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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen taktilen Abstandssensor, wie er üblicherweise an einem Koordinatenmessgerät oder einem Roboter befestigt wird. Derartige Abstandssensoren werden beispielsweise eingesetzt, um die Oberflächengüte hochwertiger Werkstücke wie beispielsweise Motorblöcke zu messen. Die Erfindung betrifft außerdem ein System mit einem solchen Abstandssensor sowie ein Verfahren zur Kalibrierung eines solchen Abstandssensors oder eines solchen Systems mit einem solchen Abstandssensor.
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Beschreibung des Standes der Technik
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Zur Messung der Rauheit von Werkstückoberflächen oder zur Vermessung der Geometrie derselben werden taktile oder/und optische Abstandssensoren eingesetzt, die meist in Systemen wie etwa Koordinatenmessgeräte eingebettet sind. Derartige Koordinatenmessgeräte umfassen üblicherweise einen Tisch, der das zu vermessende Werkstück trägt und eine Positioniereinrichtung, mit der sich der Abstandssensor in drei orthogonale Verfahrrichtungen X, Y und Z relativ zu dem Tisch mit hoher Genauigkeit verfahren lässt. Bekannt sind auch Koordinatenmessgeräte mit einem Verfahrtisch, der sich relativ zu der feststehenden Messvorrichtung bewegen lässt.
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Ferner weisen Koordinatenmessgeräte eine Auswerte- und Steuereinrichtung auf, welche die Bewegungen der Positioniereinrichtung steuert und die von dem Abstandssensor gelieferten Messwerte auswertet.
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Bei dem Abstandssensor kann es sich beispielsweise um ein so genanntes Tastschnittgerät handeln. Dieses weist in der Regel einen beweglich gelagerten Messarm auf, an dessen Ende ein Abtastelement, z.B. eine Diamantnadel, befestigt ist. Das Abtastelement wird während der Messung durch den Kontakt mit der Werkstückoberfläche ausgelenkt und dazu senkrecht zur Auslenkrichtung mithilfe eines Linearantriebs entlang einer Vorschubrichtung verfahren. Auf diese Weise kann die zu vermessende Werkstückoberfläche abgetastet werden.
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In den letzten Jahren hat sich der Anwendungsbereich derartiger Messvorrichtungen zunehmend erweitert. In modernen Produktionsabläufen müssen Werkstücke häufig mit so geringen Toleranzen gefertigt werden, dass eine laufende Prozessüberwachung erforderlich ist.
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Dabei stellt sich häufig das Problem, dass die Werkstücke, deren Oberflächen automatisiert vermessen werden sollen, eine sehr komplexe Formgebung besitzen. Entsprechend befinden sich die zu vermessenden Oberflächen oftmals an schwer zugänglichen Stellen. Moderne Messvorrichtungen für Koordinatenmessgeräte weisen deswegen häufig einen beweglichen und vergleichsweise schlank gebauten Arm auf, der den Abstandssensor trägt. Der Arm kann über mehrere Rotationsfreiheitsgrade einen entsprechend schlank und lang gebauten Abstandssensor an praktisch jede beliebige Pose relativ zu dem Werkstück bringen.
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Diese Bauform bringt nun wiederum andere Probleme mit sich. Je länger und schlanker der Arm ist, an dem ein Abstandssensor gehalten wird oder/und je länger und schlanker der Abstandssensor selbst ist, desto mehr machen sich statische oder dynamische Verformungen des Arms und/oder des Abstandssensors während des Messvorgangs bemerkbar. Dies führt zu einer größeren Empfindlichkeit gegenüber Antast-Kraftschwankungen und Bodenschwingungen. Durch derartige Kraftschwankungen kommt es sowohl bei kufenbasierten als auch bei Systemen ohne Kufe unter Umständen zur Biegung von Teilen innerhalb des Messkreises, die wiederum als Messfehler aufgenommen werden können. Die gleiche Problematik ergibt sich, wenn man bei gleichem Bauraum die Empfindlichkeit verringern möchte und somit ein Messsystem schaffen möchte, das für gering gedämpfte Systeme wie beispielsweise Roboterarme oder in einer Umgebung tauglich ist, in der vermehrt Schwingungen auftreten - wie etwa in einer Fertigungsumgebung.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen optischen oder taktilen Abstandssensor anzugeben, der einerseits eine lange und schlanke Bauweise und damit verbunden eine hervorragende Zugänglichkeit von Messstellen ermöglicht und gleichzeitig eine höhere Toleranz gegenüber Eigenschwingungen oder Verbiegungen bietet.
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Diese Aufgabe wird durch einen taktilen oder/und optischen Abstandssensor gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst, der ein Gehäuse, das zumindest einen langgestreckten Abschnitt aufweist, einen Messarm, der in dem Gehäuse angeordnet ist, zumindest teilweise durch den langgestreckten Abschnitt verläuft und an einem Ende ein taktiles oder/und optisches Abtastelement aufweist, einen Wandler, der dazu eingerichtet ist, eine Stellung des taktilen Abtastelements oder ein Signal des optischen Abtastelements zu erfassen und zugehörige Abtastelement-Messsignale zu erzeugen, und eine Vorschubeinheit aufweist, mit der das Gehäuse entlang einer Vorschubrichtung linear verfahrbar ist.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass sich in dem Bereich des Messarms, der durch den langgestreckten Abschnitt verläuft, oder an einem direkt an diesem Bereich angrenzenden Nachbarbereich ein Dehnsensor befindet. Mittels eines solchen Dehnsensors kann eine möglicherweise stattfindende Verformung bzw. Biegung des lang gestreckten Abschnitts erfasst werden und dass Messergebnis des Abstandssensors bzw. des Messarms gegebenenfalls unter Berücksichtigung des Messwertes des Dehnsensors korrigiert werden.
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Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, eine geometrische Korrektur der Länge des langgestreckten Abschnitts oder der mit dem langgestreckten Abschnitt verbundenen Bereiche vorzunehmen.
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Dies ermöglicht es einerseits, den Abstandssensors bzw. Messarm für eine bessere Zugänglichkeit an der zu messenden Oberfläche mit einem geringeren Durchmesser oder/und einer geringeren Wandstärke herzustellen, ohne die Messgenauigkeit negativ zu beeinflussen. Umgekehrt kann bei einem vorhandenen Abstandssensor- bzw. Messarm-Design die Messgenauigkeit erhöht werden.
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Die Verwendung eines Dehnsensors bietet außerdem den Vorteil, dass dieser dort angebracht werden kann, wo eine für das Messergebnis relevante Biegung eines Bauteils stattfindet. Andere Verformungen, die keine Auswirkung auf das Messergebnis haben, können so unberücksichtigt bleiben.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Dehnsensor ein elektrischer Dehnmessstreifen ist oder ein Faser-Bragg-Gitter aufweist. Der Dehnsensor als elektrischer Dehnmessstreifen bietet den Vorteil, dass ein elektrisch direkt verwertbarer Messwert erzeugt wird, der bei der Auswertung eines Auslenkungswert des Abtastelements berücksichtigt werden kann. Ist der Dehnsensor als Faser-Bragg-Gitter ausgebildet, können unter Umständen für das optische Abtastelement ohnehin vorhandene Bauteile wie etwa Lichtquelle oder Spektralanalysatoren vorteilhaft mitgenutzt werden.
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Vorteilhafterweise ist der Dehnsensor an einer Stelle mit einer hohen lokalen Dehnung angebracht. Dies ermöglicht, wie bereits angedeutet, die Erfassung besonders relevanter Biegeereignisse und eine entsprechende Korrektur der Abtastelement-Auslenkungswerte des Abtastelements.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Dehnsensor in dem Gehäuse integriert ist. Dies ermöglicht eine besonders einfache Erfassung eventuell auftretender Biegemomente innerhalb des Gehäuses.
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Bei einem Abstandssensor, der zumindest ein Abstützelement aufweist, befindet sich das Abstützelement bevorzugt an dem langgestreckten Abschnitt. Diese Ausführungsform ist insbesondere von Vorteil, wenn mittels des Dehnsensors eine Antasterkennung durchgeführt werden soll.
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Die Aufgabe wird auch durch ein System zum Messen der Rauheit einer Oberfläche eines Werkstücks gelöst, das ein Koordinatenmessgerät mit einer Positioniereinrichtung, einen Abstandssensor wie vorstehend beschrieben, einen Messkopf, der zwischen der Positioniereinheit und dem Abstandssensor angebracht ist und dazu eingerichtet ist, Stellkräfte entlang allen Richtungen auszuüben und auf den Messkopf entlang allen Richtungen einwirkende Kräfte oder/und Auslenkungen zu messen und eine Steuereinrichtung zum Ansteuern des Systems aufweist.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Systems ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, von dem Dehnsensor Dehnsensorwerte zu empfangen, von dem Abtastelement Abtastelement-Auslenkungswerte zu empfangen und die Dehnsensorwerte und die Auslenkungswerte zu korrelieren. Unter „Korrelieren“ wird hier verstanden, die Dehnsensorwerte und die Auslenkungswerte so miteinander in Beziehung zu setzen, dass die Abtastelement-Auslenkungswerte mithilfe der Dehnsensorwerte korrigierbar sind. Hierzu kann beispielsweise eine Zuordnung eines Dehnsensorwerts zu einem bestimmten Abtastelement-Auslenkungswerte dadurch erfolgen, dass beide zum gleichen Aufzeichnungszeitpunkt aufgezeichnet wurden - oder während eines Messvorgangs an der gleichen Stelle die Aufzeichnung erfolgte. Des Weiteren kann im Falle eines taktilen Abtastelements einem bestimmten Dehnsensorwert eine bestimmte Anpresskraft des Abtastelements auf die zu messende Oberfläche zugeordnet und eine bestimmte geometrische Veränderung des Abtastelements ermittelt werden. Auch im Fall eines optischen Abtastelements kann aus einem bestimmten Dehnsensorwert auf eine bestimmte geometrische Veränderung des Abtastelements rückgeschlossen werden, die wiederum zur Korrektur des Abtastelement-Auslenkungswerts eingesetzt werden kann.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, anhand eines Dehnsensorwerts des Dehnsensors ein Antasten zu erkennen. Dies verbessert die Zuverlässigkeit des Systems und hilft, Beschädigungen des Systems oder der zu untersuchenden Oberfläche zu verhindern.
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Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung weist das System einen optischen Abstandssensor mit einer zugehörigen Lichtquelle - beispielsweise eine Weißlichtquelle oder/und einen Laser - und einem Spektrometer auf. Erfindungsgemäß sind die Lichtquelle oder/und das Spektrometer auch als Lichtquelle oder/und Spektrometer für den Dehnsensor einsetzbar. Dies reduziert den apparativen Aufwand für den zusätzlichen Dehnsensor des Systems erheblich und ermöglicht eine besonders kostengünstige Ausführung.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung weist das System einen Strahlteiler und/oder einen optischen Multiplexer auf. Ein Strahlteiler oder ein optischer Multiplexer können dafür eingesetzt werden, das Licht aus der Lichtquelle in den Dehnsensor einzukoppeln oder/und wieder auszukoppeln.
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Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zur Kalibrierung eines Abstandssensors wie vorstehend beschrieben oder zur Kalibrierung eines Systems wie vorstehend beschrieben gelöst, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:
- Durchführen einer Antastung mit dem Abstandssensor auf einer Oberfläche; Erfassen eines Dehnsensorwerts des Dehnsensors, eines Abtastelement-Auslenkungswerts des Abtastelements oder/und eines Anpresskraftwerts; Durchführen der Schritte des Antastens und des Erfassens für mehrere Anpresskraftwerte.
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Bei der Oberfläche kann es sich um eine zu untersuchende Oberfläche handeln. Es kann aber auch eine andere Oberfläche für ein Antasten verwendet werden, die für einen mechanischen oder optischen Kontakt mit dem Abtastelement geeignet ist.
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Die Schritte des Antastens und des Erfassens der genannten Werte können für mindestens zwei, besser für eine größere Anzahl an Werten durchgeführt werden.
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Bei der Erfassung können mindestens die beiden Werte Dehnsensorwert und Abtastelement-Auslenkungswert erfasst werden. Bereits eine Korrelation dieser beiden Werte ermöglicht einer Verbesserung der Genauigkeit der erfassten Auslenkungswerte. Wird zusätzlich noch die auf das Abtastelement ausgeübte Anpresskraft oder/und die Gesamtauslenkung des Abstandssensors ermittelt, kann die als Abtastelement-Auslenkung ermittelte Größe noch besser korrigiert werden.
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Eine Weiterbildung des Verfahrens umfasst den Schritt: Erstellen einer Nachschlagetabelle oder/und eines funktionalen Zusammenhangs für Abtastelement-Auslenkungswerte, Dehnsensorwerte, Gesamtauslenkung oder/und Anpresskraftwerte. Dies ermöglicht eine verbesserte Korrektur des Auslenkungswerts unter Heranziehung der Dehnsensorwerte, der Gesamtauslenkung oder/und der Anpresskraftwerte. Insbesondere können für die Korrektur statistische Werkzeuge, physikalische oder/und sonstige mathematische Modelle eingesetzt werden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens umfasst den Schritt: Ermitteln eines Korrekturwerts für den Abtastelement-Auslenkungswert auf Basis des Dehnsensorwerts unter Verwendung der Nachschlagetabelle oder/und des funktionalen Zusammenhangs.
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Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass eine zeitliche Korrelation des Antastens und des Erfassens des Dehnsensorwerts des Dehnsensors, des Abtastelement-Auslenkungswert des Abtastelements, der Gesamtauslenkung oder/und des Anpresskraftwerts erfasst wird. Dies ermöglicht eine besonders genaue Zuordnung der erfassten Werte und ermöglicht so eine besonders hohe Genauigkeit der Korrektur.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
- 1 eine perspektivische Darstellung eines Koordinatenmessgeräts mit einem daran befestigten erfindungsgemäßen Abstandssensor;
- 2 in einer schematischen Schnittdarstellung eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Abstandssensors;
- 3 in einer schematischen Schnittdarstellung eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform eines Abstandssensors;
- 4 in einer schematischen Schnittdarstellung eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Abstandssensors und
- 5 ein Verfahren zur Kalibrierung eines Abstandssensors oder eines Systems.
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BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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1 zeigt in einer schematischen perspektivischen Darstellung ein Koordinatenmessgerät 10. Das Koordinatenmessgerät 10 umfasst einen Tisch 12, der eine Basis 14 und eine Platte 16 aus Hartgestein umfasst. Die Platte 16 dient zur Aufnahme eines Werkstücks 18, dessen Oberfläche vermessen werden soll. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Messung um eine ortsaufgelöste Rauheitsmessung.
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Der Tisch 12 trägt eine Positioniereinrichtung 20, mit der sich ein erfindungsgemäßer Abstandssensor 100 relativ zu dem Tisch 12 mit hoher Genauigkeit positionieren lässt. Die Positioniereinrichtung 20 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel in Portalbauweise ausgeführt und umfasst ein Portal 24, das mit zwei Füßen 26, 28 an den Rändern des Tisches 12 gelagert und in der horizontal verlaufenden X-Richtung entlang des Tisches 12 motorisch verfahrbar ist. An einem Portalquerbalken 30, der die beiden Füße 26, 28 miteinander verbindet, ist ein Ausleger 32 so gelagert, dass er entlang der Längsrichtung des Portalquerbalkens 30, d.h. in der ebenfalls horizontal verlaufenden Y-Richtung, motorisch verfahren werden kann. In einer vertikal ausgerichteten Aufnahme 34 des Auslegers 32 ist ein Messträger 36 aufgenommen und entlang der vertikal verlaufenden Z-Richtung motorisch verfahrbar. Die Verfahrbarkeit ist jeweils durch einen Doppelpfeil angedeutet.
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An dem Messträger 36 ist der erfindungsgemäße Abstandssensor 100 mithilfe einer Automatikkupplung befestigt, sodass er automatisch gegen einen anders aufgebauten Abstandssensor ausgetauscht werden kann. Üblicherweise legt die Positioniereinrichtung 20 den Abstandssensor 100 dazu in einer Halterung (nicht gezeigt) am Rand des Tisches 12 ab und fährt dann einen anderen in der Halterung aufgenommenen Abstandssensor so an, dass die automatische Kupplung aktiviert wird. Die Automatikkupplung kann neben einer reinen mechanischen Verbindung auch eine Kommunikationsverbindung herstellen, damit zwischen dem Abstandssensor 101 und einer Steuer- und Auswerteeinrichtung 38 Steuer- und Messdaten ausgetauscht werden können. Alternativ kann eine solche Kommunikation auch über eine Funkschnittstelle erfolgen.
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Der Raum, der von dem Messträger 36 durch Verfahrbewegungen entlang den X-, Y- und Z-Achse erreicht werden kann, liegt im dargestellten Ausführungsbeispiel in der Größenordnung von etwa 2 m3, sodass auch deutlich größere Werkstücke 18 vermessen werden können, als dies in 1 dargestellt ist.
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Die Positioniereinrichtung 20 verfügt für jede der drei Verfahrrichtungen X, Y, Z über mindestens einen Wandler, der an die Auswerte- und Steuereinrichtung 38 Informationen über die zurückgelegten Verfahrwege zurückgibt. Dadurch ist die Position der Automatikkupplung, an der der Abstandssensor 100 befestigt ist und die im Wesentlichen dem Arbeitspunkt („Tool Center Point“, TCP) bei Robotern entspricht, in allen Verfahrstellungen mit hoher Genauigkeit bekannt.
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Die Auswerte- und Steuereinrichtung 38 steuert die Bewegungen der Positioniereinrichtung 20 und wertet die von dem Abstandssensor 100 übergebenen Messwerte aus. Die Auswertung umfasst auch die rechnerische Korrektur der von dem Abstandssensor 100 gelieferten Messwerte. Damit können statische und dynamische Einflüsse der Positioniereinrichtung 20, thermische Verformungen des Tisches 12 aber auch die durch Antastkräfte bedingte Biegung taktiler Taster berücksichtigt werden.
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Im Folgenden wird mit Bezug auf die 2 der Aufbau des erfindungsgemäßen Rauheitstasters 100 näher erläutert.
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2 zeigt den Abstandssensor 100 in einer schematischen, teilweise geschnittenen Seitenansicht.
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Der Abstandssensor 100 weist ein Gehäuse 102 auf, dass sich in einen Anschlussabschnitt 104, einen Zwischenabschnitt 106, einen abgewinkelten Abschnitt 108 und einen vertikalen Abschnitt 110 gliedern lässt. Der Anschlussabschnitt 104 erstreckt sich mit seiner Längsachse entlang der Vorschubrichtung V, entlang derer der Abstandssensor 100 während des Betriebs bewegt wird. Der Anschlussabschnitt 104 befestigt den Abstandssensor 100 an einem verfahrbaren Befestigungselement 56 einer Vorschubeinheit 52. Die Vorschubeinheit 52 weist neben dem Befestigungselement 56 auch noch eine Antriebseinheit 54 auf und ist Teil eines Arms 40. Der Arm 40 dient dazu, den Abstandssensor 100 in einer bestimmten Pose an eine bestimmte Stelle des zu messenden Werkstücks 18 zu positionieren.
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Der sich an den Anschlussabschnitt 104 anschließende Zwischenabschnitt 106 des Gehäuses 102 erstreckt sich ebenfalls mit seiner Längsachse entlang der Vorschubrichtung V, weist aber einen geringeren Durchmesser als der Anschlussabschnitt 104 auf. Der Zwischenabschnitt 106 geht an einer Knickstelle 112 in den abgewickelten Abschnitt 108 über. Die Längsachse des gewinkelten Abschnitts 108 erstreckt sich bei der in 2 gezeigten Ausführungsform entlang einer Längsachse, die einen Winkel von 45° mit der vertikalen Längsachse des Zwischenabschnitts 106 einschließt. Der abgewinkelte Abschnitt 108 geht an einer zweiten Knickstelle 114 in den vertikalen Abschnitt 110 über. Folglich ist der vertikale Abschnitt 110 senkrecht zur Vorschubrichtung V ausgerichtet. An dem Ende des vertikalen Abschnitts 110, welches dem zu untersuchenden Gegenstand 18 bzw. dessen Oberfläche zugewandt ist, ist ein Abstützelement 116 angebracht. Das Abstützelement 116 ist fest mit dem Gehäuse 102 verbunden und liegt während Messungen am Werkstück 18 an und verhindert, dass das eigentliche Abtastelement während der Messungen Schwingungen ausführt.
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Das Gehäuse 102 weist im Inneren einen Messarm 118 auf, der um eine Drehachse 120 drehbar gelagert ist. An seinem dem Werkstück 18 zugewandten Ende trägt der Messarm 118 ein Abtastelement 122, das beispielsweise als Diamantnadel ausgebildet sein kann. Wird das Abtastelement 122 durch die Oberfläche 124 des Werkstücks 18 ausgelenkt, schwenkt das gegenüberliegende Ende 126 des Messarms 118 aus. Dieser Ausschlag wird von einem Wandler in Form eines Messsystems 128 erfasst. Das Messsystem 128 erzeugt in Abhängigkeit von der Drehstellung des Messarms 118 Messsignale, welche die Drehstellungen und damit die Auslenkung des Abtastelements 122 repräsentieren. Das Messsystem 128 kann die Drehstellung des Messarms 118 induktiv, optisch, magnetisch oder auch pneumatisch abgreifen. In der vorliegenden Ausführungsform werden die vom Messsystem 128 erzeugten Messsignale als Abtastelement-Auslenkungswerte über eine Leitung 130 an den Anschlussabschnitt 104 und schlussendlich an die Steuer- und Auswerteeinrichtung 38 zur weiteren Verarbeitung übermittelt.
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Während einer Messung wird der Abstandssensor 100 mithilfe der Vorschubeinheit 52 entlang der Vorschubrichtung V verfahren. Auf Grundlage einer zeit- und/oder ortsabhängigen Erfassung der Auslenkungen des Abtastelements 116 lässt sich die Rauheit der Oberfläche 124 ermitteln.
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Trotz der in der 2 gezeigten zweifachen Abwinklung des Gehäuses 102 kann dieses während einer Messung und/oder Antastung einem Biegemoment unterliegen und sich entsprechend elastisch verformen. Um eine solche Deformation zu detektieren und bei der Auswertung des Abtastelement-Auslenkwerts zu berücksichtigen, weist der Abstandssensor 100 der 2 einen Dehnsensor 132 auf. Dieser ist beispielhaft in der Ausführungsform der 2 an dem abgewinkelten Abschnitt 108 angebracht. Dieser Anbringungsort ist aber lediglich beispielhaft. Der Dehnsensor 132 kann überall dort angebracht werden, wo zu erwartende kritische Biegemomente auftreten. Bei einem kufenlosen System - wie in 2 gezeigt - ist sowohl der Übergang zwischen dem Abstützelement und der Nadel zu der Aufhängung des Messsystems als auch zwischen der Aufhängung des Messsystems und der Wechselschnittstelle bzw. dem Vorschub kritisch. An allen diesen Stellen können ein oder mehrere Dehnsensoren 132 angebracht sein. Bei der vorliegenden Ausführungsform der 2 wäre dies also prinzipiell entlang des gesamten Gehäuses 102 einschließlich des Anschlussabschnitts 104, gegebenenfalls auch noch im Bereich des Befestigungselements 56.
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Der Dehnsensor 132 ist wie in 2 gezeigt an der Außenseite des Gehäuses 102 angebracht. Dies ist aber ebenfalls lediglich beispielhaft zu verstehen. Der Dehnsensor 132 könnte auch im Innenbereich des Gehäuses 102 oder gar in die Gehäusewandung des Gehäuses 102 selbst integriert sein.
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Der Dehnsensor 132 ist über eine Leitung 134 - vergleichbar der Leitung 130 - mit dem Anschlussabschnitt 104 verbunden.
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Wird nun der Abstandssensor 100 entlang der Vorschubrichtung V verfahren und gleitet damit das Abstützelement 116 über die Oberfläche 124 des Werkstücks 18, werden die so auf das Gehäuse 102 übertragenen Kräfte von der Vorschubeinheit 52 erfasst und der Abstandssensor 100 entsprechend nachgeführt. Trotzdem können durch die auftretenden Kräfte Biegemomente auf Teile des Gehäuses 102, auf das gesamte Gehäuse 102 relativ zum Anschlussabschnitt 104 oder/und am Übergang zum Befestigungselement 56 auftreten. Diese Biegemomente können über den Dehnsensor 132, sofern er an der entsprechenden Stelle angebracht ist, erfasst und über die Leitung 134 über eine elektrische Schnittstelle an die Steuer- und Auswerteeinrichtung 38 zur weiteren Verarbeitung übermittelt werden. Die Steuer- und Auswerteeinrichtung 38 kann dann - gegebenenfalls unter Kenntnis der Anpresskraftwerte und der Gesamtauslenkung - die Abtastelement-Auslenkungswerte anhand der Dehnsensorwerte korrigieren.
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Der Dehnsensor 132 an sich kann je nach Aufbau und Auslegung des Abstandssensors 100 mit einer geeigneten Technologie ausgeführt sein. Beispielsweise kann der Dehnsensor als elektrisch basierter Dehnmessstreifen ausgeführt sein oder auf einer optischen Technologie, z.B. einem Faser-Bragg-Gitter basieren.
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3 veranschaulicht in einer schematisch dargestellten Schnittansicht eine alternative Ausführungsform eines Abstandssensors 200. Gleiche oder vergleichbare Merkmale werden mit den gleichen Bezugszeichen - um 100 addiert - bezeichnet, wie sie in 2 verwendet worden sind.
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Während die Ausführungsform der 2 einen Abstandssensor 100 wiedergibt, der ohne Kufe, sondern lediglich mit einem Abstützelement 116 arbeitet, gibt die 3 einen Abstandssensor 200 wieder, der kufenbasiert arbeitet. Dementsprechend weist das Gehäuse 202 des Abstandssensors 200 ebenfalls einen Anschlussabschnitt 204 auf, der in einen Zwischenabschnitt 206 übergeht. Im Unterschied zu dem Abstandssensor 100 weist der Abstandssensor 200 der 3 im Anschluss daran einen geraden Abschnitt 240 auf, der an seinem dem zu untersuchenden Gegenstand 18 bzw. dessen zu untersuchender Oberfläche 224 zugewandten Ende eine Kufe 242 aufweist.
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Während die Kufe 242 bei einer Bewegung des Abstandssensors 200 entlang der Vorschubrichtung über die Oberfläche 224 des Werkstücks 18 gleitet, bewegt sich der Messarm 218 durch den Kontakt der Tastspitze 222 mit der Oberfläche 224. Dabei dreht sich der Messarm 218 um seine Drehachse 220. Diese Bewegung wird in dem Messsystem 228 erfasst und über eine elektrische Leitung 230 an die Steuer- und Auswerteeinrichtung 38 zur weiteren Verarbeitung übermittelt. Der Abstandssensor 200 weist ebenfalls in dem geraden Abschnitt 240 an dem Gehäuse 202 einen Dehnsensor 232 auf, der mittels einer Leitung 234 die erzeugten Dehnsensorwerte an die Steuer- und Auswerteeinrichtung 38 übermitteln kann. Auch hier ist die Anbringung des Dehnsensors 232 beispielhaft an einer Stelle, die besonders großen Biegemomenten ausgesetzt ist. Dabei kann die Anbringung außerhalb, in die Gehäusewandung integriert oder auch innerhalb des Gehäuses 202 realisiert sein.
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In den 2 und 3 wurden beispielhaft Dehnsensoren 132, 232 dargestellt. Diese können beide sowohl elektrischer als auch optischer Natur sein. Die dargestellten Abtasttechniken sind in den 2 und 3 mechanisch, d. h. taktil. Alternativ können die Abtastelemente 118, 218 auch auf optischer Basis arbeiten.
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4 zeigt in einer schematischen Querschnittsansicht eine dritte Ausführungsform eines Abstandssensors 300. Gleiche oder vergleichbare Merkmale werden mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, zu denen 100 addiert wird.
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Der Abstandssensor 300 weist ebenfalls ein Gehäuse 302 auf, das an seinem dem zu untersuchenden Gegenstand zugewandten Ende ein Abstützelement 316 aufweist. Das Abstützelement 316 kann auch als Kufe ausgebildet sein. Das Gehäuse 302 ist mittels einer Vorschubeinheit 352 entlang einer Vorschubrichtung V verfahrbar.
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Im Inneren des Gehäuses 302 ist in dem lang gestreckten Abschnitt 340 als Dehnsensor 332 ein Faser-Bragg-Gitter angeordnet. Das Faser-Bragg-Gitter ist mit einer Faserleitung 334 mit einem optischen Splitter 341 verbunden. Der optische Splitter 341 oder auch optische Multiplexer besitzt eine Zuleitung 342 in Form eines Lichtwellenleiters. Über diesen zuführenden Lichtwellenleiter 342 kann das Faser-Bragg-Gitter 332 mit der entsprechenden Lichtquelle versorgt werden.
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Gleichzeitig ist bei dieser Ausführungsform das Abtastelement 322 ein optischer Abstandssensor. Dieser besitzt ebenfalls eine optische Leitung 344 zu dem optischen Multiplexer 340. Auf diese Weise kann das Abtastelement 322 ebenfalls mit der benötigten Lichtquelle versorgt werden und die optischen Signale können sowohl von dem optischen Abstandssensor 322 als auch von dem Faser-Bragg-Gitter 332, das als Dehnsensor fungiert, über den optischen Multiplexer 340 und den Wellenleiter 342 zu der Steuer- und Auswerteeinrichtung 38 geleitet werden. Dort kann die Lichtquelle als auch ein Spektrometer (nicht abgebildet) die entsprechenden Signale in den Lichtwellenleiter 342 einbringen und aus diesem auslesen. Diese Ausführungsform weist den großen Vorteil auf, dass die für den optischen Abstandssensor ohne in vorhandenen Einrichtungen wie Lichtquelle und Spektrometer auch für die Erfassung der Dehnung über den Dehnsensor 332 als Faser-Bragg-Gitter eingesetzt werden können.
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5 veranschaulicht ein Verfahren zur Kalibrierung eines Abstandssensors wie vorstehend beschrieben oder eines Systems wie vorstehend beschrieben.
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In einem ersten Schritt (S1) wird ein Abstandssensor mit einer ersten Kraft auf eine ebene Fläche gedrückt. Bei der ebenen Fläche kann es sich beispielsweise um ein Glas oder eine Keramikplatte handeln. Dieser Schritt wird aus als Antastung bezeichnet.
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In einem zweiten Schritt (S2) werden die Auslenkung des Abtastelements wie beispielsweise einer Nadel oder eines optischen Abstandssensors, der Dehnsensorwert eines Dehnsensors, und die auf das Abtastelement aufgeprägte Kraft gemessen.
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Die Schritte S1 und S2 werden mit verschiedenen Kraftwerten wiederholt, bis eine ausreichende Anzahl an Messwerten ermittelt worden ist (S3).
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Aus den so ermittelten Messwerten wird eine Nachschlagetabelle (Look-up-Tabelle) erstellt (S4).
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Für ein Korrigieren eines während einer Messung aufgenommenen Messwerts einer Nadelauslenkung kann nun in der Look-up-Tabelle nachgeschlagen werden. Nicht erfasste Nadelauslenkungswerte können anhand der vorhandenen Stützstellen interpoliert werden.
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So eine Tabelle kann beispielsweise so aussehen:
| Kraft | Gesamtauslenkung | Dehnungswert | Auslenkung |
| 100 mN | 3 µm | 150 nm | 800 nm |
| 200 mN | 5 µm | 230 nm | 1300 nm |
| 300 mN | 10 µm | 270 nm | 1700 nm |
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Bei einem später gemessenen Wert für den Dehnungswert von 230 nm kann beispielsweise die Gesamtauslenkung des Nadel um 5 µm korrigiert werden zu einer tatsächlichen Nadelauslenkung von 1,3 µm.
