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Die Erfindung betrifft ein Rauheits- oder Oberflächenmikrostrukturprofil-Messgerät zur Messung der Rauheit oder eines Oberflächenmikrostrukturprofils einer Messobjekt-Oberfläche eines Messobjekts, enthaltend ein Gehäuse und einen Messtaster, der einen Tasthebel umfasst, der im Wesentlichen in dem Gehäuse angeordnet ist oder der vollständig in dem Gehäuse angeordnet ist oder der aus dem Gehäuse herausragt, wobei an dem Tasthebel ein Oberflächen-Antastkörper zur berührenden oder berührungslosen Erfassung der Rauheit oder des Oberflächenmikrostrukturprofils der Messobjekt-Oberfläche befestigt ist, und enthaltend einen motorisierten oder mit einem Aktor versehenen Vorschub zum Bewegen des Oberflächen-Antastkörpers entlang eines Verfahrweges über eine Abtastweglänge, und enthaltend ein Meßsystem zur Erfassung einer Stellung des Oberflächen-Antastkörpers relativ zu der Messobjekt-Oberfläche, und enthaltend eine Treiber-, Datenerfassungs- und/oder Auswerteelektronik und/oder eine Rechnerschnittstelle, vorzugsweise auch einen Schutzkörper zum Schutz des Tasthebels und/oder des Oberflächen-Antastkörpers gegen Beschädigungen.
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Für diesbezüglich geeignete, insbesondere weiche oder empfindliche, Werkstücke, mag allerdings eine berührungslose oder quasi-berührungslose Abtastung vorteilhaft sein, beispielsweise mit einem so genannten „Tapping Modus“ eines Rasterkraftmikroskops. In diesem Fall wird der vorstehend erwähnte Tastkörper durch einen optischen, kapazitiven, magnetischen, chemischen, biologischen oder elektro-magnetischen Sensor ersetzt oder ergänzt. Die nachfolgenden Ausführungen beziehen sich auf einen taktilen bzw. berührend messenden Abtastkörper, ohne dass damit die Erfindung, insbesondere bezüglich berührungsloser Abtastsensoren, eingeschränkt wird.
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Rauheits- und Profilmesstaster sind bewährte und weit verbreitete Messinstrumente zur Beurteilung der geometrischen Oberflächenqualität von Werkstücken, zur Erfassung der Mikrostruktur und der Oberflächenrauheit. Diese Instrumente besitzen eine Tastspitze aus Diamant oder, im Falle des Profilmesstasters, eine Metall- oder Glaskugel, mit welcher die Werkstückoberfläche über eine voreinstellbare Verfahrstrecke abgetastet wird, indem der Taster mittels eines motorisierten Vorschubs über die Oberfläche gezogen wird. Letzterer kann als separates Gerät ausgeführt oder im Taster integriert sein. Normalerweise sind keine weiteren Funktionen in den heute handelsüblichen Messgeräten integriert.
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Das Funktionsprinzip ist immer ähnlich: Die Tastnadel ist an einem Hebel befestigt, welcher geeignet gelagert ist, zum Beispiel mittels eines Drehlagers oder an einer Blattfeder und um einen bestimmten Winkel ausgelenkt werden kann. Die durch die Werkstückoberfläche über die Tastspitze induzierte Auslenkung wird von einem Meßsystem, meist induktiv, kapazitiv oder optisch, gemessen, digitalisiert und an die Auswerteelektronik ausgegeben.
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Gemessen wird mit einem derartigen Taster ein so genannter Tastschnitt, also ein Linienprofil. Dabei werden sequentiell die Profilamplituden des Werkstücks gemessen, indem die Tastnadel motorisch entlang einer Linie über die Werkstückoberfläche geführt wird und in zeitlich oder örtlich regelmäßigen Intervallen die Profilamplituden erfasst werden.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Messgerät der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, welches unabhängig von dem Oberflächen-Antastkörper eine Erfassung bzw. Messung des Abstandes zwischen dem Oberflächen-Antastkörper und der Messobjekt-Oberfläche des Messobjekts der räumlichen Lage und/oder Position des Gehäuses oder des Messtasters oder des Schutzkörpers relativ zu der Messobjekt-Oberfläche des Messobjekts ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1, insbesondere dadurch gelöst, dass an dem Gehäuse oder an dem Messtaster oder an einem Schutzkörper zum Schutz des Tasthebels und/oder des Oberflächen-Antastkörpers gegen Beschädigungen, wenigstens ein Abstandsmeßsystem zur Erfassung eines Abstandes zwischen dem Oberflächen-Antastkörper und der Messobjekt-Oberfläche des Messobjekts oder zur Erfassung der räumlichen Lage und/oder Position des Gehäuses oder des Messtasters oder des Schutzkörpers relativ zu der Messobjekt-Oberfläche des Messobjekts befestigt ist.
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Mit anderen Worten geht es bei der Erfindung darum, ein in dem Messgerät integriertes, zusätzliches, von der Rauheitsmessung bzw. Oberflächenmikrostrukturprofilmessung unabhängiges Abstandsmeßsystem zur Verfügung zu stellen, mittels welchem der Abstand zwischen dem Oberflächen-Antastkörper und der Messobjekt-Oberfläche des Messobjekts oder die räumliche Lage und/oder Position des Gehäuses oder des Messtasters oder des Schutzkörpers relativ zu der Messobjekt-Oberfläche des Messobjekts erfasst werden kann oder erfasst wird.
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Die Erfindung betrifft insbesondere ein Oberflächenprofil-Messgerät, bei welchem alle Komponenten, zum Beispiel der Vorschub, die Ansteuerelektronik und das Meßsystem sowie die Tastnadelabhebung in einem Gehäuse vereint sind. Ein solches Gerät zeichnet sich durch ein kleines Volumen sowie hohe Flexibilität aus und eignet sich deshalb auch insbesondere für den Einsatz in der Produktion. Gerade hier ist aber die erfindungsgemäße vorteilhafte Erweiterung des Standes der Technik von Nutzen.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann vorgesehen sein, dass das Abstandsmeßsystem nahe einer Kante des Gehäuses, insbesondere an dem Gehäuse, befestigt ist oder nahe des Oberflächen-Antastkörpers, insbesondere an dem Messtaster oder an dem Schutzkörper, befestigt ist.
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Der Schutzkörper kann als ein Tastrüssel ausgebildet sein. Dieser kann rohrförmig und/oder im Querschnitt U- oder V-förmig ausgebildet sein. Der Schutzkörper kann sich mit einem Ende von dem Gehäuse weg erstrecken. In diesem Fall kann gemäß einer Weiterbildung vorgesehen sein, dass das Abstandsmeßsystem an dem besagten Ende des Schutzkörpers befestigt ist. Mindestens eine Abstandsmessung kann an dem Ende des Schutzkörpers erfolgen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante kann vorgesehen sein, dass das Abstandsmeßsystem oder mindestens eines der Abstandsmeßsysteme ein abstandsabhängiges Regelsignal erzeugt.
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Bei wenigstens einem Abstandsmeßsystem kann es sich um ein taktiles, induktives, optisches oder kapazitives Abstandsmeßsystem handeln. Mit anderen Worten kann mindest eines der Abstandsmeßsysteme taktil, induktiv, optisch oder kapazitiv sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass es sich bei dem Abstandsmeßsystem um eine Kamera, insbesondere um eine CCD-Kamera, handelt. Zur Abstandsmessung kann das Bildsignal der Kamera herangezogen bzw. ausgewertet werden. Die Kamera kann ein Bildsignal erzeugen, das zur Abstandsmessung herangezogen wird.
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Gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel kann vorgesehen sein, dass ein erstes Abstandsmeßsystem nahe einer Kante des Gehäuses, insbesondere an dem Gehäuse, befestigt ist und dass ein zweites Abstandsmeßsystem nahe des Oberflächen-Antastkörpers, insbesondere an dem Messtaster oder an dem Schutzkörper, befestigt ist.
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Gemäß einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsvariante kann vorgesehen sein, dass der Oberflächen-Antastkörper eine Nadelspitze einer Tastnadel umfasst oder als eine Tastnadel mit einer Nadelspitze ausgebildet ist.
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Es versteht sich, dass der Fachmann die vorstehenden Merkmale und Maßnahmen sowie die aus den Ansprüchen und die aus den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und Maßnahmen im Rahmen der Ausführbarkeit beliebig kombinieren kann.
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Weitere Vorteile, Merkmale, Einzelheiten und Gesichtspunkte der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie aus dem nachfolgenden Beschreibungsteil, in dem ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der einzigen Figur beschrieben ist.
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Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Dabei handelt es sich um ein Rauheits- oder Oberflächenmikrostrukturprofil-Messgerät zur Messung der Rauheit oder eines Oberflächenmikrostrukturprofils einer Messobjekt-Oberfläche eines Messobjekts 9. Das Messgerät beinhaltet ein Gehäuse 1 und einen Messtaster, der einen Tasthebel 4 umfasst, der in dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus dem Gehäuse 1 herausragt. An dem Tasthebel 4 ist ein Oberflächen-Antastkörper 10 zur berührenden bzw. taktilen Erfassung der Rauheit oder des Oberflächenmikrostrukturprofils der Messobjekt-Oberfläche befestigt. Das Messgerät enthält außerdem einen motorisierten oder mit einem Aktor versehenen Vorschub 14, 16, 19 zum Bewegen des Oberflächen-Antastkörpers 10 entlang eines Verfahrweges über eine Abtastweglänge. Das Messgerät enthält auch ein Meßsystem 6 zur Erfassung einer Stellung des Oberflächen-Antastkörpers 10 relativ zu der Messobjekt-Oberfläche, das in dem Gehäuse angeordnet ist. In diesem kann auch eine Treiber- und/oder Datenerfassungs- und/oder Auswerteelektronik 12, 13 angeordnet sein.
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Mit anderen Worten betrifft die Erfindung eine Rauheits- und/oder Profil- Messvorrichtung mit einem als Frei- oder Kufentaster ausgebildeten Messtaster, mit wenigstens einem Oberflächen-Antastelement 10, vorzugsweise in Form einer eine Tastspitze aufweisenden Tastnadel und/oder in Form eines kugelförmigen oder kufenförmigen Antastkörpers, zur berührenden Messung des mikroskopischen Oberflächenprofils eines Messobjekts 9, insbesondere eines Werkstücks. Das Messgerät weist ein Meßsystem 6 zur Erfassung bzw. Messung der Stellung des Oberflächen-Antastelements relativ zu der Oberfläche des Messobjekts auf. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Oberflächenprofil-Messgerät 1, vorzugsweise bei welchem alle Komponenten, zum Beispiel der Vorschub 14, 16, 19, die Ansteuerelektronik 12, 13 und das Meßsystem 6 sowie die Tastnadelabhebung 17, 18, in einem Gehäuse 1 vereint sind.
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Der in der Figur gezeigte Rauheits- oder Profilmesstaster weist eine Tastnadel 10 zur Erfassung des Oberflächenprofils auf. Die Tastnadel ist üblicherweise am Ende eines Tasthebels 4 angebracht und zeigt in Richtung der Werkstückoberfläche 9. Der Tasthebel 4 ist notwendigerweise über ein Drehlager 5 oder ein Blattfederlager in einem auch als Meßsystemträger bezeichneten Trägerelement 19 gelagert. Zur Erfassung bzw. Messung des Mikrostrukturprofils bzw. der Rauheit der Werkstückoberfläche 9 wird die Tastnadel 10 über die Werkstückoberfläche 9 mittels eines Motors 16 bewegt, insbesondere gezogen, welcher zum Beispiel über eine Spindel, einen Seilzug, ein Band oder dergleichen, den Meßsystemträger 19, bei dem es sich um ein Gehäuse handeln kann, welcher bzw. welches das Meßsystem 6 beinhaltet, mittels der Abstützpunkte 15 auf der auch als Lagerkörper bezeichneten Führung oder Schiene bzw. Bezugs- oder Referenzebene 14 linear in Achsrichtung 8 schiebt bzw. zieht. Bei der Abtastung der Oberfläche 9 folgt die Tastspitze der Tastnadel 10 der Oberflächenkontur der Oberfläche des Werkzeugs 9. Dabei kommt es zu einer Schwenkbewegung 7 des Tasthebels 4 um die Drehachse 5, wobei diese Schwenkbewegung 7 mittels des Meßsystems 6 registriert wird. Demgemäß ist die Tastnadel 10 an einem Hebel 4 befestigt, welcher geeignet gelagert ist, zum Beispiel mittels eines Drehlagers 5, und welcher um einen bestimmten Winkel 7 ausgelenkt werden kann. Die durch die Werkstückoberfläche 9 über die Tastspitze induzierte Auslenkung wird von dem Meßsystem 6, meist induktiv, kapazitiv oder optisch, gemessen, digitalisiert und an die Auswerteelektronik 12 ausgegeben.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass an dem Gehäuse 1 oder an dem Messtaster oder an einem auch als Tastrüssel bezeichneten, vorzugsweise rohrförmigen bzw. im Querschnitt U-förmigen Schutzkörper 2 zum Schutz des Tasthebels 4 und/oder des Oberflächen-Antastkörpers 10 gegen Beschädigungen, mindestens ein Abstandsmeßsystem 3 zur Erfassung eines Abstandes zwischen dem Oberflächen-Antastkörper 10 und der Messobjekt-Oberfläche des Messobjekts 9 oder zur Erfassung der räumlichen Lage und/oder Position des Gehäuses 1 oder des Messtasters oder des Schutzkörpers 2 relativ zu der Messobjekt-Oberfläche des Messobjekts 9 befestigt ist.
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Dazu wird das Abstandsmeßsystem 3 an einer geeigneten Stelle des Messgeräts, zum Beispiel nahe einer Gehäusekante des Gehäuses 1 oder nahe der Tastnadel 10, angeordnet. Bei Geräten, welche einen Schutzkörper bzw. Messrüssel 2 aufweisen, wird man das anspruchsgemäße Meßsystem 6 sinnvollerweise nahe des vorderen Endes des Schutzkörpers bzw. Rüssels an dem Schutzkörper bzw. Messrüssel 2 anbringen. Die Ausführung dieses Abstandsmeßsystems 3 kann im einfachsten Fall taktil sein. Dazu kann ein beweglicher Stößel eingesetzt sein. Der Stößel kann dann beispielsweise aus dem Schutzkörperende bzw. Rüsselende herausragen, wird bei Berührung verschoben und gibt ein entsprechendes Meßsignal ab. Genauso gut kann man aber eine optische Abstandsmessung vorsehen, zum Beispiel mittels eines Triangulationsmeßsystems. Ebenso ist eine kapazitive oder induktive Abstandsmessung möglich. Neuerdings gibt es CCD Kameras mit einem Volumen von wenigen mm3. Auch eine derartige CCD Kamera lässt sich zur Abstandsmessung einsetzen, indem beispielsweise die Bildschärfe und/oder der Bildkontrast als Abstandsmaß herangezogen wird. Mit einer Kamera kann man durch geeignete Bildauswertung außerdem auch die laterale Tasterposition erfassen.
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Die besagte Messung des Abstandes des Oberflächenrauheits- oder Oberflächenmikrostrukturprofil-Messgerätes bzw. dessen Gehäuse 1 oder dessen Messtaster oder genauer der Tastnadel 10 von der Objektoberfläche 9 ist dann nützlich, wenn die Rauheitsmessung bzw. die Oberflächenmikrostrukturprofilmessung automatisiert erfolgen soll bzw. erfolgt, beispielsweise mittels eines nicht gezeigten Roboters. Falls das Messgerät oder der Messtaster an einem Roboter angebracht ist, wird man die Roboterbewegungen aus Zeitgründen möglichst schnell ausführen. Nähert sich aber die Tastnadel 10 der Werkstückoberfläche 9, so benötigt die Robotersteuerung ein Hilfssignal zur Adaption der Roboterarmbewegungsgeschwindigkeit um ein unsanftes Berühren des Rauheitstasters oder Gerätes durch die Werkstückoberfläche 9 zu vermeiden. Dies ist insbesondere bei unbekannter Lage der Werkstückoberfläche 9 von Nutzen. Zwar könnte man in manchen Fällen auch direkt das Signal des Tastnadelhubes des Messgeräts verwenden, falls diese zu Beginn der Positionieraufgabe ganz heraushängt, aber aufgrund des oft nur kleinen Messbereiches resultiert dann ein nicht ausreichender Weg zum Abbremsen derjenigen Vorrichtung, die das Messgerät oder den Messtaster positionieren soll. Dies kann anstelle eines Roboters natürlich auch ein Koordinatenmessgerät sein oder eine sonstige maschinelle Positioniervorrichtung, die ebenfalls nicht in den Figuren gezeigt ist bzw. sind.
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Neben der Rückkopplung der Messung des Abstands zwischen dem Werkstück 9 und dem Messgerät ist es zudem hilfreich, das Messgerät mit Federvorspannung an dem nicht gezeigten Handhabungsgerät zu befestigen, um so einen zusätzlichen Wegpuffer zu schaffen. Dies ist allerdings nur dann von Nutzen, wenn das Messgerät oder der Messtaster zur Rauheitsmessung bzw. zur Oberflächenmikrostrukturprofilmessung am Werkstück 9 anliegt. Berührt das Messgerät oder der Taster das Werkstück 9 während der Messung der Rauheit bzw. des Oberflächenmikrostrukturprofils nicht, so leidet die Güte der Messung normalerweise durch relative Vibrationen zwischen dem Werkstück 9 und dem Messgerät. Diese sind dann dem gemessenen Profil überlagert und machen es gegebenenfalls unbrauchbar. Mit dem erfindungsgemäßen zusätzlichen Abstandsmeßsystem lassen sich die Vibrationsamplituden bei sachgemäßer Auslegung des Meßsystems erfassen. Sie können dann unter Umständen vom Nutzsignal abgezogen werden. Ein mögliches Verfahren besteht darin, das Störsignal und das Nutzsignal in den Frequenzraum zu transformieren, das Spektrum der Störfrequenzen, sofern diese halbwegs auf ein akzeptables Frequenzband konzentriert sind, aus dem Nutzsignalspektrum herauszunehmen und dann das Nutzsignal zurück zu transformieren.
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Die Erfindung kann auch wie folgt beschrieben werden: Ein Oberflächenmikrostrukturmessgerät, bei dem alle funktionell essentiellen Komponenten innerhalb eines Gehäuses angeordnet sind, lässt sich vorteilhaft bezüglich seines Einsatzspektrums erweitern, wenn man ein zweites Abstandsmeßsystem vorsieht, welches nicht die Auslenkung des Antastkörpers misst, sondern die räumliche Lage des Messgerätes zum Beispiel in Bezug auf die Werkstückoberfläche. Dies ist wichtig, wenn man eine Oberflächenrauheitsmessung oder eine Oberflächenmikrostrukturprofilmessung mit einem Roboter oder einem Koordinatenmessgerät (KMG) durchführen will. Das von diesem zweiten Abstandsmeßsystem erzeugte Regelsignal dient dann zur Steuerung der Bewegung des Roboterarms des Roboters bzw. zur Steuerung der Bewegung der Bewegungsachsen des Koordinatenmessgeräts.
