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Mikroskopisches Meßverfahren und Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens
Die
Erfindung bezieht sich auf ein mikroskopisches Meßverfahren. bei dem mit einer der
Meßschneidengenauigkeit entsprechenden Genauigkeit ein Meßmikroskop bzw. eine mit
diesem mechanisch fest verbundene Meßmarke in einen unveränderlichen und reproduzierbaren
Abstand zu der Nfeßfläche gebracht wird. Dies erfolgt durch Projektion einer Schneide
auf die Meßfläche und die Beobachtung dieses Schneidenbildes im Mikroskop, derart,
daß die Achsen des Beobachtungs- und des Abbildungsstrahlenganges einen endlichen
Winkel miteinander einschließen.
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Die optische unordnung zur t)urchführung des erfindungsgemäßen Meßverfahrens
ist ähnlich dem Schmaltz-Lichtschnittmikroskop oder ähnlichcn Geräten. Das Wesentliche
des Erfindungsgedankens besteht darin, daß die in der Beobachtungsebene erzeugten
Spalt- bzw. Schneidenbilder parallel zu sich seitlich verschoben erscheinen, wenn
die zu messende Stelle verschiedene klistände in Richtung der Instrumentenachse
von einer am Instrument angebrachten Marke hat. Hierdurch ist es ermöglicht, den
Abstand der Meßebene von der Instrumentenmarke in sehr genauer Weise einzustellen
und dies zu genauesten Distanzmessungen zu verwenden.
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Das erfindungsgemäße Meß+ erfahren erzielt die besten Ergebnisse
bei kratzerfreien, d.h. optisch polierten Meßflächen. Ist die Meßfläche geschliffen,
wie dies z. B. bei der Gewindemessung der Fall ist, so überlagert sich der Einstellung
das Profilbild nach S c h m a l t z. Man muß dann entscheiden, ob man die Profilspitzen,
den Profilgrund oder eine Zwischenebene als Meßebene lienutzen will. Dies ist jedoch
gegenüber den bekannten Meßverfahren kein Nachteil. Die durch das Profill>ild
sich ergel)ende Unsicherheit in der Wahl des Einstellungsortes ist
nämlich
nicht optisch durch die Vorrichtung, soiidern mechanisch durch das auszumessende
Werkstück bedingt. Ist aber ein solches Profil vorhanden, so ist es für eine genaue
Messung besser, wenn es beobachtet und in die Messung einbezogen wird, als wenn
es durch das Meßmittel überhaupt nicht beobachtet werden kann. Bei einer mechanischen
Messung, beispielsweise mit einer Meßkugel, findet infolge des Meßdruckes eine plastische
Verformung der Nleßfläche statt, so daß hier in keinem Falle gesagt werden kann,
ob man an der Profilspitze oder am Profilgrund mißt. Bei der Durchlichtbeobachtung
von Außengewinden im Profilmikroskop treten die Oberflächenrauhigkeiten deshalb
nicht in Erscheinung, weil infolge der ge-@ingen Beleuchtungsapertur stets über
einen endlichen Tiefenbereich beobachtet wird, wodurch die Beobachtung ungenauer
als die Profiltiefe der Oberflächenstruktur wird. Auch bei der Messung von Außengewinden
mit mechanischen Meßschneiden, wobei wenigstens eine bestimmte Meßebene berücksichtigt
wird, erhält man keine Auskunft darüber, an welcher Stelle des Schleifprofils nun
exakt gemessen wird, da tiefer liegende Schichten des Gewindes ebenfalls zur Schattenbildung
beitragen.
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Einzelheiten des Verfahrens und seiner optisch mechanischen I-Iilfsmittel
seien an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 eine schematische Ansicht
der optischen Anordnung zur Durchführung des AIeßverfahrens, Fig. 2a bis 2c das
Spalt- bzw. Schneidenbild in verschiedenen Meßstellungen, lig. 3 ein Meßmikroskop
zur Durchführung des Verfahrens, mit Objektiv und Beleuchtungseinrichtung, im Schnitt.
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Fig. 4 eine Anordnung von zwei Mikroskopen zur Anwendung des Verfahrens
für Innenmessungeil, Fig. 5 eine schematische Übersicht über die optisch-geometrischen
Verhältnisse bei der Anwendung des Verfahrens für Innenmessungen mit zwei Mikroskopen,
Fig. 6 eine Anordnung gemäß Fig. 4 für Innenmessungen in Senklöchern.
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Eine beleuchtete Schneide 1 gemäß Fig. 1, I)eispielsweise als Spalt
dargestellt, wird über ein totalreflektierendes Prisma 2 vom Objektiv 3 in der Meßebene
E scharf abgebildet. Das Bild der Schneidenkante, das senkrecht zur Zeichenebene
verläuft, liegt hei A. Dieses Scllneidenbild A wird durch den linken Ol>jektivteil
als Hellfeldbild in .4' abgebildet. wo es z. 13. auf einer Mattscheibe aufgealigeil
oder durch ein nicht dargestelltes Okular beobachtet werden kann. Die Blende 4 dient
zur exakten Trennung von Projektions- und Abbildungsstrahlengang.
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Verschiebt man die Meßebene E um einen kleinen Betrag nach unten,
z. 1». nach E1, so wandert das Schiieidenbild 1 nach A1, das Zwischenbild 4' nach
41'. Nähert man die Meßebene dem Objektiv, z. B. iii Stelluiig E2, so wandert das
Schneidenbild 1 nach A2, das Zwischenbild A' nach 4 A2' Nian erreicht demnach durch
Verschiebung der Meßebene in Richtung der Objektivachse ein Wandern des Schneidenbildes
A' auf der Mattscheibe oder in der Okularstrichplattenebene derart. daß zu jeder
Lage des Schneidenbildes A' ein bestimmter und fester Abstand der Nteßebene F kom
Mikroskopobjektiv 3 und damit von einer mechanisch fest mit dem Objektiv verbundenen
Meßmarke gehört.
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Bildet man beispielsweise die Okularstrichplatte 5 derart aus, daß
eine Gesichtshälfte ganz hell, die andere ganz dunkel ist, wobei die Trennungskante
Hell-Dunkel parallel zum Schneidenbild A' liegt, so ergeben sich gemäß Fig. 2 bei
der Verstellung der Meßebene E1 über E nach E2 folgende Bilder: In der Stellung
E, ist das Bild -1,' der Schneidenkente im hellen Teil des Gesichtsfeldes voll sichtbar
(Fig. 2a). Die hier gezeichnete zweite Spaltkante zwischen Schneidenkante und Hell-Dunkel-Grenze
der Strichplatte ist an sich nicht nötig. Es kann vielmehr zwischen Schneidenkante
und dunklem Teil der Strichplatte volle Helligkeit herrschen.
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Tn der Stellung Æ hat sich das Bild 4' der Schneidenkante der Hellfeldgrenze
der Strichplatte 5 so weit genähert (Fig. 2b), daß zwischen beiden eine Beugungserscheinung
ähnlich derjenigen der Meßschneiden stattfindet, die gegebenenfalls eine über das
Auflösungsvermögen des Mikroskopes hinausgehende Genauigkeit der Einstellung ermöglicht.
Voraussetzung ist hierfiir gute chromatische Korrektur der gesamten Optik, heim
Oljektiv auch der Sphärenchromasie und. den Lichtverhältnissen entsprechend. möglichst
ein farbiges Licht. Tn der Stellung E2 ist das Bild .-12' der Schneidenkante im
dunklen Teil dem Strichl)latte 5 verschwunden (Fig. 2c). Man kann an Stelle der
hier angegebenen Strichplatte eine andere wählen, z. B. für symmetrische Ausrichtung
des Schneidenhildes eine mit zwei Strichen.
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Fig. 3 zeigt eine zweckmäßige Ausführungsform der Anordnung. hei
der zur Erzielung eines bequemen Einblicks der Beobachtungsstrahlengang durch das
totalreflektierende Prisma 2 abgeknickt ist, während der Abbildungsstrahlengang
für die Schneide I ungeknickt verläuft.
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Die Abbildungs- und Beobachtungseinrichtung für die Schneide I besteht
im wesentlichen aus der Lichtquelle 6, dem Kollektor 7 zur Ausleuchtung der Schneidenebene,
wobei in dessen Nähe zweckmäßig ein Farhfilter angeordnet ist, einem achromatischen
System 8, das zusammen mit dem auch für Randstrahlen farblich korrigierten Objektiv
3 die Abbildung der Schneide I auf der Nteßebene E, und zwar senkrecht zur Zeichenebene,
bewirkt. Die von der NIeBebene E kommenden, vom Objektiv 3 aufgenommenen Ueobachtungsstrahlen
werden dann durch das Prisma 2 durch den Okulartubus g zum Okular hin reflektiert.
Zwischen Prisma 2 und Objektiv 3 ist die Blende 4 angeordnet.
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Zur I)urchführung des Meßverfahrens für gewisse Innenmessungen sind
gemäß Fig. 4 zwei Mikroskope in bestimmter Lage gegeneinander einstellbar angeordnet.
Die im wesentlichen aus den Objektiven 3, den Okulartuben 9 und den Beleuch-
tungstuben
to bestehenden Meßmikroskope sind auf Haltern 11 gegeneinander einstellbar und entlang
Führungen 12 schwenkbar befestigt. Am Mikroskop sind Strichmarken M angebracht,
die senkrecht zur Objektivachse stehen. Das zu messende Werkstück W ist mit Innengewinde
versehen uiid an seinen Stirnflächen senkrecht zur Gewindeachse plangeschliffen.
Flankenwinkel, Dicke, Außen- und Gewindedurchmesser des Werkstückes W sind bekannt.
Das Werkstück wird zur Messung auf einen nicht dargestellten Objekttisch gebracht,
der in Richtung der Gewindeachse meßbar verstellt werden kann. Die Meßmikroskope
sind zweckmäßig auf dem nicht dargestellten Unterschlitten eines Meßkomparators
angeordnet, der senkrecht zur Gewindeachse meßbar verstellt werden kann. Die Anordnung
der Meßmikroskope erfolgt dabei derart, daß 1. die beiden Achsen der Meßmikroskope
senkrecht auf zwei einander gegenüberliegenden Gewindeflanken ausgerichtet sind,
2. die Beobachtung im Achsenschnitt erfolgt.
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Durch Verschieben der beiden Meßmikroskope in Richtung der optischen
Achsen ihrer Objektive erfolgt die Schneideneinstellung der beiden anvisierten Flanken,
die im vorstehenden beschrieben wurde. Es können hierbei zwei Abweichungen eintreten:
A. Die Flankenwinkel sind nicht exakt beim Schleifen eingehalten. Dies bemerkt man
durch Verschieben der Meßmikroskope in einer exakten Führung senkrecht zur optischen
Achse ihrer Objektive. Die Gewindeflanke nähert sich im Falle der Abweichung des
Flankenwinkels vom Sollwert dem Objektiv oder sie entfernt sich von ihm, was sich
jeweils in einer Verschiebung des Schneidenbildes auswirkt. Gegebenenfalls erkennt
man die Abweichung auch bereits durch einen Lichtkeil zwischen Hell-Dunkel-Grenze
der Okularstrichplatte ull(l 1 dem Schneidenzwischenbild, da ja das Schneidenbild
auf der Gewindeflanke in der Zeichenebene liegt. Beim Auftreten derartiger Abweichungen
inüsseii die Ntikroskope um den Durchstoßpunkt der Objektivachse durch die Gewindeflanke
geschwenkt werden, was mit Hilfe der Führungen 12 meßbar zur Feststellung der Abweichung
geschehen kann.
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@. Die Einstellung fand nicht im Achsenschnitt statt. Liegen beide
Mikroskope z. B. bezogen auf die Zeichenebene zu zu tief, so entfernt sich heim
seitlichen Heben der Mikroskope die Flanke vom Obektiv so lauge. bis der Achsenschnitt
erreicht ist.
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Bei noch weiterem Heben nähert sich die Flanke wieder dem Objektiv.
Die Ermittlung der größtmöglichen Entfernung von Gewindeflanke und Objektiv ergibt
demnach die exakte Einstellung des Achsenschnittes. Nachdem diese Einstellungen
durchgefuhrt wurden, empfiehlt es sich, beide nochmals zu wiederholen.
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Von den drei geforderten Messungen ist die eine unter A bereits durchgeführt.
Die Messung der Gewindesteigung ist mit nur einem Mikroskop durchführbar, derart,
daß bei feststehendem Mikroskop der Werkstückmeßtisch in Richtung der Gewindeachse
verstellt wird, wobei die Schneideneinstelbug an zwei aufeinanderfolgenden Gewindeflanken
durchgeführt wird. Die Größe der Verstellung ergibt direkt die Gewindesteigung.
Durch geeignete schlanke Bauweise des Objektivvorderteiles ist dafür zu sorgen,
daß diese Bewegung ohne Behinderung möglich ist.
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Zur Messung des Flankendurchmessers werden die aul den Mikroskopkörpern
angebrachten beiden Marken lI benutzt, die senkrecht auf den Objektivachsen, d.
li. parallel zu den Schneidenbildern stehen. Ilir Abstand von dem jeweiligen Schneidenbild
sei p. Dann ergibt sich der Flankendurchmesser gemäß Fig. 5 ähnlich der Schneidenmessung
mit Hilfe zweier Einstellmikroskope, die zur Deckung mit den Strichmarken je eine
Strichplattc mit schräg gestelltem Strich enthalten.
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Nach Fig. 5 sind F1 und F2 die anvisierten Gewindeflanken, d ist
der Flankendurchmcsser des Gewindes. Im senkrechten Abstand p voll F1 und F2 befinden
sich die zu F1 und F2 parallelen Marken M1 und M2. Die beiden Einstellmikroskope
sind parallel zueinander derart angeordnet, daß ihre Achsen durch eine Gerade parallel
zur Gewindeachse stoßen. Die parallel zu den Marken M1 und M2 gerissenen Strichplatten
dieser Eillstellmikroskope liegen dann bei N1 und N2. Nach Fig. 5 müssen die Achsen
der beiden Einstellmikroskope den Abstand 2 p cos # haben, wenn # der halbe Flankenwinkel
des Gewindes ist. Dieser Abstand ist exakt einzustellen, da er für die Aleßgenauigkeit
iiiaßgebend ist.
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Durch Verschieben des Unterschlittens des Komparators, der das zu
untersuchende Werkstück sowie die beiden Schneidenmikroskope trägt, senkrecht zur
Gewindeachse kann man erst die Marke M1 mit der Strichplatte N1 und dann die Marke
M2 mit der Strichplatte N2 zur Deckung bringen. Der Abstand dieser beiden Einstellungen
betrage: D = D1 + D2 woraus sich der Flankendurchmesser d als d = D - 2 p sin T
ergibt. Der Ausdruck 2 p sin Q ist eine für gleiche Flankenwinkel unveränderliche
Gerätekonstante.
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Will man diese Konstante umgehen, so muß man p - () machen, d. h.
man müßte die Strichmarken .ll genau über den anvisierten Gewindeflanken, d. h.
uber dem Schneidenbild auf dem Objekt anbringen.
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Älan sllart in diesem Fall ein Einstellmikroskop hut schräger Strichplatte.
Es sei noch besonders betont, daß die beiden Schneidenmikroskope an jeder Stelle
des Achsenschnittes der betreftenden Gewindeflanken angesetzt werden können, ohne
daß bei dem beschriebenen Meßverfahren eine Änderung im Ergebnis eintritt.
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Eine Anordnung zur Messung eines einseitig geschlossenen Gewindekörpers
mit Hilfe eines normalen und eines geknickten Mikroskopes ist in Fig. 6 dargestellt,
deren Aufbau im übrigen der Anordnung gemäß Fig. 4 entspricht.
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Selbstverständlich sind die vorgeschlagenen Meß-
einrichtungen
und Meßverfahren nicht auf Innengewindemessungen beschränkt. Man kann z. B. das
Gerät vorteilhaft zum punktweisen Ausmessen einer lnnenform oder eines kompliziert
gestalteten Körpers verwenden, wobei dann die Meßschneide gegebenenfalls in anderer
Form, beispielsweise als kleiner Halbkreis, ausgebildet sein kann.