung zur Ermittlung der größten Höhe gemäß Anspruch 4 gekoppelt ist und eine Spannung liefert, die der mittleren Höhe proportional ist und auf der linearen Skala des allgemeinen Anzeigeinstrumentes (23) angezeigt wird.
13. Oberflächenprüfgerät nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Rechenschaltung zur Ermittlung der mittleren Höhe, bei welcher die Einrichtung zur Ermittlung der Glättungsgröße nach Anspruch 9 quotientenbildend mit der Einrichtung zur Ermittlung der größten Höhe gemäß Anspruch 4 gekoppelt ist und eine Spannung liefert, die der mittleren Höhe proportional ist und auf der linearen Skala des allgemeinen Anzeigeinstrumentes (23) angezeigt wird.
14. Oberflächenprüfgerät nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Nullstellung des Anzeigeinstrumentes (23) und des vom Verstärker (5) gesteuerten Verstellgliedes (33) durch eine mechanische oder elektrische Gegenspannung oder Verstellung in der tiefsten Stellung des Tasters im Profil erzwungen ist.
15. Oberflächenprüfgerät nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch ein Verstellglied (33) und ein den arithmetischen Mittelwert der Profiltiefe anzeigendes Meßinstrument (23) mit einer Nullstellung bei einem auf der mittleren Linie (30) stehenden Taster.
16. Oberflächenprüfgerät nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch ein Verstellglied (33) und ein den quadratischen Mittelwert der Profiltiefe anzeigendes Instrument (23) mit einer Nullstellung bei einem auf der mittleren Linie (30) stehenden Taster.
17. Oberflächenprüfgerät- nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Rechenschaltung zur Ermittlung des Traganteils, bei welcher der an den Verstärker (5) angeschlossene Kontaktgeber (Meßinstrument 62) einen einstellbaren Endkontakt (63) und der Zeiger oder der Anker (64) des Kontaktgebers (Meßinstrument 62) den Gegenkontakt dazu tragen, die als Kontakte in dem Stromkreis eines Motors (65) angeordnet sind, der in eingeschaltetem Zustand ein Verstellglied, z. B. ein Potentiometer (67), verstellt und dadurch diejenige Meßspannung erzeugt, die durch die dem Gesamtweg entsprechende, an dem Verstellglied, z. B. dem Potentiometer (37), abgegriffene Ateßspannung dividiert dem Traganteil des Meßobjektes proportional ist und diese Größe an dem allgemeinen Meßinstrument (23) anzeigt.
18. Abart des Oberflächenprüfgerätes nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß statt des Kontaktgeliers (Meßinstrumentes) mit den Endkontakten (63, 64) ein mechanisches oder elektrisches Relais angeordnet ist, das den Stromkreis des Motors (65) schließt.
19. Oberflächenprüfgerät nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Rechenschaltung zur Ermittlung des Riefenabstandes, bei welcher der an den Verstärker (5) angeschlossene Kontaktgeber (Meßinstrument 68) einen einstellbaren Endkontakt (70) und der Zeiger oder Anker (69) des Kontaktgebers (Meßinstrument 68) den Gegenkontakt dazu trägt, die bei gegenseitiger Berührung infolge der Zeiger- bzw.

Ankerausschläge den Stromkreis eines Zählwerkes (71) schließen und das Zählwerk jeweils um einen Schritt weiterschalten, bis das Zählwerk bei Erreichen einer vorgewählten Zahl durch Öffnen des Schalters (72) den Stromkreis zwischen dem Verstellglied (37; Abb. 1) und dem Anzeigeinstrument (23) unterbricht, über welchen dem Instrument (23) eine Spannung zugeführt wurde, die dem vom Taster während des Zählvorganges zurückgelegten Tastweg proportional ist, und dividiert durch den Zählerstand den Riefenabstand auf dem Instrument (23) anzeigt.

In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschriften Nr. 2 344 217, 2 397 923.

2405 133, 2421 578, 2474015, 2483 668; britische Patentschriften Nr. 539 271, 539 272.

539273,539274; P fl i er, »Elektrische Messung mechanischer Größen«, 1948, S. 23 bis 29 und 44 bis 72; Schmaltz, »Technische Oberflächenkunde«, 1936, S. 113 bis 123; B e n ne witz, »Flugzeuginstrumente«, 1922, 5. 72 bis 74.