CN108885161A - 用于在穿透体的穿透运动期间检测测量信号的测量设备 - Google Patents

用于在穿透体的穿透运动期间检测测量信号的测量设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于在穿透体(41)到测试物体(14)的表面中的穿透运动期间或在穿透体(41)于测试物体(14)的表面上的感测运动期间检测测量信号的测量设备。所述测量设备包括容纳力发生装置(44)的壳体(47)，并且保持元件(75)与力发生装置(44)间隔开地布置在所述壳体(47)上，所述保持元件可相对于壳体(47)至少在沿着壳体(47)的纵向轴线的一个方向上运动并且所述保持元件容纳穿透体(41)。测量设备还包括至少一个第一测量装置(71)，以用于测量穿透体(41)到测试体(14)的表面中的穿透深度或穿透体(41)在测试体(14)的表面上的扫描运动期间沿着纵向轴线朝向壳体(47)的行进运动的深度，其中，设有在力产生装置(44)与穿透体(41)之间延伸的传动元件(68)。

Description

用于在穿透体的穿透运动期间检测测量信号的测量设备
技术领域
本发明涉及一种用于在穿透体到测试体的表面中的穿透运动期间检测测量信号、特别地用于鉴定测试体的表面的硬度或抗刮擦性的测量设备。
背景技术
从DE 699 17 780 C2已知一种用于测量薄膜表面或测试体涂层的抗刮擦性的测量装置。该测量装置包括其上固定有压电驱动器的第一轮廓形主体。这与经由弹簧元件连接到C轮廓形主体的敞开的C形端部接合。第二C轮廓形保持体进而布置在该板上，所述保持体再次经由弹簧可运动地容纳相对于C轮廓形主体的敞开端的保持板。穿透体设置在保持体的下端上，所述穿透体穿入测试体的表面中。这种测量装置设计复杂且成本高。此外，大质量在驱动器与穿透末端之间运动。
从US 2 620 665 A中已知一种用于测量表面不规则物的尺寸和形状的设备。该测量设备包括其上固定有一对板簧的壳体。传动销设置在板簧的每个自由端上，所述传动销可通过板簧上下运动。扫描末端设置在传动元件的自由端上。轻质线圈设置在传动元件的相反端上，其用于在扫描表面粗糙度期间检测位置的变化。
发明内容
本发明的目的是提供一种测量设备，其中，在驱动器与穿透体之间形成具有小质量的用于致动穿透体的装置。
该目的通过一种测量设备解决，其中，延伸的传动元件设置在力发生装置与穿透体之间。这种传动元件形成为质量小并且可以将由力发生装置产生的压力运动直接传递到穿透体。
从穿透体延伸到力发生装置并且具有小质量的该传动元件可以例如用在用在用于检测穿透体到测试体表面中的穿透运动的测量设备、例如硬度测量设备，或用在用于鉴定测试体表面的抗刮擦性的测量设备中。替代地，该测量替代性地也可设置成用于穿透体在测试体表面上的扫描运动，以便例如执行粗糙度测量或检测测试体表面的位置鉴定或者在测试体表面的抗刮擦性鉴定期间进行所谓的预扫描和/或后扫描。
此外，第一测量装置的第一传感器元件设置在壳体的壳体部分上，所述壳体部分相对于第一测量装置的第二传感器元件以非接触的方式布置，所述第二传感器元件固定至传动元件。该第一测量装置例如检测穿透体的穿透运动，并且优选地形成为距离传感器。在这里，具有较小质量的传感器元件被固定至传动元件，以便降低运动的元件的总质量。
传动元件优选地形成为杆状或销状。因此，产生抗压的传动元件，所述传动元件将由力发生装置引起的穿透运动直接传递到穿透体。该杆状或销状传动元件既可以形成横截面实心的，进而可以形成为空心体。同样，传动销可以具有例如U形轮廓或H形轮廓或类似形状，以便形成抗弯或抗扭曲的传动元件。
此外，传动销优选地借助于连接元件接合力发生装置。因此，可以提供传动销的简单且快速的连接。
此外，连接元件优选地设置在保持元件上，所述保持元件容纳穿透体并且被固定至壳体上，以便将传动销固定至保持元件或将传动销耦接到保持元件。因此，传动元件可以以简单的方式集成在力发生装置与保持元件之间，并且也可以可更换地设置。因此，这附加性地使传动元件在力传递装置与保持元件之间连续地延伸。
力传递装置上和/或保持元件上的连接元件优选地由容纳孔形成，在所述容纳孔中相应地容纳传动元件、特别是传动销的端部。传动元件优选地利有固定元件固定在连接元件上或固定在连接元件中。这使得能够简单且快速地安装传动元件。
此外，另外的测量装置的第一传感器元件可以优选地设置在壳体的壳体部分上，所述传感器元件配属于第二测量装置的第二传感器元件，所述第二传感器元件进而被固定至传动元件。例如，可以通过该第二测量装置检测传动销在与传动元件的纵向轴线垂直的平面中的偏转或位移。
第一和第二测量装置优选地以无接触方式工作、特别是以非碰触的方式工作，使得用于产生穿透体的穿透运动的行进运动或提升运动没有任何摩擦。
此外，保持元件优选地设置在测量设备的壳体的壳体部分的下周边区域上并且与力发生装置间隔开，所述保持元件容纳穿透体。因此，穿透体可以直接容纳在穿透点上并以稳定的方式被引导。
保持元件优选地形成为压力膜并且在至少一个自由度上、特别是在沿力发生装置的运动方向的自由度上具有运动自由。因此，该测量装置不仅适用于进行硬度测量，而且适用于鉴定测试体表面的抗刮擦性。
保持元件的替代性实施例规定该保持元件至少以保持元件的延伸平面指向位移方向并且形成为在与位移方向垂直的方向上是刚性的并且在第二方向上是软的。因此，特别是在执行抗刮擦性测量时，可以检测除了穿透深度之外的另外的参数，即横向位移，以便能够进行改进的评估。
保持元件优选地由铜铍形成。这种材料特别适合，因为它几乎没有滞后现象。因此，可以直接和无损地控制穿透体。
此外，第一测量装置优选地根据涡流原理工作。这是一种经过验证的没有后作用并且能够使结构紧凑的测量装置。例如，铁氧体板或铁氧体环可以作为可运动的第二传感器元件优选地可释放地、特别是通过螺纹连接固定至传动销，并且罐线圈可以作为固定的第一传感器元件固定至壳体。
这类似地适用于同样根据涡流原理工作的第二或另外的测量装置。例如，该第二测量装置可以检测穿透体在X方向上-即垂直于穿透体在Z方向上的穿透运动-的位移。因此，可以检测在测量样本体的抗刮擦性期间穿透体或传动元件沿着样本体的行进方向的位移。替代地，壳体上的两个传感器元件也可以配属于传动元件上的传感器元件，传感器元件彼此偏错180°。首先，可以检测传动销沿着样本体的行进路径-即在X方向上-的位移并且其次可以检测传动销在Y方向上的位移。
此外，穿透体优选地可更换地设置在传动销上。因此，不仅可以快速且简单地适应不同的测量任务，而且在穿透体损坏的情况下也可以进行快速更换。这同样优选地适用于可更换地布置在穿透体上的穿透末端。
此外，力传递装置形成为压电驱动器、气动驱动器、液压驱动器或电磁驱动器。所有这些驱动器使得能够产生穿透体的可以传递到传动元件的穿透运动或者提升运动。
附图说明
下面使用附图中描绘的示例更详细地描述和解释本发明及其另外的有利实施例和发展。根据本发明，从说明书和附图中获取的特征可以单独应用或者以任意组合应用。如图所示：
图1是根据本发明的测量布置结构的示意图，
图2是根据图1的测量布置结构的本发明的测量设备的示意性放大视图，
图3是根据图2的测量设备的从下方的示意图，
图4是根据图2的测量设备的示意性剖视图，以及
图5是相对于图2的替代性测量设备的示意性剖视图。
具体实施方式
测量布置结构11在图1中示意性地示出。这种测量布置结构11可以设置成用于测试测试体14上的表面、例如物体上的薄膜、层和/或涂层的机械和/或物理特性。例如，测量布置结构11可以用作硬度测量装置，其中借助于测量设备12的穿透体41的穿透来进行硬度测量。此外，该测量布置结构11可以设置有测量设备12，以用于鉴定物体上的薄膜、层或涂层的抗刮擦性。在此，可以检查例如CVD或PVD涂层的抗刮擦性。同样还可以检测到微刮痕，或者可以从表面检测和分析其它变形信息。该测量布置结构11同样能够特别地使用测量设备12进行测试体14的表面的粗糙度测量，而不会对测试体14的表面造成损坏。在这种情况下，穿透体41被放置在测试体14的表面上并沿着表面被运送，从而扫描测试体14的表面的粗糙度。
测量布置结构11包括共有的基体16。这可以优选地由花岗岩形成。三脚架17设置在基体16上，所述三脚架17将测量设备12容纳在悬臂18上。该三脚架17包括驱动马达，借助于驱动马达可以将测量设备12从图1中所示的初始位置21运送到测试位置22，在所述测试位置22，穿透体41靠在测试体14上。例如，驱动马达19可以驱动悬臂18沿着三脚架17的导柱23上下运动。
此外，测量台25设置在基体16上。该测量台25具有测量台收纳件26，所述测量台收纳件26可以根据箭头27至少在X方向上可运动地驱动。测试体14放置在测量台收纳件26上并固定至测量台收纳件26。
测量布置结构11还可以包括光学检测装置29，该光学检测装置29同样可以布置在三脚架17上，或者有利地布置在与三脚架17分离的另一个三脚架31上。该光学检测装置29可以定位成邻近测量设备12。在此，测量台25或测量台收纳件26被设计成是可运送的，使得在将穿透点或刮痕引入到测试体14的表面之后，测试体14相对于光学检测装置29可运送，从而可在测试体14的表面上光学地检测已引入的穿透点或刮痕。替代地，可以提供测量设备12和光学检测装置29相对于测量台25的行进运动。
此外，测量布置结构11包括示意性描绘的控制器33，所述控制器33包括未更详细描述的计算装置、显示装置35和输入装置36。控制器33至少通过信号线连接到三脚架17、测量设备12和测量台25。优选地，光学检测装置29和可选地容纳光学检测装置29的三脚架31也邻接至控制器33。
此外，测量布置结构11具有至少一个用于控制测量设备12的泵38，通过该泵38输送测量设备12的压力介质，以便控制测量设备12的穿透体41的穿透运动。该泵38利用信号线连接到控制器33。有利地，泵33可以将压力介质输送到存储容器39，压力介质从该存储容器39经由输送管线40输送到测量设备12。泵38和存储容器39都没有布置在共有的基体16上。
在图2中，示出了根据本发明的测量设备12的透视图。图3示出了从下方的视图。在图4中，示出了根据图2的测量设备12的示意性剖视图，其中特别详细地提到了结构的描述。
该测量设备12具有力发生装置44，借助于该力发生装置44控制穿透体41到测试体14的表面上的行进运动、特别是穿透运动。该力发生装置44包括压力室46，该压力室46集成在壳体47中。该壳体47具有圆筒形壳体壁48，第一压力表面51和第二压力表面52配属于该壳体壁48。这两个压力表面51、52有利地通过可释放的连接、特别是夹紧连接或螺纹连接固定至壳体壁48。压力室46由壳体壁48以及第一和第二压力表面51、52形成。替代地，可以使用其上布置有端子的封闭的压力室。入口开口54和出口开口55设置在壳体壁48上，使得压力介质可以被输入和排出。
入口控制阀56优选地设置在通向入口开口54的输送管线40中。替代地，入口阀56直接附接到入口开口。出口控制阀60布置在位于出口侧的用于从压力室46流出压力介质的另一输送管线58中。出口控制阀60也可以直接附接到出口开口55。
第一和第二压力表面51、52优选地形成为压力膜、特别是具有优选圆形波的波状压力马达，第一和第二压力表面仅在一个运动方向上具有一个自由度，所述自由度定向在Z方向上并且位于测量设备12的纵向中心轴线61上。通过夹持第一和第二压力表面51、52来防止压力表面51、52围绕Z轴线的旋转。
压力戳63固定地布置在第一和第二压力表面51、52中的每一个上。例如，配属于第二压力表面52的传感器66可以经由连接元件64固定。传感器66特别地形成为压力传感器，其根据第二压力表面52的运动检测压力室46中的压力，并将压力传送到控制器33。
传动元件68设置在第一压力表面51和穿透体41之间，所述传动元件延伸穿过邻接壳体壁47的壳体部分69。该壳体部分69形成为圆筒形，使得用于检测穿透体41沿Z方向的行进运动的第一测量装置71设置在所述壳体部分69中。此外，另外的测量装置73优选地布置在壳体部分69中，所述另外的测量装置73在穿透到测试体25的表面中期间检测穿透体41在X方向上的至少一个位移。这可优选地也在检测测试体14在X方向上的同时的行进运动期间进行。此外，所述至少一个另外的测量装置73还可以检测穿透体41在Y方向上的位移。
保持元件75也设置在下部的壳体部分69上，所述保持元件75接收穿透体41并且延伸到壳体部分69上的外边缘区域76。该保持元件75可进而在壳体部分69上固定至可释放的连接结构。保持元件75形成为压力膜，其在至少一个运动方向上具有一个自由度。该至少一个自由度在测量设备12的Z轴线或纵向中心轴线61上。如图3所示，保持元件47优选地设有两个纵向槽。保持元件75因此在平行于纵向槽的对应于X轴线的方向上变软，并且在Y轴线上是刚性的。因为保持装置75形成为压力介质，所以该保持装置具有非常低的柔性并且优选地不形成为在X和Y方向上耐压。
穿透体41可更换地固定在传动元件68的下端上。穿透体41具有穿透末端78，该穿透末端78可释放地固定在穿透体41上。
壳体部分69具有肩部81，肩部81形成通孔82，传动元件68延伸穿过通孔82。第一测量装置71的第一传感器元件84固定地布置在肩部81上，并且第一测量装置的第二传感器元件85与第一传感器元件84邻近地布置在传动元件68上。例如，第一和第二传感器元件84、85形成为距离传感器，其中第一传感器元件84包括具有线圈的罐形磁铁，第二传感器元件85是由铁素体材料制成的可固定至传动元件68的盘。该第二传感器元件85优选地在传动元件68上可释放并且可调节第二传感器元件85与第一传感器元件84的距离，使得穿透体41可布置在初始位置。测量装置71根据涡流原理工作。
所述另外的测量装置73包括布置在保持器87上的第一传感器元件88以及第二传感器元件89，第一传感器元件88设置为固定就位或壳体固定，第二传感器元件89进而接合传动元件68。根据第一实施例，该第二传感器元件89可以形成为铁素体环，与其相对的是形成第一传感器元件88的线圈。因此可以检测穿透体41沿X方向的偏转，该偏转是在穿透点或刮痕91穿过表面引入测试体14期间产生的并传递到传输销68。此外，还可以提供第三传感器元件90以便检测沿X方向的偏转，使得通过将检测值与第一和第三传感器元件88、90进行比较可以鉴定出关于X方向偏转的改进的说明。替代地，第三传感器元件90也可布置成相对于第一传感器元件88偏错90°，使得第一传感器元件88检测沿X方向的偏转，第二传感器元件89检测沿Y方向的偏转。
图5中描绘了相对于图4的测量布置结构11的替代性的实施例。该实施例与根据图4的实施例的不同之处在于力发生装置44例如由压电驱动器形成。在本实施例中，壳体47因此被简化。该压电驱动器44插入到壳体部分69中并借助于封闭件93固定。电连接线94被引导出封闭件93。该压电驱动器具有致动构件96，所述致动构件96例如形成为压力板、压力戳或类似物。连接元件64优选地布置在该致动构件96上或固定至该致动构件96上，使得在压电驱动器与传动元件68之间有连接点或耦接点。
另外的替代驱动器同样可以以与其上固定有封闭件63的压电驱动器类似的方式布置在壳体部分69中。

Claims (14)

1.一种用于在穿透体(41)到测试体(14)的表面中的穿透运动期间或者在穿透体(41)于测试体(14)的表面上进行扫描运动期间检测测量信号的测量设备，所述测量设备具有壳体(47)，所述壳体(47)容纳力发生装置(44)，保持元件(75)与力发生装置(44)间隔开地布置在所述壳体(47)上，所述保持元件设置成能够相对于壳体(47)至少在沿着壳体(47)的纵向轴线的一个方向上运动并且设置成容纳穿透体(41)；所述测量设备还具有至少一个第一测量装置(71)，以用于测量穿透体(41)到测试体(14)的表面中的穿透深度或穿透体(41)在测试体(14)的表面上的扫描运动期间沿着向壳体(47)的纵向轴线行进运动的深度，延伸的传动元件(68)设置在力发生装置(44)与穿透体(41)之间，其特征在于，第一测量装置(71)的第一传感器元件(84)固定至壳体(47)，所述传感器元件以非接触的方式与第一测量装置(71)的第二传感器元件(85)相关联并且固定至传动元件(68)。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，传动元件(68)形成为杆状或销状。
3.根据权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于，传动元件(68)能够通过连接元件(64)固定至力发生装置(44)。
4.根据权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于，传动元件(68)能够通过连接元件(64)固定至保持元件(75)和/或穿透体(41)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其特征在于，传动元件(68)在无引导的情况下于壳体(47)的壳体部分(69)中在力发生装置(44)与保持元件(75)之间延伸。
6.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其特征在于，连接元件(64)形成有容纳孔，传动元件(68)的一端能够固定在所述容纳孔中。
7.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其特征在于，第二测量装置(73)相对于第一测量装置(71)间隔开地设置在传动元件(68)上，其中，第一传感器元件(88、90)能够布置在壳体(47)或壳体(47)的壳体部分(69)上，另外的测量装置(73)的第二传感器元件(98)能够布置在传动元件(68)上。
8.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其特征在于，保持元件(75)形成在壳体(47)的壳体部分(69)的下边缘区域上并且与力发生装置(44)间隔开。
9.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其特征在于，保持元件(75)形成为压力膜并且在至少一个自由度上、特别是在力发生装置(44)的运动方向的自由度上具有运动自由。
10.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其特征在于，保持元件(75)在保持元件的延伸平面中至少在穿透体(41)的位移方向上是软的并且在与穿透体(41)的位移方向垂直的方向上是刚性的。
11.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其特征在于，保持元件(75)由铜铍组成。
12.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其特征在于，第一测量装置(71)和/或所述另外的测量装置(73)根据涡流原理工作。
13.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其特征在于，穿透体(41)能够可更换地布置在传动销(68)上和/或穿透末端(78)能够可更换地布置在穿透体(41)上。
14.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其特征在于，力传递装置形成为压电驱动器、气动驱动器、液压驱动器或电磁驱动器。
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