DE112014002849B4

DE112014002849B4 - Ausseraxiale Krafterfassung eines Kraftaufnehmers zur automatischen Bestimmung eines Orts von Probenmerkmalen

Info

Publication number: DE112014002849B4
Application number: DE112014002849.5T
Authority: DE
Inventors: William Masek; Michael Taliaferro; Jeffrey Manney
Original assignee: Illinois Tool Works Inc
Current assignee: Illinois Tool Works Inc
Priority date: 2013-08-22
Filing date: 2014-08-12
Publication date: 2021-02-25
Anticipated expiration: 2034-08-13
Also published as: DE112014002849T5; US9797699B2; CN105452799A; WO2015026580A1; CN105452799B; US20160202035A1

Abstract

Verfahren zum Lokalisieren eines Mittelpunkts eines ausgewählten Merkmals einer Probe (100) bei einer Materialprüfungsanwendung, welches die Schritte aufweist:Bereitstellen eines Kraftaufnehmers (200) einschließlich eines Messfühlers (202);Antreiben der Probe (100) in einer ersten Richtung zu einer Seite des Messfühlers (202) bis Kontakt an einem Kontaktpunkt festgestellt wird;gekennzeichnet durchZurückfahren der Probe (100) vom Messfühler (202) weg um einen Versatzabstand zu einem Kontaktpunkt, undBerechnen des Versatzabstandes, wobei der Schritt des Berechnens des Versatzabstandes die Schritte aufweist:Bereitstellen mindestens einer erwarteten Kraft-gegen-Verschiebungs-Kurve;nach dem Schritt des Zurückfahrens der Probe (100), relatives Bewegen des Messfühlers (202) in einer zweiten Richtung, senkrecht zur ersten Richtung, dadurch Ableiten einer aktuellen Kurve Kraft-gegen-Verschiebung;Vergleichen der aktuellen Kurven Kraft-gegen-Verschiebung mit den erwarteten Kurven Kraft-gegen-Verschiebung;wenn die aktuelle Kurve Kraft-gegen-Verschiebung wesentlich von den erwarteten Kurven Kraft-gegen-Verschiebung abweicht, dann wird ein Schritt des Einstellens des Versatzabstandes durchgeführt und der Antriebsschritt, der Schritt der relativen Bewegung, der Vergleichsschritt undder Einstellschritt werden wiederholt bis die aktuelle Kurve Kraft-gegen-Verschiebung im wesentlichen mit mindestens einer der erwarteten Kurven Kraft-gegen-Verschiebung übereinstimmt.

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren bei der Materialprüfung, um den Mittelpunkt eines Merkmals an oder in einem Objekt automatisch anzuordnen unter Verwendung des außeraxialen Kraftfeedbacks eines Kraftaufnehmers gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Beschreibung des Standes der Technik
Ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist aus der US 4 190 889 A bekannt. Sie gibt jedoch keinen Hinweis auf die Berechnung eines Versatzabstandes und insbesondere nicht für Produkte mit einer variablen oder uneinheitlichen Geometrie. In der EP 0 501 710 A1 ist eine Berührungssonde offenbart, die ein Stiftmodul und ein Erfassungsmodul aufweist, an dem das Stiftmodul mittels einer Magnetkopplung lösbar befestigt werden kann. Das Erfassungsmodul umfasst eine spannungsempfindliche Wägezelle, auf der das Stiftmodul abgestützt ist und die beim Kontakt mit einer Oberfläche eine Belastung des Stifts erfasst.
Bei der Materialprüfung können das Messen der Kraft- und Verschiebeeigenschaften von nachgiebigen Merkmalen in oder an einem Objekt eine präzise Anordnung der Messfühlerspitze des Weggebers erfordern. Dies kann bedingt sein durch die Variabilität der Kraft/Verschiebung mit der Position des nachgiebigen Merkmals von Interesse. Deshalb können geringe Versätze vom vorgesehenen Messort zu stark variierenden Kraft-/Verschiebeergebnissen führen.
Im Stand der Technik bezieht eine Technik zum Ausrichten des Mittelpunkts des Merkmals von Interesse unter dem Mittelpunkt des Messfühlers einen Menschen ein, welcher versucht, sie visuell und manuell auszurichten. Dies ist subjektiv und unterliegt Fehlern, welche zu einem möglicherweise hohen Lagefehler in der Ausrichtung des Messfühlers zum Mittelpunkt des Merkmals führen, was zu fehlerhaften Kraft-/Verschiebeergebnissen führen kann.
Außerdem wurden Berührungsmessfühler oder kinematische Widerstandsmessfühler von Renishaw und Marposs entwickelt, um den Ort von Teilen und Merkmalen in einer Materialprüfungsumgebung zu bestimmen.
Ziele und Zusammenfassung der Erfindung
Es ist deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, den Mittelpunkt eines Merkmals bei Materialprüfanwendungen genau und automatisch zu lokalisieren.
Diese und andere Ziele werden erreicht durch Vorsehen eines Verfahrens zum Lokalisieren eines Mittelpunkts eines ausgewählten Merkmals einer Probe bei einer Materialprüfungsanwendung, welches die Schritte aufweist: Bereitstellen eines Kraftaufnehmers einschließlich eines Messfühlers; Antreiben der Probe in einer ersten Richtung zu einer Seite des Messfühlers bis Kontakt an einem Kontaktpunkt festgestellt wird; Zurückfahren der Probe vom Messfühler weg um einen Versatzabstand zu einem Kontaktpunkt, und Berechnen des Versatzabstandes, wobei der Schritt des Berechnens des Versatzabstandes die Schritte aufweist: Bereitstellen mindestens einer erwarteten Kraft-gegen-Verschiebungs-Kurve; nach dem Schritt des Zurückfahrens der Probe, relatives Bewegen des Messfühlers in einer zweiten Richtung, senkrecht zur ersten Richtung, dadurch Ableiten einer aktuellen Kurve Kraft-gegen-Verschiebung; Vergleichen der aktuellen Kurven Kraft-gegen-Verschiebung mit den erwarteten Kurven Kraft-gegen-Verschiebung; wenn die aktuelle Kurve Kraft-gegen-Verschiebung wesentlich von den erwarteten Kurven Kraft-gegen-Verschiebung abweicht, dann wird ein Schritt des Einstellens des Versatzabstandes durchgeführt und der Antriebsschritt, der Schritt der relativen Bewegung, der Vergleichsschritt und der Einstellschritt werden wiederholt bis die aktuelle Kurve Kraft-gegen-Verschiebung im wesentlichen mit mindestens einer der erwarteten Kurven Kraft-gegen-Verschiebung übereinstimmt.
Weitere Merkmale sind in den Unteransprüchen enthalten.
Ein Vorteil des resultierenden automatisierten Verfahrens ist, dass die Subjektivität einer menschlichen Bedienungsperson, welche den Mittelpunkt eines Merkmals visuell lokalisiert, durch ein quantitatives und genaueres und reproduzierbares Verfahren der Präzisionsantriebselektronik ersetzt wird, wodurch jeglicher Fehler verringert wird und die Qualität der Ergebnisse verbessert wird.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung hat viele Anwendungen, einschließlich aber nicht beschränkt auf Tastaturen, Sicherheitsmatten, Spritzen, Zigaretten, Computerzubehör und Telefone.
Figurenliste
Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung werden offensichtlich aus der folgenden Beschreibung und aus den beiliegenden Zeichnungen, worin

1 eine Draufsicht eines repräsentativen Modells des Verfahrens der vorliegenden Erfindung ist,
2 eine Seitenansicht entsprechend zu 1 ist,
3 die mit Bezug auf das in den 1 und 2 dargestellte Verfahren durchgeführten Berechnungen zeigt,
4A, 4B und 4C eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen,
5 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines Vergleichsverfahrens ist, das nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, sondern nur dem besseren Verständnis der Erfindung dient;
6 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung ist,
7A, 7B und 7C die Ausführungsform von 6 darstellen.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Gemäß dieser Erfindung verwendet das Verfahren entweder ein vereinfachtes Modell des Produkts, der Probe oder der zu testenden Vorrichtung oder es könnte das Produkt 100 selbst oder eine Modifikation dessen verwenden, wenn das Merkmal von Interesse kräftig kontaktiert werden kann. Das vereinfachte Modell oder Produkt weist ein geometrisches Äquivalent zum Merkmal auf, dessen Mittelpunkt lokalisiert werden soll. Die Technik ist wie folgt und wird anhand eines Vergleichsbeispiels erläutert mit Bezug auf 5, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist:

1. Das Modell, das Produkt oder die Probe 100 wird unter dem Messfühler 202 des Kraftaufnehmers 200 platziert.
2. Das Merkmal von Interesse, wie z.B., aber nicht beschränkt auf, eine Öffnung oder Loch 102, wird grob unter der Messfühlerspitze 204 ausgerichtet. Siehe 5, Schritt 502.
3. Der Messfühler 202 wird auf das Merkmal 102 heruntergefahren, welches zu Anschauungszwecken eine Öffnung oder Loch 102 in dem Produkt 100 ist, siehe 1. Siehe 5, Schritt 504.
4. Das Produkt 100 wird automatisch positioniert oder relativ zum Messfühler 202 in der X-Richtung bewegt bis die Seite des Messfühlers 202 die Seite des Merkmals 102 kontaktiert. Siehe 5, Schritt 506. Der Kontakt wird bestimmt durch Überwachung des Kraftfeedbacks vom Kraftaufnehmer 200, welches durch den außeraxialen oder Seitenkontakt des Messfühlers 202 an der Seite der Öffnung oder des Lochs 102 hervorgerufen wird wie in 2 dargestellt.
5. Wenn die vertikale Kraft der Seitenbelastung einen vorbestimmten Sollwert übersteigt, wird Kontakt angenommen und der Wert der X-Position des Produkts 100 mit Bezug auf den Messfühler 202 wird aufgezeichnet. Dies ist x₁ in 3. Das Produkt 100 wird dann repositioniert oder in der entgegengesetzten Richtung auf der X-Achse bewegt, um eine Berührungsbelastung auf der andere Seite des Lochs 102 aufzuzeichnen (siehe 5, Schritt 508) und wird als x₂ bezeichnet. Der Mittelpunkt des Lochs xc wird dann so berechnet, dass er der gleich entfernte Punkt oder Mittelwert-X zwischen x₁ und x₂ ist (siehe 5, Schritt 514). Das Verfahren wird dann auf der Y-Achse wiederholt, um den Mittelpunkt des Lochs 102 auf der Y-Achse oder yc zu bestimmen. Siehe 5 Schritte 510, 512 und 514.
6. Wenn xc und yc bestimmt sind, ist der Mittelpunkt des Lochs oder Merkmals 102 bekannt und das Produkt 100 kann an diesem Ort positioniert werden, so dass der Messfühler 202 über dem Mittelpunkt des Merkmals zentriert ist.

Eine Ausführungsform der Erfindung der Erfassung der außeraxialen Kraftsignatur eines Kraftaufnehmers 200 zum Erfassen einer Merkmals- oder Produktposition ist in den 4A, 4B und 4C dargestellt und wie folgt beschrieben:

1. Das Produkt 100 wird an die Seite des Messfühlers 202 getrieben oder bewegt, welcher an einem Kraftaufnehmer 200 befestigt ist, wie in 4A dargestellt. Siehe auch 6, Schritt 602 (in weiterer Ausführungsform dargestellt).
2. Die vertikale Kraft, welche aus der horizontalen Belastung des Messfühlers 202 und des Kraftaufnehmers 200 resultiert, wird auf Berührungsbelastung überwacht, was eine minimale aber reproduzierbare Kraft ist, welche den Kraftaufnehmer 200 nicht dauerhaft biegt oder beschädigt, wie in 4B dargestellt.
3. Die Position der resultierenden Berührungsbelastung wird aufgezeichnet und das automatische Positionierungssystem kann das Produkt 100 oder das Merkmal 102 von der Messfühlerspitze 204 um einen vorbestimmten Betrag zurückfahren, um einen präzisen Versatz des Messfühlers 202 zur relativen Position des Merkmals sicherzustellen, wie in 4C dargestellt. Siehe 6, Schritt 604 (in weiterer Ausführungsform dargestellt).

Unter optimalen Bedingungen würde der Kontakt, welcher zwischen dem Messfühler 202 (und dem Kraftaufnehmer 200) und dem zu testenden Produkt 100 eingeleitet wurde, „den Null-Zustand“ darstellen und das Produkt 100 würde um einen durch Software fest programmierten festgelegten Abstand vom Messfühler 202 weggetrieben werden, um für nachfolgende Tests frei vom Produkt zu sein. Der Messfühler 202 würde sich dann nach oben oder unten bewegen, um seinen Test zu beginnen, um die Kraftverschiebung zu messen während ein anderer Teil des Produkts 100 kontaktiert wird.
Gelegentlich hat das zu testende Produkt 100 jedoch eine variable oder uneinheitliche Geometrie oder Konformität im Bereich von Interesse, den der Messfühler 202 kontaktiert. Außerdem könnte entweder der Messfühler 202 oder das Produkt in der vertikalen oder Z-Richtung unter einem Winkel angeordnet sein. Unter diesen nicht optimalen Bedingungen könnte der Messfühler 202 den Körper des Produkts kontaktieren, nachdem er um die festgelegte Entfernung zurückgefahren wird, wo angenommen wird, dass er nicht mehr mit dem Produkt in Kontakt ist, um den Test zu beginnen. Bei weiterer Bewegung können der Messfühler 202 und der Kraftaufnehmer 200 unrichtigerweise eine Zug- oder Reibungskraft erfassen, welche den Test und die Ergebnisse ungünstig beeinflusst.
Um dieses mögliche Problem zu korrigieren, wendet eine andere Ausführungsform dieser Erfindung eine adaptive Eliminierungsfunktion an, welche in 6 und 7A bis 7D dargestellt ist. Das Produkt oder die Probe 100 wird an den Messfühler 202 gefahren, wie in Schritt 602 von 6 und in 7A dargestellt. Die resultierende vertikale Berührungsbelastung wird berechnet, wie in Schritt 604 von 6 und in 7B dargestellt. Wenn die Berührungsposition oder Null-Position bestimmt ist, wird das Produkt 100 zu einem bekannten Versatz zwischen dem Messfühler 202 und dem Produkt 100 gefahren wie in Schritt 606 der 6 und in 7C dargestellt. Der Messfühler wird dann vertikal (oder senkrecht zur ursprünglichen Antriebsrichtung) bewegt, um irgendeinen Vorsprung am Produkt oder der Probe 100 zu kontaktieren und festzuhalten, wie in Schritt 608 von 6 und 7D dargestellt. Eine vertikale Kraft und Verschiebung des Vorsprungs wird gemessen, wobei eine horizontale Lücke zwischen dem Messfühler und dem Produkt beibehalten wird, um nicht eine Reibungszugkomponente auf die vertikale Belastung hervorzurufen, siehe 6, Schritt 610. Wenn es eine Reibungszugbelastung am Messfühler 202 gibt, wenn er noch mit einem Teil des Produkts 100 in Kontakt ist, wenn er es nicht sein sollte, dann sieht die erwartete Kurve Belastung-gegen-Verschiebung des unnormalen Tests anders aus als Kurven von normalen Tests. Typische Belastung-gegen-Verschiebungs-Kurven werden erzeugt durch vorhergehende Tests an Proben, bei welchen es bekannt ist, dass es keine Zugkraft des Produkts oder der Probe 100 am Messfühler 202 gibt. Algorithmen vergleichen die aktuellen Kraft-gegen-Verschiebungs-Kurven mit den zuvor erzeugten typischen Kraft-Verschiebungs-Kurven (wobei die Daten als eine Datenbank oder Sammlung erwarteter Kurven vorgesehen sein können) und stellen fest, wenn eine unnormale Kurve oder Testergebnis erzeugt wird. Siehe 6, Schritte 610, 612, 614. Wenn die Kurve Belastung-gegen-Verschiebung des Vorsprungs nach der Signalanalyse als unüblich erscheint, im Vergleich zu den früher erzeugten typischen Belastung-gegen-Verschiebungs-Kurven, könnte dies bedeuten, dass der horizontale Spalt zu klein ist und dass der Messfühler noch immer die Seite des Körpers des Produkts 100 kontaktiert. Dies würde eine Reibungsbelastung verursachen, welche die Belastung-gegen-Verschiebungs-Kurve ungünstig beeinflusst. Wie in Schritt 614 und 616 von 6 dargestellt, wird der Versatz, wenn eine unübliche Belastung-gegen-Verschiebungs-Kurve festgestellt wird, erhöht und die Schritte 602 bis 614 werden wiederholt, bis eine normale Belastung-gegen-Verschiebungs-Kurve festgestellt wird. Nach wiederholtem Positionieren des Produkts 100 und wiederholten Tests bis akzeptable Kraft-gegen-Verschiebungs-Kurven erfasst werden, wird der Test beendet und die Ergebnisse werden exportiert. Siehe 6, Schritt 618.
So werden die verschiedenen zuvorgenannten Ziele und Vorteile am effektivsten erreicht. Obwohl bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung offenbart und im Detail hier beschrieben wurden, sollte es klar sein, dass diese Erfindung in keiner Weise dadurch beschränkt ist und ihr Umfang durch den der beigefügten Ansprüche bestimmt werden soll.

Claims

Verfahren zum Lokalisieren eines Mittelpunkts eines ausgewählten Merkmals einer Probe (100) bei einer Materialprüfungsanwendung, welches die Schritte aufweist: Bereitstellen eines Kraftaufnehmers (200) einschließlich eines Messfühlers (202); Antreiben der Probe (100) in einer ersten Richtung zu einer Seite des Messfühlers (202) bis Kontakt an einem Kontaktpunkt festgestellt wird; gekennzeichnet durch Zurückfahren der Probe (100) vom Messfühler (202) weg um einen Versatzabstand zu einem Kontaktpunkt, und Berechnen des Versatzabstandes, wobei der Schritt des Berechnens des Versatzabstandes die Schritte aufweist: Bereitstellen mindestens einer erwarteten Kraft-gegen-Verschiebungs-Kurve; nach dem Schritt des Zurückfahrens der Probe (100), relatives Bewegen des Messfühlers (202) in einer zweiten Richtung, senkrecht zur ersten Richtung, dadurch Ableiten einer aktuellen Kurve Kraft-gegen-Verschiebung; Vergleichen der aktuellen Kurven Kraft-gegen-Verschiebung mit den erwarteten Kurven Kraft-gegen-Verschiebung; wenn die aktuelle Kurve Kraft-gegen-Verschiebung wesentlich von den erwarteten Kurven Kraft-gegen-Verschiebung abweicht, dann wird ein Schritt des Einstellens des Versatzabstandes durchgeführt und der Antriebsschritt, der Schritt der relativen Bewegung, der Vergleichsschritt und der Einstellschritt werden wiederholt bis die aktuelle Kurve Kraft-gegen-Verschiebung im wesentlichen mit mindestens einer der erwarteten Kurven Kraft-gegen-Verschiebung übereinstimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schritte des Antreibens, des relativen Bewegens, des Vergleichens und Einstellens beendet sind, nachdem die aktuelle Kurve der Kraft-gegen-Verschiebung im wesentlichen mit einer der erwarteten Kurven der Kraft-gegen-Verschiebung übereinstimmt.
Verfahren nach Anspruch 2, ferner aufweisend den Schritt des Kommunizierens von Ergebnissen des Verfahrens.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die aktuelle Kurve der Kraft-gegen-Verschiebung, welche sich wesentlich von den erwarteten Kurven der Kraft-gegen-Verschiebung unterscheidet, anzeigt, dass die Probe (100) an dem Messfühler (202) während der Bewegung zieht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Bereitstellens mindestens einer erwarteten Kurve Kraft-gegen-Verschiebung das Bereitstellen einer Mehrzahl von erwarteten Kurven Kraft-gegen-Verschiebung einschließt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Bereitstellens mindestens einer erwarteten Kurve Kraft-gegen-Verschiebung das Bereitstellen einer Sammlung von erwarteten Kurven Kraft-gegen-Verschiebung einschließt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Bereitstellens mindestens einer erwarteten Kurve Kraft-gegen-Verschiebung das Bereitstellen einer Datenbank von erwarteten Kurven Kraft-gegen-Verschiebung einschließt.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Mehrzahl von erwarten Kurven der Kraft-gegen-Verschiebung früher erzeugt werden durch Durchführen des Antriebsschrittes an einer Probe (100), von welcher bekannt ist, dass sie frei von Zugkräften auf den Messfühler (202) ist.