CH493822A

CH493822A - Verfahren zum Bestimmen einer von der Oberflächenbeschaffenheit eines Körpers abhängigen Grösse und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: CH493822A
Application number: CH45868A
Authority: CH
Inventors: Westell Rozelaar Alan Jack; Brunton John; Imre Umit
Original assignee: Nat Res Dev
Priority date: 1966-09-09
Filing date: 1968-01-12
Publication date: 1970-07-15
Also published as: US3523448A; GB1213121A; FR1555864A; DE1673862A1

Description

Verfahren zum Bestimmen einer von der Oberflächenbeschaffenheit eines Körpers abhängigen
Grösse und Einrichtung zur Durchfahrung des Verfahrens
Verfahren zum Bestimmen einer von der Oberflächenbeschaffenheit eines Körpers abhängigen Grösse und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bestimmen einer von der Oberflächen- beschaffenheit eines Körpers abhängigen Grösse sowie auf eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Ein solches Verfahren ist insbesonders anwendbar zum Messen von Oberflächenrauhigkeiten.

Der Zweck der Erfindung ist die Schaffung eines geeigneten Verfahrens und einer geeigneten Vorrichtung zum Messen von solchen Eigenschaften.

Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des zu messenden Körpers mit einem Referenzorgan, in mechanischen Kontakt gebracht wird, und dass der Körper und/oder das Referenzorgan mit einem Pol einer Gleichspannungsquelle verbunden werden, wobei als Mass für die zu bestimmende Grösse die Kraft gemessen wird, die zum Trennen des Körpers vom Referenzorgan aufgewendet werden muss.

Ein solches Verfahren kann auch zum Messen der genannten Grösse eines elektrisch leitenden Körpers verwendet werden. Der Körper wird dabei vorzugsweise mit einem elektrisch leitenden Referenzorgan in Berührung gebracht, wonach der Körper und das Organ an einen Stromkreis angeschlossen werden. Es wird dann die zur Überwindung der elektrostatischen Anziehung zwischen Körper und Referenzorgan notwendige Kraft gemessen.

Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, gekennzeichnet durch ein Referenzorgan, welches derart gelagert ist, dass es mit der Oberfläche des zu untersuchenden Körpers in Berührung gebracht werden kann, durch Mittel zum Einwirkenlassen einer Kraft auf den Körper oder auf das Referenzorgan, um diese voneinander zu trennen, durch eine mit dem Körper und/oder dem Referenzorgan verbindbare Gleichspannungsquelle und durch
2 Mittel zum Messen der Kraft, die notwendig ist, um den Körper und das Referenzorgan voneinander zu trennen.

Wenn eine solche Einrichtung zum Messen der genannten Grösse eines elektrisch leitenden Körpers verwendet wird, ist vorzugsweise auch das genannte Referenzorgan elektrisch leitend. Ferner sind mit dem Organ verbundene Mittel vorhanden, die mit dem Körper verbunden werden können und dazu vorgesehen sind, um zwischen dem Körper und dem Referenzorgan eine Potentialdifferenz zu erzeugen, wenn diese voneinander getrennt sind.

In der nachfolgenden Beschreibung werden anhand der beiliegenden Zeichnung awei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen Einrichtung erläutert.

In Fig 1 zeigt 10 eine Trägerstruktur (von welcher nur Teile dargestellt sind), die aus einem Gehäuse oder einem Gestell gebildet werden kann. Es ist eine Anordnung vorgesehen, in welcher der zu untersuchende Körper 11 einstellbar montiert ist. Diese Anordnung ist auf der Zeichnung nicht in Einzelheiten gezeigt, jedoch ist eine Mikrometerschraube 12 ersichtlich, die zur Einstellung der Lage des Körpers 11 dient. Zwischen dem zylindrischen Vorderteil 12a des Mikrometers 12 und dem Körper 11 ist ein elektrisch isolierendes Element 13 angeordnet.

Die Einrichtung weist ferner ein Referenzorgan 14 auf. Dieses Referenzorgan ist eine Kugel, beispiels- weise aus gStellit > . Die Kugel 14 ist über einen Bügel 15 an dem unteren Ende eines Drahtes 16 befestigt, welcher an einem isolierenden Träger 17 aufgehängt ist. Der Träger 17 ist auf einer Gleitbahn 26 angeordnet und mittels einer mit einem Rändelkopf 19 versehenen Einstellschraube 18 in horizontaler Richtung verschiebbar. Um die Verschiebung des Trägers 14 zu messen, ist ein. Messinstrument 20 angeordnet, dessen Fühler 21 mit dem Träger im Eingriff ist.

Der Draht 16 ist über einen Leiter, der sich durch den Träger hindurch erstreckt mit der einen Klemme einer Batterie 22 verbunden. Die andere Klemme der Batterie ist über einen Widerstand 23 und einen Schalter 24 mit einem Kontaktstück 25 verbunden, weiches Kontaktstück dazu vorgesehen ist, mit dem Körper 11 in Eingriff zu kommen.

Zur Durchführung einer Messung wird die Einrichtung wie folgt eingestellt. Der Schalter 24 wird geöff net, und die Schraube 18 wird verstellt, bis das Instrument 20 Null. anzeigt. Danach wird das Mikrometer 12 verstellt bis der Körper 11 die Kugel 14 gerade berührt. Der Schalter 24 wird nun geschlossen, und die Schraube 18 wird verdreht, um den Träger in Fig 1 nach rechts zu verschieben. Dadurch wird eine Kraft erzeugt, die eine auf die Kugel 14 wirkende horizontale Komponente aufweist, die dazu tendiert, die Kugel 14 vom Körper 11 zu trennen. Wie leicht eingesehen werden kann, würde jedoch die Trennung der Kugel 14 vom Körper 11 eine elektrische Potentialdifferenz zwischen diesen bewirken, so dass die Kugel 14 vom Körper 11 elektrostatisch. angezogen würde.

Der Träger 17 wird solange nach rechts (in Fig. 1) verschoben, bis die durch den Draht 16 auf die Kugel 14 aufgebrachte, horizontale Komponente der Kraft genügend gross ist, um die elektrostatische Anziehung zwischen Körper 11 und Kugel 14 zu überwinden. Die Kugel 14 wird dann vom Körper 11 getrennt. Die durch das Messinstrument 20 gemessene Verschiebung des Trägers 17 bildet eine Messung der Kraft, die notwendig ist, um die Kugel 14 von dem Körper 11 zu trennen.

Theoretisch hängt die zum Trennen der Kugel 14 vom Körper notwendige Kraft: a) von der Oberflächenbeschaffenheit der Kugel 14 b) von der Oberflächenbeschaffenheit des Körpers 11 und c) von der auf die Batterie 22 aufgelegten Spannung ab.

Die Oberflächenbeschaffenheiten sind von Wichtigkeit, da bei einer rauhen Oberfläche die effektive Lage der Oberfläche, sofern sie die elektrostatische Kraft betrifft, von der effektiven Lage der Oberfläche bezüglich Berührung verschieden ist. Somit wird unter der Annahme, dass die Kugel! 14 eine vollkommen glatte Oberfläche besitzt, die elektrostatische Anziehung mit der Zunahme der Oberflächenrauhigkeit des Körpers 11 abnehmen.

Die auf die Kugel 14 aufgebrachte Kraft kann aus der zum Trennen der Kugel 14 vom Körper 11 not- wendigen Verschiebung des Trägers 17 aus dem Gesamtgewicht der Anordnung, bestehend aus der Kugel 14, dem Bügel 15 und dem Draht 16 und aus der Lage des Schwerpunktes dieser Anordnung berechnet werden. Die berechnete Kraft selbst ist bei einer gegebenen Potentialdifferenz charakteristisch für die geprüfte Oberfläche. Für jede gegebene Art von Flächen kann diese Kraft der Beschaffenheit der Oberfläche entsprechen. Jedoch hängt diese Kraft vermutlich auch von den Unregelmässigkeiten der Oberfläche des zu unter suchenden Körpers sowie von dem Vorhandensein und von der Dicke jeglicher Oxyde oder anderer Filme auf der Oberfläche ab.

Die folgende Tabelle enthält eine Liste der bei einem Versuch mit der vorstehend beschriebenen Einrichtung erhaltenen Ergebnisse. Bei diesem Versuch wurde eine Stellit-Kugel mit 8 mm Durchmesser und eine Spannung von 12 Volt verwendet.

Oberflächenrauhigkeit Kraft (mm) (gramm)
0,051 0,003445 01,127 0,002114 0,254 0,0011592
0,318 0,001566
0,381 0,00ffi1017 0;5018 0,000994 0,762 0,000615
1,0116 0,0010464
Ein anderes Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegen standes ist in Fig. 2 dargestellt. Bei diesem Beispiel weist die Vorrichtung einen Prüfkopf 30 auf, der auf den zu prüfenden Körper gesetzt wird. Im Prüfkopf 30 ist eine leichte, elektrisch leitende Stange 32 schwenkbar montiert. Diese Stange ist in. einer reibungsarmen Lagerung gehalten. Die Lagerung besteht beispielsweise aus einem verdrehbaren Faden aus Quarz, Phosphorbronze o. dgl.

An dem einen Ende der Stange ist ein leichtes, schalenförmiges Organ 33 angeordnet, weiches aus einer glatten Metallfolie o. dgl. gebildet ist.

Das andere Ende der Stange ist mit einem Zapfen 34 aus ferromagnetischem Material versehen, welcher Zapfen mit einer Spule 35 zusammenwirkt, um eine Dreheisenwirkung zu erzeugen. Es ist leicht ersichtlich, dass der Strom-Durchfluss durch die Spule 35 das Einziehen des Zapfens 34 in die Spule bewirkt, wobei die Stange 32 um ihre Schwenkachse gedreht wird.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, weist der Steuerkreis der Einrichtung eine Batterie 36, welche mit der Spule 35 in Serie geschaltet ist, einen veränderlichen Widerstand 37 und ein Instrument 38 zur Messung des durch die Spule 35 fliessenden Stromes auf. Eine zweite Batterie 39 ist mit einer Klemme mit einem Kontakt 40, welcher mit dem zu prüfenden Körper 31 in Eingriff kommt, verbunden, während die andere Klemme der Batterie 39 über einen Widerstand 40 und über einen Schalter 41 mit der Stange 32 verbunden ist. Die Verbindung mit der Stange 32 kann z. B. durch einen lose gewickelten Draht 42 (wie gezeigt) erfolgen.

Bei einer Messung wird die Stange 32 durch ein Fenster im Prüfkopf 30 beobachtet. Zuerst wird der Schalter 41 geschlossen, so dass eine elektrostatische Anziehung zwischen dem Körper 31 und dem Organ 33 bewirkt wird, wie es bereits beim Beispiel von Fig. 1 gezeigt wurde. Der Widerstand 37 wird danach solange verstellt, bis das Organ von dem Körper 31 getrennt wird.

Die zum Trennen des Organs 33 vom Körper 31 notwendige Kraft kann wiederum aufgrund der Anzeige des Instrumentes 38 berechnet werden.

PATENTANSPRUCH 1
Verfahren zum Bestimmen einer von der Oberflächenbeschaffenheit eines Körpers abhängigen Grösse, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des zu

**WARNUNG** Ende DESC Feld konnte Anfang CLMS uberlappen**.

Claims

**WARNUNG** Anfang CLMS Feld konnte Ende DESC uberlappen **. Batterie ist über einen Widerstand 23 und einen Schalter 24 mit einem Kontaktstück 25 verbunden, weiches Kontaktstück dazu vorgesehen ist, mit dem Körper 11 in Eingriff zu kommen.

Zur Durchführung einer Messung wird die Einrichtung wie folgt eingestellt. Der Schalter 24 wird geöff net, und die Schraube 18 wird verstellt, bis das Instrument 20 Null. anzeigt. Danach wird das Mikrometer 12 verstellt bis der Körper 11 die Kugel 14 gerade berührt. Der Schalter 24 wird nun geschlossen, und die Schraube 18 wird verdreht, um den Träger in Fig 1 nach rechts zu verschieben. Dadurch wird eine Kraft erzeugt, die eine auf die Kugel 14 wirkende horizontale Komponente aufweist, die dazu tendiert, die Kugel 14 vom Körper 11 zu trennen. Wie leicht eingesehen werden kann, würde jedoch die Trennung der Kugel 14 vom Körper 11 eine elektrische Potentialdifferenz zwischen diesen bewirken, so dass die Kugel 14 vom Körper 11 elektrostatisch. angezogen würde.

Der Träger 17 wird solange nach rechts (in Fig. 1) verschoben, bis die durch den Draht 16 auf die Kugel 14 aufgebrachte, horizontale Komponente der Kraft genügend gross ist, um die elektrostatische Anziehung zwischen Körper 11 und Kugel 14 zu überwinden. Die Kugel 14 wird dann vom Körper 11 getrennt. Die durch das Messinstrument 20 gemessene Verschiebung des Trägers 17 bildet eine Messung der Kraft, die notwendig ist, um die Kugel 14 von dem Körper 11 zu trennen.

Theoretisch hängt die zum Trennen der Kugel 14 vom Körper notwendige Kraft: a) von der Oberflächenbeschaffenheit der Kugel 14 b) von der Oberflächenbeschaffenheit des Körpers 11 und c) von der auf die Batterie 22 aufgelegten Spannung ab.

Die Oberflächenbeschaffenheiten sind von Wichtigkeit, da bei einer rauhen Oberfläche die effektive Lage der Oberfläche, sofern sie die elektrostatische Kraft betrifft, von der effektiven Lage der Oberfläche bezüglich Berührung verschieden ist. Somit wird unter der Annahme, dass die Kugel! 14 eine vollkommen glatte Oberfläche besitzt, die elektrostatische Anziehung mit der Zunahme der Oberflächenrauhigkeit des Körpers 11 abnehmen.

Die auf die Kugel 14 aufgebrachte Kraft kann aus der zum Trennen der Kugel 14 vom Körper 11 not- wendigen Verschiebung des Trägers 17 aus dem Gesamtgewicht der Anordnung, bestehend aus der Kugel 14, dem Bügel 15 und dem Draht 16 und aus der Lage des Schwerpunktes dieser Anordnung berechnet werden. Die berechnete Kraft selbst ist bei einer gegebenen Potentialdifferenz charakteristisch für die geprüfte Oberfläche. Für jede gegebene Art von Flächen kann diese Kraft der Beschaffenheit der Oberfläche entsprechen. Jedoch hängt diese Kraft vermutlich auch von den Unregelmässigkeiten der Oberfläche des zu unter suchenden Körpers sowie von dem Vorhandensein und von der Dicke jeglicher Oxyde oder anderer Filme auf der Oberfläche ab.

Die folgende Tabelle enthält eine Liste der bei einem Versuch mit der vorstehend beschriebenen Einrichtung erhaltenen Ergebnisse. Bei diesem Versuch wurde eine Stellit-Kugel mit 8 mm Durchmesser und eine Spannung von 12 Volt verwendet.

Oberflächenrauhigkeit Kraft (mm) (gramm) 0,051 0,003445 01,127 0,002114 0,254 0,0011592 0,318 0,001566 0,381 0,00ffi1017 0;5018 0,000994 0,762 0,000615 1,0116 0,0010464 Ein anderes Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegen standes ist in Fig. 2 dargestellt. Bei diesem Beispiel weist die Vorrichtung einen Prüfkopf 30 auf, der auf den zu prüfenden Körper gesetzt wird. Im Prüfkopf 30 ist eine leichte, elektrisch leitende Stange 32 schwenkbar montiert. Diese Stange ist in. einer reibungsarmen Lagerung gehalten. Die Lagerung besteht beispielsweise aus einem verdrehbaren Faden aus Quarz, Phosphorbronze o. dgl.

An dem einen Ende der Stange ist ein leichtes, schalenförmiges Organ 33 angeordnet, weiches aus einer glatten Metallfolie o. dgl. gebildet ist.

Das andere Ende der Stange ist mit einem Zapfen 34 aus ferromagnetischem Material versehen, welcher Zapfen mit einer Spule 35 zusammenwirkt, um eine Dreheisenwirkung zu erzeugen. Es ist leicht ersichtlich, dass der Strom-Durchfluss durch die Spule 35 das Einziehen des Zapfens 34 in die Spule bewirkt, wobei die Stange 32 um ihre Schwenkachse gedreht wird.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, weist der Steuerkreis der Einrichtung eine Batterie 36, welche mit der Spule 35 in Serie geschaltet ist, einen veränderlichen Widerstand 37 und ein Instrument 38 zur Messung des durch die Spule 35 fliessenden Stromes auf. Eine zweite Batterie 39 ist mit einer Klemme mit einem Kontakt 40, welcher mit dem zu prüfenden Körper 31 in Eingriff kommt, verbunden, während die andere Klemme der Batterie 39 über einen Widerstand 40 und über einen Schalter 41 mit der Stange 32 verbunden ist. Die Verbindung mit der Stange 32 kann z. B. durch einen lose gewickelten Draht 42 (wie gezeigt) erfolgen.

Bei einer Messung wird die Stange 32 durch ein Fenster im Prüfkopf 30 beobachtet. Zuerst wird der Schalter 41 geschlossen, so dass eine elektrostatische Anziehung zwischen dem Körper 31 und dem Organ 33 bewirkt wird, wie es bereits beim Beispiel von Fig. 1 gezeigt wurde. Der Widerstand 37 wird danach solange verstellt, bis das Organ von dem Körper 31 getrennt wird.

Die zum Trennen des Organs 33 vom Körper 31 notwendige Kraft kann wiederum aufgrund der Anzeige des Instrumentes 38 berechnet werden.

PATENTANSPRUCH 1 Verfahren zum Bestimmen einer von der Oberflächenbeschaffenheit eines Körpers abhängigen Grösse, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des zu

messenden Körpers mit einem Referenzorgan in mechanischen Kontakt gebracht wird, und dass der Körper und/oder das Referenzorgan mit einem Pol einer Gleichspannungsquelle verbunden werden, wobei als Mass für die zu bestimmende Grösse die Kraft gemessen wird, die zum Trennen des Körpers vom Refe renzorgan aufgewendet werden muss.

UNTERANSPRÜCHE 1. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper und das Referenzorgan je mit einem Pol einer Gleichspannungsquelle verbunen werden, derart, dass zumindest bestimmte Teile des Körpers und/oder des Referenzorgans elektrostatisch aufgeladen werden.

2. Verfahren nach Patentanspruch I, bei welchem die genannte, von der Oberflächenbeschaffenheit eines elektrisch leitenden Körpers abhängige Grösse gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper mit einem elektrisch leitenden Referenzorgan in Berührung gebracht wird, dass der Körper und das Organ an einen Stromkreis angeschlossen werden, und dass die zur Trennung von Körper und Referenzorgan notwen dige Kraft gemessen wird.

3. Verfahren nach Unteranspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit dem genannten Referenzorgan mechanisch verbundener Träger verschoben wird, um auf das Referenzorgan eine ständig zunehmende Kraft auszuüben, bis eine Trennung des Organs vom Körper bewirkt wird.

PATENTANSPRUCH II Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch I, gekennzeichnet durch ein Referenzorgan, welches derart gelagert ist, dass es mit der Oberfläche des zu untersuchenden Körpers in Berührung gebracht werden kann, durch Mittel zum Einwirkenlassen einer Kraft auf den Körper oder auf das Referenzorgan, um diese voneinander zu trennen, durch eine mit dem Körper und/oder Referenzorgan verbindbare Gleichspannungsquelle, und durch Mittel zum Messen der Kraft, die notwendig ist, um den Körper und das Referenzorgan voneinander zu trennen.

UNTERANSPRÜCHE 4. Einrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass der zu untersuchende Körper und das genannte Referenzorgan elektrisch leitend sind, und dass mit dem Referenzorgan verbundene Mittel vorhanden sind, die mit dem Körper verbunden werden können und dazu vorgesehen sind, um zwischen dem Körper und dem Referenzorgan eine elektrische Potentialdifferenz zu erzeugen, wenn diese voneinander getrennt sind.

5. Einrichtung nach Unteranspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte elektrisch leitende Referenzorgan eine konvexe Oberfläche hat, die mit dem zu untersuchenden Körper in Eingriff bringbar ist.

6. Einrichtung nach Unteranspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte konvexe Oberfläche kugelförmig ist.

7. Einrichtung nach Unteranspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Referenzorgan eine Kugel ist.

8. Einrichtung nach Unteranspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Einwirkenlassen der Kraft einen Träger, eine mechanische Verbindung zwischen Träger und Kugel sowie Mittel zum Verschieben des Trägers bezüglich der Kugel aufweisen, wobei die Kraft über die mechanische Verbindung auf die Kugel übertragen wird.

9. Einrichtung nach Unteranspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte mechanische Verbindung aus einem mit seinem einen Ende am Träger befestigten und von diesem herunterhängenden Draht besteht, dessen anderes Ende die Kugel trägt, und dass der Träger in horizontaler Richtung verschiebbar ist.

10. Einrichtung nach Unteranspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger mit einer Einstell- schraube verbunden ist, und dass eine Messvorrichtung vorgesehen ist, um die Verschiebung des Trägers zu messen.

11. Einrichtung nach Unteranspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass einstellbare Mittel vorgesehen sind, um den zu untersuchenden Körper zu tragen, wobei die Lage des Körpers so einstellbar ist, dass dieser mit der Kugel in Berührung ist, wenn keine elektrische Potentialdifferenz zwischen Kugel und Körper vorhanden ist und wobei gleichzeitig die Messvorrichtung zur Messung der Trägerverschiebung Null anzeigt.

12. Einrichtung nach Unteranspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Referenzorgan als Schale ausgebildet ist und z. B. aus einer Metailfolie besteht.

13. Einrichtung nach Unteranspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Referenzorgan von einer Stange gehalten ist, und dass magneto-elektrische Mittel vorgesehen sind, um das Referenzorgan ausser Eingriff mit dem Körper zu bringen.

14. Einrichtung nach Unteranspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten magnetischen Mittel ein mit dem genannten Referenzorgan verbundenes ferromagnetisches Element sowie eine Spule aufweisen, wobei das Element in die Spule hineingezogen wird, wenn letztere unter Strom gesetzt wird, und wobei die Strom stärke mit der erforderlichen Trennkraft proportional ist und daher zur Messung dieser Kraft dient.

15. Einrichtung nach Unteranspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Referenzorgan am einen Ende einer schwenkbar angeordneten Stange befestigt ist, während das genannte ferromagnetische Element am anderen Ende der Stange gehalten ist.