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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Beide Einrichtungen vermitteln also ein Bild der Oberfläche.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Hierdurch erfolgt die Division durch die 12Meßzeit.
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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.
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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.
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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.
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Die mittlere Höhehm bzw. die mittlere Rauhtiefe Rin wird dadurch
erhalten, daß die Glättungsgröße G von der größten Höhe H abgezogen wird.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Eine Anordnung wie soeben geschildert, jedoch mit Röhrenverstärker
nach Art eines Röhrenvoltmeters, ist in Abb. 11 wiedergegeben.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Abb. 13 stellt eine entsprechende Zusammenschaltung der Anordnungen
nach Abb. 9 zur Ermittlung von lim und nach Ahh. 6 zur Ermittlung von G dar.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Weiterschaltung des Zählers 71 erfolgt mit den kontaktgebenden
Mitteln, die in Verbindung mit der Messung des Traganteils MT besprochen wurden.
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Das Verhältnis vom Riefenabstand C zur größten Höhe H gibt den Rauhigkeitsgrad
Rg an: Rg= C:H.
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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.
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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.
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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.
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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.