DE871522C - Verfahren zur unmittelbaren und vollstaendigen Messung bzw. Pruefung der Formfehler an Drehflaechen oder sonstwie gesetzmaessig gestalteten Flaechen, insbesondere Innenflaechen, mittels Lichtinterferenz - Google Patents

Verfahren zur unmittelbaren und vollstaendigen Messung bzw. Pruefung der Formfehler an Drehflaechen oder sonstwie gesetzmaessig gestalteten Flaechen, insbesondere Innenflaechen, mittels Lichtinterferenz

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DE871522C
DE871522C DEH5953D DEH0005953D DE871522C DE 871522 C DE871522 C DE 871522C DE H5953 D DEH5953 D DE H5953D DE H0005953 D DEH0005953 D DE H0005953D DE 871522 C DE871522 C DE 871522C
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DEH5953D
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Inventor
Karl Dr Holecek
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Askania Werke AG
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Askania Werke AG
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/30Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces
    • G01B11/306Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces for measuring evenness

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Description

  • Verfahren zur unmittelbaren und vollständigen Messung bzw. Prüfung der Formfehler an Drehflächen oder sonstwie gesetzmäßig gestalteten Flächen, insbesondere Innenflädlen, mittels Lichtinterferenz In jeder Pr,älzisionsfertigung ist neben der Maßhaltigkeit der einzelnen Teile auch die Einhaltung ihrer geometrischen Form von größter Wichtigkeit und oft entscheidend für die einwandfreie Funktion. Die Formmessung bzw. -prüfung ist daher zu einem dringenden Problem geworden.
  • Einer eindeutigen Formbestimmung stehen jedoch beträchtliche Schwierigkeiten im Wege Wohl ist es möglich, bei der Messung von Außenzylindern und Außenkegelflächen durch Kombinationen mehrerer geeigneter Meßverfahren gewisse Rückschlüsse auf die geometrische Form der Stücke zu ziehen, doch gelingt dies nicht in allen Fällen und selten mit der erforderlichen Genauigkeit. Die Verfahren sind überdies äußerst umständlich und zeitraubend. Bei anderen Flächenformen und ganz besonders bei Innenflächen ersclieinen.die SchwiLerigkeiten unüberwindlich. Sie sind im wesentlichen dadurch begründet, daß bisher nur mehrere, im allgemeinen voneinander unabhängige Maß werte, z. B. einzelne Durchmesser, ermittelt werden konnten.
  • Unter Formfehlern sind die Abweichungen der Werkstücksoberfläche, der Istfläche, von einer die gewollte Form aufweitsenden Sollfläche zu verstehen.
  • Diese Sollfläche muß in ihren Abmessungen und in ihrer Lage zur Istfläche festgelegt werden. An dem Beispiel einer zylindrischen Bohrungsfläche sei das näher erläutert.
  • Man denke sich eine Drehzylinderfläche, welche die Bohrungsfläche (Istfläche) in mindestens einem Punkt berührt und nirgends ins Stoffinnere eindringt, also einenStützzylinder. Koaxial mitdiesem Stützzylinder denke man sich einen zweiten solchen. der ganz im Stoffinnnern liegt. Das von den beiden Stützzylindern gebildete Rdhr (Stützflächenrohr) schließt dann zwischen seinen beiden zylindrischen Grenzflächen die Istfläche ein. Solche Stützfläichenrohre gibt es unzählig viele, unter -denen jedoch im allgemeinen eines sein vrird, dessen Wandstärke einen KIeinstwert aufweist. Der stoffabseitig gelegene Grenazylinder des so ausgezeichneten Stützflächenrohres ist als Sollflädhe zu betrachten. Die Formfehler der Istfläche sind nun derenAbweichengen von der Sollfläche, senkrecht zu dieser gemessen.
  • Die größte Formabweichung ist gleich der Wandstärke des ausgezeichneten Stützflächenrohres.
  • Dieser Gedanke kann sinngemäß auch auf alle anderen gesetzmäßigen, sowohl Außen- als auch Innenflächen übertragen werden und ist naturgemäß in gleicher Weise für makrogeometrische wie auch für mikrogeometrische Formfehler (Pa.u.higkeit) gültig.
  • Eine unmkittelhare und vollständige Formfehlermessung, wie sie die Formfehlerdeflnition verlangt, ist nur für die Untersuchung einzelner ebener Meßflächen mittels Lichtinterferenz unter Benutzung einer Vergleichsehene (bekannt. Diesem Zwecke dienen die Interferennkomparatoren. Um die grundsätzliche Funktion eines solchen Geräts an einem Beispiel zu erläutern, sei der Köstersche Interferenzkomparator, dem die Michelsonsche Anordnung zugrunde liegt, herausgegriffen; in Fig. I ist das Wirkungsschema dargestellt. Eine Lichtquelle G beleuchtet über den Kondensator K eine Spaltbleide Sp'. Die von ihr ausgehenden Lichtstrahlen sammelt das Objektiv O, zu einem Parallelstrahlenbündel B, das von einem als Monochrümator dienenden Prisma Pr abgelenkt wird. Die durchlässig versilberte Platte Pl1 spaltet das Bündel in zwei Parallelstrahlenbündel I und II. I wird nach Durchsetzen der Korrekturplatte Pl2 (deren Zweck später erläutert mrird3 an dem optisch eben polierten Spiegel 5 in sich reflektiert und nach nochmaligem Durchgang durch Pl2 sowie Pll vom Objektiv °2 im Brennpunkt F gesammelt, wo sich eine Beobachtnngsblende Bl befindet. Das Bündel II reflektiert die PrüfflächeP des Prüflings E in sich, so daß es gleichfalls, nach Reflexion an der Platte Pll, von. °2 an der Stelle F gesammelt wird. Die Reflexion an S hat die gleiche Wirkung wie eine gedachte Reflexion an dem von der Platte Pl1 entworfenen virtuellen Spiegelbild R von S, da ja der Weg von Pl1 bis S und zurück ebenso lang ist, wie von Pli biss R und zurück. Um die beiden Wege auch optisch gleich zu machen, ist das Einschalten der Korrekturplatte Pl2 erforderlich, welche die gleiche Dicke wie Pl1 aufweist. Dadurch wird n,äimlich erneicht, Jdaß die Strahlen beider Bündel dreimal Glas in der Plattenstärke ,diurc-hsetzen. Bündel I geht dann einmal durch Pl2 und auf dem Rückweg von S noch einmal durch Pl2 und einmal durch Pll.
  • Bündel II geht einmal durch Pll und auf dem Rückweg von der Prüffläche noch einmal durch - die -gleiche Platte. Liegt die Prüffläche außerhalb der Ebene R, der Referenzebene, dann haben die Strahlen- aus den Bündeln 1 und II verschieden lange Wege zurückzulegen, es entsteht ein Gangunterschied. Ist dieser Gangunterschied in einem zusammengehörigen, interferierenden Strahlenpaar des Bündels I und II ein ungeradzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge A/2, dann heben sich die Intensitäten von I und II auf. Bei Beobachtung durch die Blende Bl und das Objektiv O2 erscheint die betreffende Stelle des Prüflings dunkel. Hell erscheinen jene Stellen, für welche der Gangunterschied zwischen dem reflektierten Strahl II und Strahl 1 ein geradzahliges Vielfaches von A/2 ist. Der Sachverhalt läßt sich bildlich so darstellen, daß man sich eine Schar von abstandgleichen Schichtenebenen Se parallel zur Referenzebene mit dem Abstand i/2 gelegt denkt, die die Oberfläche des Prüflings schneiden.
  • Diese Schnittlinien sind dann die Verbindungslinien der dunkel erscheinenden Stellen. Es sind dies die bekannten Interferenzstreifen, wobei jeder Punkt eines solchen Streifens von der Referenzebene den gleichen Abstand hat (Interferenzen gleicher Dicke). Sie können somit als Schichtenlinien der P rüflingsoberfl äche gedeutet werden und sind zu deren genauer Beschreibung, zur Formprüfung, vorzügl-ich geeignet, sofern die Sollform eine Ebene ist. Hierfür sind eine Reihe von Geräten auf dem Markt, unter anderem auch solche, die für den Vergleich eine materielle Ebene und nicht ihr virtuelles Bilid benutzen.
  • Erflndungsgemäß läßt sich der Grundgedanke der interferentiellen Formuntersuchung einzelner ebener Prüfflächen zu einem Verfahren zur unmittelbaren und vollständigen Messung bzw. Prüfung der Formfehler an Drehflächen oder sonstwie gesetzmäßig gestalteten Flächen, insbesondere Innenflächen, ausbilden, indem yon der besamten zu prüfenden Oberfläche durch spiegelnde Flächen, unter Vermittlung der Strahlen eines einzigen Parallelstrahlenbündels, ein solches SpiegelbiLd erzeugt wird, welches im Fall einer fehlerlosen Prüffläche eine Ebene wäre und die Atbweichungen des Bildes der fehlerbehafteten Prüffläche von einer möglichst fehlerfreien materiellen oder virtuellen Vergleichsehene festgestellt und gemessen bzw. geprüft werden, Ist z. B. in Fig. 2 die PrüfflächeP ein Innenzylinder, dann gelingt die gekennzeichnete Abbildung mit Hilfe eines spiegelnden Kegels Sp mit dem Öffnungswinkel 90°, der - koaxial zum Zylinder liegt. Die Achse hat die Richtung der Bündelstrahlen, das ist senkrecht zu den Schichtenebenen.
  • Das vom Kegel Sp durch die Strahlen des Bündels II entworfene Spiegelbild der Zylinderfläche P ist die EbeneSe, eine Schichtenebene, wie sich aus dei Verfolgung der -die Abbildung erzeugenden Bündelstrahlen ergibt. Der Strahl St z. B. verläuft von I über 2 nach 3 und geht nach Reflexion an der Zylinderfläche den gleichen Weg wieder zurück. Die Länge seines Weges wäre die gleiche, wenn er von I über 2 nach 4 (in Se) und von dort wieder zurückliefe. Der Punkt 4 ist das Spiegelbild des Zylinderpunktes 3. Das gilt für sämtliche Prüfflächenpunkte unter Bedachtnahme darauf, daß die Abbildung der Prüffläche an der mit ihr gleichachsig justierten Spiegelfläche durch das zur gemeinsamen Achse parallel eingestellte Strahlenbündel des Interferenzgeräts erfolgt. Diese Verhältnisse gelten ebenso für anders gestaltete Prüfflächen.
  • In Fig. 3 ist bei gleicher Bezeichnungsweise wie in Fig. 2 die Abbildung einer Innenkegelfläche schematisch dargestellt.
  • Durch geeignete Gestaltungtdes Spiegels lassen sich auch andere Flachen in Ebenen abbilden, z. B.
  • Innenkugelflächen, bei Verwendung eines außen spiegelnden Paraboloides mit dem Brennpunkt im Kugelmittelpunkt. Fig. 4 zeigt diese Anordnung im Schema bei gleicher Bezeichnungsweise wie in Fig. 3; M ist der Kugelmittelpunkt und n die Flächennormale des spiegelnden Paraboloids im Punkte 2.
  • Ist die Prüffläche eine Kreisringfläche, wie in Fig. 5 dargestellt, dann dient als spiegelnde Fläche eine Drehfläche, deren Merifdian eine Parabel ist.
  • Ihr Brennpunkt liegt im Mittelpunkt des erzeugenden Kreises; n ist eine Flächennormale des Spiegels.
  • Zu jeder beliebigen Prüffläche läßt sich durch Rechnung odér Zeichnung eine Spiegelfläche angeben, die jene in eine Ebene abbildet. Dies ist in gleicher Weise für Innen- wie auch Außenflächen durchführbar. Bei der Messung von Außenflächen tauschen Prüfling und Spiegel gewissermaßen die Rollen. Es liegt dann nicht, wie in den gezeigten Beispielen, die spiegelnde Außenfläche im Innern des Prüflings, sondern es ragt umgekehrt der Prüfling in das Innere der im allgemeinen hohlen Spiegelfläche.
  • Dem Beobachter zeigt sich im Gesichtsfeld des Geräts ein ebenes Bild der gesamten Prüflingsfläche.
  • Sie erscheint je nach den vorhandenen Formfehlern mit Interferenzstreifen oder -kurven bzw. -flecken überzogen, aus deren Lage, Anzahl und Bewegungsrichtung Art und Größe der Formfehler sofort auf den ersten Blick zu erkennen sind. Sämtliche Abweichungen von Ider Sollform sind leicht zu überblicken, auch zu lokalisieren, und es kann die Messung der Formfehler durch bloßes Abzählen der sichtbaren Interferenzkurven oder -flecken erfolgen, wobei der Prüfling so einzustellen ist, daß die Streifenzahl ein Minimum wird. Es ist jedoch auch möglich, die Streifenzahl bei einer solchen Lage Ides Prüflings gegen die Sollfläche zu zählen, welche die funktionsbedingte Gebrauchslage vorstellt, oder- den Prüfling absichtlich in eine verschobene, verdrehte usw. Lage zu bringen, um am Verlauf der Interferenzerscheinung die Formfehler im Detail zu studieren.
  • Selbstverständlich sinld neben den makrogeometrischen Formfehlern auch die innerhalb kleiner Flächenbereiche auftretenden, mikrogeometrischen Formfehler (Rauhigkeiten) in der bekannten Weise an den Ausbuchtungen und Zacken der Interferenzkurven zu erkennen.
  • Die Genauigkeit des IMeß- bzw. Prüfungsergebnisses ist natürlich von der Genauigkeit der abbildenden Spiegelflächen abhängig. Die Feststellung kleiner Fehler an den Spiegeln kann ähnlich wie bei ebenen Spiegeln dadurch erfolgen, Idaß etwa die Prüffläche in sich verschoben wird. So kann man z. B. bei Kegelspiegeln zur Formleessung an Zylindern die Querschnittsfehler dadurch feststellen, daß man den Prüfling etwa um seine Achse etwas dreht und wieder in Meßstellung bringt.
  • Interferenzkurven oder -flecken, die dabei an der gleichen Stelle des Gesichtsfeldes -wieder auftauchen, sind auf Spiegelfetder zurückzuführen. Sie lassen sich auf diese Weise erkennen und durch örtliche Nacharbeit beseitigen. Eine Verschiebung des Prüflings in Richtung seiner Achse deckt in analoger Weise die Abweichungen der Längsschnitte des Kegelspiegels von geraden Linien auf. Um den Öffnungswinkel des Kegelspiegels zu prüfen, wind der Prüfling in gestürzter Lage untersucht, bei der also der früher obenliegenide Rand jetzt nach unten kommt. Fehler im Öffnungswinkel des Kegelspiegels verraten sich sofort Idadurch, daß die von ihnen verursachten Interferenzerscheinungen an gleicher Stelle verbleiben, während die von den Prüflingsfehlern stammenden Interferenzbilder auf den Kopf gestellt erscheinen.
  • Bei allgemeinen Flächen, die keine Verschiebung in sich erlauben, ist eine solche Selbstkontrolle der Spiegelfläche nicht möglich. Sie ist dann mit den üblichen Werkstatts, und Laboratorienmeßmitteln, wie Feintaster, Meßmikroskope u. dgl., nachzuprüfen. Die GenNauiglçeit der Formmessung ist durch die so bedingte Genauigkeit des Spiegels begrenzt. Wenn auch in diesen Fällen mit geringeren Meßgenauigkeiten gerechnet werden muß, wird doch gerade bei solchen Prüfflächen die Formmessung durch Idas interferentielle Formmeßverfahren überhaupt erst möglich gemacht.

Claims (2)

  1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zur unmittelbaren und vollständigen Messung bzw. Prüfung der Formfehler an Drehflächen oder sonstwie gesetzmäßig gestalteten Flächen, insbesondere Innenflächen, mittels Lichtinterferenz, dadurch gekennzeichnet, daß von der gesamten zu prüfenden Oberfläche durch spiegelnde Flächen, unter Vermittlung der Strahlen eines einzigen Parallelstrahlenbündels, ein solches Spiegelbild erzeugt wird, welches im Fall einer fehlerlosen Prüffläche eine Ebene wäre und die Abweichungen des Bildes der fehlerbehafteten Prüffläche von einer möglichst fehlerfreien materiellen oder virtuellen Vergleichsebene festgestellt und gemessen bzw. geprüft werden.
  2. 2. Verfahren usw. nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, Idlaß die Abbildung der Prüffläche an der mit ihr gleichachsig justierten Spiegelfläche durch das zur gemeinsamen Achse parallel eingestellte Strahlenbündel eines Interferenzgerätes erfolgt.
DEH5953D 1941-07-29 1941-07-29 Verfahren zur unmittelbaren und vollstaendigen Messung bzw. Pruefung der Formfehler an Drehflaechen oder sonstwie gesetzmaessig gestalteten Flaechen, insbesondere Innenflaechen, mittels Lichtinterferenz Expired DE871522C (de)

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