-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrischen Ansteuerung eines Messstativs mit einer Verfahrbewegung von zumindest einer Messsonde aus einer Ausgangsposition in eine Messposition, insbesondere zur Messung der Dicke dünner Schichten sowie ein Messstativ zur Durchführung des Verfahrens.
-
Aus der
DE 10 2005 034 515 A1 ist ein Messstativ zur Aufnahme einer Messsonde bekannt geworden, welche zur Messung der Dicke dünner Schichten vorgesehen ist. Dieses Messstativ umfasst ein Gehäuse, in welchem ein Stößel auf und ab bewegbar geführt ist. An dessen zum Messobjekt weisenden Ende ist eine Aufnahme zur Anbringung der Messsonde vorgesehen. Die Auf- und Abbewegung des Stößels erfolgt über eine Antriebseinrichtung, welche von einem elektrischen Motor angesteuert wird. Die jeweiligen oberen und unteren Endpunkte der Auf- und Abbewegung des Stößels werden durch Detektoren erfasst. Die Auf- und Abbewegung wird durch eine Antriebseinrichtung erzeugt, welche eine Kurvenscheibe umfasst, die einen Schwenkhebel auf und ab bewegt. Hierzu ist eine Laufrolle an dem Schwenkhebel vorgesehen, der auf der Kurvenscheibe abrollt. Die Kurvenscheibe ist dabei derart ausgelegt, dass die Abwärtsbewegung der Messsonde von einer Ausgangsposition in eine Messposition zunächst im Eilgang und anschließend im Kriechgang erfolgt. Dieses Messstativ weist eine hohe Wiederholgenauigkeit auf und ist im Einsatz robust. Zur Durchführung einer Messung ist erforderlich, die Messsonde in der Höhe zur Messoberfläche des Messgegenstandes in Abhängigkeit des Arbeitshubes relativ genau vorzupositionieren, damit die Messsonde zumindest im Kriechgang auf die Messoberfläche aufsetzt. Steigende Anforderungen an die Flexibilität zur Durchführung der Messung und zur Reduzierung der Rüstzeiten erfordern eine Weiterentwicklung eines solchen sich in der Praxis bewährten Messstativs.
-
Aus der
DE 100 13 048 A1 ist ein Verfahren zur Einstellung einer Lage eines Messgegenstandes bei einer Schichtdickenmessung mit Röntgenfluoreszenz bekannt.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Messstativ zur Aufnahme von zumindest einer Messsonde sowie ein Verfahren zur Ansteuerung des Messstativs mit einer Verfahrbewegung von zumindest einer Messsonde, insbesondere zur Messung der Dicke dünner Schichten, vorzuschlagen, welches im Einsatz flexibel ist und schnell auf unterschiedliche Messaufgaben angepasst werden kann und insbesondere ein Aufsetzen der Messsonde auf der Messoberfläche zur Erzielung exakter Messwerte sowie eine hohe Wiederholgenauigkeit beibehält.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur elektrischen Ansteuerung eines Messstativs gelöst, bei dem vor einer ersten Messung eine Lernroutine zum Ermitteln eines Abstandes zwischen einer voreingestellten Ausgangsposition und einer Messposition der Messsonde zum Messgegenstand durchgeführt und während der Lernroutine die Messsonde mit einer vorbestimmten, vorzugsweise konstanten Verfahrgeschwindigkeit abgesenkt wird, bis die Messsonde auf der Messoberfläche des Messgegenstandes aufliegt und ein zwischen der Antriebseinrichtung und dem Stößel vorgesehener Freilauf aktiviert wird, der nach dem Aufsetzen der Messsonde auf der Messoberfläche des Messgegenstandes die Antriebseinrichtung zum Stößel entkoppelt und über eine Schaltvorrichtung die Aktivierung des Freilaufs erkannt und ein Steuersignal zum Abschalten des Motors ausgegeben und anschließend die Lernroutine beendet wird.
-
Durch diese Lernroutine wird ermöglicht, dass eine nur etwaige Vorpositionierung der Messsonde zum Messgegenstand erforderlich ist, wobei die etwaige Vorpositionierung der Messsonde innerhalb eines Hubes bzw. Arbeitsbereiches des Stößels zur Auf- und Abbewegung der Messsonde liegen muss. Durch diese Lernroutine wird der aktuelle Abstand der Messsonde zwischen einer Ausgangsposition und einem Messpunkt, der vorzugsweise auf der Messoberfläche des Messgegenstandes liegt, ermittelt. Durch diese Lernroutine kann jede beliebige Messsonde auf eine Messaufgabe in Abhängigkeit des Messgegenstandes einjustiert werden, so dass die Messsonde in einer definierten Weise zur Messoberfläche des Messgegenstandes positioniert wird. Der zwischen der Antriebseinrichtung und dem Stößel angeordnete Freilauf ermöglicht eine flexible Anpassung des Verfahrweges der Messsonde aus der Ausgangsposition zur jeweiligen Messposition. Es ist lediglich erforderlich, dass die Messoberfläche des Messgegenstandes innerhalb des Arbeitsbereiches bzw. des Hubweges des Stößel vorgesehen ist. Aufgrund der Ausgabe eines Steuersignals durch die Schaltvorrichtung, welche beim Aufsetzen der Messsonde auf der Messoberfläche oder unmittelbar im Anschluss daran erfolgt, wird gleichzeitig der Verfahrweg zwischen der Ausgangsposition und der Messoberfläche erfasst und das tatsächliche Aufsetzen der Messsonde auf der Messoberfläche bei nach nachfolgend angesteuerten Verfahrwegen sichergestellt.
-
Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass der weitere Verfahrweg nach dem Aktivieren des Freilaufes erfasst und der nacheilende Verfahrweg aufgrund des nachlaufenden Motors ermittelt wird. Diese Fahrstrecke wird bevorzugt bei einer nachfolgenden Ansteuerung eines Verfahrweges zur Durchführung einer Messung berücksichtigt, indem dieser Nachlauf vor dem erfassten Aufsetzpunkt der Sonde integriert wird, so dass während der Verfahrbewegung eine vorauseilende Geschwindigkeitsreduzierung in Abhängigkeit des Nachlaufes integriert wird. Dies ermöglicht ein sanftes Aufsetzen der Messsonde in der Messposition.
-
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass zumindest der Verfahrweg zwischen dem voreingestellten Ausgangspunkt und der Aktivierung des Freilaufes durch eine Anzahl von Impulsen eines Weggebers, insbesondere eines programmierbaren Rotations-Encoders, bestimmt wird. Dadurch kann eine exakte Wegstrecke ermittelt werden, da durch die Erfassung der Anzahl der Impulse während der Abwärtsbewegung der Antriebseinrichtung das mechanische Spiel der Antriebseinrichtung und zwischen der Antriebseinrichtung und dem Motor ausgeschalten wird. Durch die exakte Bestimmung der Verfahrstrecke aus der Ausgangsposition zur Messposition kann eine Optimierung der Verfahrbewegung erzielt werden, indem zunächst die Verfahrbewegung mit einem Eilgang angesteuert und anschließend in einen Kriechgang übergegangen wird. Aufgrund der Kenntnis des gesamten Hubweges bis zum Aufsetzen der Messsonde auf der Messoberfläche kann die rechtzeitige Einleitung einer Geschwindigkeitsreduzierung angesteuert werden, so dass ein sanftes Aufsetzen der Messsonde auf der Messoberfläche des Messgegenstandes erzielt wird.
-
Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Verfahrweg durch einen getrennt zum Motor angeordneten Weggeber erfasst wird. Dadurch kann des Weiteren das Spiel zwischen dem Motor und der Antriebseinrichtung bei der Erfassung des Verfahrweges eliminiert werden. Durch das Ansteuern einer Auf- und Abbewegung kann zwischen dem Wechsel der Antriebsrichtung das Spiel entstehen. Durch die getrennte Erfassung des Verfahrweges, unabhängig von der Drehbewegung des Motors, wird die Wiederholgenauigkeit durch die exakt gleichbleibenden Verfahrstrecken erhöht. Der Antrieb des Verfahrweges erfolgt bevorzugt über einen Band- oder Riemenantrieb, wobei eine Umlenkrolle von dem Motor betrieben wird und eine zweite Umlenkrolle mit dem Weggeber in Verbindung steht. Dadurch kann eine Entkopplung zur Erfassung des Verfahrweges geschaffen werden, da der Weggeber nicht an der Antriebswelle des Motors angreift. Bevorzugt ist ein Rotations-Encoder vorgesehen, der eine kompakte Bauweise aufweist.
-
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Verfahrweg der Messung von der Ausgangsposition in die Messposition zur Durchführung einer Messung in einen Eilgang und in einen Kriechgang untergliedert wird, wobei der Kriechgang durch eine vorauseilende Geschwindigkeitsreduzierung ausgehend von der Aktivierung des Freilaufes berechnet wird. Vorzugsweise erfolgt die Geschwindigkeitsreduzierung mit einer Funktion von zumindest 1 : 10. Somit kann aufgrund von tatsächlichen Verhältnissen der Lernkurve auf den neu zu erfassenden Verfahrweg für eine nachfolgende Messung eine exakte Anpassung der gesamten Verfahrgeschwindigkeit für die Messsonde erfolgen, so dass ein sanftes Aufsetzen auf der Messoberfläche ermöglicht wird. Die vorauseilende Geschwindigkeitsreduzierung bzw. der Kriechgang kann beispielsweise eine kontinuierliche Abnahme der Verfahrgeschwindigkeit mit zunehmender Annäherung der Messsonde an die Messoberfläche umfassen. Ebenso kann der Kriechgang auch eine konstante, jedoch gegenüber dem Eilgang erheblich reduzierte Verfahrgeschwindigkeit aufweisen. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die Verfahrgeschwindigkeit im Eilgang bereits vor dem Umschalten in einen Kriechgang stufenweise reduziert wird, so dass ein weicher Übergang der Verfahrgeschwindigkeiten gegeben ist.
-
Die Aufgabe wird des Weiteren erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, bei dem beim ersten Verfahren der Messsonde aus einer Ausgangsposition in eine Messposition die Messsonde mit einer elektrischen Steuer- und Regeleinrichtung des Messstativs gekoppelt wird, so dass während der Verfahrbewegung der Messsonde zum Messgegenstand zur Durchführung einer Messung, vorzugsweise der Dicke dünner Schichten, die Signale der Messsonde überwacht werden, und dass beim Erfassen eines ersten Messsignals von dem Messgegenstand durch die Messsonde die Verfahrgeschwindigkeit des Stößels und somit der Messsonde zum Messgegenstand in Abhängigkeit der Änderung des Messsignals verringert wird, so dass ein sanftes Aufsetzen der Messsonde auf der Messoberfläche erfolgt. Beim Aufsetzen der Messsonde auf die Messoberfläche wird der Freilauf zwischen der Antriebseinrichtung und dem Stößel aktiviert und über eine Schaltvorrichtung ein Steuersignal an die Steuer- und Regeleinrichtung ausgegeben. Dadurch wird einerseits ein sanftes Aufsetzen der Messsonde ermöglicht und andererseits sichergestellt, dass die Messsonde auf der Messoberfläche des Messgegenstandes aufliegt.
-
Dieses Verfahren ermöglicht also eine qualifizierte Regelung der Verfahrgeschwindigkeit aufgrund der unmittelbaren Rückmeldung einer Signaländerung der Messsonde in Abhängigkeit der Annäherung an die Messoberfläche des Messgegenstandes. Durch die Kopplung der Messsonde mit der elektrischen Steuereinheit des Messstativs zum Antrieb der Verfahrbewegung kann aufgrund der Annäherungskennlinie der Messsonde eine geregelte bzw. kennliniengesteuerte Verfahrbewegung und ein sanftes Aufsetzen der Messsonde auf der Messoberfläche erzielt werden. Da die Annäherungskennlinie der Messsonde monoton steigend ist, wird bei zunehmender Annäherung der Gradient der Signaländerung größer und in Abhängigkeit des zunehmenden Gradienten der Signaländerung die Verfahrgeschwindigkeit reduziert, so dass im Idealfall die Sonde mit der Geschwindigkeit „nahezu Null“ auf der Oberfläche des Messgegenstandes aufsetzt. Im Anschluss daran kann beispielsweise die Messung der Dicke dünner Schichten durchgeführt werden.
-
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass mit einem Spannungssignal der Messsonde der Motor zum Verfahren des Stößels angesteuert wird. Während der Annäherung der Messsonde an die Messoberfläche eines Messgegenstandes ändert sich das Spannungssignal entsprechend einer Kennlinie der jeweiligen Messsonde. Dadurch kann eine Geschwindigkeitsreduzierung in Abhängigkeit der Spannungsänderung bei zunehmender Annäherung angesteuert werden. Dabei wird bevorzugt die Größe der Steigung der Spannungsänderung zur Regelung der Verfahrgeschwindigkeit der Messsonde verwendet.
-
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Messsignal der Messsonde beim oder nach dem Aufsetzen auf der Messoberfläche des Messgegenstandes erfasst und vorzugsweise daraus die Schichtdicke abgeleitet wird. Nach der Kalibrierung einer Messsonde auf dem Messgegenstand beziehungsweise dem Grundwerkstoff des Messgegenstandes kann anhand der jeweiligen Sondenkennlinie in Abhängigkeit des Spannungssignals der Abstand zum Grundwerkstoff der Messoberfläche abgeleitet werden. Sobald die Messsonde auf der Messoberfläche aufsitzt, kann aus dem ausgegebenen Messsignal, insbesondere dem Spannungssignal der Messsonde, die Schichtdicke abgeleitet werden. Eine solche Messsonde kann in Abhängigkeit des Grundwerkstoffes nach dem magnetinduktiven Verfahren oder dem Wirbelstromverfahren betrieben werden.
-
Die Aufgabe der Erfindung wird des Weiteren durch ein Messstativ zur Aufnahme von zumindest einer Messsonde, insbesondere zur Messung der Dicke dünner Schichten, gelöst, das zwischen der Antriebseinrichtung, welche die Verfahrbewegung des Stößels ansteuert, und dem Stößel ein Freilauf vorgesehen ist, so dass beim Aufsetzen der Messsonde oder der Aufnahme auf einer Messoberfläche des Messgegenstandes die Antriebsbewegung der Antriebseinrichtung vom Stößel entkoppelt und eine Schaltvorrichtung bei der Aktivierung des Freilaufes ein Schaltsignal an die Steuer- und Regeleinrichtung des Messstativs ausgeben wird. Dadurch wird zum einen das Aufsetzen der Messsonde auf der Messoberfläche des Messgegenstandes erfasst und zum anderen eine Beschädigung der Messoberfläche durch das Nachlaufen eines Motors, der die Verfahrbewegung der Messsonde ansteuert, verhindert. Durch den Freilauf kann der Motor ungehindert nachlaufen, ohne dass eine weitere Krafteinwirkung über die Antriebseinrichtung auf den Stößel erfolgt. Durch die Ausgabe eines Schaltsignals der Schaltvorrichtung kann der Aufsetzzeitpunkt der Messsonde auf der Messoberfläche erfasst werden, so dass ausgehend von dem Start der Verfahrbewegung aus der Ausgangsposition eine exakte Erfassung des Verfahrweges bis zur Messposition ermöglicht ist.
-
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des Messstativs ist vorgesehen, dass der Stößel entlang einer Bewegungsachse, vorzugsweise vertikalen Achse, auf und ab bewegbar in dem Gehäuse geführt ist, so dass dieser durch die Eigengewichtskraft absenkbar ist. Dadurch wird in einfacher Weise ein Freilauf ausgebildet, in dem bereits bei einem geringsten Widerstand, der auf die Messsonde beziehungsweise die Aufnahme wirkt, ein Abheben des Stößels von der Antriebseinrichtung ermöglicht ist.
-
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Messstativs ist vorgesehen, dass der Stößel über eine Abstützfläche während der Verfahrbewegung der Messsonde zwischen der Ausgangsposition und der Messposition auf einer Anlagefläche der Antriebseinrichtung aufliegt. Diese Anordnung ermöglicht eine geometrisch einfache Ausbildung des Freilaufes. Gleichzeitig kann eine quasi reibungsfreie Aktivierung des Freilaufs gegeben sein.
-
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Messstativs ist vorgesehen, dass der Stößel mit einem Schlitten gekoppelt ist, der entlang einer Führung, die zumindest ein Führungselement aufweist, verfahrbar ist. Das Führungselement ist bevorzugt als Führungsschiene oder Führungssäule ausgebildet, die vertikal im Gehäuse vorgesehen ist. Durch diese verfahrbare Anordnung des Schlittens und der vorzugsweise daran angeordneten Anlagefläche wird ermöglicht, dass während der Verfahrbewegung des Hubstößels keine Verkippungsmomente auf den Stößel wirken, so dass quasi keine radialen Lagerbelastungen während der Hubbewegung des Stößels auftreten.
-
An dem Schlitten ist bevorzugt eine Führungsstange angeordnet, welche dem Stößel gegenüberliegend am Schlitten angeordnet und mit einem dem Schlitten gegenüberliegenden Ende in einer weiteren Führung auf und ab bewegbar geführt ist. Diese Führungsstange ist dabei bevorzugt horizontal verlaufend ausgerichtet. Diese zusätzliche Führungsstange dient dazu, dass ein weiterer Bewegungsfreiheitsgrad, der auf den Stößel wirken könnte, eliminiert wird. Dadurch kann der Stößel drehfrei auf und ab bewegt werden.
-
Eine bevorzugte Ausführungsform sieht die Auflagefläche der Antriebseinrichtung an einem Koppelelement vor, welches an einem Antriebselement der Antriebseinrichtung angreift. Dadurch kann eine Reduzierung der Teile und der Baugröße erfolgen.
-
Das Koppelelement ist bevorzugt an der Führung, insbesondere dem zumindest einen Führungselement, auf und ab bewegbar geführt, an welchem vorzugsweise auch der Schlitten zur Auf- und Abbewegung des Stößels angeordnet ist. Dadurch wird ermöglicht, dass sowohl der Schlitten als auch das Koppelelement an einer gemeinsamen Führung auf und ab bewegbar sind, wodurch weitere Toleranzen ausgeschlossen werden.
-
Des Weiteren ist bevorzugt an dem Koppelelement ein Sensorelement, insbesondere eine Schaltfahne, angeordnet, die eine obere Endlage der Antriebseinrichtung detektiert. Dadurch wird sichergestellt, dass eine obere Endlage durch die Antriebseinrichtung nicht überfahren wird. In entgegengesetzter Richtung ist bevorzugt ein Anschlag vorgesehen, der vorzugsweise gleichzeitig als Lagerung einer Welle, insbesondere einer Umlenkrolle, dient.
-
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Antriebseinrichtung einen Zahnriemen umfasst, der von zwei Umlenkrollen, vorzugsweise unter Spannung, aufgenommen und eine Umlenkrolle als Antriebsrolle des Motors vorgesehen ist. Die Ausgestaltung der Antriebseinrichtung als Zahnriemen ermöglicht eine spielfreie Antriebsbewegung zwischen dem Zahnriemen und der Umlenkrolle, die insbesondere als Zahnwalze ausgebildet ist. Alternativ kann vorgesehen sein, dass anstelle eines Zahnriemens eine Kette, ein Treibriemen, ein Hubzylinder oder dergleichen eingesetzt wird, um die Verfahrbewegung anzutreiben.
-
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Antriebseinrichtung sieht vor, dass die weitere Umlenkrolle ebenfalls als Zahnwalze ausgebildet ist und einen Weggeber, insbesondere einen Rotations-Encoder, antreibt. Dadurch wird die Verfahrbewegung des Zahnriemens unabhängig von der Antriebsdrehbewegung des Motors erfasst. Dies ermöglicht eine präzise Erfassung des Verfahrweges.
-
Die Schalteinrichtung zur Ausgabe eines Schaltsignals umfasst vorzugsweise eine erste und zweite Komponente, wie beispielsweise eine Gabellichtschranke mit einer Schaltfahne. Diese Schalteinrichtung arbeitet bevorzugt berührungsfrei, so dass keine Reibkräfte zur Auslösung eines Schaltsignals entstehen. Eine erste Komponente der Schalteinrichtung ist bevorzugt an dem Schlitten und eine zweite Komponente an der Schalteinrichtung an dem Koppelelement vorgesehen. Beide Komponenten der Schalteinrichtung sind bevorzugt an demselben zumindest einen Führungselement verfahrbar geführt. Dies ermöglicht eine vollständige Integration der Schalteinrichtung in den Freilauf sowie eine kompakte Anordnung. Alternativ können ein Berührungssensor oder Abstandssensor als auch Unterbrecherkontakte oder dergleichen vorgesehen sein.
-
Des Weiteren ist bevorzugt zwischen dem Stößel und dem Schlitten eine Verdrehführung vorgesehen, durch welche der Stößel zumindest in zwei voneinander abweichenden Winkellagen und die Längsachse des Stößels verschwenkbar ist. Diese Anordnung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn an der Aufnahme eine Messsonde und beispielsweise ein Abstandserfassungssensor oder ein sonstiger Sensor vorgesehen ist. Dadurch kann durch eine einfache Schwenkbewegung abwechselnd einer der Sensoren in eine Arbeitsposition zur Messoberfläche des Messgegenstandes übergeführt werden. Dadurch wird die Flexibilität im Einsatz des Messstativs erhöht.
-
Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass die jeweilige Winkellage des Stößels durch eine lösbare Rastverbindung gesichert ist. Dabei kann eine Vertiefung, insbesondere eine prismaförmige Vertiefung, an der Verdrehführung vorgesehen sein, in die ein stiftförmiges Element eingreift, welches den Stößel durchquert oder in diesem angeordnet ist. Dadurch kann eine eingestellte Winkellage selbsthaltend beibehalten werden.
-
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des Messstativs sieht vor, dass an dem Stößel oder an dem Schlitten eine Gewichtsentlastungseinrichtung befestigbar ist. Vorzugsweise umfasst diese Gewichtsentlastungseinrichtung einen an einer Lagerachse drehbar angeordneten Hebelarm, der an einem dem Stößel oder Schlitten gegenüberliegenden Ende einen Massenkörper aufweist, der vorzugsweise entlang des Hebelarms verschiebbar und/oder zum Hebelarm austauschbar ist. Diese Gewichtsentlastungseinrichtung wird bevorzugt an dem Gehäuse des Messstativs befestigt, wenn eine höhere Gewichtsbelastung auf die Aufnahme des Stößels durch Aufnahme von großen oder mehreren Messsonden oder Sensoren erfolgt.
-
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen derselben werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Beispiele näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmenden Merkmale können einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination erfindungsgemäß angewandt werden. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Messstativs,
- 2 eine schematische Seitenansicht auf ein Gehäuse des Messstativs gemäß 1 mit einer Messsonde in einer Ausgangsposition,
- 3 eine perspektivische Ansicht auf eine Stirnseite des Gehäuses des Messstativs gemäß 1,
- 4 eine schematische Seitenansicht auf das Gehäuse des Messstativs mit einer Messsonde in einer Messposition,
- 5 eine schematische Detailansicht einer Schaltvorrichtung des Messstativs gemäß 1,
- 6 eine perspektivische Ansicht auf eine Rückwand des Gehäuses des Messstativs gemäß 1 mit einer daran angeordneten Gewichtsentlastungseinrichtung,
- 7a und b eine perspektivische Ansicht auf eine Aufnahme am Stößel in zwei verschiedenen Winkellagen und
- 8 eine schematische Ansicht einer Messanordnung zur berührungslosen Messung.
-
In 1 ist perspektivisch ein erfindungsgemäßes Messstativ 11 dargestellt, in 2 eine Seitenansicht. Dieses Messstativ 11 umfasst einen Messtisch 12, auf welchem einzelne Messobjekte oder Messgegenstände 14 unmittelbar aufgelegt werden können oder von einer Aufnahme 16 gehalten werden. Am Fuß des Messstativs 11 oder am Messtisch 12 ist eine senkrecht stehende Säule 17 vorgesehen, welche mit einer Gewindesäule 18 ein Gehäuse 19 höhenverstellbar aufnimmt. Durch die zwei zueinander benachbart angeordneten Säulen 17, 18 kann eine Parallelführung zur leichten Höhenverstellung gegeben sein. Eine Ausrichtung des Gehäuses 19 wird durch den Einstellmechanismus 20 ermöglicht. Über eine Stellschraube 21 kann die Höhe eingestellt werden. Zusätzlich ist ein Spannmechanismus 22 vorgesehen, um das Gehäuse 19 in der Höhe zum Messtisch 12 zu fixieren.
-
Den Säulen 17, 18 gegenüberliegend ist am Gehäuse 19 ein Stößel 23 auf und ab bewegbar aufgenommen. Am unteren Ende des Stößels 23 ist eine Aufnahme 24 zur lösbaren Fixierung von Messsonden 26 oder Sensoren oder dergleichen vorgesehen. Die Aufnahme 24 kann alternativ auch zur Aufnahme von mehreren Messsonden 26 oder Sensoren ausgebildet sein. Die Messsonde 26 ist beispielsweise für die Messung der Dicke dünner Schichten vorgesehen. Diese Messsonde 26 weist ein Sensorelement mit einer Aufsetzkalotte auf, welche auf eine Messoberfläche des Messgegenstandes 14 aufsetzbar ist. Am gegenüberliegenden Ende der Messsonde 26 ist eine Anschlussleitung 27 vorgesehen, welche an einer nicht näher dargestellten separaten Messvorrichtung angeschlossen oder an einem nicht näher dargestellten Anschluss des Messstativs einer Steuer- und Regeleinrichtung an einer Stirnseite des Gehäuses 19 anschließbar ist.
-
An einer Oberseite des Gehäuses 19 sind beispielsweise drei Bedienelemente 29, insbesondere Taster, vorgesehen, deren Funktion nachfolgend noch beschrieben wird.
-
In 2 ist die Messsonde 26 in einer Ausgangsposition 31 angeordnet. Durch den Stößel 23 kann die Messsonde 26 abgesenkt und in eine Messposition 32 übergeführt werden, die in diesem Ausführungsbeispiel einer Aufsetzposition auf der Messoberfläche des Messgegenstandes 14 entspricht. Der zwischen der Ausgangsposition 31 und Messposition 32 liegende Abstand beziehungsweise Verfahrweg ist kleiner als ein Arbeitsbereich oder Hubweg des Stößels 23. Das Gehäuse 19 wird bevorzugt über die Stellschraube 21 derart zur Messoberfläche des Messgegenstandes 14 vorpositioniert, dass sich die Ausgangsposition 31 und die Messposition 32 innerhalb des Arbeitsbereiches des Stößels 23 befinden.
-
In dem Gehäuse 19 ist zur Ansteuerung einer Verfahrbewegung ein elektrischer Motor 34 vorgesehen, der eine Antriebseinrichtung 35 antreibt, welche mit dem Stößel 23 verbunden ist. Die Antriebseinrichtung 35 umfasst ein Antriebselement 36, welches insbesondere als Zahnriemen ausgebildet ist. Dieses Antriebselement 36 ist durch eine obere und untere Umlenkrolle 37, 38 aufgenommen. Diese Umlenkrollen 37, 38 sind bevorzugt als Zahnwalzen ausgebildet und an die Kontur der Zähne des Zahnriemens angepasst. Durch die Auswahl des Zahnriemens und der Zahnwalze ist eine schlupffreie Übertragung der Antriebsbewegung ermöglicht. Die untere Umlenkrolle 37 ist unmittelbar an der Antriebsachse des Motors 34 befestigt. Die obere Umlenkrolle 38 ist an einer Drehachse vorgesehen, die Teil eines Weggebers 39 ist. Dieser Weggeber 39 ist als Rotations-Encoder, insbesondere als programmierbarer Rotations-Encoder, vorgesehen, der in Abhängigkeit der Verfahrbewegung der Messsonde 26 von der Ausgangsposition 31 zur Messposition 32 Impulse erfasst und diese erfassten Impulse an eine Steuer- und Regeleinrichtung weiterleitet.
-
An dem Antriebselement 36 ist ein Koppelelement 41 vorgesehen, welches in 3 näher dargestellt ist. Entlang einer Führung 42, welche vorzugsweise zwei parallel zueinander ausgerichtete Führungselemente 43, insbesondere Führungsstangen, umfasst, wird das Koppelelement 41 geführt. Das Koppelelement 41 ist durch eine Klemmbefestigung mit dem Antriebselement 36 verbunden. Das Koppelelement 41 weist in der Draufsicht gesehen eine U-förmige Kontur auf, so dass innerhalb den beiden Schenkeln der U-förmigen Kontur das Antriebselement 36 geführt ist und die jeweiligen Schenkel an den Führungselementen 43 angreifen. An dem Koppelelement 41 ist bevorzugt eine Schaltfahne 45 vorgesehen, die mit einem Sensorelement oder einer Gabellichtschranke zusammenwirkt, welche an einer nicht näher dargestellten Leiterplatte angeordnet ist, welche auch Teil der Steuer- und Regeleinrichtung ist. Dadurch kann eine obere Endlage der Antriebseinrichtung 35 erfasst werden. Die Steuer- und Regeleinrichtung ist ebenfalls bevorzugt in dem Gehäuse 19 angeordnet und lediglich zur Darstellung der mechanischen Komponenten aus dem Gehäuse 19 entfernt.
-
Der Stößel 23 und die Antriebseinrichtung 35 sind durch einen Freilauf 51 (3) miteinander gekoppelt. Dieser Freilauf 51 wird durch eine am Koppelelement 41 angeordnete Abstützfläche 52 einerseits und eine Anlagefläche 53 andererseits gebildet. Durch das Eigengewicht des Stößels 23 liegt die Anlagefläche 53 auf der Abstützfläche 52 auf. Diese Anlagefläche 53 ist bevorzugt an einem Schlitten 54 vorgesehen, der bevorzugt an der Führung 42 auf und ab bewegbar geführt ist. Der Schlitten 54 weist einen Aufnahmeabschnitt 56 auf, über den der Stößel 23 mit dem Schlitten 54 lösbar gekoppelt ist. Durch das Aufliegen des Stößels 23 auf der Antriebseinrichtung 35 wird während einer Verfahrbewegung der Messsonde 26, die durch den Motor 34 angetrieben wird, unmittelbar nach dem Aufsetzen der Messsonde 26 auf einer Messoberfläche des Messgegenstandes 14 ein Nachlaufen des Motors 34 und somit ein weiteres Absenken des Koppelelementes 41 ermöglicht, ohne dass die Antriebskraft auf den Stößel 23 und somit auf die Messsonde 26 übertragen wird. Diese entkoppelte Position des Freilaufs 51 ist in 4 dargestellt.
-
Der Freilauf 51 umfasst bevorzugt eine Schaltvorrichtung 58, welche aktiviert wird, sobald ein Abheben der Anlagefläche 53 von der Abstützfläche 52 erfolgt. Hierfür weist die Schaltvorrichtung 58 eine erste Komponente 59 auf, die an dem Schlitten 54 beziehungsweise Stößel 23 angeordnet ist und eine zweite Komponente 60, die mit dem Koppelelement 41 beziehungsweise der Antriebseinrichtung 35 in Verbindung steht. Bevorzugt ist die erste Komponente 59 als Gabellichtschranke und die zweite Komponente 60 als Schaltfinger oder Schaltfahne 45 ausgebildet. Sobald der Freilauf 51 aktiviert wird, wird die zweite Komponente 60 aus der ersten Komponente 59 herausgeführt und ein Schaltsignal an die Steuer- und Regeleinrichtung abgegeben. Diese Position ist strichliniert in 5 dargestellt. An dem Schlitten 54 ist bevorzugt eine Leiterplatte angeordnet, welche das Schaltsignal der Gabellichtschranke, die an der Leiterplatte befestigt ist, verarbeitet und an die Steuer- und Regeleinrichtung weiterleitet. Die hierfür erforderlichen Steuerleitungen sind bevorzugt an einer Führungsstange 62 befestigt, welche in einer Führung nahe der Gewindesäule 18 auf und ab bewegbar ist. Die Führungsstange 62 ist an einem Ende fest mit dem Schlitten 54 verbunden. Gegenüberliegend weist die Führungsstange ein Roll- oder Gleitlager auf, welches in der Führung auf und ab bewegbar ist. Durch diese Führungsstange 62 wird eine mögliche auf den Stößel 23 wirkende radiale Antriebskraft eliminiert.
-
Eine Lagerstelle 64 zur Lagerung der Antriebsachse des Motors 34 dient gleichzeitig als Anschlag für eine Verfahrbewegung der Antriebseinrichtung 35 nach unten.
-
In 6 ist an einer Rückseite 67 des Gehäuses 19 eine Gewichtsentlastungseinrichtung 68 vorgesehen. Diese Gewichtsentlastungseinrichtung 68 kann dann angebracht werden, wenn die Aufnahme 24 mehrere Messsonden 26 oder Sensoren oder größere und schwerere Messsonden 26 oder dergleichen aufnimmt. Diese Gewichtsentlastungseinrichtung 68 bewirkt, dass die zumindest eine Messsonde 26 mit einer nur geringen Eigengewichtskraft auf der Messoberfläche aufsitzt. Die Gewichtsentlastungseinrichtung 68 ist über eine Lagerachse 71 an der Rückwand 67 befestigt und nimmt schwenkbar einen Hebelarm 72 auf. An einem Ende des Hebelarmes 72 ist ein Befestigungsstift 74 vorgesehen, der an dem Stößel 23 angreift und eine Durchgangsbohrung 73 in der Rückseite 67 durchdringt. Der Befestigungsstift 74 ist in einer Langlochausnehmung 75 des Hebelarmes 72 befestigt, so dass während der Schwenkbewegung des Hebelarmes 72 eine Ausgleichsbewegung ermöglicht ist. Gegenüberliegend ist an dem Hebelarm 72 zumindest ein Massenkörper 77 vorgesehen. Dieser kann in Abhängigkeit der aufzunehmenden Last durch die Aufnahme 24 entlang dem Hebelarm 72 verfahrbar sein. Darüber hinaus kann der Massenkörper 77 austauschbar an dem Hebelarm 72 vorgesehen sein, so dass größere oder kleinere Massenkörper 77 daran angebracht werden können. Bevorzugt ist diese Gewichtsentlastungseinrichtung 68 durch einen Deckel abgedeckt und geschützt.
-
In den 7a und 7b ist eine Aufnahme 24 dargestellt, welche beispielsweise eine Messsonde 26 und eine weitere Sonde oder einen Sensor aufnimmt. Im Ausführungsbeispiel ist ein Abstandserfassungssensor 80 dargestellt. Die Aufnahme 24 ist durch eine Verdrehführung 89, welche im Gehäuse 19 einen Stößel 23 umgibt, ausgebildet und ermöglicht, dass die Aufnahme 24 in einer ersten Winkellage 81 und in einer zweiten Winkellage 82 anordenbar ist. Bevorzugt kann die jeweilige Winkellage 81, 82 durch eine lösbare Rasterung selbsthaltend fixiert sein. Dadurch wird ermöglicht, dass sowohl die Messsonde 26 als auch der Abstandserfassungssensor 80 wahlweise in eine Position unmittelbar oberhalb der Messoberfläche des Messgegenstandes 14 übergeführt werden können. Beispielsweise kann dadurch zunächst über den Abstandserfassungssensor 80 eine Entfernungsmessung zur Messoberfläche des Messgegenstandes 14 erfolgen und anschließend in Abhängigkeit des erforderlichen Verfahrweges die Messsonde 26 verfahren sowie eine entsprechende Verfahrbewegung zum sanften Aufsetzen auf der Messoberfläche angesteuert werden.
-
Ein solches Messstativ 11 wird bevorzugt für die Schichtdickenmessung eingesetzt. Die Schichtdickenmessung kann durch ein magnetinduktives Verfahren oder ein Wirbelstromverfahren durchgeführt werden. Der Einsatz des jeweiligen Verfahrens ist abhängig von dem Grundwerkstoff und den zu messenden Schichten. Das magnetinduktive Verfahren wird beispielsweise bei nichtmagnetischen Schichten auf ferromagnetischen Grundwerkstoffen eingesetzt. Bei elektrisch nicht leitenden Schichten auf Nichteisenmetallen wird das Wirbelstromverfahren durchgeführt.
-
Alternativ kann das Messstativ 11 auch für weitere Messaufgaben eingesetzt werden. Die Aufnahme 24 ist lösbar am Stößel 23 angeordnet, so dass entsprechend den Messelementen eine daran angepasste Aufnahmen24 an dem Stößel 23 anordenbar sind.
-
Insbesondere bei der Messung der Dicke dünner Schichten werden solche Messstative 11 eingesetzt, da durch eine manuelle Messung mit einer Messsonde 26 ein Aufsetzen der Messsonde 26 auf der Messoberfläche mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten oder Kräften und eine Beschädigung der Oberfläche des Messgegenstandes 14 als auch eine Verfälschung der Messwerte erfolgt.
-
Das Messstativ 11 kann gemäß dem nachfolgend beschrieben Verfahren betrieben werden:
- Auf dem Messtisch 12 wird unmittelbar oder mittelbar ein Messgegenstand 14 positioniert. Die Aufnahme 24 nimmt ein Messelement auf, insbesondere eine Messsonde 26 zur Messung der Dicke dünner Schichten. Diese Messsonde 26 ist an einer separaten Messvorrichtung angeschlossen. Das Gehäuse 19 ist in der Höhe derart vorpositioniert, dass der Abstand zwischen der Messsonde 26 bzw. der Sondenspitze der Messsonde 26 und der Messoberfläche des Messgegenstandes 14 innerhalb des Arbeitsbereiches des Stößels 23 bzw. des Verfahrweges der Antriebseinrichtung 35 zur Auf- und Abbewegung des Stößels 23 liegt.
-
Die Messsonde 26 ist in der Ausgangsposition 31 dargestellt. Vor der Durchführung von Messungen wird zunächst die Lage der Messoberfläche des Messgegenstandes 14 zur Ausgangsposition 31 durch eine Lernroutine ermittelt. Diese kann beispielsweise durch Betätigen der Taste 29 eingeleitet werden. Bei dieser Lernroutine wird durch die Steuer- und Regeleinrichtung der Motor 34 mit einem konstanten Strom angetrieben, wodurch eine konstante Verfahrbewegung der Messsonde 26 in die Messposition 32 erfolgt. Unmittelbar nach dem Aufsitzen der Messsonde 26 auf der Messoberfläche des Messgegenstandes 14 wird der Freilauf 51 aktiviert, und die Schaltvorrichtung 58 gibt ein Schaltsignal an die Steuer- und Regeleinrichtung aus. Diese Position der Schaltvorrichtung 58 ist beispielsweise strichliniert in 5 dargestellt, wobei der Schaltweg bis zur Ausgabe eines Schaltsignals einstellbar ist und bereits bei einer Verfahrbewegung der Schaltfahne von beispielsweise weniger als 1 mm ein Schaltsignal erfasst und ausgegeben werden kann. Aufgrund dieses Steuersignals wird der Motor 34 stillgesetzt, wobei aufgrund des Freilaufes 51 ein Nachlaufen des Motors 34 bis zum Stillstand unschädlich ist. Die Verfahrbewegung vom Ausgangspunkt 31 bis zum Schaltsignal der Schaltvorrichtung 58 wird durch den Weggeber 39 erfasst. Entlang dieser Verfahrwege werden Impulse durch den Weggeber 39 erfasst. Nach dem Stillsetzen des Motors 34 wird durch die Steuer- und Regeleinrichtung ein Zurückfahren der Messsonde 26 in den Ausgangspunkt 31 angesteuert, wobei die Messsonde 26 bevorzugt über den Ausgangspunkt 31 hinausfährt und anschließend in einer Abwärtsbewegung in den Ausgangspunkt zurückkehrt. Dadurch wird eine exakte Einnahme der Ausgangsposition 31 sichergestellt. Aus dieser Lernroutine wird ein Verfahrgeschwindigkeitsprofil für die nachfolgenden Messungen erstellt, bei der die Messsonde 14 auf der Messoberfläche aufsitzt. Für die nachfolgende Messung wird durch die Steuer- und Regeleinrichtung zunächst eine Verfahrbewegung im Eilgang eingeleitet. Unmittelbar vor dem Aufsetzen der Messsonde 26 auf der Messoberfläche des Messgegenstandes 14 vor der Einnahme der Messposition 32 erfolgt ein Umschalten der Verfahrgeschwindigkeit in einen Kriechgang bzw. zum sanften Aufsetzen auf der Messoberfläche. Dabei wird eine voreilende Geschwindigkeitsreduktion durchgeführt, so dass die Messsonde 26 sanft die Messposition 32 einnimmt. Durch das vorherige Erfassen des Verfahrweges zwischen der Ausgangsposition 31 und der Messposition 32 kann eine zeitoptimierte Verfahrbewegung der Messsonde 26 bestimmt werden, da die erforderliche Geschwindigkeitsreduktion vor dem Aufsetzen der Messsonde 26 auf der Messoberfläche bezüglich deren erforderlichen Wegstrecke bestimmt wird und anschließend der restliche Verfahrweg für den Eilgang vorgesehen ist. Dadurch, dass in der Lernroutine das Aufsetzen der Messsonde 26 vor der Ausgabe des Schaltsignals erfolgt, wird sichergestellt, dass die Messsonde 26 immer die Messposition 32 bei gleichen Messbedingungen bezüglich des Messgegenstandes 14 einnimmt. Somit können nachfolgend eine Vielzahl von Messungen vorgenommen werden, wobei durch die erfassten Impulse zwischen der Ausgangsposition 31 und der Messposition 32 immer eine exakte Verfahrbewegung gegeben ist.
-
Ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren, insbesondere zur Messung der Dicke dünner Schichten an Messgegenständen, sieht wie folgt aus:
- An der Aufnahme 16 wird eine Messsonde 26 befestigt, welche an der Steuer- und Regeleinrichtung des Messstativs 11 angeschlossen wird. Die Höhe des Gehäuses 19 wird in Analogie zum vorstehenden Verfahren auf die nachfolgende Messaufgabe voreingestellt. Bevorzugt ist die Messsonde 26 in einem Abstand von beispielsweise 5 bis 10 mm zur Messoberfläche positioniert, obwohl der Arbeitsbereich des Stößels 23 beispielsweise 25 bis 65 mm umfassen kann. Die Messsonde 26 wird zum Überführen aus der Ausgangsposition 31 zur Messposition 32 als Abstandserfassungssensor betrieben. Bevorzugt können solche Messsonden 26 ab einem Abstand von beispielsweise 2 bis 4 mm oberhalb einer Messoberfläche den Messgegenstand 14 noch nicht erfassen. Zur Durchführung einer Messung ist bei diesem Grundaufbau eine vorherige Lernroutine nicht erforderlich. Vielmehr wird der Motor 34 durch die Steuer- und Regeleinrichtung nach dem Betätigen der Taste 29' angetrieben, so dass eine Absenkbewegung eingeleitet wird. Sobald die Messsonde 26 einen Messgegenstand 14 erstmals erfasst, wird ein Steuersignal an die Steuer- und Regeleinrichtung ausgegeben. Ausgehend von diesem Signal wird die weitere Verfahrgeschwindigkeit der Messsonde 26 in Abhängigkeit einer durch die Messsonde 26 erfassten Signaländerung, insbesondere Spannungsänderung, angesteuert. Je kleiner die Spannungsänderung der Messsonde 26, desto kleiner wird der Strom zur Ansteuerung des Motors 34. Somit folgt mit zunehmender Annäherung der Messsonde 26 zur Messposition 32 eine zunehmende Reduzierung der Verfahrgeschwindigkeit, so dass die Messsonde 26 sanft auf die Messoberfläche aufgesetzt wird. Die Einnahme der Messposition 32 kann durch die Messsonde 26 dadurch erkannt, dass keine Spannungsänderung erfasst oder durch die Schaltvorrichtung 58 ein Steuersignal ausgegeben wird, welches die Aktivierung des Freilaufes 51 signalisiert. Das zu diesem Zeitpunkt erfasste Messsignal der Messsonde 26 dient zur Schichtdickenmessung. Jede Messsonde 26 weist für ein zu prüfendes Material eine spezifische Sondenkennlinie auf, das heißt, dass ein definierter Abstand zum Grundwerkstoff einem Spannungssignal entspricht und somit aus dem erfassten Spannungssignal die Schichtdicke abgeleitet werden kann. Beim Betätigen der Taste 29' erfolgt eine einmalige Verfahrbewegung aus der Ausgangsposition in die Messposition und wieder zurück in die Ausgangsposition. Beim Betätigen der Taste 29" kann die vorbeschriebene Einmal-Routine mehrmals aufeinanderfolgend vorgesehen sein, wobei die Anzahl der Wiederholungen vorzugsweise frei programmierbar ist.
-
Es versteht sich, dass anstelle der vorbeschriebenen Messsonde auch weitere Messinstrumente oder Messvorrichtungen eingesetzt werden können und von der Erfindung mit umfasst sind.
