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Mikro -Tastsystem Zusatz zum Patent: 976 102
Im Patent 976 102 ist
ein Mikro-Tastsystem vorgeschlagen, das aus einem zylindrischen oder kugelförmigen,
an einem Führungsarm pendelnd aufgehängten Gleitkörper besteht, in dem eine einen
elektromechanischen Wandler verstellende Tastspitze eingebaut ist. Durch die pendelnde
Aufhängung an dem Führungsarm richtet sich der Gleitkörper selbsttätig zur Oberfläche
aus, unabhängig von den Bewegungen und Stellungen des Führungsarmes, der seinerseits
mit einem Meßkopf verbunden ist. In dem Meßkopf befindet sich ein Vorschubsystem,
das über den Führungsarm den Gleitkörper über die Oberfläche bewegt. Im allgemeinen
wird der Meßkopf an einem Meßständer so befestigt, daß er in der Höhe relativ zu
dem Meßobjekt verstellt werden kann. Dieses Mikro-Tastsystem wird durch die Erfindung
dahin gehend verbessert, daß der Einfluß der Temperatur und der Verformung, hervorgehoben
durch Eigenlast und Fortbewegungskräfte, ausgeschaltet wird.
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Es ist ein Oberflächenmeßgerät, bestehend aus einem Aleßständer,
Meßkopf und Mikro-Tastsystem, bekannt, bei dem der elektromechanische Wandler mit
der Tastspitze starr in dem am Meßkopf bec festigten Führungsarm eingebaut ist.
Dieser Führungsarm trägt an seinem vorderen Ende eine durchbohrte kalottenförmige
Kufe, in deren Mitte eine Tastspitze hindurchtritt. Diese Anordnung hat den großen
Nachteil, daß durch die Bohrung die Kugelkuppe der Kufenkalotte beseitigt ist, so
daß
die Kufe keine definierte Lage auf der Oberfläche besitzt. Die
Auflage erfolgt vielmehr entweder auf dem vorderen oder dem rückwärtigen Rand der
die Kalotte durchdringenden Bohrung.
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Setzt man dieses Tastsystem auf die Oberfläche auf, dann wird es
je nach Höhenlage des Meßkopfes zur Oberfläche entweder auf dem vorderen oder dem
rückwärtigen Bohrungsrand aufliegen.
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Man kann bei einer Höhenverstellung des Meßkopfes auch nicht feststellen,
auf welchem Rand die Auflage erfolgt, weil es hier keinen exakten Null-Durchgang
an dem Anzeigeinstrument des Oberflächenmeßgerätes ergibt. Der Zeigerausschlag des
Instrumentes nähert sich dem Nullpunkt, um sich darauf wieder vom Nullpunkt zu entfernen,
ohne daß aber ein Null-Durchgang stattfindet. Dies führt zu einer großen Unsicherheit
in der Einstellung der Ausgangslage für den Meßvorgang, weil eine auf einem ebenen
und glatten Einsteilnormal gewonnene Null-Einstellung sich auf einer in anderer
Höhenlage befindlichen rauhen Oberfläche nicht wiederfinden läßt.
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In einer anderen vorgeschlagenen Ausführungsform des in den Führungsarm
starr eingebauten elektromechanischen Wandlers mit Tastspitze wird der Führungsarm
mit einem Auflagepunkt auf der Oberfläche fest abgestützt. Dieser Auflagepunkt wird
aber nicht auf der Oberfläche selbst bewegt, sondern es wird die Tastspitze relativ
zu diesem Auflagepunkt parallel zur Oberfläche hin- und hergeführt. Die Tastspitze
ist hierbei mit ihrem elektromechanischen Wandler an einem Schlitten befestigt,
der an einer Schlittenführung eine Längsbewegung ausführt, welche auf ihn über ein
Hebelgestänge vom Meßkopf übertragen wird.
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Bei einem solchen Tastsystem ist zwar die Unsicherheit im Auffinden
der Null- bzw. Ausgangslage vermieden, aber die Ausrichtung der Führungsbahn, an
der sich der Schlitten mit dem elektromechanischen Wandler parallel zur Oberfläche
bewegt, muß noch immer durch Höhenverstellung des Meßkopfes am Meßständer hervorgerufen
werden. Hierzu bedarf es außer dieses Meßständers auch noch einer nicht unerheblichen
Sachkunde desjenigen, der das Oberflächenmeßgerät bedient.
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Es ist schließlich eine Vorrichtung bekannt, bestehend aus einer
Platte mit drei kugelförmig ausgebildeten Füßen, die sich auf eine ebene Fläche
abstützen. An einem dieser Füße ist ein elektromechanischer Wandler angebracht mit
einem Ausleger, der an seinem vorderen Ende einen Tastkörper trägt. Dieser Tastkörper
berührt etwa im Mittelpunkt der Platte die Oberfläche. Das Ganze kann von Hand verschoben
werden, wobei Unebenheiten durch eine Veränderung der Höhenlage des Tastkörpers
erfaßt und zur Anzeige gebracht werden.
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Diese Einrichtung dient vorzugsweise der Überprüfung der Unebenheit
von Werkstücken, da für die Zwecke der Oberflächenprüfung eine Verschiebung von
Hand zu keinen einwandfreien Maß ergabnissen führen würde. Hierzu müßte ein entsprechender
Vorschubapparat oder Meßkopf mit einem Führungsgestänge vorhanden sein, was aber
nicht der Fall ist.
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Die Einrichtung nach Patent 976 102 vermeidet die Nachteile der vorbeschriebenen
Einrichtungen.
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Da durch die pendelnde Aufhängung die Höhenlage des Meßkopfes im Verhältnis
zu dem Gleitkörper keinen Einfluß auf dessen Lage zur Oberflächen-Hüllfläche besitzt,
treten beim Aufsetzen des Gleitkörpers auf die Oberfläche keinerlei Schwierigkeiten
hinsichtlich der Ausgangs-Nullage ein. Das Anzeigeinstrument des Oberflächenmeßgerätes
wird immer dann Null anzeigen, wenn die Tastspitze in Höhe der Verbindungslinie
der beiden Gleitkufen oder der Auflagefläche des Mikro-Tastsystems steht.
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Der zylindrische oder kugelförmige Gleitkörper kann von einer solchen
Größe sein, daß hinsichtlich der Anfertigung des elektromechanischen Meßwertwandlers
keine baulichen Schwierigkeiten entstehen. Wesentlich ist ja zunächst nur, daß der
Gleitkörper sich zur Oberfläche selbst ausrichten und einstellen kann.
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Ein solcher normal groß dimensionierter Gleitkörper wird für alle
Meßwertvergrößerungen, die im Bereich bis etwa Io ooofach liegen, ausreichend sein.
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Die praktische Durchführung von Oberflächenmessungen verlangt aber
heute Vergrößerungen, die bis Ioo ooofach, ja bis I ooO ooofach gehen und die sich
ohne wesentliche Erschwerungen unter normalen werkstattmäßigen Bedingungen, also
nicht nur in einem klimatisierten Meßraum, verwirklichen lassen müssen. Die Einflüsse,
die bei so hohen Vergrößerungen sich auswirken, sind einerseits die Temperatur,
andererseits die elastischen und bleibenden Deformationen.
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Der Temperatureinfluß wird um so größer werden, je länger oder größer
der Abstand zwischen der Auflagekufe auf der Oberfläche und der Lagerung für die
Tastspitze des elektromechanischen Wandlers ist. Da bei der Oberflächenabtastung
die Höhenlage der Tastspitze im Verhältnis zur Gleitkufe ermittelt wird, wird die
Nullpunktkonstanz um so besser sein, je geringer der Abstand der Gleitkufe von der
Lagerung der Diamantspitze ist, weil ja unter dem Temperatureinfluß dieser Abstand
sich verändert.
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Es kommt also sehr wesentlich darauf an, daß die Abmessung dieses
Gleitkörpers, insbesondere aber des Abstandes zwischen Gleitkufe und Lagerung der
Tastspitze, möglichst klein wird. Andererseits könnte diese Verkleinerung der Abmessungen
zu einer höheren Empfindlichkeit gegen Deformation führen.
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Diese Deformationsempfindlichkeit wird aber gerade durch die Verkleinerung
der Abmessungen ebenfalls herabgesetzt, weil die tragende Konstruktion dieses Tastsystems
ein zylindrisches oder kugelförmiges Gehäuse ist. Durch die Verkleinerung haben
aber diese Gehäuse eine sehr starke Krümmung und wirken daher wie eine sehr ausgesteifte
Schalenbauweise. Weiterhin ist die Masse sowohl des tragenden Körpers als auch des
beweg-
lichen Teiles des elektromechanischen Wandlers durch die
Verkleinerung so gering, daß auch bei einer stoßartigen Belastung keine deformierenden
Kräfte auf das schalenartige Gehäuse wirken.
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Auch wenn keine Schalenwirkung vorliegen würde, würde die Deformationsempfindlichkeit
dennoch herabgesetzt werden, weil der Einfluß der Abstandsänderungen zwischen der
Auflagefläche und dem Meßwandler hinsichtlich der Deformation dem Temperaturverhalten
des Systems entspricht.
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Die Verkleinerung der Abmessungen des elektromechanischen Wandlers
beeinträchtigt dessen elektrisches Verhalten gar nicht oder nur geringfügig.
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Bei der Entwicklung des Mikro-Tastsystems, das zunächst nur eine
Beschädigung der Oberfläche ausschließen sollte, wie bei dessen Auslegung erwartet
werden konnte, war es überraschend, daß die Verkleinerung der Abmessungen zusätzlich
zu einer Minderung des Temperatureinflusses und der körperlichen Deformation des
Mikro-Tastsystems auf den Ausfall der Meßergebnisse führte und eine Veränderung
der Wirksamkeit des elektrischen Systems nicht eintrat.
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Die Grenze, bei der diese Wirkung der Verkleinerung eintritt, liegt
bei einem Durchmesser von etwa 12 mm und weniger sowie einer Länge, die zwischen
dem I- bis 3fachen des Durchmessers liegt. Man wird für die Messung von Außenflächen,
die meist keine sehr große Ausdehnung besitzen, es bevorzugen, die Länge des Körpers
möglichst kurz, den Durchmesser aber an der oberen genannten Grenze zu halten. Bei
Bohrungen dagegen ist es wichtig, den Durchmesser noch wesentlich unter I2 mm zu
verkleinern, um auch weit in enge Bohrungen sicher hineintasten zu können. In diesem
Fall kann es aber vorteilhaft sein, die Länge des Gleitkörpers auf das Mehrfache
des Durchmessers zu bringen, wodurch der Gleitkörper eine bessere Führung in der
Bohrung erhält.
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Ein Ausführungsbeispiel wird durch die Abb. I und 2 dargestellt.
In Abb. I liegt der kleine Zylinder 2 auf der Oberfläche I auf. In diesem Zylinder
ist nun der elektromechanische Wandler, bestehend aus der Tastspitze 3, dem Gelenkhebel
4, dem Lager 5 und dem Kondensator 6, untergebracht. Die Ausbildung dieses elektromechanischen
Wandlers könnte auch anders sein, mit einem anderen Hebelsystem und einer anderen
Art von elektrischem Fühler 6. Die Tastspitze 3 befindet sich vorzugsweise nahe
dem vorderen Ende, so daß sie gut beobachtet werden kann. Der elektrische Fühler
6 ist mit dem elektrischen Verstärker 7 verbunden. Der Zylinder 2 wird von dem Haltearm
8 hin- und herbewegt und ist in diesem pendelnd aufgehängt, so daß er sich nach
der Grobgestalt der Oberfläche ausrichten kann. Der Abstand zwischen der Auflagefläche
des Mikro-Tastsystems auf der Prüfflächen und dem Lager 5 des Gelenkhebels ist d.
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Die Abb. 2 zeigt einen Querschnitt durch das Mikro-Tastsystem der
Abb. I. Sie läßt vor allem erkennen, daß der Zylinder 2 in den Lagern Io pendelnd
beweglich ist, aber sich nicht seitlich, d. h. in der Ebene der Oberfläche, bewegen
kann. Er muß also immer seine Spur einhalten.