DE3901352C2

DE3901352C2 - Surface measuring device

Info

Publication number: DE3901352C2
Application number: DE19893901352
Authority: DE
Inventors: Markus Dipl Ing Gilch; Volker Dipl Ing Fuchs
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1989-01-18
Filing date: 1989-01-18
Publication date: 1994-08-18
Anticipated expiration: 2009-01-19
Also published as: DE3901352A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Oberflächenmessung, insbesondere zur Ermittlung von Profiltiefe, Welligkeit und Rauheit einer zu prüfenden Oberfläche.The invention relates to a device for surface measurement, especially for determining profile depth, waviness and Roughness of a surface to be tested.

In der Oberflächenmeßtechnik werden Abweichungen technischer Oberflächen von der idealen geometrischen Gestalt ermittelt. Da ein einziger Wert für die Charakterisierung einer technischen Oberfläche nicht ausreicht, sollte deren Beschreibung immer durch mehrere Angaben erfolgen, z.B. durch mehrere Rauheits- und Oberflächenkennwerte. In der betrieblichen Anwendung sind dabei insbesondere die Ermittlung von Profiltiefe, Welligkeit und Rauheit von Interesse. Für die exakte meßtechnische Erfas sung einer Oberfläche können dabei mechanische Tastsysteme ein gesetzt werden, bei welchen die Abtastung der Oberfläche mit einer Diamant- oder Saphirnadel mit festgelegtem Spitzenradius vorgenommen wird. Die Bewegungen der Nadel werden induktiv oder kapazitiv in proportionale Spannungssignale verstärkt und einem Schreiber zur Profilaufzeichnung und/oder einer Auswerteeinheit zur Anzeige eines Rauheitswertes zugeführt. Für die exakte meß technische Erfassung einer Oberfläche können jedoch auch berüh rungslos arbeitende optische Tastsysteme eingesetzt werden, bei welchen beispielsweise das Licht eines im Taster eingebauten Halbleiterlasers stark gebündelt auf die zu prüfende Oberfläche gerichtet wird. Die Objektivlinse des Tasters ist beweglich aufgehängt und wird stets so nachgeführt, daß der Brennpunkt des Lichtstrahls auf der zu prüfenden Oberfläche liegt. Damit wird über den gesamten Meßbereich ein gleichbleibender Licht fleckdurchmesser gewährleistet. Der optische Taster ist dabei so konzipiert, daß eine Verschiebung der Objektoberfläche in Strahlrichtung eine Verschiebung des Lichtflecks über Fotodioden bewirkt und daraus die zu ermittelnden Rauheits- und Oberflächenkennwerte abgeleitet werden können.In surface measurement technology, deviations become more technical Surfaces determined from the ideal geometric shape. There a single value for the characterization of a technical Surface is not sufficient, their description should always by several entries, e.g. through several roughness and surface characteristics. Are in operational use in particular the determination of profile depth, ripple and roughness of interest. For the exact measurement solution of a surface can be mechanical touch probes are set, in which the scanning of the surface with a diamond or sapphire needle with a fixed tip radius is made. The movements of the needle become inductive or capacitively amplified into proportional voltage signals and one Recorder for profile recording and / or an evaluation unit fed to display a roughness value. For the exact measurement technical detection of a surface can also touch continuously working optical touch probes are used at which, for example, the light of a built in the button Semiconductor laser strongly bundled on the surface to be tested is judged. The button's objective lens is movable suspended and is always adjusted so that the focus of the light beam lies on the surface to be tested. In order to a constant light over the entire measuring range guaranteed spot diameter. The optical button is included designed in such a way that a displacement of the object surface in Beam direction a shift of the light spot over Causes photodiodes and the roughness and Surface characteristics can be derived.

Für die Ermittlung von Profiltiefe, Welligkeit und Rauheit einer zu prüfenden Oberfläche werden sogenannte Bezugsebenen-Taster eingesetzt, deren mechanische Taster auf einer Bezugsebene außerhalb der zu prüfenden Oberfläche ge führt werden. Die Vorrichtungen umfassen Linear-Vorschubgeräte mit eingebauten Bezugsebenen, wobei die mechanischen Taster je nach Meßaufgabe in verschiedenen Positionen an der Hauptwelle des Vorschubgerätes befestigt werden können. Für Bezugsebenen-Messungen, die ein Höchstmaß an Genauigkeit er fordern, ist dabei eine Position möglich, bei welcher der Taster durch eine entsprechende Abkröpfung des an der Hauptwelle ange brachten Halters unmittelbar unter der Bezugsebene des Vor schubgerätes hängt. Die bekannten Bezugsebenen-Taster sind dabei insbesondere für den Einsatz in einem Meßlabor mit einer Aufstellung der Vorrichtung auf einem Meßtisch und für die Oberflächenmessung relativ großer Oberflächen geeignet.For the determination of profile depth, waviness and roughness of a surface to be tested are so-called Reference plane buttons used, their mechanical buttons on a reference plane outside the surface to be tested leads. The devices include linear feeders with built-in reference levels, with the mechanical buttons depending after measuring task in different positions on the main shaft of the feed device can be attached. For Reference plane measurements that provide the highest level of accuracy a position is possible in which the button by an appropriate cranking on the main shaft brought halters immediately below the reference plane of the front push device hangs. The known reference plane buttons are in particular for use in a measuring laboratory with a Installation of the device on a measuring table and for the Surface measurement of relatively large surfaces is suitable.

Für den betrieblichen Einsatz sind eher als Zweikufen-Taster bekannte Vorrichtungen geeignet, die sich durch eine besonders einfache Handhabung auszeichnen und zur Durchführung von Ober flächenmessungen mit ihren Gleitkufen einfach auf die zu prü fende Oberfläche aufgesetzt werden. Diese Zweikufen-Taster ermöglichen jedoch nur die Ermittlung von Profiltiefe und Rau heit, während die Welligkeit nicht gemessen werden kann, da die Kufen der Welligkeit der Oberfläche folgen.For operational use are more like two-skid buttons known devices suitable, which are characterized by a particular easy handling and to carry out waiters Area measurements with their skids simply to be checked surface. These two-skid buttons however, only allow the determination of profile depth and roughness because the ripple cannot be measured because the Skids follow the ripple of the surface.

Aus der DE-PS 4 25 125 ist ein Gerät zum Messen von Eindrucktiefen bekannt, welches in der Materialuntersuchung eingesetzt wird und durch Messungen an verschiedenen Stellen einer Eindruckfläche zu einem brauchbaren Mittelwert der Eindrucktiefe führen soll. Das nach Art eines bezugsebenen-Tasters ausgebildete Gerät besteht aus einem auf die Prüffläche aufsetzbaren Dreifuß, in dem ein Längsschlitten mit einer ersten Spindel bewegt wird. Auf dem Längsschlitten läuft ein Querschlitten, der mittels einer zweiten Spindel verschoben werden kann. In dem Querschlitten ist ein Feinmeßgerät eingespannt, dessen nach oben ragender Gehäuseteil eine Skala trägt und in dessen nach unten ragenden Gehäuseteil ein Taster angeordnet ist.From DE-PS 4 25 125 is a device for Knowing depths of impression known which is used in material testing and by measurements at different points an impression area to a usable one Mean of the impression depth should lead. The trained in the manner of a reference level button Device consists of one on the Test surface attachable tripod in which a longitudinal slide with a first spindle is moved. Runs on the longitudinal slide a cross slide, which by means of a second Spindle can be moved. By doing A fine measuring device is clamped in the cross slide, whose upwardly projecting housing part is one Scale carries and down in it projecting housing part a button arranged is.

Aus der GB-PS 8 45 795 ist eine Vorrichtung zur Oberflächenmessung bekannt, bei welcher die Unterseite eines Pilotblockes eine genaue Bezugsebene bildet, die im wesentlichen parallel zu der zu prüfenden Oberfläche ausgerichtet ist. Unterhalb dieser Bezugsebene befindet sich ein mit mehreren Noppen (skids) ausgerüsteter Trägerblock, der mit mehreren auf einem Schlitten abgestützen Federn gegen die Bezugsebene gedrückt wird. Der vorstehend erwähnte Schlitten dient zur Verschiebung des Trägerblockes auf der Bezugsebene, wobei der Trägerblock durch eine Öffnung des Schlittens nach unten ragt. An der Unterseite des Trägerblockes ist ein seitlich auskragender Halter befestigt, der an seinem freien Ende einen Taster trägt.From GB-PS 8 45 795 is one Known device for surface measurement, where the bottom of a Pilot block an exact reference plane forms that essentially parallel aligned to the surface to be tested is. Below this reference level there is one with several knobs (skids) equipped carrier block with several springs supported on a sled is pressed against the reference plane. The carriage mentioned above is used for Displacement of the support block on the Reference plane, with the support block through an opening of the carriage protrudes downwards. At the bottom of the support block is a laterally projecting holder attached, the carries a button at its free end.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine für den betrieblichen Einsatz in der Fertigung geeignete, kompakt ausgebildete und leicht handhabbare Vorrichtung zur Oberflächenmessung zu schaffen, die einfach auf die zu prüfende Oberfläche aufgesetzt wird und eine exakte Ermittlung von Profiltiefe, Welligkeit und Rauheit ermöglicht.The invention has for its object one for the operational Use in production suitable, compactly trained and easy-to-use device for surface measurement create that simply placed on the surface to be tested and an exact determination of profile depth, waviness and Roughness enables.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen.This object is achieved by the measures specified in claim 1.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Vorteile einer Bezugsebenen-Messung auch bei einer kompakten und leicht handhabbaren Vorrichtung dann realisiert werden können, wenn Auflage und Taster, Führung mit Bezugsebene und der Schlitten des Vorschubgerätes in platzsparender Weise unmittelbar über einander angeordnet werden. Diese Übereinanderanordnung in verschiedenen Ebenen kann dabei dadurch realisiert werden, daß der am Schlitten befestigte und den Taster tragende Halter durch eine Aussparung der Führung hindurchgeführt ist. Die entsprechenden geringen Abmessungen der erfindungsgemäßen Vor richtung gewährleisten den Einsatz auch auf kurzen Meßflächen. Eine exakte Parallelführung des Schlittens ist dadurch gewährleistet, daß gefederte Abstützrollen den Schlitten mit seiner Dreipunktauflage federnd gegen die Bezugsebene drücken.The invention is based on the knowledge that the advantages a reference plane measurement even with a compact and light manageable device can be realized if Pad and button, guide with reference plane and the slide of the feed device directly in a space-saving manner be arranged one another. This stacking in different levels can be realized in that the holder attached to the slide and carrying the button is passed through a recess in the guide. The corresponding small dimensions of the invention direction guarantee use even on short measuring surfaces. An exact parallel guidance of the slide is ensured that spring-loaded Support rollers the sled with his Three-point support resilient against the reference plane to press.

Ist die Bezugsebene zumindest annähernd parallel zu der zu prüfenden Oberfläche ausgerichtet, so liefert die Vorrichtung unmittelbar die erwünschten Rauheits- und Oberflächenkennwerte, d. h. die bei einer geneigten Lage erforderliche Korrektur der Kennwerte durch den Rechner der Auswerteeinheit kann entfallen. Außerdem erfordert die parallele Ausrichtung von Auflage und Bezugsebene auch das geringste Bauvolumen.The reference plane is at least approximately parallel to that of aligned testing surface, so the device delivers immediately the desired roughness and surface properties, d. H. the correction required for an inclined position Characteristic values by the computer of the evaluation unit can be omitted. In addition, the parallel alignment of support and Reference level also the smallest construction volume.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Auflage als Dreipunktsauflage ausgebildet, die eine besonders einfache und günstige Positionierung auf dem Meß objekt gewährleistet. Die Auflage umfaßt dann vorzugsweise drei auf die zu prüfende Oberfläche aufsetzbare Schneiden, wobei derartige Auflageschneiden dann auch beispielsweise Messungen an einem mit Bohrungen versehenen Motorblock ermöglichen.According to a further preferred embodiment of the invention the edition is designed as a three-point edition, the one particularly simple and inexpensive positioning on the measuring object guaranteed. The edition then preferably comprises three cutting edges that can be placed on the surface to be tested, whereby such support edges then also, for example, measurements on an engine block with holes.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist an dem Halter ein an der Unterseite der Führung anlie gendes und die Aussparung abdeckendes Dichtblech befestigt. Dieses zusammen mit Schlitten, Halter und Taster verfahrbare Dichtblech verhindert den Zutritt von Staub, Spritzwasser und dergleichen in den besonders empfindlichen Führungsbereich des Schlittens.According to a further preferred embodiment of the invention is attached to the holder at the bottom of the guide sealing plate covering the recess. This can be moved together with the slide, holder and button Sealing plate prevents the entry of dust, splash water and the like in the particularly sensitive management area of the Sledge.

Schließlich kann eine weitere Reduzierung der Baugröße dadurch erreicht werden, daß oberhalb des Schlittens ein Antriebsmotor und ein mit dem Schlitten sowie dem Antriebsmotor verbundener Bewegungsumsetzer angeordnet sind.Finally, this can further reduce the size achieved that a drive motor above the slide and one with the sled as well connected to the drive motor Movement converters are arranged.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dar gestellt und wird im folgenden näher beschrieben.An embodiment of the invention is shown in the drawing and is described in more detail below.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 das Grundprinzip einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Oberflächenmessung, Fig. 1 the basic principle of an inventive device for surface measurement,

Fig. 2 einen bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1 einsetzbaren mechanischen Taster, Fig. 2 is a usable in the apparatus of FIG. 1 mechanical probe,

Fig. 3 einen bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1 einsetzbaren berührungslosen optischen Taster, Fig. 3 is a usable in the apparatus of FIG. 1 contactless optical probe,

Fig. 4 die Anordnung der Auflageschneiden der Vorrichtung gemäß Fig. 1 und Fig. 4 shows the arrangement of the cutting edges of the device according to Fig. 1 and

Fig. 5 eine entsprechend dem in Fig. 1 dargestellten Grund prinzip aufgebaute Vorrichtung zur Oberflächenmessung in stark vereinfachter schematischer Darstellung. Fig. 5 shows a corresponding principle constructed in the base illustrated in Fig. 1 apparatus for surface measurement in a greatly simplified schematic view.

Gemäß dem in Fig. 1 aufgezeigten Grundprinzip umfaßt die er findungsgemäße Vorrichtung eine auf die zu prüfende Oberfläche O aufsetzbare Auflage Af, eine oberhalb der Auflage Af angeord nete, als ebene Platte ausgebildete Führung F, einen auf der Führung F verfahrbaren Schlitten S und einen in Fig. 1 lediglich als Block dargestellten Antrieb At für den Schlitten S. Die obere Fläche der Führung F bildet eine im Abstand parallel zur Oberfläche O ausgerichtete Bezugsebene B, auf welcher der Schlitten S mit Hilfe des Antriebes At in Richtung des Doppelpfeiles Dpf linear verfahren werden kann. An der Unterseite des Schlittens S ist ein Halter H befestigt, der durch eine sich in Richtung des Doppelpfeiles Dpf erstreckende Aussparung As der Führung F nach unten ragt und einen in Fig. 1 durch strichpunktierte Linien lediglich als Block aufgezeigten Taster T trägt. Als Taster T kann gemäß Fig. 2 ein mechanischer Taster T1 zur berührenden Abtastung der Oberfläche O und gemäß Fig. 3 ein optischer Taster zur berührungslosen Abtastung der Oberfläche O verwendet werden. Die als Dreipunktsauflage aus gebildete Auflage Af umfaßt drei Schneiden Sd, deren Anordnung zueinander aus Fig. 4 hervorgeht. Mit diesen Schneiden Sd kann die gesamte Vorrichtung auch auf unterbrochenen Oberflächen wie z.B. auf Motorblock-Oberflächen positioniert werden. Um trotz dem eine einwandfreie Dreipunktsauflage zu gewährleisten, sind die Schneiden Sd leicht hohl geschliffen, wobei die den beiden kürzeren Schneiden Sd gegenüberliegende längere Schneide Sd zusätzlich über ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Blatt federgelenk kippbar gelagert ist. Abweichend vom dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Auflage Af für den Einsatz in flexiblen Fertigungszentren aber auch mit drei durchbohrten Auflagefüßen ausgerüstet werden, so daß die Auflagestellen während des Positionierungsvorganges durch die Füße hindurch schmutzfrei geblasen werden können.According to the basic principle shown in FIG. 1, the device according to the invention comprises a support Af which can be placed on the surface O to be tested, an arrangement above the support Af which is designed as a flat plate, guide F, a carriage S which can be moved on guide F and an in Fig. 1 only shown as a block drive At for the carriage S. The upper surface of the guide F forms a reference plane B aligned at a distance parallel to the surface O, on which the carriage S are linearly moved with the aid of the drive At in the direction of the double arrow Dpf can. Attached to the underside of the carriage S is a holder H which projects downward through a recess As of the guide F which extends in the direction of the double arrow Dpf and which bears a button T shown only as a block in FIG. 1 by dash-dotted lines. When pushbutton T Fig. 2, according to a mechanical switch T1 for contact scanning of the surface, and O in Fig. 3, an optical probe may be used for non-contact scanning of the surface O. The support Af formed as a three-point support comprises three cutting edges Sd, the arrangement of which can be seen from FIG. 4. With these cutting edges Sd, the entire device can also be positioned on interrupted surfaces, such as on engine block surfaces. In order to ensure a flawless three-point support despite this, the cutting edges Sd are lightly ground, the longer cutting edge Sd opposite the two shorter cutting edges Sd being additionally tiltably supported by a leaf (not shown in the drawing). In a departure from the exemplary embodiment shown, the support Af can also be equipped with three perforated support feet for use in flexible production centers, so that the support points can be blown through the feet without dirt during the positioning process.

Bei der in Fig. 5 etwas ausführlicher dargestellten Vorrichtung trägt der Halter H den auch in Fig. 1 aufgezeigten mechanischen Taster T1. Es ist ferner zu erkennen, daß am Halter H ein an der Unterseite der Führung F anliegendes und die Aussparung As abdeckendes Dichtblech D befestigt ist. Dieses mit dem Schlitten S, dem Halter H und dem Taster T1 verfahrbare Dicht blech D verhindert den Zutritt von Schmutz, Staub und Spritzwasser in den Bereich des auf der Bezugsebene B geführten Schlittens S. Um eine möglichst exakte Parallelführung des Schlittens S zu gewährleisten, sind an seiner Oberseite gefederte Abstützrollen Ar angeordnet, die an der durchbrochenen Trennwand Tw zum Antrieb At abgestützt sind und den Schlitten S mit seiner Dreipunktauflage Daf federnd gegen die Bezugsebene B drücken. Der Antrieb At umfaßt einen Antriebsmotor Am und einen Bewegungsumsetzer Bu, welcher die durch einen Pfeil aufgezeigte Rotationsbewegung Ro des Antriebsmotors Am in eine ebenfalls durch einen Pfeil aufgezeigte Linearbewegung Li des Schlittens S umsetzt. Dabei ragt ein an dem Schlitten S befestigter Übertragungsarm Ua durch einen schlitzförmigen Durchbruch Db der Trennwand Tw hindurch nach oben, so daß eine auf einer Wendelbahn Wb geführte und am oberen Ende des Übertragungsarmes Ua angebrach te Rolle Re die rotierend/lineare Umsetzung vollziehen kann. Bei der Linearbewegung Li über den gesamten Meß- bzw. Tastbereich des Tasters T1 wird eine mit Rf bezeichnete Rück stellfeder gespannt, die neben der Rückstellung des Schlittens S auch eine spielfreie Anlage der Rolle Re an der Wendelbahn Wb gewährleistet.In the device shown in somewhat more detail in FIG. 5, the holder H carries the mechanical button T1 also shown in FIG. 1. It can also be seen that on the holder H a sealing plate D which bears against the underside of the guide F and covers the recess As is fastened. This sealing plate D, which can be moved with the slide S, the holder H and the button T1, prevents dirt, dust and splash water from entering the area of the slide S guided on the reference plane B. To ensure that the slide S is guided as precisely as possible spring-loaded support rollers Ar are arranged on its upper side, which are supported on the perforated dividing wall Tw for drive At and press the carriage S with its three-point support Daf resiliently against the reference plane B. The drive At comprises a drive motor Am and a movement converter Bu, which converts the rotational movement Ro of the drive motor Am indicated by an arrow into a linear movement Li of the carriage S likewise indicated by an arrow. In this case, a transmission arm Ua attached to the carriage S projects upward through a slot-shaped opening Db in the partition wall Tw, so that a roller Re guided on a spiral path Wb and attached to the upper end of the transmission arm Ua can perform the rotating / linear conversion. During the linear movement Li over the entire measuring or sensing range of the probe T1, a return spring designated Rf is tensioned, which, in addition to the resetting of the slide S, also ensures play-free contact of the reel Re on the spiral track Wb.

Die in Fig. 5 dargestellte Vorrichtung kann zur raschen Ermitt lung von Profiltiefe, Welligkeit und Rauheit von Hand auf die jeweilige Prüfstelle aufgesetzt werden. Die Vorrichtung kann jedoch auch in ähnlicher Weise wie ein Werkzeug fest mit der Maschinenspindel einer Bearbeitungsmaschine verbunden werden, wobei die Vorrichtung über einen entsprechenden Adapter dann auch wahlweise in eine axiale Meßstellung oder eine radiale Meßstellung geschwenkt werden kann. Somit kann die Vorrichtung beispielsweise automatisch an stirngefräste oder wälzgefräste Flächen innerhalb des Arbeitsraumes einer Fräseinrichtung po sitioniert werden.The device shown in FIG. 5 can be placed by hand on the respective test site for the rapid determination of profile depth, waviness and roughness. However, the device can also be firmly connected to the machine spindle of a processing machine in a manner similar to a tool, the device then also being able to be pivoted optionally into an axial measuring position or a radial measuring position using a corresponding adapter. Thus, the device can, for example, be automatically positioned on face-milled or hob-milled surfaces within the working space of a milling device.

Claims

1. Device for surface measurement, in particular for determining the profile depth, waviness and roughness of a surface to be tested (O), with

- On the surface to be tested (O) can be placed on the support (Af);
- A guide (F) arranged above the support (Af), the reference plane (B) of which is at a defined distance from the support (Af);
- A carriage (S) which can be moved in a straight line with a three-point support (Daf) on the reference plane (B);
- Suspended support rollers (Ar), which are supported on a wall (Tw) aligned parallel to the reference plane (B) and press the carriage (S) with its three-point support (Daf) resiliently against the reference plane (B);
- A holder (H) attached to the slide (S) and projecting downwards through a recess (As) in the guide (F) and with
- A button (T; T1; T2) attached to the holder (H).

2. Device according to claim 1, characterized, that the reference plane (B) is at least approximately parallel to the testing surface (O) is aligned.

3. Device according to claim 1 or 2, characterized, that the edition (Af) is designed as a three-point edition.

4. The device according to claim 3, characterized, that the support (Af) three on the surface to be tested (O) attachable cutting (SD) includes.

5. Device according to one of the preceding claims, characterized, that on the holder (H) on the underside of the guide (F) adjacent sealing plate (D) covering the recess (As) is attached.

6. Device according to one of the preceding claims, characterized, that above the carriage (S) a drive motor (Am) and a connected to the slide (S) and the drive motor (Am) Movement converter (Bu) are arranged.