DE19959570A1

DE19959570A1 - Sensor zum berührenden Vermessen von Materialien

Info

Publication number: DE19959570A1
Application number: DE19959570A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Kirschner; Karl Wispeintner
Original assignee: Micro Epsilon Messtechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Micro Epsilon Messtechnik GmbH and Co KG
Priority date: 1999-10-18
Filing date: 1999-12-10
Publication date: 2001-05-03

Abstract

Es wird ein Sensor zum berührenden Vermessen von Materialien vorgeschlagen, wobei das Meßgut (2) auf einer Auflagefläche (3) angeordnet wird oder über die Auflagefläche (3) geführt wird. Der Sensor umfaßt: DOLLAR A - Mittel zur Bestimmung des Abstandes zwischen der Sensormimik und der Auflagefläche (3), DOLLAR A - ein Abtastelement (4) zum Kontaktieren des Meßguts (2), wobei das Abtastelement (4) in z-Richtung, d. h. im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Meßguts (2), beweglich gelagert ist, DOLLAR A - Mittel zur Bestimmung der Position des Abtastelements (4) und DOLLAR A - eine Auswerteeinheit zum Auswerten der ermittelten Abstandsdaten und Positionsdaten. DOLLAR A Damit eine Deformation des Meßguts während der Meßwerterfassung weitestgehend vermieden wird, ist das Abtastelement (4) in z-Richtung zumindest im Umfange des zu erwartenden maximalen Meßhubs frei beweglich gelagert. Außerdem arbeiten die Mittel zur Bestimmung der Position des Abtastelements (4) berührungslos.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zum berührenden Vermessen von Materialien, wobei das Meßgut auf einer Auflagefläche angeordnet wird oder über die Auflageflä che geführt wird, umfassend Mittel zur Bestimmung des Abstandes zwischen der Sensormimik und der Auflagefläche, ein Abtastelement zum Kontaktieren des Meß guts, wobei das Abtastelement in z-Richtung, d. h. im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Meßguts, beweglich gelagert ist, Mittel zur Bestimmung der Position des Abtastelements und eine Auswerteeinheit zum Auswerten der ermittelten Ab standsdaten und Positionsdaten.

Derartige Sensoren werden in der Praxis beispielsweise zur Bestimmung der Dicke von Materialbahnen eingesetzt, die aufgrund ihrer Materialeigenschaften nicht berüh rungslos vermessen werden können. Beispielhaft seien hier Schaumgummibahnen genannt. Die Dicke derartiger Materialbahnen läßt sich dann einfach durch Diffe renzbildung aus den ermittelten Abstands- und Positionsdaten bestimmen.

Das berührende Vermessen erweist sich aber gerade bei deformierbaren Materialien als problematisch, da bedingt durch die Meßmethode häufig Meßfehler auftreten.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Sensor zum berührenden Vermessen von Materialien anzugeben, mit dem eine Deformation des Meßguts während der Meßwerterfassung weitestgehend vermieden wird.

Der erfindungsgemäße Sensor löst die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Danach ist der eingangs genannte Sensor so ausgestaltet, daß das Abtastelement in z-Richtung zumindest im Umfange des zu erwartenden maximalen Meßhubs frei beweglich gelagert ist und daß die Mittel zur Bestimmung der Position des Abtastelements berührungslos arbeiten.

Deformationen des Meßguts während der Meßwerterfassung sind in erster Linie auf die Auflagekraft des Sensors bzw. des Abtastelements des Sensors zurückzuführen. Es wird daher vorgeschlagen, ein Abtastelement einzusetzen, das möglichst ba lastfrei und mit geringer Auflagekraft auf dem Meßgut positioniert werden kann bzw. über das Meßgut geführt werden kann. Dazu ist das Abtastelement erfindungsgemäß so reibungsarm im Sensor gelagert, daß es in z-Richtung frei beweglich ist. Außer dem sind im Rahmen des erfindungsgemäßen Sensors auch keine Leitungsverbin dungen zur Bestimmung der Position des Abtastelements erforderlich, die die Aufla gekraft des Abtastelements zusätzlich erhöhen könnten, da zur Positionsbestimmung erfindungsgemäß berührungslos arbeitende Mittel vorgesehen sind. Bei dem Abta stelement des erfindungsgemäßen Sensors handelt es sich also um eine Sensor komponente, die zwar in der Sensorkonstruktion gelagert ist, innerhalb des Lagers aber frei beweglich ist. Eine zusätzlich mechanische Verbindung zwischen dem Ab tastelement und der übrigen Sensorkonstruktion besteht nicht.

Grundsätzlich gibt es verschiedene Möglichkeiten für die Realisierung des Abtaste lements eines erfindungsgemäßen Sensors. So könnte das Abtastelement bei spielsweise in Form eines Stifts realisiert sein, der in z-Richtung frei beweglich gela gert ist und aufgrund seiner Materialeigenschaften reibungsarm über das Meßgut geführt werden kann. Ein solcher Stift könnte beispielsweise aus Keramik gefertigt sein oder mit Teflon beschichtet sein. In einer Variante des erfindungsgemäßen Sen sors, die sich insbesondere dann als vorteilhaft erweist, wenn sich Sensor und Meß gut relativ zueinander bewegen, wenn das Meßgut also beispielsweise über die Auf lagefläche und damit an dem Sensor vorbeigeführt wird, ist das Abtastelement rotati onssymmetrisch ausgebildet und drehbar gelagert, so daß es bei einer Relativbewe gung zwischen Meßgut und Sensor zumindest in einer Richtung, nämlich in x-Rich tung, auf der Oberfläche des Meßguts abrollt. Mit dieser Sensorvariante kann das Meßgut nicht nur punktuell sondern auch kontinuierlich vermessen werden. Ein rota tionssymmetrisches Abtastelement könnte beispielsweise ellipsoidförmig oder auch kegelförmig sein. Als besonders vorteilhaft erweist sich jedoch ein zylinderförmiges Abtastelement, das bei einer Relativbewegung zwischen Meßgut und Sensor nach Art einer Walz auf der Oberfläche des Meßguts abrollt. In diesem Falle läßt sich nämlich die Position des Abtastelements relativ einfach zuverlässig bestimmen.

Die voranstehend erwähnten ellipsoid-kegel- oder zylinderförmigen Abtastelemente können immer nur in einer Richtung auf der Oberfläche des Meßguts abrollen. Eine besonders vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Sensors umfaßt ein kugel förmiges Abtastelement, das sowohl in x- als auch in y-Richtung auf der Oberfläche des Meßguts abrollen kann. Diese Sensorvariante eignet sich also auch für belie bige, in der x/y-Ebene liegende Relativbewegungen zwischen dem Sensor und dem Meßgut. Außerdem können mit dieser Sensorvariante im Gegensatz zu der Variante mit einem zylinderförmigen Abtastelement auch Dickenabweichungen des Meßguts in kleinsten Oberlfächenbereichen erfaßt werden. Dazu wird in vorteilhafter Weise eine hochpräzise Kugel aus Keramik oder auch aus Metall als Abtastelement einge setzt, wobei das Material des Abtastelements entsprechend der Meßmethode ge wählt wird, mit der die Position des Abtastelements bestimmt werden soll. Bei Ver wendung einer solchen Kugel als Abtastelement kann die Auflagekraft sehr gering gehalten werden, da hier Kugeln mit einer Masse von weniger als 10 g eingesetzt werden können.

Grundsätzlich gibt es auch verschiedene Möglichkeiten für die Realisierung eines Lagers für das Abtastelement, wie es erfindungsgemäß beansprucht ist, so lange das Abtastelement in z-Richtung zumindest im Umfange des zu erwartenden maxi malen Meßhubs frei beweglich ist. Als besonders vorteilhaft erweist es sich, das Ab tastelement in einem Käfig zu lagern, der auf der dem Meßgut zugewandten Seite eine Öffnung für das Abtastelement aufweist, die so auf die Form des Abtastele ments abgestimmt ist, daß das Abtastelement zwar aus der Öffnung herausragt, aber dennoch in der Öffnung gehalten wird. Außerdem muß der Käfig so dimensioniert sein, daß zwischen den Seitenwandungen des Käfigs und dem Abtastelement ein Spiel besteht, das eine freie Bewegung des Abtastelements in z-Richtung und gege benenfalls auch eine Rotation des Abtastelements erlaubt, sofern das Abtastelement rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Der Käfig bildet also eine Führung für das Ab tastelement und stellt gleichzeitig die einzigen Lager- und Haltemittel für das Abta stelement dar, das lediglich in dem Käfig angeordnet aber ansonsten nicht mit der übrigen Sensorkonstruktion verbunden ist.

In bestimmten Fällen kann es von Vorteil sein, wenn das Spiel zwischen der Seiten wandung des Käfigs und dem Abtastelement variierbar ist, beispielsweise um tempe raturbedingte Ausdehnungsveränderungen des Abtastelements oder auch des Käfigs auszugleichen.

Des weiteren erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Käfig mit mindestens einer Druckluftzuführung ausgestattet ist. Eine solche Druckluftzuführung kann einfach zum Reinigen bzw. zum Verhindern einer Verschmutzung des Käfigs bzw. des Spiels zwischen dem Abtastelement und der Käfigwandung dienen, so daß immer eine freie Bewegung des Abtastelements in z-Richtung gewährleistet ist. Die Druckluftzufüh rung könnte in vorteilhafter Weise aber auch so angeordnet sein, daß das Abtaste lement insgesamt luftgelagert, also extrem reibungsarm gelagert ist, was die freie Beweglichkeit des Abtastelements zusätzlich begünstigt. Durch Regelung der zuge führten Druckluft könnte zusätzlich auch die auf das Meßgut wirkende Anpreßkraft des Abtastelements geregelt werden.

Auch die Mittel zur Bestimmung des Abstands zwischen der Sensormimik und der Auflagefläche können im Rahmen der Erfindung ganz unterschiedlich realisiert wer den. Im Zusammenhang mit einer elektrisch leitfähigen Auflagefläche und zum Ver messen von nicht leitendem Meßgut erweist sich die Verwendung eines Wirbel stromsensors als vorteilhaft, der koaxial zu dem Käfig angeordnet ist, in dem das Abtastelement gelagert ist, und zwar so, daß der Wirbelstromsensor den Käfig um gibt. Auf diese Weise lassen sich Meßwertverfälschungen durch ein Kippen der Sen soranordnung bezüglich der Auflagefläche vermeiden, da der Abstand der Sensor mimik zur Auflagefläche praktisch am Ort des Abtastelements gemessen wird.

Wie bereits erwähnt, arbeiten die Mittel zur Bestimmung der Position des Abtastele ments erfindungsgemäß berührungslos. Hierfür kommen gleichermaßen optisch, ka pazitiv oder auch induktiv arbeitende Sensorelemente in Frage, wobei die Art des Sensorelements sicherlich auf die Geometrie und das Material des Abtastelements und auch auf die Lagerung des Abtastelements abgestimmt sein wird. Als besonders vorteilhaft im Zusammenhang mit rotationssymmetrischen Abtastelementen und ins besondere im Zusammenhang mit einem kugelförmigen Abtastelement hat sich die Verwendung eines Triangulationssensors erwiesen. Hier wird die Position des Abta stelements über die Ablenkung eines definiert auf das Abtastelement gerichteten La serstrahls bestimmt.

Schließlich sei noch erwähnt, daß das Sensorelement zur Bestimmung der Position des Abtastelements oberhalb des Meßguts positioniert sein kann, was den Vorteil hat, daß es so in den gesamten Sensoraufbau integriert werden kann. Grundsätzlich wäre es aber auch möglich, das Sensorelement zur Bestimmung der Position des Abtastelements unterhalb der Auflagefläche zu positionieren und die Position des Abtastelements durch die Auflagefläche und das Meßgut hindurch zu bestimmen.

Wie voranstehend ausgeführt gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vor liegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Ansprüche und ande rerseits auf die nachfolgende Erläuterung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen.

Die einzige Figur zeigt den Aufbau eines erfindungsgemäßen Sensors zum berühren den Vermessen von Materialien in teilweise geschnittener Darstellung.

Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors 1 soll die Dicke einer Materialbahn bestimmt werden, die im folgenden als Meßgut 2 be zeichnet wird. Dazu wird das Meßgut 2 auf einer Auflagefläche 3 angeordnet bzw. an dem Sensor 1 vorbei über die Auflagefläche 3 geführt. Der Sensor 1 umfaßt Mittel zur Bestimmung des Abstandes zwischen dar Sensormimik, d. h. zwischen dem Sensoraufbau und der Auflagefläche 3, die nachfolgend noch näher beschrieben werden, ein Abtastelement 4 zum Kontaktieren des Meßguts 2, wobei das Abtaste lement 4 in z-Richtung, d. h. im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Meßguts 2 beweglich gelagert ist, Mittel zur Bestimmung der Position des Abtastelements 4, die ebenfalls nachfolgend noch näher erläutert werden, und eine hier nicht darge stellte Auswerteeinheit zum Auswerten der ermittelten Abstandsdaten und Positions daten.

Erfindungsgemäß ist das Abtastelement 4 in z-Richtung zumindest im Umfange des zu erwartenden maximalen Meßhubs frei beweglich gelagert. Außerdem arbeiten die Mittel zur Bestimmung der Position des Abtastelements 4 berührungslos.

Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Abtastelement 4 rotationssymme trisch ausgebildet, und zwar in Form einer hochpräzisen Kugel 4, die beispielsweise aus Keramik gefertigt sein könnte. Diese Kugel 4 ist nicht nur in z-Richtung frei be weglich sondern auch drehbar gelagert, so daß sie bei einer Relativbewegung zwi schen Meßgut 2 und Sensor 1 in allen Richtungen der x/y-Ebene auf der Oberfläche des Meßguts 2 abrollen kann.

Die Kugel 4 ist hier in einem Käfig 5 gelagert, der in Form einer zylinderförmigen Hülse realisiert ist. Der Käfig 5 weist auf der dem Meßgut 2 zugewandten Seite eine Öffnung 6 auf, aus der die Kugel 4 herausragt. Um ein Herausrutschen der Kugel 4 zu vermeiden, weist die als Käfig 5 dienende Hülse an ihrem unteren Ende eine Ein kragung 7 auf, die die untere Öffnung 6 der Hülse verengt. Die als Käfig 5 dienende Hülse ist außerdem so dimensioniert, daß zwischen der Seitenwandung 8 und der Kugel 4 ein Spiel besteht, das eine freie Bewegung der Kugel 4 in z-Richtung und auch eine Rotation der Kugel 4 innerhalb der Hülse 5 erlaubt.

An dieser Stelle sei - obwohl nicht dargestellt - nochmals auf die Möglichkeit hinge wiesen, in der Seitenwandung 8 des Käfigs 5 bzw. der Hülse Druckluftzuführungen vorzusehen. Durch Einleiten von Druckluft in den Käfig 5 ließe sich ein Luftlager für die Kugel 4 realisieren, so daß sich die Reibung zwischen der Kugel 4 und der Sei tenwandung 7 des Käfigs 5 erheblich herabsetzen ließe. Über eine entsprechend geregelte Zufuhr von Druckluft ließe sich außerdem auch die Anpreßkraft der Kugel 4 auf das Meßgut 2 regeln. Zusätzlich würde sich noch ein positiver Spüleffekt einstel len, da die aus der Öffnung 6 austretende Druckluft eine Verschmutzung des Käfigs 5 bzw. des Spiels zwischen der Käfigwandung und der Kugel 4 verhindern ließe.

Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Abstand zwischen der Sensormi mik und der Auflagefläche 2 mit Hilfe eines Wirbelstromsensors 8 erfaßt, der koaxial zum Käfig 5 angeordnet ist, und zwar so, daß der Wirbelstromsensor 8 den Käfig 5 umgibt.

Die Position der Kugel 4 bzw. des Scheitelpunkts 9 der Kugel 4 wird hier mit Hilfe eines Triangulationssensors 10 bestimmt. Der Triangulationssensor 10 umfaßt ein Laserelement 11, das auf den oberen Scheitelpunkt 9 der in der nach oben offenen Hülse 5 angeordneten Kugel 4 gerichtet ist. Die Position der Kugel 4 in z-Richtung, d. h. die Lage der Kugel 4 in der Hülse 5, läßt sich dann durch Detektion des an der Kugel 4 reflektierten und gestreuten Laserlichts mit Hilfe eines entsprechenden De tektorelements 12 sehr genau bestimmen.

Nach Bestimmung der Lage des oberen Scheitelpunkts 9 der Kugel 4 in Bezug auf den Wirbelstromsensor 8 und nach Bestimmung des Abstandes zwischen dem Wir belstromsensor 8 und der Auflagefläche 2 und bei Kenntnis der Abmessungen der Kugel 4 läßt sich dann die jeweilige Dicke des Meßguts 2 bestimmen.

Abschließend sei nochmals darauf hingewiesen, daß mit der vorliegenden Erfindung ein Sensor zur Verfügung gestellt wird, mit dem Materialien berührend vermessen werden können, wobei die Auflagekraft der Sensorik auf das Meßgut möglichst ge ring gehalten wird, um Deformationen des Meßguts soweit möglich zu vermeiden. Die Masse und somit auch die Trägheit des abrollenden Teils der in der einzigen Figur dargestellten Sensorik ist so gering, daß äußerst dynamische Messungen möglich sind. Das Abtastelement wird hier durch eine hochpräzise Kugel, z. B. aus Keramik, gebildet, die in einem Käfig geführt ist, der eine ungehinderte Rotation und eine freie Bewegung in z-Richtung der Kugel ermöglicht. Der obere Scheitelpunkt der Kugel wird hier optisch, nämlich im Triangulationsverfahren ermittelt, könnte aber auch mit einem anderen geeigneten berührungslos arbeitenden Meßverfahren bestimmt wer den. Der Käfig ist in einen Sensor eingebettet, der durch das Meßgut hindurch auf die Auflagefläche mißt. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist dieser Sensor in Form eines Wirbelstromsensors realisiert, der den Abstand der Sensormimik zur Auflagefläche erfaßt.

Claims

1. Sensor zum berührenden Vermessen von Materialien, wobei das Meßgut (2) auf einer Auflagefläche (3) angeordnet wird oder über die Auflagefläche (3) geführt wird, umfassend

- Mittel zur Bestimmung des Abstandes zwischen der Sensormimik und der Aufla gefläche (3),
- ein Abtastelement (4) zum Kontaktieren des Meßguts (2), wobei das Abtastele ment (4) in z-Richtung, d. h. im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Meß guts (2), beweglich gelagert ist,
- Mittel zur Bestimmung der Position des Abtastelements (4) und
- eine Auswerteeinheit zum Auswerten der ermittelten Abstandsdaten und Positi onsdaten,
- dadurch gekennzeichnet, daß das Abtastelement (4) in z-Richtung zumindest im Umfange des zu erwartenden maximalen Meßhubs frei beweglich ge lagert ist und daß die Mittel zur Bestimmung der Position des Abtastelements (4) be rührungslos arbeiten.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtastelement (4) rotationssymmetrisch ausgebildet ist und daß das Abtastelement (4) drehbar gelagert ist, so daß es bei einer Relativbewegung zwischen Meßgut (2) und Sensor (1) zu mindest in einer Richtung, in x-Richtung, auf der Oberfläche des Meßguts (2) abrollt.

3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtastelement zylinderförmig ausgebildet ist und bei einer Relativbewegung zwischen Meßgut und Sensor nach Art einer Walze auf der Oberfläche des Meßguts abrollt.

4. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtastelement (4) kugelförmig ausgebildet ist, so daß es bei einer Relativbewegung zwischen Meßgut (2) und Sensor (1) sowohl in x-Richtung als auch in y-Richtung auf der Oberfläche des Meßguts (2) abrollt.

5. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine hochpräzise Ku gel aus Keramik oder Metall als Abtastelement (4) dient.

6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtastelement (4) in einem Käfig (5) gelagert ist,

- wobei der Käfig (5) auf der dem Meßgut (2) zugewandten Seite eine Öffnung (6) aufweist, aus der das Abtastelement (4) herausragt, und
- wobei der Käfig (5) so dimensioniert ist, daß zwischen der Seitenwandung (7) des Käfigs (5) und dem Abtastelement (4) ein Spiel besteht, das eine freie Bewegung des Abtastelements (4) in z-Richtung und ggf. eine Rotation des Abtastelements (4) erlaubt.

7. Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Spiel zwischen der Seitenwandung (7) des Käfigs (5) und dem Abtastelement (4) variierbar ist.

8. Sensor nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine in den Käfig mündende Druckluftzuführung vorgesehen ist.

9. Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckluftzufüh rung so angeordnet ist, daß das Abtastelement luftgelagert ist.

10. Sensor nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckluftzuführung so angeordnet ist, daß sich die auf das Meßgut wirkende An preßkraft des Abtastelements durch Regelung der zugeführten Druckluft regeln läßt.

11. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Bestimmung des Abstands zwischen der Sensormimik und der Auflageflä che einen Wirbelstromsensor (8) umfassen.

12. Sensor nach einem der Ansprüche 6 bis 10 und nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Käfig (5) und der Wirbelstromsensor (8) koaxial zueinander angeordnet sind, so daß der Wirbelstromsensor (8) den Käfig (5) umgibt.

13. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Bestimmung der Position des Abtastelements (4) mindestens ein optisch, kapazitiv oder induktiv arbeitendes Sensorelement (10) umfassen.

14. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Bestimmung der Position des Abtastelements (4) einen Triangulationssen sor (10) umfassen.

15. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (10) zur Bestimmung der Position des Abtastelements (4) oberhalb des Meßguts (2) positioniert ist.

16. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement zur Bestimmung der Position des Abtastelements unterhalb der Auf lagefläche positioniert ist.