DE4132724A1 - Vorschubgeraet - Google Patents
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- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
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- G01B7/34—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces
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Description
Die Erfindung betrifft ein Vorschubgerät mit den Merk
malen des Oberbegriffs des Anspruches 1 sowie ein Ver
fahren zur Regelung der Lage eines Oberflächentasters
bei einem Oberflächenprüfgerät mit den Merkmalen des
Oberbegriffs des Anspruches 21.
Aus der DE-PS 26 40 894 ist ein miniaturisiertes Vor
schubgerät für die Rauheitsmessung nach dem Tastschnitt
verfahren bekannt. Dieses Vorschubgerät weist ein klei
nes zylindrisches Gehäuse auf, innerhalb dessen sich
eine Führungseinrichtung für einen daran längsverschieb
lich geführten Schlitten befindet. Der Schlitten trägt
einen aus einer Stirnseite des Gehäuses herausragenden
Arm, an dem ein Oberflächentaster befestigt ist. Mit
Hilfe eines Antriebsmotors im Inneren des Gehäuses
kann der Schlitten mit einer konstanten Geschwindig
keit über eine wählbare Wegstrecke verschoben werden,
so daß die Abtastspitze des Oberflächentasters längs
einer entsprechenden Wegstrecke über die zu prüfende
Werkstückoberfläche gleitet.
Aufgrund der geringen Größe des gattungsgemäßen Vor
schubgerätes kann es ohne weiteres bei Werkstücken,
die hinreichende Abmessungen haben, auf das Werk
stück selbst aufgesetzt werden, um die Oberfläche
zu vermessen. Es braucht nicht notwendigerweise in
ein Stativ eingesetzt zu werden, um es in einer für
die Vermessung geeigneten Höhe zu halten.
Da der Oberflächentaster nur einen sehr geringen Meß
hub hat, müssen Vorkehrungen getroffen werden, um
zu verhindern, daß der Oberflächentaster während der
Bewegung über die Oberfläche aus dem linearen Meß
bereich kommt. Diese Vorkehrungen bestehen darin,
an dem Oberflächentaster neben der Tastspitze eine
Kufe vorzusehen, die ebenfalls über die zu vermessende
Oberfläche gleitet und den Arm, an dem der Oberflächen
taster sitzt, verschwenkt, damit die Tastspitze immer
innerhalb des linearen Meßbereiches bleibt.
Die Führung des Oberflächentasters mit Hilfe einer Kufe
führt zu Verfälschungen des mit Hilfe der Tastspitze
gemessenen Rauheitsprofils, und zwar aus zweierlei
Gründen: Erstens läuft die Kufe gegenüber der Tast
spitze räumlich versetzt, also längs einer anderen
Bahn als die Tastspitze und zweitens entsteht auch
eine Relativbewegung zwischen Kufe und Tastspitze, wenn
beispielsweise die Tastspitze auf einer ideal ebenen
Fläche entlanggleitet, während die Kufe über den
Scheitelpunkt eines benachbarten Rauheitshöckers gleitet.
Dadurch wird ein Ausgangssignal von dem Oberflächentaster
erzeugt, das seine Ursache nicht in einer Auslenkung der
Tastspitze durch die Oberfläche, sondern in der Bewegung
des Gehäuses des Oberflächentasters durch die Kufe hat.
Die DIN-Vorschriften bestimmen deswegen auch im Schieds
falle die Rauheitsmessung gegenüber einer Bezugsebene
vorzunehmen.
Bei Messungen mit Hilfe von Kufen kann obendrein die
Welligkeit, also die Gestaltsabweichung der Oberfläche,
mit größerer Wellenlänge als bei der Rauheit nicht er
faßt werden, weil die Kufe weitgehend der Welligkeit
folgen kann.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, ein
Vorschubgerät zur Messung nach dem Tastschnittverfah
ren zu schaffen, bei dem der Oberflächentaster ohne
die Verwendung von Kufen so nachgesteuert werden kann,
daß die Tastspitze sich innerhalb des linearen Meß
hubs des Oberflächentasters bewegt.
Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren
zur Lageregelung zu schaffen, um bei Oberflächenprüf
geräten den Taster einer unbekannten Oberfläche so
nachzuführen, daß der Taster im linearen Meßbereich
bleibt.
Diese Aufgabe wird mit einem Vorschubgerät mit den Merk
malen des Anspruches 1 gelöst.
Die Verwendung der weiteren Lagerungseinrichtung zusammen
mit der Antriebseinrichtung liefert die mechanischen
Voraussetzungen, um ohne den Einsatz einer Kufe den
Oberflächentaster an eine bestimmte Kontur anzupassen.
Selbst, wenn die Antriebseinrichtung lediglich manuell
betätigbar ist, besteht hierdurch die Möglichkeit,
bei aufgesetztem Vorschubgerät die Bahn der Tastspitze
des Oberflächentasters so festzulegen, daß selbst bei
schräg liegender oder geringfügig gekrümmter Ober
fläche der lineare Meßbereich des Oberflächentasters
nicht verlassen wird. Beispiel für solche Anwendungs
fälle sind Meßflächen, die gegenüber der Auflagefläche,
auf der das Vorschubgerät ruht, geringfügig geneigt
sind. Ohne Nachstellmöglichkeit würde selbst bei der
verhältnismäßig kleinen typischen maximalen Meßstrecken
länge von 20 mm bei derartigen Vorschubgeräten leicht
der lineare Meßbereich des Oberflächentasters verlas
sen werden. Die Nachstellmöglichkeit gestattet eine
entsprechende Anpassung, insbesondere dann, wenn die
Nachstellung kraftbetrieben erfolgt und eine Regelung
vorgesehen ist, die jederzeit implementiert werden kann.
Die vorgesehene weitere Achse, bezüglich der der Ober
flächentaster mit Hilfe des Vorschubgerätes verstellt
werden kann, kann wahlweise eine Schwenkachse oder
eine lineare Achse sein. Selbstverständlich ergibt
sich die größte Flexibilität, wenn beide Achsen gleich
zeitig vorhanden sind, wobei beispielsweise die Schwenk
achse manuell eingestellt wird, während die Verstellung
längs der linearen Achse selbsttätig erfolgen kann.
Durch die manuelle Einstellung bezüglich der Schwenk
achse läßt sich die lineare Vorschubbewegung des
Oberflächentasters auf eine Parallele zu der Regressions
geraden der Oberflächenkontur einstellen. Die zusätz
liche lineare Achse gestattet es sodann, einer stärkeren
Krümmung der Kontur der Oberfläche zu folgen, ohne den
Oberflächentaster aus dem linearen Meßbereich zu
bringen.
Das Schwenklager ist vorteilhafterweise zwischen der
Führungseinrichtung und dem Gehäuse angeordnet, derart,
daß die Führungseinrichtung in dem Gehäuse um einen
begrenzten Winkel schwenkbar ist. Dabei ergeben sich
bei der Verstellung längs der Schwenkachse die geringsten
Vertikalhübe für den Oberflächentaster, wenn das Schwenk
lager an demjenigen Ende der Führungseinrichtung ange
ordnet ist, das dem Oberflächentaster näher benachbart
ist.
Eine einfache Ausgestaltung des Schwenklagers besteht
in der Verwendung einer Blattfeder, die die Führungs
schiene mit dem Gehäuse verbindet.
Eine sehr feinfühlige und genau reproduzierbare Ver
stellung der Führungsschiene wird erhalten, wenn die
Antriebseinrichtung von einer Schraubspindelantriebs
einrichtung gebildet ist. Diese kann zwecks Betätigung
einen außerhalb des Gehäuses zugänglichen Antriebs- oder
Betätigungsknopf tragen.
Wegen der äußerst beengten Platzverhältnisse in einem
Vorschubgerät ist der Hub, über den der Oberflächen
taster längs der weiteren linearen Achse verstellt wer
den kann, ohnehin stark beschränkt. Hinzu kommen die
in dieser Richtung liegenden geringen Gehäuseabmes
sungen, so daß eine Parallelführung mit Hilfe von
Führungsschienen für hohe Meßgenauigkeiten nur be
dingt einsetzbar ist. Vorteilhaft ist eine Lenkeran
ordnung, um die gewünschte Parallelführung bei der Ver
stellung längs der weiteren linearen Achse zu errei
chen.
Sehr günstige Platzverhältnisse bei guter Einstellbar
keit werden erzielt, wenn die Lenkeranordnung von zwei
scherenartig gekreuzten, zweiarmigen Hebeln gebildet
ist, die durch ein Drehgelenk miteinander verbunden
sind, wobei das Drehgelenk die beiden zweiarmigen He
bel in gleicher Weise teilt.
Einer der beiden zweiarmigen Hebel kann schwenkbar an
dem Schlitten gelagert sein, während der andere Hebel
über ein Schiebe- oder Gleitgelenk mit dem Schlitten ver
bunden ist. Der Oberflächentaster ist mit den freien
Enden dieser beiden Hebel verbunden, wobei vorteilhaf
terweise eine der beiden Verbindungen wiederum ein
Schwenklager ist.
Wenn mit dem Vorschubgerät in Bohrungen gemessen werden
soll, deren Durchmesser kleiner ist als die Höhe des
Gehäuses des Vorschubgerätes ist es erforderlich, den
Oberflächentaster an einem Arm anzubringen, der seiner
seits an seinem anderen Ende mit der Lenkeranordnung
verbunden ist. Der Arm ragt durch eine Öffnung in dem
Gehäuse und gestattet damit die Rauheits- und Wellig
keitsmessung in Bohrungen mit einer lichten Weite, die
gerade eben das Eindringen des Fühlhebels bzw. der
Schutzeinrichtung für den Fühlhebel gestattet.
Eine versehentliche Überlastung des Oberflächentasters
durch eine zu starke Auslenkung kann vermieden werden,
wenn der Arm mit einem der Hebel über eine spielbehaftete
Anschlageinrichtung verbunden ist. Die Anschlageinrich
tung besteht aus zwei ineinandergreifenden Gliedern,
von denen das eine an dem betreffenden Hebel und das
andere an dem Arm für den Oberflächentaster befestigt
ist. Durch die Schwerkraft werden die Glieder des An
schlags aneinander spielfrei gehalten, während sie
bei einer übermäßigen Auslenkung des Oberflächentasters
im Rahmen des möglichen Spiels außer Eingriff gelangen
und es so dem Oberflächentaster gestatten, auszuwei
chen.
Auch bei der Lenkeranordnung sind die Schwenkgelenke
vorteilhafterweise von Blattfedern gebildet, die eine
spielfreie Lagerung ermöglichen.
Auch die Antriebseinrichtung für die weitere lineare
Achse kann ein Spindeltrieb sein, der auf einen der
Hebel im Bereich von dessen vom Schlitten abliegenden
Ende angreift.
Um das Spiel aus der Anordnung der Hebel zu nehmen,
ist ein federelastisches Glied vorgesehen, das im
Bereich des Drehgelenkes angreift und die Hebelan
ordnung gegen den Schlitten zieht.
Mit Hilfe einer aus dem Signal des Oberflächentasters
abgeleiteten Regelspannung läßt sich sehr gut die Lage
des Oberflächentasters nachführen, ohne die Kontur, die
abzutasten ist, vorher genau kennen zu müssen.
Dabei läßt sich der für die Auswertung nutzbare Be
reich vergrößern und der Einfluß von Signalverände
rungen durch den Einschwingvorgang des Regelkreises
vermindern, wenn der Regelkreis zunächst beim Start
der Bewegung des Oberflächentasters unterbrochen und
erst, nachdem der Oberflächentaster einen Teil seiner
Meßstrecke zurückgelegt hat, geschlossen wird. Auf
diese Weise wird quasi der eingeschwungene Zustand
simuliert. Im eingeschwungenen Zustand eilt die Lage
des Tasters der wahren Kontur des Werkstückes nach, und
zwar ist das Maß der Nacheilung im wesentlichen be
stimmt durch das Einschwing- und das Laufzeitverhal
ten des in dem Regelkreis enthaltenen Integrators.
Beispielsweise im Falle einer ebenen Werkstückkontur,
die gegenüber der Bewegungsachse, längs der der Ober
flächentaster bewegt wird, geringfügig geneigt ist,
wird nach dem Schließen des Regelkreises für den
Oberflächentaster eine Bahnkurve erzeugt, die zu der
Originalkontur parallel verläuft, jedoch ein kleines
Stück versetzt ist. Dementsprechend liefert der Ober
flächentaster, eine ideal glatte Oberfläche des Werk
stücks vorausgesetzt, ein konstantes Ausgangssignal.
Ist hingegen die Oberfläche rauh, ist dem konstanten
Ausgangssignal des Oberflächentasters ein exakt der
Rauhigkeit entsprechendes Wechselsignal überlagert.
Zum Unterbrechen und Schließen des Regelkreises kann
im einfachsten Falle ein gesteuerter Schalter verwen
det werden. Dieser Schalter befindet sich zweckmäßiger
weise zwischen dem Ausgang des Oberflächentasters und
dem Eingang des Integrators.
Die bestmögliche Ausnutzung der Meßstrecke wird er
reicht, wenn der Regelkreis nach einem Wegstück ge
schlossen wird, das bei geschlossenem, eingeschwungenem
Regelkreis jenem Wegstück entspricht, an dessen Ende
der Oberflächentaster eine Lage aufweist, die der
Kontur des Prüflings an der Stelle des Beginns bzw.
Anfangs des betreffenden Wegstücks entspricht. Da dieses
Wegstück konstant ist und nur davon abhängig ist, bis
zu welcher Wellenlänge des Oberflächengestaltsfehlers
die Lageregelung wirksam sein soll, kann das Schließen
des Regelkreises zweckmäßigerweise mit Hilfe eines
Schalters erfolgen, der unmittelbar von einem mit dem
Oberflächentaster gekoppelten mechanischen Glied be
tätigt wird.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Gegen
standes der Erfindung dargestellt. Es zeigt
Fig. 1 ein Vorschubgerät in perspektivischer Dar
stellung,
Fig. 2 das Vorschubgerät nach Fig. 1 mit geöffneter
Seitenwand in vereinfachter Darstellung,
Fig. 3 das Vorschubgerät nach Fig. 1 ohne das Ge
häuse, teilweise geschnitten,
Fig. 4 das Vorschubgerät nach Fig. 1 ohne Gehäuse in
einer Seitenansicht,
Fig. 5 den Schlitten und die Hebel zur Realisierung
zweier aufeinander senkrecht stehender linearer
Achsen, in einer Prinzipdarstellung,
Fig. 6 eine Schaltungsanordnung zum Vorpositionieren
des Oberflächentasters mit dem neuen Vorschub
gerät,
Fig. 7 einen Regelkreis zur Regelung der Lage des
Oberflächentasters des Vorschubgerätes nach
Fig. 1 als stark schematisiertes Blockschalt
bild,
Fig. 8 den Verlauf einer Kontur eines zu prüfenden
Werkstückes sowie die Bahnkurven des Ober
flächentasters mit und ohne Anwendung des er
findungsgemäßen Regelverfahrens und
Fig. 9 das Ausgangssignal des Oberflächentasters mit
bzw. ohne Anwendung des erfindungsgemäßen
Regelverfahrens.
Fig. 1 zeigt ein Vorschubgerät 1, das dazu dient, im
Tastschnittverfahren die Welligkeit oder Rauheit der
Oberfläche eines Werkstücks zu ermitteln. Das Vorschub
gerät 1 weist ein etwa quaderförmiges Gehäuse 2 mit
zwei Stirnseiten 3 und 4, zwei Seitenwänden 5 und 6
(siehe Fig. 3) sowie mit einer Ober- und einer Unter
seite 7, 8 auf. Die Abmessungen des quaderförmigen
Gehäuses 2 betragen 135×53×33 mm.
An der Stirnwand 3 ist ein nach unten offener tunnel
förmiger Vorsatz 9 befestigt, dessen Unterseite mit
der Unterseite 8 fluchtet. Der Vorsatz 9 geht an sei
nem freien Ende in einen U-förmigen Schutzkäfig 11
über, der sowohl nach oben als auch nach unten offen
ist. In dem tunnelförmigen Vorsatz 9 sowie dem
Käfig 11 bewegt sich längs einer ersten linearen
Achse ein Oberflächentaster 12, der in den Fig. 3 und
4 ersichtlich ist. Oer Oberflächentaster 12 sitzt an
einem rohrförmigen Arm 13 und wird mit Hilfe eines
in dem Gehäuse 1 längsverschieblich geführten Schlittens 14
entlang der ersten Achse geführt, wenn der Oberflächentaster
12 im Tastschnittverfahren die entsprechende Strecke über das
zu prüfende Werkstück bewegt wird. Die Strecke liegt in Längs
richtung des tunnelförmigen Vorsatzes 9 sowie des Schutzkäfigs 11.
Der Arm 13 ragt durch eine entsprechende Öffnung in
der Stirnwand 3 in den tunnelförmigen Vorsatz 9
und trägt an seinem hervorstehenden Ende ein zylindri
sches Gehäuse 15 des Oberflächentasters 12. In dem
zylindrischen Gehäuse 15 ist um eine Achse schwenkbar
ein Fühlhebel 16 gelagert, an dessen von der Schwenk
achse abliegenden Ende ein Tastdiamant 17 angebracht
ist. Die Schwenkachse, um die der Fühlhebel 16 um
einen begrenzten Winkel drehbar ist, liegt recht
winklig zu der Längserstreckung des Armes 13 und recht
winklig zu der ersten Achse und somit rechtwinklig zu
der Strecke, die im Tastschnittverfahren überstrichen
wird. Außerdem liegt die Schwenkachse parallel zu der
Unterseite 8.
Im Inneren des Gehäuses 15 befindet sich ein mechanisch/
elektrischer Wandler, der die Schwenkbewegung des Fühl
hebels 16 in ein wegproportionales elektrisches Signal
umwandelt.
Der Schlitten 14 besteht aus einer im wesentlichen ebenen
Platte und ist an einer in dem Gehäuse 1 befindlichen
Führungsschiene 18 geführt. Die Führungsschiene 18 ist
ein länglicher, im Querschnitt rechteckiger ferro
magnetischer Körper mit einer extrem gerade ausgeführten
Unterseite 19 sowie einer etwa rechtwinklig dazu ver
laufenden Stirnseite 21. An dieser Stirnseite 21 ist
eine dünne Blattfeder 22 befestigt, die mit ihrem
anderen Ende an Widerlagern angebracht ist, die sich
an der Innenseite der Stirnwand 3 befinden und aus Dar
stellungsgründen nicht sichtbar sind. Die Blattfeder
22 bildet ein Schwenklager für die Führungsschiene 18
und definiert somit eine zweite Achse, die parallel
zu der Achse liegt, um die der Fühlhebel 16 bezüglich
des Gehäuses 15 schwenkbar ist.
Die Führungsschiene 18 erstreckt sich nahezu über den
gesamten Innenraum des Gehäuses 1 von der Stirnwand 3
bis zu der rückwärtigen Rückwand 4. An dem der rück
wärtigen Stirnwand 4 benachbarten Ende der Führungs
schiene 18 befindet sich ein Schraubspindeltrieb 23,
mit dessen Hilfe das betreffende Ende der Führungs
schiene 18 gehoben und gesenkt werden kann, um die
Führungsschiene 18 bezüglich der durch die Blattfeder 22
definierten Schwenkebene zu verschwenken. Der Spindel
trieb 23 weist eine an der Führungsschiene 18 befestigte,
in den Zeichnungen nicht erkennbare Spindelmutter auf,
in die eine Schraubspindel 24 eingedreht ist. Die
Schraubspindel 24 ist in der Oberseite 7 des Gehäuses
1 spielfrei drehbar gelagert und ragt mit ihrem freien
Ende in eine mit der Schraubspindel fluchtende Mulde
25. In dieser Mulde 25 befindet sich ein Rändelknopf
26, der drehfest mit der Schraubspindel 24 verbunden
ist. Der Rändelknopf 26 steht, wie Fig. 1 zeigt, mit
einem Stück seines Umfangs aus der kreisscheibenförmi
gen Mulde 25 vor und kann auf diese Weise betätigt
werden. Im übrigen ist der Knopf 26 mit der Außen
fläche der Oberseite 7 bündig.
Wie Fig. 3 erkennen läßt, greift der Schlitten 14
mit einem seitlich liegenden Bereich 27 unter die
Führungsschiene 18. In diesem Bereich 27 befinden
sich an der Oberseite des Schlittens 14 im Abstand
voneinander zwei Gleitstücke 28, die auf der ebenen
Unterseite 19 der Führungsschiene 18 gleiten. Mit
den Führungs- oder Gleitsteinen 28 fluchten zwei
Permanentmagneten 29, die an der Unterseite des
Schlittens 14 befestigt sind. Mit Hilfe dieser Magne
ten 29 wird der Schlitten 14 an der ferromagnetischen
Führungsschiene 18 festgehalten und kann in beliebi
ger Richtung auf der Unterseite 19, die die Führungs
fläche bildet, entlanggleiten.
Die Länge des Schlittens 14, gemessen in Längsrichtung
des Gehäuses 2, ist gegenüber der Führungsschiene 18 etwa
nur um soviel kürzer wie es der maximalen Meßstrecke
entspricht, die im Tastschnittverfahren zu durchlau
fen ist.
Die Bewegung des Schlittens 14 geschieht mit
Hilfe eines weiteren Spindeltriebs 31, der mittels
eines Getriebemotors 32 angetrieben ist. Der Getriebe
motor 32 ist in der Nähe des Spindeltriebs 23 an der
Führungsschiene 18 angebracht und weist einen ver
längerten, nach unten ragenden Lagerflansch 33 auf.
Durch diesen Lagerflansch 33 führt eine Ausgangs
welle 34, auf der drehfest eine Schnurlaufrolle 35
für einen endlosen Vierkantriemen aufgesetzt ist.
Unterhalb der Ausgangswelle 34 befindet sich in dem
Lagerflansch 33 eine Lagerbohrung 35, in der eine
Schraubspindel 36 des Spindeltriebs 31 drehbar und
axial spielfrei gelagert ist. Die Gewindespindel 36
weist auf ihrem durch den Lagerflansch 33 hindurchfüh
renden und unterhalb der Ausgangswelle 34 befindlichen
Abschnitt drehfest eine weitere Schnurlaufrolle 37
auf, die mit der Schnurlaufrolle 35 fluchtet und um
die herum ein endloser Vierkantriemen 38 führt.
Der Gewindeteil der Gewindespindel 36 steckt mehr oder
weniger tief in einer Gewindebuchse 39, die über der
Oberseite des Schlittens 14 angeordnet ist. Sie ist
endseitig an einem quaderförmigen Gehäuse 41 be
festigt, das auf der Oberseite des Schlittens 14 vor
gesehen ist. Die weitgehend spielfreie Führung der
Gewindespindel 36 in der Gewindebuchse 39 definiert
die Bewegungsrichtung des Schlittens 14 auf der Füh
rungsfläche 19. Die Gewindespindel 36 erstreckt sich paral
lel zu der Führungsfläche 19 und parallel zu der ersten
Achse.
Aus Darstellungsgründen und um die wesentlichen Teile
veranschaulichen zu können, ist das Gehäuse 41 in den
Fig. 3 und 4 verkürzt dargestellt. In Wahrheit erstreckt
sich, wie Fig. 2 zeigt, das Gehäuse 41 bis zu dem der
Stirnwand 3 benachbarten Ende des Schlittens 14 und
bildet dort eine vertikal nach oben laufende Befesti
gungsfläche 42. An dieser Befestigungsfläche 42 ist eine
Blattfeder 43 angebracht, die sich im wesentlichen paral
lel zu der Blattfeder 22 erstreckt und über die Unter
seite des Schlittens 14 nach unten übersteht. Sie dient
der Verbindung des Schlittens 14 mit einer Hebel- oder
Lenkeranordnung 44, die ihrerseits die Verbindung zwi
schen dem Schlitten 14 und dem Arm 13 herstellt.
Zur Erläuterung der Hebelanordnung 44 ist im folgenden
auch auf die stark schematisierte Strichzeichnung von
Fig. 5 Bezug genommen.
Die Hebelanordnung 44 besteht aus zwei gekreuzten, nach
Art einer Schere drehbar miteinander verbundenen zwei
armigen Hebeln 45 und 46. Von diesen ist der Hebel 46
mit einem Ende an der Blattfeder 43 angebracht, die
ein in Fig. 5 schematisch dargestelltes Schwenkgelenk
47 bildet. Das andere Ende des Hebels 46 haltert eben
falls eine Blattfeder 48, die den Hebel 46 mit dem
innenliegenden Ende des Armes 13 verbindet. Hierzu
trägt der Arm 13 an seinem rückwärtigen Ende einen
Befestigungsklotz 49, an dem die Blattfeder 48 ange
bracht ist. Die Blattfeder 48 definiert somit ein wei
teres Schwenkgelenk, das in Fig. 5 mit 51 bezeichnet
ist. Dieses Schwenkgelenk 51 befindet sich unterhalb
desjenigen Endes des Schlittens 14, das der rückwär
tigen Stirnwand 4 benachbart ist und somit am wei
testen von dem Oberflächentaster 12 abliegt.
Der zweite Hebel 45 der Hebelanordnung 44 ist über ein
Drehgelenk 52, das sich etwa in der Mitte des Hebels
46 befindet, mit diesem schwenkbar und spielfrei ver
bunden.
Die Achsen sämtlicher Schwenk- bzw. Drehgelenke 47,
51, 52 sowie des durch die Blattfeder 22 gebildeten
Gelenks sind zueinander parallel und stehen auf der
Zeichenebene von Fig. 5 senkrecht.
Der Hebel 45 liegt gekreuzt zu dem Hebel 46 und trägt
an seinem der Blattfeder 48 benachbarten Ende ein
Gleitstück 53, das auf der Unterseite des Schlittens
14 gleitet. Diese Unterseite des Schlittens 14 liegt
parallel zu der Führungsfläche 19 der Führungsschiene 18.
Das andere Ende des Hebels 45 trägt eine Anschlag
einrichtung 54, die von zwei Haken 55 und 56 gebildet
ist. Der Haken 55 ist starr auf dem Arm 13 befestigt,
während der Haken 56 unbeweglich an dem Hebel 45 an
gebracht ist. Die so gebildete Anschlageinrichtung 54
weist in einer Richtung Spiel auf, d. h. der Hebel 45
ist in der Lage, den Arm 13 anzuheben, behindert aber
andererseits nicht eine Ausweichbewegung des Hebels
13 nach oben, falls aufgrund einer Fehlbedienung der
Oberflächentaster 12 nach oben ausweichen muß, um Be
schädigungen zu vermeiden.
Zwischen dem Schlitten 14 und der Hebelanordnung 44
sitzt eine in Fig. 5 gezeigte Zugfeder 57, die sche
matisch dargestellt an dem Drehgelenk 52 angreift und
die Hebelanordnung 44 gegen die Unterseite des Schlit
tens 14 zieht. Dadurch wird das Gleitstück 53, das
an der Unterseite des Schlittens 14 ein Schiebegelenk
bildet, an den Schlitten 14 angepreßt.
Die Verstellung der Hebelanordnung 44 geschieht mit
Hilfe eines weiteren Spindeltriebs 58, der mit Hilfe
eines Stirnradgetriebes 59 sowie eines aus Darstel
lungsgründen nicht erkennbaren Elektromotors angetrie
ben wird. Das Stirnradgetriebe 59 sowie der nicht er
kennbare Antriebsmotor befinden sich in dem Gehäuse 41.
Der Spindeltrieb 58 weist eine auf der Oberseite des
Schlittens 14 starr befestigte Spindelmutter 61 auf,
die eine auf der von dem Schlitten 14 definierten Ebene
senkrecht stehende Gewindebohrung enthält. In diese
ist eine Gewindespindel 62 eingeschraubt, die mit einem
Ende durch den Schlitten 14 hindurchragt und mit der
Oberseite des Hebels 45 in Berührung steht. In Fig. 5
ist die Gewindespindel schematisch durch den Pfeil
gekennzeichnet, der mit demselben Bezugszeichen wie
die Gewindespindel in den Fig. 3 und 4 belegt ist.
Das insoweit beschriebene Vorschubgerät 1 arbeitet wie
folgt: Es wird mit seinen an der Unterseite 8 vor
handenen Aufstellfüßen 63 auf einen neben dem Werk
stück vorhandenen Tisch oder auch auf das Werkstück
selbst aufgestellt, sofern dies eine ausreichend große
Standfläche bietet. Sodann wird der Oberflächentaster
elektrisch mit einer an sich bekannten Steuer- und
Auswerteelektronik verbunden, die auch die Stromver
sorgung für den Getriebemotor 32 hält. Nach Drücken
eines Startknopfes wird der Getriebemotor 32 in
Gang gesetzt und es wird über den Riemen 38 der Spindel
trieb 31 betätigt, wodurch der Schlitten 14 an der
Führungsfläche 19 entlangbewegt wird. Der Schlitten
14 bewegt sich dabei längs einer geraden Achse, die durch
die Führungsfläche 19 sowie die Gewindespindel 36 definiert
ist. Die Wegstrecke, die dabei der Abtastdiamant 17 zurücklegt,
liegt bei Vorschubgeräten, die nach dem Tastschnitt
verfahren arbeiten, üblicherweise bei 20 mm oder weniger,
je nachdem, wie groß die Welligkeit auf der Oberfläche
des zu prüfenden Werkstückes ist.
Wenn keine Störungen oder Fehlbedienungen vorliegen,
hängt der Arm 13 in der Anschlageinrichtung 54 und wird
auf diese Weise an zwei Punkten, nämlich bei der An
schlageinrichtung 54 und dem Schwenkgelenk 51 gehalten.
Dies bedeutet, daß die lineare Bewegung des Schlittens
14, die durch die Gewindespindel 36 und die Führungs
fläche 19 erzwungen wird, auf den Arm 13 und damit auch
auf den Meßtaster 12 übertragen wird. Würde der Abtast
diamant 17 auf keiner Oberfläche aufliegen, dann würde
während des Laufs des Getriebemotors 32 der Abtast
diamant 17 eine exakt gerade Strecke durchlaufen, deren
Länge der Einschaltzeit des Getriebemotors 32 entspricht.
Da die Geschwindigkeit des Getriebemotors 32 während
der gesamten Wegstrecke konstant gehalten wird, bewegt
sich der Abtastdiamant 17 auch mit einer konstanten
Geschwindigkeit von einer Endlage bis zur anderen End
lage. Die von ihm zurückgelegte gerade Wegstrecke ist
parallel zu der Führungsfläche 19 der Führungsschiene
18.
Da der Abtastdiamant 17 jedoch nicht frei in der Luft
hängt, sondern tatsächlich auf dem Werkstück aufliegt,
wird der Fühlhebel 16 nach oben in Richtung auf die
Oberseite 7 ausgelenkt. Solange diese Auslenkung nicht
dazu führt, daß der Fühlhebel 16 einen Anschlag er
reicht, bleibt der Arm 13 in der vorher erwähnten Lage,
in der die beiden Haken 55 und 56 miteinander in Be
rührung stehen. Erst bei einer übermäßigen Bewegung
des Fühlhebels 16 nach oben, die zu einer Beschädigung
des Oberflächentasters 12 führen würde, weicht auch der
Arm 13 in dem Schwenkgelenk 51 nach oben aus, da eine
solche Bewegung von den ineinandergreifenden Haken 55
und 56 nicht behindert wird. Der Ausweichhub, den
die Anschlageinrichtung 54 zuläßt, ist ausreichend
groß, um es dem Abtastdiamanten 17 zu ermöglichen,
hinter die Berandung des Schutzkäfiges 11 sich zurück
zubewegen, so daß er hinreichend geschützt ist.
Für die nachstehenden Erläuterungen sei jedoch angenom
men, daß die Haken 55 und 56 miteinander in Berührung
bleiben, damit sich der Oberflächentaster 12 längs einer
Bahn bewegt, die zu der Führungsfläche 19 parallel ist.
Wird unter diesen Annahmen, wie erwähnt, der Schlit
ten 14 durch den Getriebemotor 32 in Bewegung gesetzt,
dann wird der Abtastdiamant 17 über die Oberfläche des
zu prüfenden Werkstückes bewegt und erfährt eine Verti
kalbewegung entsprechend der Welligkeit oder der Rauheit
der Oberfläche, auf der er entlanggleitet. Diese Ver
tikalbewegungen führen zu einer Verschwenkung des Fühl
hebels 16 und damit zu einer Erzeugung eines elektri
schen Signals, dessen Kurvenform der Profilgestalt der
Werkstückoberfläche einschließlich der Rauheit ent
spricht.
Weil der Oberflächentaster 12 dazu ausgelegt ist, im
Submikrometerbereich zu messen, ist der zulässige Bewe
gungshub des Fühlhebels 16, an dessen äußerem Ende der
Abtastdiamant 17 sitzt, verhältnismäßig klein, wenn
das Ausgangssignal des Oberflächentasters zu der Ober
flächenkontur streng linear proportional sein soll.
Größere Auslenkungen sind zwar möglich, führen aber dazu,
daß das elektrische Signal nicht mehr ein wahres Abbild
der Oberflächenstruktur ist. Mit zunehmender Auslenkung
jenseits des linearen Bereiches entsteht eine zusätz
liche Verfälschung infolge der dann nicht mehr linearen
Wandlerkennlinie des Oberflächentasters 12. Eine solche
Bereichsüberschreitung kann beispielsweise auftreten,
wenn die Oberfläche, längs derer der Abtastdiamant 17
von dem Schlitten 14 bewegt wird, eine Neigung aufweist
gegenüber der Führungsfläche 19, und zwar gemessen in
Bewegungsrichtung des Schlittens 14. Sollte infolge
einer geneigten Meßfläche eine Bereichsüberschreigung
zustandekommen, hat der Benutzer die Möglichkeit, durch
Betätigen des Rändelknopfes 26 die Winkellage der Füh
rungsfläche 19 um wenige Grad zu verändern, damit die
Gerade, längs derer der Oberflächentaster 12 bewegt
wird, wiederum parallel zu der zu vermessenden Ober
fläche verläuft.
Im Gegensatz zu den bekannten Vorschubgeräten, bei denen
die Auslenkung des Arms 13 mit Hilfe einer Kufe erreicht
wird, die sich in der Nähe des Abtastdiamanten 17 befin
det, hängt bei dem neuen Vorschubgerät 1 der Arm 13
immer in der Anschlageinrichtung 54, wodurch eine be
zugsebene Messung zustandekommt, denn die Bahn, durch
die der Oberflächentaster 12 bewegt wird, ergibt sich
aufgrund der Lage der Führungsfläche 19 und, wie dies
im folgenden erläutert wird, aufgrund der Stellung der
beiden Hebel 45 und 46.
Bei den vorher gegebenen Erläuterungen ist davon ausge
gangen worden, daß die Oberfläche, die mit dem Abstast
diamanten 17 vermessen wird, ausreichend eben ist und
der Oberflächentaster 12 folglich seinen linearen Meß
bereich nicht verläßt. Ein eventueller Winkelfehler
zwischen der Oberfläche und der Führungsfläche 19 kann
vom Benutzer mit Hilfe einer Verstellung des Spindel
triebs 23 ausgeglichen werden. Dadurch wird die Führungs
schiene 17 bezüglich der durch die Blattfeder 22 defi
nierten Achse um den entsprechenden geringen Winkel ver
schwenkt.
Sollte jedoch die zu vermessende Oberfläche längs der
Meßstrecke eine Krümmung aufweisen, die den Oberflächen
taster 12 aus seinem linearen Meßbereich bringt, ist
zusätzlich eine Höhenverstellung für den Arm 13 vor
gesehen. Durch Verstellen des Spindeltriebs 58 wird
der Hebel 45 bezüglich seines Gleitstückes 53
verschwenkt. Dadurch ändert sich je nach Betäti
gungsrichtung der Spindel 62 der Abstand des Dreh
gelenkes 52 von der Unterseite des Schlittens 14,
was dazu führt, daß auch der Hebel 46 um die Achse
des Gelenkes 47 gedreht wird. Hierdurch wird ent
sprechend das Gelenk 51 angehoben oder abgesenkt.
Bei dem neuen Vorschubgerät 1 sind die Abstände der
einzelnen Gelenke 47, 51, 53 sowie der Anschlagein
richtung 54 von dem Drehgelenk 52 so gewählt, daß bei ei
ner Verschwenkung des Hebels 45 sowohl das Gelenk 51 als
auch die Anschlageinrichtung 54 sich um den gleichen Be
trag heben und senken, d. h. die Verschwenkung des Hebels
45 hat einen Parallelversatz des Arms 13 bezüglich der
durch die Führungsfläche 19 definierten Achse zur Folge.
Die Bewegung kann dabei als nahezu linear angesehen werden,
mt einer Richtung, die im wesentlichen rechtwinklig zu der
Führungsfläche 19 ist.
Die Betätigung des Spindeltriebs 58 geschieht durch
einen Elektromotor, der von der zentralen Steuer-
und Auswertelektronik betätigt wird und die Hebel
anordnung 54 so nachsteuert, daß bei einer stark ge
krümmten Oberflächenkontur des Prüflings der Ober
flächentaster 12 in seinem linearen Meßbereich bleibt.
Da die Gestaltsabweichung des Prüflings eine Wellen
länge aufweist, die um mehrere Zehnerpotenzen größer
ist als die Wellenlänge der Rauhheit oder der Ober
flächenwelligkeit, kann das durch das Nachführen des
Abtastdiamanten längs der vertikalen Achse eingeführte
elektrische Signal ohne weiteres ausgefiltert werden.
Läuft bspw. der Abtastdiamant 17 während der Meß
strecke über eine konvexe Nockenfläche, wobei der
Scheitelpunkt der Nockenfläche etwa in der Mitte
des Hubs liegt, wird von der zentralen Steuerein
richtung nach dem Starten des Getriebemotors 32
für die Tastschnittbewegung auch der Spindeltrieb
58 in Gang gesetzt, und zwar so, daß der Oberflächen
taster 12 nicht seinen linearen Meßbereich verläßt.
Wegen des angenommenen Profils des Werkstückes wird
zunächst einmal die Spindel 62 in Richtung auf den
Schlitten 12 zurückgedreht, wodurch die Hebelan
ordnung 54 dichter an die Unterseite des Schlitzes
14 herankommen kann und der Oberflächentaster 12
längs einer linearen Achse nach oben geführt wird.
Sobald der Scheitelpunkt des Profils des Prüflings
erreicht ist, kehrt die Steuereinrichtung die Be
wegungsrichtung des Spindeltriebs 58 um. Die Spindel
62 wird wieder nach unten zunehmend herausgeschraubt,
und der Arm 13 wird zusammen mit dem Oberflächentaster
12 längs der erwähnten linearen Achse erneut nach un
ten bewegt (jeweils bezogen auf die Darstellung in
den Zeichnungen). Während des gesamten Vorgangs sind
die Haken 57 und 56 der Anschlageinrichtung 54 form
schlüssig in Eingriff geblieben. Im Idealfall hat
damit jeder Punkt des Oberflächentasters 12 eine
Bahnkurve zurückgelegt, die parallel versetzt dem
Profilschnitt des Prüflings an der Meßstrecke ent
spricht. Damit ist das von dem Oberflächentaster 12
abgegebene elektrische Signal nicht, wie bei dem be
kannten Vorschubgeräten, durch Signale verfälscht,
die durch eine Relativbewegung zwischen einer Gleit
kufe und dem Abtastdiamanten zustandekommen. Ein
solches Signal läge in seiner Frequenz im Bereich
der Rauheit der Werkstückoberfläche und wäre
deswegen nicht mehr herauszufiltern. Mit dem neuen
Vorschubgerät 1 wird dagegen eine Bewegung erzeugt,
die von der Welligkeit des Werkstücks unabhängig
ist, da durch andere Betätigungseinrichtungen der
Oberflächentaster 12 dazu gebracht wird, dem Profil
des Prüflings zu folgen.
Ersichtlicherweise können geringe Schräglagen einer
ebenen Werkstückfläche ohne Betätigen des Spindel
triebs 23 und nur durch automatisches Betätigen
des Spindeltriebs 58 ausgeglichen werden. Größere
Schräglagen, insbesondere kombiniert mit gekrümmten
Werkstückflächen, erfordern dagegen eine Nachstellung
der Winkellage der Führungsschiene 18, so daß der
vertikale Hub, der durch die Hebelanordnung 44
möglich ist, voll dazu ausgenutzt werden kann, der
Profilgestalt zu folgen.
Wegen der äußerst beengten räumlichen Verhältnisse in ei
nem Vorschubgerät ist die Neigungsverstellung der Füh
rungsschiene 18 auf ca. ±1,5 mm pro 100 mm beschränkt
und auch die Höhenverstellung mit Hilfe der Hebel
anordnung 44 ermöglicht eine Vertikalbewegung in
der gleichen Größenordnung.
Selbstverständlich können bei dem beschriebenen
Vorschubgerät 1 auch Oberflächentaster verwendet
werden, bei denen sich neben dem Fühlhebel 16 noch
eine Kufe befindet, die dann allerdings lediglich
Schutzfunktion hat, da in jedem Falle von dem
Spindeltrieb 58 die Höhenverstellung mit Hilfe
der Hebelanordnung 44 so nachgestellt wird, daß
die Kufe während des Meßvorgangs nicht mit dem
Werkstück in Berührung kommt.
In Fig. 6 ist eine Schaltungsanordnung veranschaulicht,
die dazu dient, mit Hilfe des Vorschubgerätes 1 den
Oberflächentaster 12 vor Beginn der Messung in eine
vorzuwählende Höhenposition über der Oberfläche des
zu prüfenden Werkstückes zu bringen, damit möglichst
kein Verlassen des linearen Meßbereiches auftritt.
Der Oberflächentaster 12 gibt an seinem Ausgang 65 ein
elektrisches Signal ab, das der Stellung des Fühlhe
bels 16 relativ zu dem Gehäuse 15 entspricht. Dieses
elektrische Signal gelangt in einen Eingang 66 einer
Vergleichsschaltung 67, die einen weiteren Eingang
68 sowie einen Ausgang 69 aufweist. In den Eingang
68 wird ein Sollwertsignal eingespeist, das von einem
Sollwertgeber 71 geliefert wird. Der Sollwertgeber 71
ist manuell zu beeinflussen und sein Ausgangssignal
kann zwischen zwei Grenzwerten beliebig eingestellt
werden. Die beiden Grenzwerte des Sollwertgebers 71
entsprechen denjenigen Grenzwertsignalen, die der
Oberflächentaster 12 abgeben kann, wenn er an dem
einen oder dem anderen Ende seines linearen Meßbe
reiches steht.
Das von der Vergleichsschaltung 67 kommende Ausgangs
signal wird dem Antriebsmotor des Spindeltriebs 58
zugeführt, durch den die Höhenlage des Oberflächen
tasters 12 über der Oberfläche des Werkstücks, wie
beschrieben, eingestellt werden kann.
Um während der Messung im Tastschnittverfahren das Aus
gangssignal nicht durch die Positionseinstellung zu
verfälschen, ist zwischen dem Ausgang 69 und dem Spin
deltrieb 58 ein gesteuerter Schalter 71 angeordnet.
Das in Fig. 6 dargestellte Blockschaltbild ist sehr
stark vereinfacht, um das Wesentliche des Regelkreises
erkennen zu können. Die erforderlichen Schaltungsblöcke,
um das Ausgangssignal des Oberflächentasters 12 auszu
werten und in das entsprechende Gleichspannungssignal
zum Betätigen des Schraubtriebs 58 umzuwandeln, sind
dem Fachmann geläufig und deswegen in dem Schaltbild
nicht gezeigt.
Die Arbeitsweise der Schaltung nach Fig. 6 ist wie folgt:
Das Vorschubgerät 1 wird mit dem Oberflächentaster 12
auf ein zu prüfendes Werkstück aufgesetzt. Dabei gibt
der Oberflächentaster 12 entsprechend der dadurch zu
stande gekommenen Auslenkung des Abtastdiamanten 17
ein Ausgangssignal ab, das mit dem Sollwert, der von dem
Sollwertgeber 71 geliefert wird, in der Vergleichsschal
tung 67 verglichen wird. Ist beispielsweise der Soll
wertgeber 71 auf den Mittelwert zwischen den beiden
Grenzwerten eingestellt, so gibt er ein elektrisches
Signal ab, das der Oberflächentaster 12 ebenfalls ab
geben würde, befände er sich nach dem Aufsetzen auf
das Werkstück in der Mittellage. Falls dies jedoch
nicht der Fall ist, weil bei einer vorherigen Messung
der Schraubtrieb 58 verstellt wurde, so weichen die
beiden Signale an den Eingängen 68 und 66 der Ver
gleichsschaltung 67 voneinander ab. Die Vergleichs
schaltung 67 erzeugt aus der Differenz der beiden
Signale ein vorzeichenrichtiges proportionales Gleich
spannungsausgangssignal, das bei geschlossenem Schalter
71 zu dem Motor des Schraubtriebs 58 gelangt. Der Motor
wird dadurch in Umdrehungen versetzt und bewegt den
Schraubtrieb 58 so, daß der Oberflächentaster 12 durch
Verstellen der Hebelanordnung 44 in die Mittellage ge
langt, d. h. eine Lage, in der sein Ausgangssignal mit
dem Ausgangssignal des Sollwertgebers 71 übereinstimmt.
Der gesteuerte Schalter 71 ist normalerweise geschlos
sen und wird erst geöffnet, wenn von der nicht veran
schaulichten zentralen Steuerung der Getriebemotor 32
in Gang gesetzt wird, um die Bewegung des Oberflächen
tasters 12 in Tastschnittrichtung zu bewerkstelligen.
Dadurch wird sichergestellt, daß bis kurz vor der Mes
sung die Lage des Oberflächentasters 12 automatisch
nachgestellt wird und Temperaturverzüge keinen Einfluß
haben.
Mit der dargestellten Schaltungsanordnung kann mit dem
neuen Vorschubgerät 1 nicht nur die Rauheit, sondern
auch die Welligkeit erfaßt werden, ebenso wie Änderungen
der Profilgestalt des Werkstücks längs der Tastschnitt
strecke, da der Oberflächentaster 12 nach dem Öffnen
des Schalters 71 während des Tastschnitts längs einer
exakten Geraden geführt wird, da die Höhenverstellung
in Ruhe bleibt.
Ebenso wie durch den Sollwertgeber 71 die Mittellage
des Oberflächentasters 12 eingestellt werden kann,
kann jede beliebige andere Lage bis hin zu den Grenzlagen
ebenfalls vorgegeben werden. Beispielsweise ist es zweck
mäßig, den Oberflächentaster 12 in seine obere Grenzlage
zu bringen, in der er den größten Abstand von der Werk
stückoberfläche hat, wenn zu erwarten ist, daß die
Profilgestalt des Werkstücks konvex verläuft, während
umgekehrt die niedrigste Lage eingestellt wird, wenn
zu erwarten ist, daß die Profilgestalt konkave Form auf
weist. Auf diese Weise kann der lineare Meßbereich
optimal ausgenutzt werden, selbst dann, wenn die Ober
fläche des Prüflings keine ebene Fläche ist.
Anhand der Fig. 7 bis 9 ist ein Lageregelverfahren
beschrieben, das Signalverzerrungen am Ausgang des
Oberflächentasters 12 auf ein sehr kurzes Stück
der Meßstrecke beschränkt.
Fig. 7 zeigt in sehr stark schematisierter Block
darstellung den Regelkreis 75, der den Oberflächen
taster 12 enthält. Sein Fühlhebel 16 mit dem daran
sitzenden Abtastdiamanten 17 tastet die Oberfläche
des Werkstücks ab und erzeugt ein Differenzsignal
aus dem Profil des Werkstücks und der Bewegung des
Oberflächentasters 12. Der Oberflächentaster 12
wandelt diese Bewegungsdifferenz in ein elektrisches
Signal um, das er an seinem Ausgang 65 abgibt. Das
an dem Ausgang 65 anstehende elektrische Signal wird
einerseits einer Auswertschaltung übermittelt, die
das Oberflächenprofil bspw. grafisch darstellt, und
es gelangt außerdem in einen gesteuerten Schalter 77,
der wahlweise das elektrische Signal von dem Ausgang
66 in einen Eingang 78 eines Integralreglers 79 über
trägt oder die Verbindung dorthin unterbricht. Der
Integralregler 79 weist einen Ausgang 81 auf, der im
dargestellten Falle ein elektrisches Signal abgibt,
das in einen entsprechenden Eingang 82 eines nicht
integrierenden elektrisch-mechanischen Wandlers 83
einspeist, welcher als Ausgangssignal die Lage
des Oberflächentasters 12 erzeugt. Dies kann bspw.
ein mit einer Feder vorgespanntes Tauchspulensystem
sein, das in dem Vorschubgerät 1 anstelle des Spindel
triebs 58 verwendet wird.
Lediglich aus Gründen der Klarheit ist gedanklich
der Regelkreis in den elektromechanischen Wandler
83 und den Regler 89 mit I-Charakteristik zerlegt
gedacht. Bei der Verwendung eines mit Hilfe eines
Elektromotors angetriebenen Spindeltriebs be
sorgt der Elektromotor zusammen mit dem Spindel
trieb bereits die integrale Charakteristik des
Regelkreises, und es genügt, wenn das sehr kleine
Ausgangssignal des Oberflächentasters 12 genügend
verstärkt wird, um den Motor in der jeweils richti
gen Richtung anzutreiben.
Bei dem neuen Verfahren wird zunächst der Getriebe
motor 32, der den Vorschub des Oberflächentasters 12
in Tastschnittrichtung bewirkt, in Gang gesetzt .
Dabei wird am Startzeitpunkt der Schalter
77 geöffnet. Erst wenn der Abtastdiamant 17 ein
noch festzulegendes Stück seines Weges zurückgelegt
hat, wird der Schalter 77 geschlossen und somit das
Abtastsignal auch dazu verwendet, um den elektro
mechanischen Wandler nachzustellen, der die Vertikal
bewegung des Oberflächentasters 12 bewirkt. Dadurch
wird eine exponentielle Annäherung des Ausgangssignals
des Oberflächentasters 12 an den eingeschwungenen
Grenzwert vermieden, wie dies anhand der Fig. 8 und
9 gezeigt wird. Dabei wird zum besseren Verständnis
die vereinfachende Annahme getroffen, die Oberfläche
des Werkstückes ist exakt gerade, jedoch gegenüber
der Führungsfläche 19 unter einem festgelegten Winkel
geneigt, wie dies durch eine schräge Gerade 84 in
Fig. 8 veranschaulicht ist. Diese Gerade 84 ist
gleichzeitig das Eingangssignal für den Oberflächen
taster 12, falls dieser in der vertikalen Richtung
nicht nachgestellt wird.
Im Idealfall müßte nun der Regler 79 zusammen mit
dem elektro-mechanischen Wandler den Oberflächen
taster 12 längs der vertikalen Achse gleichzeitig
so nachstellen, daß jeder Punkt des Oberflächen
tasters 12 der Kurve 84 folgt, während der Ober
flächentaster allmählich seine Meßstrecke durch
läuft. Infolge der Verzögerungswirkung durch den
Regler 79 wird aber die Bahnkurve, längs derer
sich der Oberflächentaster 12 bewegt, nacheilen,
d. h. es kommt in Fig. 8 eine weitere Bahnkurve
zustande, die im eingeschwungenen Zustand zu der
Bahnkurve 84 parallel verläuft, jedoch nach rechts
versetzt ist. Diese eingeschwungene Bahnkurve des
Oberflächentasters 12 ist in Fig. 8 mit 85 be
zeichnet. Der seitliche Versatz entspricht dem
Schleppfehler der durch den Integrator zustande
kommt. Dies läßt sich ohne weiteres verstehen, wenn,
wie bei dem gezeigten Vorschubgerät 1, zur vertikalen
Verstellung ein Spindeltrieb 58 zusammen mit einem
Antriebsmotor verwendet wird, dem ein Verstärker vor
geschaltet ist, der das Ausgangssignal des Oberflächen
tasters 12 hinreichend verstärkt, um damit die Antriebs
spannung für den Motor zu erzeugen. Eine bestimmte
Neigung der Kontur des Werkstücks bzw. der Geraden
84 entspricht einer bestimmten Verstellgeschwindig
keit der Hebelanordnung 44 und damit einer bestimmten
Drehzahl des Motors. Diese Motordrehzahl ist abhängig
von der anliegenden Spannung, die dem Ausgangssignal
des Oberflächentasters 12 proportional ist. Im einge
schwungenen Zustand des Systems bzw. des Regelkreises
75 wird die Nachstellung des Oberflächentasters 12
soweit der wahren Kontur entsprechend der Kurve 84
nacheilen, daß die von dem Oberflächentaster 12 ab
gegebene und verstärkte Spannung den Motor schnell
genug rotieren läßt, damit die Bahnkurve des Ober
flächentasters 12 mit derselben Steigung ansteigt
wie das Werkstückprofil.
Würde nun der Schalter 77 ständig geschlossen sein,
dann würde am Beginn der Meßstrecke von dem Ober
flächentaster 12 zunächst kein Signal abgegeben wer
den und es erfolgt keine Verstellung in vertikaler
Richtung. Erst mit zunehmend ansteigendem Profil
wird auch der Motor sich zu drehen beginnen, d. h. am
Ausgang des elektromechanischen Wandlers 73 ent
steht ein Signal. Da sich der Motor aber noch zu
langsam dreht, um den Oberflächentaster 12 mit der
genügenden Geschwindigkeit in vertikaler Richtung zu
verfahren, muß das Signal an dem Ausgang 65 des Ober
flächentasters 12 noch weiter ansteigen, bis es einen
Wert erreicht, wie er dem oben erläuterten einge
schwungenen Zustand entspricht. Die Bahnkurve des Ober
flächentasters 12 wird folglich zu Beginn der Meß
strecke nicht die Gerade 85 sein, der er im einge
schwungenen Zustand folgt, sondern eine nach einer
e-Funktion verlaufende Kurve, wie sie in Fig. 7 durch
eine gestrichelte Kurve 86 angegeben ist. Diese ge
strichelte Kurve 86 beginnt bei der Kurve 84 und geht
asymptotisch in die Kurve 85 über, die den eingeschwunge
nen Zustand repräsentiert.
Dabei entspricht der Koordinatenursprung dem Start des
Meßvorganges, also dem Beginn der Bewegung des Abtast
diamanten 17 durch seine Meßstrecke.
Fig. 9 zeigt das an dem Ausgang 65 erhaltene elektrische
Signal, wenn die Nachstellung des Oberflächentasters 12
bereits beginnt, wenn der Abtastdiamant 17 sich in
Tastschnittrichtung zu bewegen begonnen hat. Da das
Ausgangssignal des Oberflächentasters 12 sich aus der
Differenz des Profils des Werkstücks und der Bewegung
des Oberflächentasters 12 ergibt, steigt die Spannung
an dem Ausgang 65 entsprechend einer gestrichelten
Kurve 87 allmählich exponentiell an, bis sie den einge
schwungenen Zustand erreicht hat, der oben erläutert
ist.
Gemäß dem neuen Verfahren wird nun der Schalter 77
erst geschlossen, nachdem der Abtastdiamant 17 ein
Stück seiner Wegstrecke in Tastschnittrichtung zurück
gelegt hat. Bezogen auf Fig. 8 bedeutet dies am Be
ginn der Meßbewegung, die dem Koordinatenursprung
entspricht und mit X0 bezeichnet ist, ist der Schal
ter 77 geöffnet. Damit steigt die Spannung an dem Aus
gang 65 des Oberflächentasters 12 linear längs einer
Kurve 88 an. Die Gerade 88 geht durch den Punkt X0
und ihre Steigung ist proportional der Steigung des
Oberflächenprofils, bezogen auf die Führungsfläche 19.
Sobald die Ausgangsspannung des Oberflächentasters 12
einen Wert erreicht hat, der bei der gegebenen Stei
gung jener Spannung entspricht, die erforderlich ist,
damit der Motor des Spindeltriebs 58 mit einer dem
eingeschwungenen Zustand entsprechenden Drehzahl läuft,
wird der Schalter 77 geschlossen. Dieser Zeitpunkt ist
erreicht, wenn der Abtastdiamant 17 die Stelle X1
erreicht hat. Nun liefert der Oberflächentaster 12
an seinem Ausgang 65 eine Spannung, die zu einer Ver
stellung des Spindeltriebs 58 führt, so daß die Bahn
kurve des Oberflächentasters 12 parallel zu dem schräg
liegenden Werkstückprofil erfolgt. Im Falle einer
exakt glatten Werkoberfläche ist damit die Ausgangs
spannung des Oberflächentasters 12 eine konstante
Spannung gemäß einer Geraden 89, d. h. die Spannung
des Oberflächentasters 12 ist ab der Stelle X1 unver
änderlich.
Falls die Oberfläche rauh ist oder eine Welligkeit
aufweist, spiegelt sich diese Rauheit und Welligkeit
in einer entsprechenden Verformung der Geraden 89.
Wie nun Fig. 9 unschwer erkennen läßt, vermeidet das
neue Regelverfahren einen langen asymptotischen Aus
gleichsvorgang, der sich weit über den Punkt X1 hinaus
in die Meßstrecke verschiebt und die nutzbare Meß
strecke deutlich beschränkt. Hinzu kommt, daß der ge
krümmte Verlauf der Ausgangsspannung gemäß der Kurve
87 einen zusätzlichen, in Wahrheit nicht vorhandenen
Gestaltsfehler simuliert, wobei die Frequenz dieses
Ausgleichsvorgangs Frequenzanteile aufweist, die im
Bereich der Wellenlänge von Welligkeiten der Ober
fläche liegen. Es wird dadurch nicht nur ein Gestalts
fehler, sondern auch eine zusätzliche Welligkeit der
Oberfläche simuliert oder bei entgegengesetzter Phasen
lage wird eine vorhandene Welligkeit der Oberfläche
unterdrückt. Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Ver
fahrens dagegen wird aus der Meßstrecke nur das
Stück zwischen X0 und X1 ausgeblendet und danach
liefert der Oberflächentaster 12 ein Signal wie im
eingeschwungenen Zustand.
Wie sich zeigen läßt, ist die Strecke X0-X1 abhängig
von der Integrationszeitkonstanten, die ihrerseits
wieder davon abhängig ist, welche Wellenlänge des
Werkstückprofils unterdrückt und ab welcher Wellen
länge eine Auswertung erfolgen soll. Der Punkt X1,
zu dem ein Schließen des Schalters 77 erfolgt, ist
dagegen von der Schieflage des Werkstückes unabhängig.
Dagegen geht wiederum ein die Vorschubgeschwindigkeit,
die aber mit der auszuwertenden Wellenlänge verknüpft
ist. Praktische Zahlenwerte ergeben sich aus der nach
folgenden Tabelle:
Werden diese Werte in die Gleichung
s = v · t
eingesetzt, wobei s die Strecke in mm, v die Vorschubge
schwindigkeit und t der Einschaltzeitpunkt ist, erhält
man für die ersten beiden Meßstrecken einen Wert von
0,56 mm und für die Meßstrecke von 17,5 mm einen Wert
von 1,75 mm. Dies bedeutet, daß der Punkt X1 0,56 mm
bzw. 1,75 mm von dem Punkt X0, also dem Startpunkt für
den Abtastdiamanten 17 entfernt liegt. Die Zahlen las
sen auch erkennen, daß der Schalter 77 ohne weiteres
von dem Schlitten 14 gesteuert werden kann, womit eine
aufwendige Wegmessung zur Ermittlung des Einschaltpunktes
mit Hilfe einer Elektronik entbehrlich ist.
Dieses neue, anhand eines vereinfachten Regelkreises
erläuterte Regelverfahren arbeitet nicht nur bei Schräg
lagen von Werkstücken, sondern in der gleichen Weise
auch bei von der geraden Form abweichenden Werkstück
profilen, wobei dieselben Einschaltpunkte gewählt
werden, wie dies oben anhand des schrägliegenden Werk
stückes erläutert ist. Es spielt dabei keine Rolle,
ob das Werkstück mehr oder weniger schräg liegt oder
ob das Werkstück gekrümmt ist. In jedem Falle wird
der Schalter bei einer Meßstreckenlänge von 5,6 mm
und 0,5 mm·S-1 Vorschubgeschwindigkeit der Schalter
nach 0,56 mm geschlossen und es werden die anhand der
Fig. 8 und 9 erläuterten Vorteile erzielt.
Ferner ist es ohne weiteres möglich, anstelle des Span
nungsverstärkers in Kombination mit dem Spindelantrieb
und Motor als Integrator und mechanischem Wandler einen
elektrischen Integrator zu verwenden zusammen mit einem
elektromechanischen Wandler, der keine integrierende
Charakteristik hat, wie beispielsweise ein in eine Mit
tellage federvorgespanntes Tauchspulsystem, das im
übrigen auch bei dem neuen Vorschubgerät 1 zur Verstel
lung der Hebelanordnung 44 Verwendung finden kann.
Aus Fig. 8 läßt sich auch grafisch die Strecke X0-X₁
ermitteln. An der Stelle X1 hat der Oberflächentaster 12
nämlich die Höhenlage, die er, keine Verzögerung des Regel
kreises vorausgesetzt, an sich am Punkt X0 hätte haben
mußen.
Wird die Regelung eingeschaltet, wenn der Rändelknopf 26
zur Winkelverstellung verwendet wird, kommt eine schein
bare Drehung um die Spitze des Abtastdiamanten 17 zu
stande.
Mit Hilfe des neuen Vorschubgerätes in Kombination mit
dem neuen Regelverfahren ist es möglich, über einen
verhältnismäßig langen Weg der Meßstrecke fehlerfrei
die Rauheit zu messen. Nach Abschalten der Regelung
kann die Welligkeit und sogar in gewissem Umfang die
Gestaltsabweichung des Prüflings innerhalb der Meß
strecke festgestellt werden, weil kein Informations
verlust bzw. keine Veränderung infolge einer auf der
Werkstückoberfläche gleitenden Kufe auftritt.
Claims (30)
1. Vorschubgerät (1), insbesondere zur Messung von
Welligkeit und Rauheit nach dem Tastschnittver
fahren, mit einem Gehäuse (2), einer in dem Ge
häuse (2) angeordneten, eine erste Achse definieren
den Führungseinrichtung (8) für einen daran geführ
ten Schlitten (14), einem an dem Schlitten (14) ge
halterten Oberflächentaster (12), der gegenüber dem
Schlitten (14) bezüglich einer zweiten Achse beweg
lich ist, die rechtwinklig zu einer ersten Achse
ist und der einen mechanisch/elektrischen Wandler
aufweist, der eine Bewegung einer zu dem Oberflächen
taster (12) gehörenden beweglichen Tastspitze (17),
die auf der Oberfläche des zu vermessenden Werkstücks
aufliegt und der Oberflächenstruktur folgt, in ein
wegproportionales elektrisches Signal wandelt, sowie
mit einer Antriebseinrichtung (31, 32) für den Schlit
ten (14), um den Schlitten (14) mit einer konstanten
Geschwindigkeit eine festgelegte Wegstrecke längs
der Führungseinrichtung (18) zu bewegen, dadurch
gekennzeichnet, daß eine weitere Lagerungseinrichtung
(22, 44) vorgesehen ist, mit deren Hilfe der Oberflächen
taster (12) bezüglich einer weiteren Achse bewegbar ist,
daß die weitere Achse zumindest angenähert orthogonal zu
der ersten Achse liegt, und daß der weiteren Achse
eine Antriebseinrichtung (23, 58) zugeordnet ist.
2. Vorschubgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die weitere Achse eine Schwenkachse ist,
und daß die zugehörige Lagereinrichtung (22) ein
Schwenklager ist.
3. Vorschubgerät nach Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Schwenklager (22) zwischen der
Führungseinrichtung (18) und dem Gehäuse (2)
angeordnet ist, derart, daß die Führungseinrichtung
(18) in dem Gehäuse (2) um einen begrenzten Winkel
schwenkbar ist.
4. Vorschubgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich
net, daß das Schwenklager (22) an einem Ende der
Führungseinrichtung (18) angeordnet ist.
5. Vorschubgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich
net, daß das Schwenklager (22) an demjenigen Ende
der Führungseinrichtung (18) angeordnet ist, das
dem Oberflächentaster (12) näher benachbart ist.
6. Vorschubgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich
net, daß das Schwenklager von einer Blattfeder (22)
gebildet ist.
7. Vorschubgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich
net, daß die Antriebseinrichtung von einer Schraub
spindelantriebseinrichtung (23) gebildet ist.
8. Vorschubgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich
net, daß die Schraubspindel (24) der Schraubspindel
antriebseinrichtung (23) einen manuell zu betäti
genden Betätigungsknopf (26) trägt.
9. Vorschubgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die weitere Achse eine lineare Achse ist die sich
im wesentlichen parallel zu der Richtung erstreckt, in
der die Abtastspitze (17) von der Oberfläche des
zu prüfenden Werkstückes ausgelenkt wird.
10. Vorschubgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich
net, daß die Lagerungseinrichtung eine Lenkeran
ordnung (44) aufweist.
11. Vorschubgerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich
net, daß die Lenkeranordnung (44) von zwei scheren
artig gekreuzten, zweiarmigen Hebeln (45, 46) ge
bildet ist, die durch ein Drehgelenk (52) mitein
ander verbunden sind, und daß das Drehgelenk (52)
die beiden zweiarmigen Hebel (45, 46) in gleicher
Weise teilt.
12. Vorschubgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich
net, daß einer der beiden zweiarmigen Hebel (46)
schwenkbar an dem Schlitten (14) gelagert ist und
der andere zweiarmige Hebel (45) über ein Schwenk/Gleitgelenk
(53) an dem Schlitten (14) abgestützt
ist, daß an dem einen zweiarmigen Hebel (46) der
Oberflächentaster (2) an dessen anderem Ende
schwenkbar direkt oder indirekt gelagert ist, und daß
durch ein elastisches Glied (57) das die beiden He
bel (45, 46) miteinander verbindende Drehgelenk (52)
in Richtung auf den Schlitten (14) zu vorgespannt
ist.
13. Vorschubgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß der Oberflächentaster (12) an einem Arm (13)
sitzt.
14. Vorschubgerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich
net, daß der Arm (13) durch eine Öffnung in dem
Gehäuse (12) ragt, und daß der Oberflächentaster
(12) an dem aus dem Gehäuse (2) ragenden Ende be
festigt ist.
15. Vorschubgerät nach den Ansprüchen 12 und 13, da
durch gekennzeichnet, daß der Arm (13) an dem an
dem Schlitten (14) schwenkbar gelagerten Hebel
(46) schwenkbar gelagert ist, und daß eine von
zwei Elementen (55, 56) gebildete, spielbehaftete
Anschlageinrichtung (54) vorgesehen ist, von der
ein Element (55) an dem Arm (13) und das andere
Element (56) an dem freien Ende desjenigen zwei
armigen Hebels (45) angebracht ist, der über das
Schwenk/Gleitgelenk (53) mit dem Schlitten (14)
verbunden ist.
16. Vorschubgerät nach den vorhergehenden Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkgelenke
von Blattfedern (47, 52, 22) gebildet sind.
17. Vorschubgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich
net, daß zur Verstellung längs der weiteren Achse
eine Antriebseinrichtung (58) vorgesehen ist.
18. Vorschubgerät nach Anspruch 17, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Antriebseinrichtung von einem
motorisch betriebenen Spindeltrieb (58) ausge
bildet ist.
19. Vorschubgerät nach den Ansprüchen 12 und 18, da
durch gekennzeichnet, daß der Spindeltrieb (58) auf
das abliegende Ende desjenigen zweiarmigen Hebels
(45) einwirkt, der über das Schwenk-/Schiebegelenk
(53) mit dem Schlitten (14) verbunden ist.
20. Vorschubgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß es zwei weitere Achsen aufweist, von denen
die eine die Schwenkachse und die andere die lineare
Achse ist.
21. Verfahren zum Nachregeln der Lage eines Oberflächen
tasters eines Oberflächenmeß- oder -prüfgerätes
entsprechend der Kontur der Oberfläche eines Prüf
lings, bei dem der Regelkreis den Oberflächentaster,
eine einen Integrator aufweisende und an den Ober
flächentaster angeschlossene Steuerschaltung so
wie eine an die Steuerschaltung angeschlossene
Stelleinrichtung enthält, die die Lage des Ober
flächentasters verändert, und bei dem durch eine
weitere Antriebseinrichtung der Oberflächentaster
mit konstanter Geschwindigkeit eine Meßstrecke
lang über die zu vermessende Oberfläche bewegt
wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelkreis
beim Starten der Bewegung des Oberflächentasters
längs der Meßstrecke unterbrochen ist und erst
geschlossen wird, nachdem der Oberflächentaster
einen Teil seiner Meßstrecke zurückgelegt hat.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet,
daß zum Unterbrechen und Schließen des Regelkrei
ses ein gesteuerter Schalter verwendet wird.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet,
daß der Schalter von der Bewegung des Oberflächen
tasters mechanisch gesteuert wird.
24. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet,
daß der Regelkreis zwischen dem Oberflächentaster
und dem Eingang der Steuerschaltung unterbrochen
bzw. geschlossen wird.
25. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet,
daß der Teil der Meßstrecke, nach der der Regelkreis
geschlossen wird, eine Länge aufweist, die bei ge
schlossenem eingeschwungenem Regelkreis einem Weg
stück entsprechen würde, an deren Ende der Ober
flächentaster eine Lage einnehmen würde, die der
Kontur zum Beginn des betrachteten Wegstückes ent
spräche.
26. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet,
daß vor dem Starten der Bewegung der Regelkreis ge
schlossen ist, um den Regelkreis in den eingeschwunge
nen Zustand zu bringen.
27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet,
daß der Regelkreis bis unmittelbar vor dem Start
der Bewegung des Oberflächentasters in dem einge
schwungenen Zustand gehalten wird.
28. Verfahren zum Vorpositionieren eines Oberflächen
tasters eines Vorschubgerätes nach einem oder meh
reren der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeich
net, daß ein Regelkreis verwendet wird, der einen
Sollwertgeber sowie eine Vergleichseinrichtung auf
weist, in der ein Ausgangssignal des Oberflächen
tasters mit einem Ausgangssignal des Sollwertge
bers verglichen wird, daß mittels des aus dem Ver
gleich erhaltenen Signals zumindest eine der wei
teren Achse solange verstellt wird, bis das Aus
gangssignal des Oberflächentasters gleich dem Soll
wert ist und daß der Regelkreis während der Bewe
gung des Oberflächentasters längs der Wegstrecke,
die im Tastschnittverfahren durchlaufen wird, still
gesetzt ist, wobei auch bei stillgesetztem Regel
kreis die Einstellung der betreffenden weiteren
Achse festgehalten wird.
29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet,
daß der Regelkreis erst unmittelbar vor dem Start
der Bewegung des Oberflächentasters längs der
Strecke, die im Tastschnittverfahren durchlaufen
wird, stillgesetzt wird.
30. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet,
daß der Sollwert in einem Bereich verstellbar ist,
dessen Bereichsgrenzen jenen Maximalauslenkungen
des Oberflächentasters entsprechen, zwischen denen
die Auslenkung des Oberflächentasters innerhalb
einer vorgegebenen Toleranzbreite der Auslenkung
des Oberflächentasters proportional ist.
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D2 | Grant after examination | ||
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8368 | Opposition refused due to inadmissibility | ||
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