NL8501100A - Werkwijze en stelsel voor het meten van het ruwheidsprofiel van een oppervlak. - Google Patents

Description

( « '» VO 7116 -1-

Werkwijze en stelsel voor het meten van het ruwheidsprofiel van een oppervlak.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze en een stelsel voor het meten van het ruwheidsprofiel van een oppervlak.

Er zijn veel gevallen waarin men geïnteresseerd 5 is in de ruwheid van een oppervlak, b.v. de ruwheid van een.mechanisch bewerkt oppervlak. De controle van een dergelijke oppervlakteruwheid vindt gewoonlijk met het oog, al dan niet onder toepassing van vergroting door middel van b.v. een microscoop, plaats. Een dergelijke 20 controle hangt vanzelfsprekend sterk af van de ervaring van de controleur en is niet echt betrouwbaar en nauwkeurig.

Een andere bekende mogelijkheid om oppervlakteruwheid te controleren bestaat uit het mechanisch aftasten van het oppervlak waarvan het ruwheidsprofiel bepaald moet 25 worden. Deze methode is echter tijdrovend en kan in het algemeen niet ter plekke van de mechanische bewerking van het oppervlak worden uitgevoerd.

De uitvinding beoogt te voorzien in een werkwijze en een stelsel voor het geheel automatisch meten van het 2Q ruwheidsprofiel van een oppervlak. Een dergelijke automatische ruwheidsprofielmeting heeft niet alleen als voordeel dat de nauwkeurigheid, de reproduceerbaarheid en de snelheid van de meting aanzienlijk worden verbeterd, maar kan ook met voordeel gebruikt worden om de slijtage van gereedschap 25 te bepalen waarmee het te controleren oppervlak wordt bewerkt. Wanneer b.v. met een beitel een metalen as wordt afgedraaid, zal het oppervlak van de as veranderende ruwheids-kenmerken vertonen naarmate het beiteloppervlak verder afslijt en de beitelsnede beschadigingen gaat vertonen.

30 Met behulp van een automatische ruwheidsprofielmeting kan nu automatisch een signaal worden opgewekt dat een te grote beitelslijtage aangeeft, wanneer een ruwheidskenmerk van het met deze beitel bewerkte oppervlak buiten een ISO 110 0 β * -2- tevoren bepaald tolerantiegebied geraakt.

De uitvinding voorziet in een werkwijze voor het meten van het ruwheidsprofiel van een oppervlak waarbij vanuit een lichtbron via een optisch stelsel op het oppervlak 5 een lichtvlek wordt geprojecteerd, waarbij de plaats waar de lichtvlek is gefocusseerd over een tevoren bepaald 'traject continu wordt gevarieerd, binnen welk traject het oppervlak is geplaatst, en waarbij de hoeveelheid door het oppervlak weerkaatst licht wordt gemeten.

10 Voor het verkrijgen van de- variatie in de plaats waar de lichtvlek gefocusseerd is, wordt gebruik gemaakt van een optisch stelsel met een variabele brandpuntsafstand. Een dergelijke variabele brandpuntsafstand kan b.v. worden verkregen door een lens met variabele brandpuntsafstand, 15 zoals beschreven is in de Nederlandse octrooiaanvrage ........ of door de positie van een lens met een vaste brandpuntsafstand te variëren. Hiertoe kan b.v. een kleine lens door middel van een piezo-elektrisch element over een afstand van enkele millimeters verplaatst worden met 20 een frequentie tot enkele tientallen Hertz. Voor kleinere verplaatsingsafstanden is een hogere frequentie mogelijk.

De uitvinding voorziet tevens in een stelsel voor het meten van het ruwheidsprofiel van een oppervlak omvattende een lichtbron, een optisch stelsel met een 25 variabele brandpuntsafstand om de positie van de gefocusseer-de afbeelding van de lichtbron continu te variëren over een tevoren bepaald traject, en middelen om het door het oppervlak, waarvan het ruwheidsprofiel gemeten moet worden, welk oppervlak op een plaats in dat traject is gepositioneerd, 30 gereflecteerde licht te meten.

De uitvinding zal in het hierna volgende nader worden toegelicht onder verwijzing naar de tekening, hierin toont: fig. 1 schematisch een uitvoeringsvoorbeeld 35 van het stelsel volgens de uitvinding; fig. 2 een vergrote weergave van het traject 8501100 « < -3-

Li~L2 in fig. 1; fig. 3 een grafische weergave van de met het stelsel volgens fig. 1 gemeten lichtintensiteitswaarden; fig. 4 een schematische weergave van een opstel-5 ling waarin de slijtage van een beitel gemeten kan worden; en fig. 5 een blokschema van een uitvoeringsvoorbeeld van een stelsel voor het meten van beitelslijtage bij de opstelling volgens fig. 4.

Pig. 1 toont schematisch het stelsel volgens 10 de uitvinding met behulp waarvan het ruwheidsprofiel bepaald kan worden. Het stelsel omvat een lichtbron lf die via een halfdoorlatende spiegel 2, een lens 3 met een variabele brandpuntsafstand en een biconcave sferische lens 4 wordt afgebeeld op een plaats die gelegen is tussen de op de 15 optische as van het stelsel met L1-L2 aangegeven posities.

Het stelsel omvat tevens een optisch niet transparante plaat 5 waarin een kleine opening, een zgn. pinhole, is aangebracht. Dit pinhole wordt via een biconcave sferische lens 6, via de halfdoorlatende spiegel 2 en de lenzen 20 3 en 4 eveneens afgebeeld op een plaats op het traject L1“L2t welke plaats dezelfde is als die waar de lichtbron 1 wordt afgebeeld.

• Op het traject L1-L2 wordt door de afbeelding van de lichtbron 1 een lichtvlek met een kleine diameter 25 verkregen. De plaats waar deze lichtvlek is gefocusseerd hangt af van de brandpuntsafstand van de lens 3 en kan door een geschikte dimensionering van deze lens worden gevarieerd over het traject L1-L2. De positie van het gefocusseerde beeldpunt op het traject L1-L2 kan worden 30 gewijzigd door de brandpuntsafstand van de lens 3 te variëren, zoals in de figuur met een streepstippellijn is aangegeven, of ook door de positie van een lens met een vaste brandpuntsafstand te variëren. Deze laatste mogelijkheid is niet in de figuur getoond.

35 De brandpuntsafstand van lens 3 kan b.v. worden gevarieerd door het voorvlak van deze lens uit te voeren 83011C0

• V

-4- als een flexibele folie waarvan de boiling kan worden beïnvloed. Hiertoe kan b.v. in het inwendige van de lens vloeistof zijn opgenomen, waarbij de druk, die de vloeistof op de flexibele folie uitoefent, kan worden gevarieerd.

5 Tussen de plaatsen Li en L2 is het oppervlak 7 geplaatst waarvan het ruwheidsprofiel gemeten moet worden. Door dit oppervlak wordt de lichtvlek van de afbeelding van de lichtbron 1 gereflecteerd, welk licht via de lenzen 4 en 3, de halfdoorlatende spiegel 2, lens 6 en het pinhole 10 wordt opgevangen door een lichtgevoelig element 8. De gemeten hoeveelheid licht heeft een maximum waarde op het moment dat de lichtbron 1 gefocusseerd is op het oppervlak 7 en neemt af naarmate de plaats waar de lichtbron 1 gefocusseerd is verder van het oppervlak 7 afgelegen 15 is.

Het uitgangssignaal van het lichtgevoelige element 8 kan worden weergegeven op een weergeefinrichting 9 en kan door een signaalbewerkingsinrichting 10 worden bewerkt om een meetsignaal te verkrijgen dat een maat 20 is voor de ruwheid van oppervlak 7. De hoogte van oneffenheden op het oppervlak kan b.v. worden bepaald door de in fig. 1 langs traject L1-L2 gemeten positie van het deel van het oppervlak dat het licht van lichtbron 1 weerkaatst te vergelijken met een referentiepositie van een geheel 25 vlak oppervlak op het traject L1-L2, waardoor de profielhoog-te bepaald kan worden. Een voorbeeld van een signaalbewerkingsinrichting waarmee de ruwheid van oppervlak 7 gemeten kan worden zal onderstaand nader worden toegelicht.

Aan de hand van de fign. 2 en 3 zal worden 30 toegelicht op welke wijze de positie van de gefocusseerde afbeelding van lichtbron 1 op het traject L]_-L2 gerelateerd is aan de positie van het oppervlak 7 op dit traject.

Voor het meten van het ruwheidsprofiel wordt de brandpuntsafstand van lens 3 periodiek gevarieerd, 35 zodat de gefocusseerde afbeelding van lichtbron 1 periodiek tussen Li en L2 heen en weer beweegt. Wanneer de periode 8501100 -5- «< .* voor een beweging van Lj naar L2 en terug naar Lj gelijk is aan tQ dan is de frequentie waarmee de brandpuntsafstand wordt gevarieerd fQ = l/tQ Hz.

Fig. 2 toont het traject L·^—>> L2 in een doorgetrok- 5 ken lijn en het traject L2-^ Li in een stippellijn.

Ter illustratie wordt verondersteld dat het oppervlak 7 dat de lichtvlek reflecteert zich achtereenvolgens op de posities A, B, C en D bevindt.Langs het traject is de tijd t aangegeven.

10 Fig. 3 toont het verloop van de door het lichtge voelige element 8 gemeten lichtintensiteit (£> als functie van de tijd t, wanneer het oppervlak zich resp. op elk van de plaatsen A-D bevindt. De ligging van de maxima van de lichtintensiteit ten opzichte van t = 0 is bepalend % 15 voor het berekenen van de plaats van het oppervlak 7 op het traject L1-L2- Wanneer b.v. het oppervlak zich in positie A bevindt, is de gereflecteerde hoeveelheid licht maximaal ten tijde t = 0 en t = l/fQ omdat op die beide tijdstippen de lichtvlek gefocusseerd is in punt A. Evenzo 20 is de intensiteit wanneer het oppervlak zich op positie D bevindt, maximaal ten tijde t = l/2f0 omdat op dat tijdstip een lichtvlek gefocusseerd is in punt D. Voor tussenliggende posities van het oppervlak, zoals de posities B en C, worden soortgelijke variaties van de lichtintensiteit 25 verkregen, zoals in fig. 3 is getoond.

Fig. 4 toont schematisch een stelsel waarin beitelslijtage kan worden bepaald door het ruwheidsprofiel van een met de beitel bewerkt werkstuk, b.v. een as te meten.

30 Het werkstuk 21 wordt in een niet getoonde draaibank rondgedraaid in de richting van pijl 23. Een beitel 24 verspaant het werkstuk 21 door tijdens het draaien van het werkstuk 1 langzaam in de richting van pijl 25 te schuiven. Daarbij wordt een spaan 26 gevormd. Door 35 de gelijktijdige draaiing van het werkstuk 21 en de verschuiving van de beitel 24 ontstaat op het oppervlak 27 van 8501100 -6- het werkstuk 21 een schroeflijnvormig patroon. De ruwheid van het oppervlak 27 is langs de schroeflijn, wezenlijk kleiner dan de ruwheid van het oppervlak 27 in de richting van een lijn 28, die loodrecht op de schroeflijn verloopt, 5 of in de richting van lijn 29, die onder een hoek ten opzichte van de schroeflijn verloopt. Voor een voldoend betrouwbare meting van de door de beitel 24 veroorzaakte ruwheidsprofiel dient de lijn 28 of 29 een aantal gangen van de schroeflijn te omvatten.

10 Fig. 5 toont een blokschema van een elektronische verwerkingsinrichting waarmee de slijtage van de beitel 24 uit fig. 4 die bevestigd is in een draaibank 22 kan worden bepaald.

Deze inrichting omvat een stuursignaalgenerator 15 31, die via een signaalleiding 32 stuursignalen afgeeft aan een optische opnemer 33. Deze optische opnemer kan b.v. het in fig. 1 getoonde stelsel zijn. Een correlator 35 ontvangt via een signaalleiding 34 hetzelfde uitgangssignaal van signaalgenerator 31. Via signaalleiding 36 ontvangt 20 de correlator 35 het uitgangssignaal van de optische opnemer 33, welk uitgangssignaal de gemeten profielhoogte van het oppervlak 27 ten opzichte van een referentieoppervlak weergeeft. De correlator 35 correleert de signalen die via de signaalleidingen 34 en 36 binnenkomen met elkaar 25 en geeft het gecorreleerde signaal via een signaalleiding 37 af aan karakteriseringseenheid 38. De karakteriseringseen-heid 38 bepaalt uit het uitgangssignaal van de correlator 35 een of meer karakteristieke grootheden van het oppervlak 27, welke grootheden relevant zijn voor het bepalen van 30 de toestand waarin het snijvlak van de beitel 24 verkeert.

Verder is voorzien in een referentiesignaalgene-rator 39 die signalen op kan wekken die gelijksoortig zijn aan de uitgangssignalen van de karakteriseringseenheid 38 en die een referentiesignaal vormen waarmee de uitgangs-35 signalen van eenheid 38 kunnen worden vergeleken. De karakteriseringseenheid 38 en de generator 39 zijn via resp.

8501100 -7- leidingen 40 en 41 verbonden met een beslissingseenheid 42. De uitgang van de beslissingseenheid 42 is via een leiding 43 verbonden met een ingang van een besturingsketen 44 voor de draaibank 22.

5 De besturingsketen 44 is via leidingen 45 en 46 met de draaibank 22 verbonden. Via leiding 45 kan de besturingsketen 44 de draaibank doen stoppen, terwijl via de leiding 46 de draaibank 22 aan de besturingsketen 44 signalen kan afgeven die de momentane hoekstand van 10 het werkstuk 21 tijdens het verspanen weergeven. Eventueel kan de besturingsketen 44 zo zijn ingericht, dat deze hoekstandsignalen’door de besturingsketen zelf worden opgewekt. De besturingsketen 44 is via een leiding 47 verbonden met de stuursignaalgenerator 31 en met de correla-15 tor 35, zodat deze signalen kunnen ontvangen die corresponderen met de hoekstandsignalen.

De werking van de verwerkingsinrichting volgens fig. 5 is als volgt.

Nadat de draaibank 22 is gestart en de beitel 20 24 tegen het werkstuk 21 is geplaatst, genereert de bestu ringsketen 44 een signaal dat via de leiding 47 de stuursignaalgenerator 31 en de correlator 35 activeert. De besturingsketen 44 geeft via de leiding 47 signalen af die corresponderen met de momentane hoekstand van het werkstuk 21.

25 Telkens als het werkstuk 21 een voorafbepaalde hoekstand inneemt, verricht de opnemer 33 een meting van de profielhoogte van het oppervlak 27 ten opzichte van een referentieoppervlak. De daartoe benodigde stuursignalen worden door de generator 31 via de leiding 32 aan de opnemer 50 33 afgegeven. De opnemer 33 kan synchroon met de beitel 24 langs het werkstuk 21 meebewegen, maar dit is niet nopdzakeli jk.

De generator 31 geeft tevens aan de opnemer 33 stuursignalen af, die noodzakelijk zijn voor het bepalen 55 van de profielhoogte. De correlator 35 ontvangt via leiding 34 signalen die overeenkomen met de via leiding 32 afgegeven 85011'' -8- signalen en via de leiding 36 het uitgangssignaal van de .opnemer 33. De correlator 35 combineert deze signalen met elkaar waardoor aan de uitgang daarvan een signaal verschijnt dat representatief is voor zowel de profielhoogte 5 als voor de bijbehorende plaats op het oppervlak 27. Om dit signaal te kunnen vormen ontvangt de correlator 35 tevens via de leiding 47 de hoekstandsignalen.

Afhankelijk van de tijdstippen waarop de profiel-hoogtemetingen plaatsvinden, kunnen de punten op het opper-10 vlak 27, waarvan de profielhoogte wordt gemeten, op een rechte of op een anderszins gevormde lijn liggen, zoals b.v. op lijn 28 of lijn 29 in fig. 4.

De karakteriseringseenheid 38 bepaalt uit de uitgangssignalen van de correlator 35, die het profiel 15 van het oppervlak 27 langs b.v. lijn 28 of lijn 29 voorstellen, een of meer karakteristieke grootheden van het profiel, welke karakteristieke grootheden fungeren als ruwheidskenmer-ken, d.w.z. kenmerken waarmee de ruwheid van een oppervlak kan worden gekarakteriseerd. Voorbeelden van karakteristieke 20 grootheden zijn de grootste profielhoogte of -diepte, de grootste voorkomende steilheid in het profiel, het aantal toppen/dalen van het profiel per lengte-eenheid etc.

De beslissingseenheid 42 vergelijkt de door 25 de karakteriseringseenheid 38 gegenereerde waarden voor de relevante grootheden met genormeerde waarden voor die grootheden, welke door de referentiesignaalgenerator 39 worden gegenereerd.

Indien de gemeten waarden de genormeerde waarden 30 niet overschrijden, gebeurt er verder niets omdat de beitel-slijtage dan nog binnen de toegelaten toleranties ligt.

Indien echter een of meer van de genormeerde waarden wordt overschreden, genereert de beslissingseenheid 42 een stopsignaal dat-via de leiding 43 wordt toegevoerd aan de besturings-35 keten 44. Deze keten reageert op dit stopsignaal door de draaibank via de leiding 45 uit te schakelen en door 8501100 -9- een alarmsignaal op te wekken, dat het bedienend personeel van de draaibank er op opmerkzaam maakt dat de ruwheid van het oppervlak 27 zo ver van de norm afwijkt, dat de beitel moet worden vervangen of moet worden geslepen.

5 Ook kan het stopsignaal op leiding 43 worden gebruikt om een automaat, die beitels kan verwisselen, te activeren. In een dergelijk geval wordt na de beitelverwisseling het verspaningsproces automatisch hervat.

Volgens een modificatie van de uitvoeringsvorm 10 van de verwerkingsinrichting volgens fig. 5 kan de leiding 46 worden weggelaten en is leiding 47 afkomstig van een schakeling die plaatssignalen genereert, welke signalen de plaats weergeven van het punt waar. de profielhoogte langs lijn 28 of lijn 29 moet worden gemeten. Daarbij 15 wordt het verspanen eerst gestopt voordat een profielmeting langs één van deze beide lijnen wordt uitgevoerd.

8501100

Claims (12)

1. Werkwijze voor het meten van het ruwheidsprofiel van een oppervlak, met het kenmerk, dat vanuit een lichtbron via een optisch stelsel op het oppervlak een lichtvlek wordt geprojecteerd, dat de plaats waar de lichtvlek is 5 gefocusseerd over een tevoren bepaald traject continu wordt gevarieerd, binnen welk traject het oppervlak is geplaatst, en dat de hoeveelheid door het oppervlak weerkaatst licht wordt gemeten.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, 10 dat de plaats waar de lichtvlek is gefocusseerd wordt gevarieerd door de brandpuntsafstand van het optische stelsel te doen variëren.

3. Werkwijze volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de positie van tenminste één lens die deel uitmaakt 15 van het optische stelsel wordt gevarieerd.

4. Werkwijze volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de brandpuntsafstand van tenminste één lens die deel uitmaakt van het optisch stelsel wordt gevarieerd.

5. Werkwijze volgens tenminste een der voorgaande 20 conclusies, met het kenmerk, dat het ruwheidsprofiel wordt gemeten door de hoeveelheid door het oppervlak weerkaatst licht te vergelijken met de hoeveelheid door een referentie-oppervlak weerkaatst licht.

6. Stelsel voor het meten van het ruwheidsprofiel 25 van een oppervlak, gekenmerkt door een lichtbron, een optisch stelsel met een variabele brandpuntsafstand om de positie van de gefocusseerde afbeelding van de lichtbron continu te variëren over een tevoren bepaald traject, en door middelen om het door het oppervlak waarvan het 30 ruwheidsprofiel gemeten moet worden, welk oppervlak op een plaats in het traject is gepositioneerd, gereflecteerde licht te meten.

7. Stelsel volgens conclusie 6, gekenmerkt door een eerste optische weg omvattende de lichtbron, een half- 8501100 -11- & door latende spiegel, en een optisch stelsel met een variabele brandpuntsafstand en door een tweede optische weg omvattende een orgaan voor het meten van de hoeveelheid door het oppervlak gereflecteerde licht/ een niet transparant/ 5 plaatvormig orgaan/ waarin een kleine opening is gevormd, tenminste één lens, de halfdoorlatende spiegel en het optisch stelsel met variabele brandpuntsafstand.

8. Stelsel volgens conclusie 6 of 7, met het kenmerk, dat het optisch stelsel met variabele brandpuntsafstand 10 gekoppeld is met middelen om de positie van tenminste één lens, welke deel uitmaakt van het optische stelsel, te variëren.

9. Stelsel volgens conclusie 6 of 7, met het kenmerk, dat het optisch stelsel tenminste één lens omvat waarvan 15 de brandpuntsafstand gevarieerd kan worden.

10. Werkwijze voor het meten van beitelslijtage onder toepassing van de werkwijze volgens tenminste één der conclusies 1 t/m 5, met het kenmerk, dat het ruwheids-profiel van een met de beitel bewerkt oppervlak wordt 20 gemeten en de waarde van een daaruit afgeleide karakteristieke grootheid van het ruwheidsprofiel wordt vergeleken met een tevoren bepaalde waarde, waarbij, wanneer de uit het gemeten ruwheidsprofiel afgeleide waarde groter is dan de tevoren bepaalde waarde, een signaal wordt opgewekt.

11. Werkwijze volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat het ruwheidsprofiel wordt gemeten langs een lijn welke zich evenwijdig aan de langsas van het werkstuk waarvan het ruwheidsprofiel gemeten wordt, uitstrekt.

12. Werkwijze volgens conclusie 10, met het kenmerk, 30 dat het ruwheidsprofiel wordt gemeten langs een lijn welke onder een hoek verloopt ten opzichte van de langsas van het werkstuk, waarvan het ruwheidsprofiel gemeten wordt. 3501100