DE202013104722U1

DE202013104722U1 - Oberflächenmikrostrukturmessgerät mit modularem Komponentenaufbau

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Publication number: DE202013104722U1
Application number: DE202013104722U
Authority: DE
Original assignee: Breitmeier Messtechnik GmbH
Current assignee: Breitmeier Messtechnik GmbH
Priority date: 2013-10-21
Filing date: 2013-10-21
Publication date: 2013-10-29
Anticipated expiration: 2023-10-22
Also published as: CN203732054U

Abstract

Rauheits- oder Oberflächenmikrostrukturprofil-Messgerät zur Messung der Rauheit oder eines Oberflächenmikrostrukturprofils einer Messobjekt-Oberfläche (8) eines Messobjekts, enthaltend: ein Gehäuse (7); einen Messtaster, der einen Tasthebel (11) umfasst, der im Wesentlichen in dem Gehäuse angeordnet ist oder der vollständig in dem Gehäuse (7) angeordnet ist oder der aus dem Gehäuse herausragt, wobei an dem Tasthebel (11) wenigstens ein Oberflächen-Antastkörper (9) zur berührenden oder berührungslosen oder quasi-berührungslosen Erfassung der Rauheit oder des Oberflächenmikrostrukturprofils der Messobjekt-Oberfläche (8) befestigt ist; einen Antrieb zum Bewegen des Oberflächen-Antastkörpers (9) entlang eines Verfahrweges über eine Abtastweglänge in einer Vorschubrichtung; einen Referenzführungsträger (3) mit einer Referenzebene, an der ein Mess-System-Träger (4) relativ zu der Referenzebene in der Vorschubrichtung verschiebbar geführt anliegt; mindestens ein an dem Mess-System-Träger (4) befestigtes Mess-System zur Erfassung einer Stellung des Oberflächen-Antastkörpers (9) relativ zu der Messobjekt-Oberfläche (8); eine Treiber-, Datenerfassungs- und/oder Auswerte-Elektronik, dadurch gekennzeichnet, dass das Messgerät (10) modular aus leicht auswechselbaren Einzel-Modulen (1, 2, 5, 6, 12) aufgebaut ist, die zumindest ein das Mess-System enthaltendes Mess-Modul (5), ein den Referenzführungsträger (3) und den Mess-Systemträger (4) enthaltendes Referenzführungs-Modul (12), ein den Antrieb enthaltendes Antriebs-Modul (2) und ein die Treiber-, Datenerfassungs- und/oder Auswerte-Elektronik enthaltendes Elektronik-Modul (1) umfassen, die in dem Gehäuse (7) angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Rauheits- oder Oberflächenmikrostrukturprofil-Messgerät zur Messung der Rauheit oder eines Oberflächenmikrostrukturprofils einer Messobjekt-Oberfläche eines Messobjekts mittels eines Oberflächen-Antastkörpers.
Für diesbezüglich geeignete, insbesondere weiche oder empfindliche, Messobjekte, insbesondere Werkstücke, kann eine berührungslose oder quasi-berührungslose Abtastung vorteilhaft sein. In diesem Fall wird kein mechanischer Antastkörper sondern ein optischer, kapazitiver, magnetischer, chemischer, biologischer oder elektro-magnetischer Sensor als „Antastkörper“ eingesetzt, der auch zusätzlich zu einem mechanischen Antastkörper eingesetzt sein kann. Die nachfolgenden Ausführungen beziehen sich auf einen taktilen bzw. berührend messenden Antastkörper, ohne dass damit die Erfindung, insbesondere bezüglich berührungsloser oder quasiberührungsloser „Antastkörper“ bzw. Abtastsensoren, eingeschränkt wird.
Rauheits- und Profilmesstaster sind bewährte und weit verbreitete Messinstrumente zur Beurteilung der geometrischen Oberflächenqualität von Werkstücken, zur Erfassung der Mikrostruktur und der Oberflächenrauheit. Diese Messinstrumente 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.
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 Mess-System, meist induktiv, kapazitiv oder optisch, gemessen, digitalisiert und an die Auswerteelektronik ausgegeben.
Gemessen wird mit einem derartigen Taster ein so genannter Tastschnitt, also ein Linienprofil. Dabei werden sequenziell 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.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Messgerät der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, das sehr einfach und kostengünstig montiert und ebenso einfach durch einen unkomplizierten Austausch von Gerätekomponenten gewartet bzw. repariert werden kann.
Diese Aufgabe wird überraschend einfach durch ein Rauheits- oder Oberflächenmikrostrukturprofil-Messgerät zur Messung der Rauheit oder eines Oberflächenmikrostrukturprofils einer Messobjekt-Oberfläche eines Messobjekts gelöst, mit einem Gehäuse und mit einem 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 wenigstens ein Oberflächen-Antastkörper zur berührenden oder berührungslosen oder quasi-berührungslosen Erfassung der Rauheit oder des Oberflächenmikrostrukturprofils der Messobjekt-Oberfläche befestigt ist, und mit einem mit einem, vorzugsweise motorisierten oder mit einem Aktor gebildeten, Antrieb versehenen Vorschub zum Bewegen des Oberflächen-Antastkörpers entlang eines Verfahrweges über eine Abtastweglänge in einer Vorschubrichtung, und mit einem Referenzführungsträger mit einer Referenzebene, an der ein Mess-System-Träger relativ zu der Referenzebene in der Vorschubrichtung verschiebbar geführt anliegt, und mit mindestens einem an einem Mess-System-Träger befestigten Mess-System zur Erfassung einer Stellung des Oberflächen-Antastkörpers relativ zu der Messobjekt-Oberfläche, und mit einer Treiber-, Datenerfassungs- und/oder Auswerte-Elektronik, wobei das Messgerät modular aus jeweils leicht auswechselbaren, auch als Baugruppen bezeichenbaren, Einzel-Modulen aufgebaut ist, die zumindest ein das Mess-System enthaltendes Mess-Modul, ein den Referenzführungsträger und den Mess-Systemträger enthaltendes Referenzführungs-Modul, ein den Antrieb enthaltendes Antriebs-Modul und ein die Treiber-, Datenerfassungs- und/oder Auswerte-Elektronik enthaltendes Elektronik-Modul umfassen, die in dem Gehäuse angeordnet sind.
Mit anderen Worten geht es bei der Erfindung darum, dass alle wesentlichen Messgeräte-Baugruppen modular zusammengefügt sind und sich einzeln abmontieren lassen. Die Einzel-Module sind jeweils leicht demontierbar bzw. lösbar. Die Anordnung der wesentlichen Baugruppen, die nachfolgend skizziert sind, erfolgt vorzugsweise schichtartig. Auf diese Weise steht eine wartungsfreundliche Geräteversion zur Verfügung. Bedingt durch dieses Konzept kann diese Geräteversion weitere neuartige Merkmale aufweisen.
Die Erfindung betrifft insbesondere ein Oberflächenprofil-Messgerät, bei welchem alle wesentlichen Komponenten, zum Beispiel der Vorschub, die Ansteuerelektronik und das Mess-System 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 Konzeption von Nutzen.
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, 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, insbesondere eines Werkstücks. Das Messgerät ist modular aus einer Reihe leicht auswechselbarer Einzel-Module aufgebaut.
Vorzugsweise können die Einzel-Module schichtartig angeordnet sein.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann vorgesehen sein, dass die das Gerät bestimmenden Teilmodule mittels eindeutiger mechanischer/geometrischer Schnittstellenmerkmale leicht zusammengesteckt und/oder zusammengeschraubt werden können. Die Einzelmodule sind leicht montierbar bzw. wieder montierbar.
Die einzelnen Funktionsmodule können jeweils aus Einzelkomponenten aufgebaut sein. Beispiele für solche Einzelkomponenten sind: Kleine Funktionsplatinen mit elektronischen Teilfunktionen, beispielsweise Endschalter, Führungsleisten, ein Schlitten mit Magneten, Motoren, Gestänge oder ein Kabelbaum.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante kann vorgesehen sein, dass mehrere Einzel-Module der Einzel-Module, in einer Gebrauchsstellung des Messgeräts betrachtet, im Wesentlichen untereinander angeordnet sind.
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass bis auf ein erstes Einzel-Modul alle anderen Einzel-Module, in einer Gebrauchsstellung des Messgeräts betrachtet, im Wesentlichen untereinander angeordnet sind.
Vorzugsweise kann es sich bei dem ersten Einzel-Modul um das Elektronik-Modul handeln.
Gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel kann vorgesehen sein, dass in einer Gebrauchsstellung des Messgeräts betrachtet, das Mess-Modul im Wesentlichen unterhalb des Referenzführungs-Moduls angeordnet ist, das im Wesentlichen unterhalb des Antriebs-Moduls angeordnet ist, das im Wesentlichen unterhalb des Elektronik-Moduls angeordnet ist.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante kann vorgesehen sein, dass die Einzel-Module von einer einzigen Seite, vorzugsweise von der Unterseite, des Gehäuses aus montierbar und demontierbar sind.
Vorzugsweise handelt es sich bei der Unterseite des Gehäuses um diejenige Seite des Gehäuses, die, zum Zwecke oder während der Messung der Rauheit oder des Oberflächenmikrostrukturprofils der Messobjekt-Oberfläche, der Messobjekt-Oberfläche zugeordnet ist und/oder der Messobjekt-Oberfläche gegenüber liegt.
Gemäß einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass der Referenzführungsträger des Referenzführungs-Moduls, vorzugsweise zwei, in einem Abstand und parallel zueinander angeordnete Profilreferenzführungen zur Führung des relativ zu den Profilreferenzführungen und entlang der Profilreferenzführungen des Referenzführungsträgers bewegbaren, insbesondere verschiebbaren, Mess-System-Trägers aufweist, vorzugsweise wobei die Profilreferenzführungen jeweils aus einem Glasstab, insbesondere aus einem stabförmigen Glasquader oder aus einem stabförmigen Glaszylinder, bestehen, und wobei sich der Mess-System-Träger mit Gleitkufen auf den Profilreferenzführungen abstützt.
Die, vorzugsweise zwei, Profilreferenzführungen können aus einem stabförmigen Glasstab, insbesondere aus einem stabförmigen Glasquader oder aus einem stabförmigen Glaszylinder, bestehen. Der Mess-System-Träger kann sich mit Gleitkufen auf den Profilreferenzführungen bzw. Glasquadern abstützen. Die Haltekraft kann durch im Mess-System-Träger integrierte Magnete erzeugt werden, welche sich, vorzugsweise immer oder stets gegenüber mindestens einer ferromagnetischen, vorzugsweise quaderförmigen, Schiene befinden, die parallel zu der Referenzführung bzw. zu den Profilreferenzführungen angebracht ist.
Vorzugsweise kann der Mess-System-Träger als ein Wagen oder Schlitten ausgebildet sein.
Das Messgerät kann mit einem Verschleiß-Mess-System ausgestattet sein, mittels welchem ein Verschleißgrad der Gleitkufen des Mess-System-Trägers, vorzugsweise in Echtzeit, ermittelbar ist oder ermittelt wird. Mit anderen Worten kann das Gerät ein Verschleißmess-System aufweisen, mit welchem der Verschleißgrad der Gleitfüße des Vorschubs, vorzugsweise in Echtzeit, ermittelt wird.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass der Mess-System-Träger an dem Referenzführungsträger mittels magnetischen Haltekräften gehalten ist, die durch in oder an dem Mess-Systemträger integrierte Magnete, vorzugsweise Permanentmagnete, und/oder in oder an dem Referenzführungsträger integrierte Magnete, vorzugsweise Selten-Erd-Magnete, erzeugt sind bzw. werden, welche sich, vorzugsweise immer bzw. ständig, gegenüber mindestens einer ferromagnetischen, vorzugsweise quaderförmigen, Schiene befinden, die parallel zu den Profilreferenzführungen angebracht ist. Vorzugsweise können zwei ferromagnetische Schienen vorgesehen sein. Jede ferromagnetische Schiene kann einer Profilreferenzführung der Profilreferenzführungen zugeordnet sein und/oder nahe einer Profilreferenzführung der Profilreferenzführungen angeordnet sein.
Das Referenzführungs-Modul kann einen, vorzugsweise als Referenzführungsträger dienenden, Rahmen umfassen, in dem die Profilreferenzführungen und/oder die wenigstens eine ferromagnetische Schiene wenigstens teilweise oder im Wesentlichen oder vollständig aufgenommen ist bzw. sind und der die Profilreferenzführungen und/oder die wenigstens eine ferromagnetische Schiene trägt.
Gemäß einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass der Mess-System-Träger wenigstens teilweise oder im Wesentlichen oder vollständig in dem Rahmen relativ zu den Profilreferenzführungen bewegbar, insbesondere verschiebbar, aufgenommen ist und/oder dass der Rahmen wenigstens einen Teil oder einen Großteil des relativ zu den Profilreferenzführungen bewegbaren, insbesondere verschiebbaren, Mess-System-Trägers oder den gesamten Mess-System-Träger vollumfänglich umgreift.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante kann der Rahmen einen Rahmen-Gehäuseteil des Gehäuses bilden.
Gemäß einer Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass sich das Messgerät und/oder das Mess-Modul oder das Mess-System manuell oder motorisch parallel zu einer Tasthebelachse des Tasthebels bzw. parallel zur Hebelachse des Tastsystems drehen lässt.
Gemäß einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass das Antriebs-Modul einen Riemen, einen Zahnriemen oder ein Band, insbesondere ein Metallband, umfasst, der oder das einen daran befestigten Ankoppelungs-Stift trägt, der mit Spiel in eine Bohrung, vorzugsweise in eine Vertikalbohrung, in dem Mess-System-Träger oder in einem daran befestigten Bauteil ragt. Dadurch kann die Übertragung von Schwingungen, insbesondere von Vertikalschwingungen, von dem Vorschub auf den Mess-Systemträger vermieden werden.
Vorzugsweise kann der Ankoppelungs-Stift einen in die Bohrung des Mess-System-Trägers oder des Bauteils ragenden Kugelkopf aufweisen oder tragen.
Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass der Vorschub aus einem Riemen, Zahnriemen oder Metallband besteht und die Ankopplung zu dem das Mess-System tragenden Wagen mittels eines Stiftes, vorzugsweise mit Kugelkopf, erfolgt, wobei der Stiftkopf in eine Bohrung im Wagen ragt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante kann das Antriebs-Modul einen einem Zahnriemen mit angebautem Nippel umfassen, welcher nur in Vorschubrichtung kraftschlüssig an den Mess-System-Träger, beispielsweise einen Verfahrschlitten, ankoppelt. Dadurch wird vermieden, dass antriebsbedingte Vibrationen auf die Profilerfassung übertragen werden.
Gemäß einem ganz besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel kann der Stift bzw. der Stiftkopf, der Nippel oder der Kugelkopf derart, vorzugsweise im Schwerpunkt des Mess-System-Trägers, angeordnet sein, dass Abbé-Fehler bezüglich einer Verschiebung bzw. Fahrbewegung des Mess-System-Trägers bzw. Vorschubschlittens vermieden werden.
Durch die vorgenannten Maßnahmen kann vermieden werden, dass von dem Kopplungselement, insbesondere von dem Stift oder von dem Stiftkopf oder von dem Nippel oder von dem Kugelkopf, ein Dreh- oder Kippmoment auf den Mess-System-Träger übertragen wird.
Zweckmäßigerweise kann vorgesehen sein, dass der Oberflächen-Antastkörper oder der diesen tragende Tasthebel mittels einer Abhebevorrichtung von der Messobjekt-Oberfläche abhebbar ist.
Gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die Abhebevorrichtung eine Exzenterscheibe umfassen, die auf einer Achse eines Motors, vorzugsweise des Mess-Moduls, befestigt ist. Mit anderen Worten kann die Nadelabhebung über eine Exzenterscheibe erfolgen, welche auf der Achse eines Motors befestigt ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Einzel-Module ein Wechselrahmen-Modul umfassen, das aus oder mit einem auswechselbaren Wechselrahmen gebildet ist, in dem das Mess-Modul wenigstens teilweise oder im Wesentlichen oder vollständig aufgenommen ist und/oder der wenigstens einen Teil oder einen Großteil des Mess-Moduls oder das gesamte Mess-Modul vollumfänglich umgreift und der in einer Gebrauchsstellung des Messgeräts der Messobjekt-Oberfläche zugewandt und/oder der Messobjekt-Oberfläche gegenüber liegend angeordnet ist. Mit anderen Worten kann ein dem Messobjekt bzw. Werkstück zugewandter Grundrahmen als ein aufgabenangepasster Wechselrahmen ausgebildet sein.
Gemäß einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel kann vorgesehen sein, dass das Wechselrahmen-Modul oder der Wechselrahmen des Wechselrahmen-Moduls einen Wechselrahmen-Gehäuseteil des Gehäuses bildet.
Zweckmäßigerweise kann der Wechselrahmen mit einer Bodenplatte oder mit einem Bodenblech abgeschlossen sein. Diese kann eine Durchtrittsöffnung für den Oberflächen-Antastkörper aufweisen, durch welche der Oberflächen-Antastkörper insbesondere zumindest dann greift, wenn die Rauheit oder das Oberflächenmikrostrukturprofils der Messobjekt-Oberfläche mittels des Oberflächen-Antastkörpers gemessen wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass das Gehäuse einen rahmenförmigen oder glockenförmigen oder topfförmigen oder kastenförmigen Abdeckungs-Gehäuseteil umfasst, in dem das Elektronik-Modul zumindest teilweise oder im Wesentlichen oder vollständig aufgenommen ist und/oder in dem das Antriebs-Modul zumindest teilweise oder im Wesentlichen oder vollständig aufgenommen ist bzw. sind.
Gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel kann vorgesehen sein, dass das Gehäuse zumindest aus dem Abdeckungs-Gehäuseteil und dem Rahmen-Gehäuseteil, vorzugsweise auch aus dem Wechselrahmen-Gehäuseteil, besteht.
In einer bevorzugten Ausgestaltung kann das Gehäuse topfförmig oder glockenförmig oder als ein kastenförmiger Behälter gestaltet sein.
Vorteilhafterweise kann das Messgerät ein Wegmess-System zur Messung eines Abtastwegs des Oberflächen-Antastkörpers entlang des Verfahrwegs umfassen bzw. kann ein Wegmess-System für den Abtastweg vorhanden sein.
Vorzugsweise kann es sich bei dem Mess-System des Mess-Moduls um ein kapazitives Mess-System handeln, bei welchem eine Änderung der Stellung des Oberflächen-Antastkörpers relativ zu der Messobjekt-Oberfläche mit einer Kapazitätsänderung einhergeht. Die Kapazitätsänderung kann durch Eintauchen mindestens eines an dem Tasthebel befestigten Plättchens aus Bariumtitanat (BaTiO₃) in einen Zwischenraum zwischen mindestens zwei fest montierten Metallplatten zustande kommen. Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass das Mess-System kapazitiv ist und die Kapazitätsänderung durch Eintauchen mindestens eines an dem Tasthebel befestigten BaTiO₃ Plättchens in den Zwischenraum mindestens zweier fest montierter Platten, insbesondere aus Metall, zustande kommt.
Es versteht sich, dass es sich bei dem auch als Abstandsmess-System bezeichenbaren Mess-System nicht nur um ein kapazitives, sondern auch um ein induktives, optisches oder piezoresistives Mess-System handeln kann. Die kapazitive Version kann beispielsweise so gestaltet sein, dass mindestens ein Materialplättchen mit hoher Permittivität, insbesondere aus BaTiO₃, zwischen mindestens zwei feststehende Kondensatorplatten mit geeigneter Größe und Abstand geschoben wird. Dieses Plättchen kann vorzugsweise an dem Tasthebel befestigt sein. Es wird durch das zu messende Oberflächenprofil ausgelenkt. Der Messeffekt kann durch den Einsatz mehrerer Plattenstapel vergrößert werden, so dass die Einzelfläche der Platten entsprechend kleiner gehalten werden kann. Ebenso kann man eine bzw. einen der den Kondensator bildenden Platten oder Plattenstapel am Tasthebel befestigen und diese Platte bzw. den Plattenstapel gegen eine feststehende Platte oder gegen einen feststehenden Plattenstapel durch die Bewegung des Tasthebels annähern.
Die resultierende Kapazitätsänderung kann durch ein Dielektrikum hoher Permittivität vergrößert werden.
Der Tasthebel und damit die Tastnadel können mit einer Feder gegen die Werkstückoberfläche gedrückt werden. Das Mess-Modul kann einen Andruckkraftsensor enthalten. Dazu kann beispielsweise zwischen der Tastnadel und dem Tasthebel ein federndes Zwischenstück, beispielsweise ein kurzes Stück Blattfeder angebracht sein. Deren Verbiegung kann gemessen und/oder gegebenenfalls mit einem Aktor auf eine voreingestellte Biegeamplitude geregelt sein bzw. werden.
Gemäß einer Weiterbildung kann eine Reinigungsvorrichtung vorgesehen sein, welche die Messobjekt-Oberfläche, zumindest über die mittels des Oberflächen-Antastkörpers abzutastende Abtastweglänge bzw. über eine Mess-Strecke, durch Abblasen oder Absaugen von Schmutz befreit. Mit anderen Worten kann ein die Abtastweglänge bzw. Mess-Strecke schmutzabblasendes und/oder -saugendes Element vorhanden sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass der Oberflächen-Antastkörper eine Tastspitze mit einem Tastspitzenradius von kleiner als 10 Mikrometer und/oder eine Tastspitze mit einem Tastspitzenradius von kleiner als 100 Nanometer aufweist.
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.
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.
Die 1 zeigt in einer schematischen Explosionsdarstellung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Dabei handelt es sich um ein Rauheits- oder Oberflächenmikrostruktur-Profil-Messgerät 10 zur Messung der Rauheit oder eines Oberflächenmikrostrukturprofils einer Messobjekt-Oberfläche 8 eines Messobjekts.
Erfindungsgemäß sind alle funktionell wesentlichen Funktionseinheiten bzw. Komponenten oder Baugruppen des Messgeräts 10, vorzugsweise schichtweise, modular, insbesondere untereinander, in dem Gehäuse 7 angeordnet bzw. zusammen gefügt. Es können dies insbesondere die folgenden Hauptfunktionseinheiten sein: Ein Mess-System, ein Profilreferenzführungsträger 3, ein Mess-Systemträger 4, vorzugsweise in Form eines Vorschubwagens, ein Antriebsmodul 2, ein Wechselrahmen 6 sowie eine Elektronik 1. Dabei kann es sich um einen Elektronikteil oder um die gesamte Elektronik handeln.
Das Messgerät 10 beinhaltet ein Gehäuse 7, ein Elektronik-Modul 1, umfassend eine aus einer Platine oder aus mehreren Platinen bestehende Elektronik zur Steuerung des Gerätes 10 und zur Datenerfassung. Vorzugsweise umfasst die Elektronik eine Schnittstelle zu einem Computer und/oder ein Funkmodul und/oder einen Akku zur Stromversorgung, wobei diese Bauteile nicht gezeigt sind.
Die in 1 von oben nach unten betrachtet nächste Ebene bzw. das in der vorhergehenden Diktion nächste Funktionsmodul ist das Antriebs-Modul 2 mit einem Antrieb, beispielsweise bestehend aus einem Motor, aus einem Zahnriemen, aus Umlenkrollen und einem Mitnehmerzapfen.
Das nächste Funktionsmodul ist ein Referenzführungs-Modul 3. Es umfasst einen „Rahmen“, der Führungsleisten 4a mit parallel angeordneten ferromagnetischen Leisten 4c beinhaltet. Das Referenzführungs-Modul 3 umfasst ferner einen sich nach unten anschließenden, auch mit Mess-System-Träger 4 bezeichneten Vorschubschlitten. Dieser besteht aus einem Schlittenträger mit Gleitkufen 4b sowie mit nicht gezeigten Magneten als Halteelemente zum Halten des Vorschubschlittens 4 mit seinen Gleitkufen 4b auf den Gleitschienen bzw. Führungsleisten 4a des Rahmens 3.
Das an dem Mess-Systemträger 4 bzw. Schlitten befestigte Mess-Modul 5 umfasst einen Tasthebel 11 mit einer auch als Oberflächen-Antastkörper bezeichneten Tastnadel 9, ein die Auslenkung des Tasthebels 11 messendes optisches, kapazitives, piezoresistives oder induktives, nicht näher gezeigtes Mess-System, eine ebenfalls nicht gezeigte motorische Tastnadelabhebung sowie weitere nicht gezeigte Funktionselemente wie beispielsweise Endschalter und Vorverstärker-Elektronik.
Abgeschlossen wird die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 durch den Wechselrahmen eines Wechselrahmen-Moduls 6 und ein daran lösbar befestigtes Bodenblech. Dieses weist eine, vorzugsweise langgestreckte, Durchgangsöffnung für die Tastnadel 9 auf.
Der in 1 gezeigte Rauheits- oder Profilmesstaster bzw. das Messgerät 10 weist die Tastnadel 9 zur Erfassung des Oberflächenprofils der Messobjekt-Oberfläche 8 auf. Die Tastnadel 9 ist vorzugsweise am Ende eines Tasthebels 11 angebracht und zeigt in Richtung der Messobjekt- bzw. Werkstückoberfläche 8. Der Tasthebel 11 ist über ein Drehlager oder ein Blattfederlager in dem Mess-System-Träger 4 gelagert. Zur Erfassung bzw. Messung des Mikrostrukturprofils bzw. der Rauheit der Messobjekt- bzw. Werkstückoberfläche 8 wird die Tastnadel 9 mittels eines nicht näher gezeigten Motors des Antriebs-Moduls 2 über die Messobjekt-bzw. Werkstückoberfläche 8 bewegt, insbesondere gezogen. Diese Vorschubbewegung wirkt auf den Mess-System-Träger 4 und erfolgt beispielsweise über eine Spindel, einen Seilzug, ein Band oder dergleichen. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Mess-Systemträger 4 um ein in sich abgeschlossenes Modul, welches das Mess-System beinhaltet, welches seinerseits aus Einzelkomponenten zusammengesetzt ist. Bei der Abtastung der Oberfläche 8 folgt die Tastspitze der Tastnadel 9 der Oberflächenkontur der Oberfläche 8 des Messobjekts bzw. Werkstücks. Die durch die Messobjekt- bzw. Werkstückoberfläche 8 über die Tastspitze induzierte Auslenkung wird von einem geeigneten Mess-System, meist induktiv, kapazitiv, piezoelektrisch oder optisch, gemessen, digitalisiert und an die Auswerteelektronik 1 ausgegeben.
Weiterhin kann für viele Anwendungsfälle an dem Gehäuse 7 bzw. an dem Rahmen 6 ein auch als Tastrüssel bezeichenbarer, vorzugsweise rohrförmiger bzw. im Querschnitt U-förmiger, nicht gezeigter Schutzkörper zum Schutz des Tasthebels 11 und/oder des Oberflächen-Antastkörpers 9 gegen Beschädigungen vorhanden sein.
Beim Einsatz des Messgerätes 10 in einer Produktionsumgebung ist es sinnvoll, die Messobjekt- bzw. Werkstückoberfläche 8 vor der Abtastung zu reinigen. Dazu kann beispielsweise eine Schmutzabsaugvorrichtung, insbesondere eine Ölabsaugvorrichtung und/oder eine Partikelabsaugvorrichtung, an dem Messgerät 10 angebracht sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass eine Referenzführung wie folgt ausgeführt ist. Der das Mess-System tragende Schlitten 4 hat mindestens drei Auflagepunkte bzw. Gleitpunkte 4b, beispielsweise aus Polytetrafluoräthylen (PTFE), aus Rubin, oder aus einem ähnlichen Material, welche auf einem aus zwei polierten Glasschienen 4a gebildeten Glasschienenpaar gleiten. Die individuelle Glasschiene 4a kann beispielsweise rund bzw. kreiszylindrisch oder quaderförmig sein. Parallel zu den Glasschienen 4a verlaufen ein oder mehrere weitere Schienen 4c aus einem ferromagnetischen Material, insbesondere aus Reineisen. Der Schlitten 4, der mittels der Gleitkufen 4b auf dem Glasschienenpaar 4a entlang geführt wird, weist mehrere nicht gezeigte Magnete auf, welche gegenüber den ferromagnetischen Schienen 4c angebracht sind und welche den Schlitten 4 durch magnetische Anziehung auf den Glasschienen 4a halten.
Gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel kann vorgesehen sein, dass der das Gehäuse 7 abschließende Rahmen, der wie alle beschriebenen Funktionsmodule leicht auswechselbar ist, als applikationsspezifischer auswechselbarer Wechselrahmen 6 ausgebildet ist und der somit der jeweiligen Messaufgabe angepasst gestaltet sein bzw. werden kann. Ebenso lässt bzw. lassen sich der Tasthebel 11 und gegebenenfalls das Mess-System 5 leicht austauschen gegen ein für die jeweilige Anwendung geeignetes Bauteil bzw. gegen für die jeweilige Anwendung geeignete Bauteile.
Gemäß einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsvariante kann vorgesehen sein, dass der Wechselrahmen 6 Merkmale aufweist, beispielsweise eine seitliche Nut oder Rille 6a, um ein Kalibrierstück ohne Werkzeug und im richtigen Abstand an dem Messtaster befestigen zu können, beispielsweise durch einfaches Aufschieben auf den Wechselrahmen 6 mittels der erwähnten seitlichen Nut oder Rille 6a.
Weiterhin kann die Vorder- und Rückseite des Wechselrahmens 6 eine Führungsstruktur, beispielsweise eine bogenförmige, insbesondere kreisförmige, Nut oder Rille, aufweisen, welche eine manuelle oder motorische Schwenkung des Messgerätes um eine Achse, insbesondere seine Längsachse, ermöglicht, vorzugsweise um ein Kreissegment mit der Tastspitze der Tastnadel 9 im Mittelpunkt.
Die Erfindung kann auch wie folgt zusammen gefasst werden:
Die Erfindung betrifft ein Oberflächenmikrostrukturmessgerät 10, bei dem alle funktionell essentiellen Komponenten als auswechselbare Module 1, 2, 5, 6, 12 innerhalb eines Gehäuses 7 angeordnet sind.
Bezugszeichenliste

1: Elektronik-Modul/Elektronik
2: Antriebs-Modul/Antrieb
3: Rahmen/(Profil-)Referenzführungsträger/Träger
4: Mess-System-Träger/(Vorschub-)Schlitten/(Vorschub-)Wagen/Träger

4a: (Profil-)Referenzführung/(Glas-)Schiene/(Gleit-)Schiene/Führungsleiste/(Glas-)Schienenpaar
4b: Auflagepunkt/Gleitpunkt/Gleitkufe
4c: (ferromagnetische) Schiene/Leiste
5: Mess-Modul/Mess-System
6: (Wechsel-)Rahmen-Modul/(Wechsel-)Rahmen
6a: Rille/Nut
7: Gehäuse
8: Messobjekt-Oberfläche/Werkstück-Oberfläche
9: Oberflächen-Antastkörper/Tastnadel
10: Messgerät/Oberflächenmikrostruktur-Profil-Messgerät/Vorrichtung
11: Tasthebel
12: Referenzführungs-Modul

Claims

Rauheits- oder Oberflächenmikrostrukturprofil-Messgerät zur Messung der Rauheit oder eines Oberflächenmikrostrukturprofils einer Messobjekt-Oberfläche (8) eines Messobjekts, enthaltend: ein Gehäuse (7); einen Messtaster, der einen Tasthebel (11) umfasst, der im Wesentlichen in dem Gehäuse angeordnet ist oder der vollständig in dem Gehäuse (7) angeordnet ist oder der aus dem Gehäuse herausragt, wobei an dem Tasthebel (11) wenigstens ein Oberflächen-Antastkörper (9) zur berührenden oder berührungslosen oder quasi-berührungslosen Erfassung der Rauheit oder des Oberflächenmikrostrukturprofils der Messobjekt-Oberfläche (8) befestigt ist; einen Antrieb zum Bewegen des Oberflächen-Antastkörpers (9) entlang eines Verfahrweges über eine Abtastweglänge in einer Vorschubrichtung; einen Referenzführungsträger (3) mit einer Referenzebene, an der ein Mess-System-Träger (4) relativ zu der Referenzebene in der Vorschubrichtung verschiebbar geführt anliegt; mindestens ein an dem Mess-System-Träger (4) befestigtes Mess-System zur Erfassung einer Stellung des Oberflächen-Antastkörpers (9) relativ zu der Messobjekt-Oberfläche (8); eine Treiber-, Datenerfassungs- und/oder Auswerte-Elektronik, dadurch gekennzeichnet, dass das Messgerät (10) modular aus leicht auswechselbaren Einzel-Modulen (1, 2, 5, 6, 12) aufgebaut ist, die zumindest ein das Mess-System enthaltendes Mess-Modul (5), ein den Referenzführungsträger (3) und den Mess-Systemträger (4) enthaltendes Referenzführungs-Modul (12), ein den Antrieb enthaltendes Antriebs-Modul (2) und ein die Treiber-, Datenerfassungs- und/oder Auswerte-Elektronik enthaltendes Elektronik-Modul (1) umfassen, die in dem Gehäuse (7) angeordnet sind.
Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzel-Module (1, 2, 5, 6, 12) schichtartig angeordnet sind.
Messgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Einzel-Module (2, 5, 6, 12) der Einzel-Module (1, 2, 5, 6, 12), in einer Gebrauchsstellung des Messgeräts (10) betrachtet, im Wesentlichen untereinander angeordnet sind.
Messgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bis auf ein erstes Einzel-Modul alle anderen Einzel-Module (2, 5, 6, 12) in einer Gebrauchsstellung des Messgeräts betrachtet, im Wesentlichen untereinander angeordnet sind.
Messgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem ersten Einzel-Modul um das Elektronik-Modul (1) handelt.
Messgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, in einer Gebrauchsstellung des Messgeräts betrachtet, das Mess-Modul (5) im Wesentlichen unterhalb des Referenzführungs-Moduls (12) angeordnet ist, das im Wesentlichen unterhalb des Antriebs-Moduls (2) angeordnet ist, das im Wesentlichen unterhalb des Elektronik-Moduls (1) angeordnet ist.
Messgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzel-Module (1, 2, 5, 6, 12) von einer einzigen Seite des Gehäuses (7) aus montierbar und demontierbar sind.
Messgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzel-Module (1, 2, 5, 6, 12) von der Unterseite des Gehäuses (7) aus montierbar und demontierbar sind.
Messgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Unterseite des Gehäuses (7) um diejenige Seite des Gehäuses (7) handelt, die, zum Zwecke oder während der Messung der Rauheit oder des Oberflächenmikrostrukturprofils der Messobjekt-Oberfläche (8), der Messobjekt-Oberfläche (8) zugeordnet ist und/oder der Messobjekt-Oberfläche (8) gegenüber liegt.
Messgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzführungsträger (3) des Referenzführungs-Moduls (12) zwei in einem Abstand und parallel zueinander angeordnete Profilreferenzführungen (4a) zur Führung des relativ zu den Profilreferenzführungen (4a) und entlang der Profilreferenzführungen (4a) bewegbaren Mess-System-Trägers (4) aufweist, wobei die Profilreferenzführungen (4a) jeweils aus einem stabförmigen Glasquader bestehen, und wobei sich der Mess-System-Träger (4) mit Gleitkufen (4b) auf den Profilreferenzführungen (4a) abstützt.
Messgerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass dieses ein Verschleiß-Mess-System aufweist, mittels welchem ein Verschleißgrad der Gleitkufen (4b) des Mess-System-Trägers (4) ermittelbar ist oder ermittelt wird.
Messgerät nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Mess-System-Träger (4) an dem Referenzführungsträger (3) mittels magnetischen Haltekräften gehalten ist, die durch in oder an dem Mess-Systemträger (4) integrierte Magnete erzeugt sind, welche sich gegenüber mindestens einer ferromagnetischen quaderförmigen Schiene (4c) befinden, die parallel zu den Profilreferenzführungen (4a) angebracht ist.
Messgerät nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzführungs-Modul (12) einen Rahmen umfasst, in dem die Profilreferenzführungen (4a) und/oder die wenigstens eine ferromagnetische Schiene (4c) aufgenommen ist und der die Profilreferenzführungen (4a) und/oder die wenigstens eine ferromagnetische Schiene (4c) trägt.
Messgerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Mess-System-Träger (4) in dem Rahmen relativ zu den Profilreferenzführungen (4a) bewegbar aufgenommen ist und/oder dass der Rahmen wenigstens einen Teil des relativ zu den Profilreferenzführungen (4a) bewegbaren Mess-System-Trägers (4) vollumfänglich umgreift.
Messgerät nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen einen Rahmen-Gehäuseteil des Gehäuses bildet.
Messgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich dieses und/oder das Mess-Modul (5) manuell oder motorisch parallel zu einer Tasthebelachse des Tasthebels (11) drehen lässt.
Messgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebs-Modul (2) einen Riemen, einen Zahnriemen oder ein Band umfasst, der oder das einen daran befestigten Ankoppelungs-Stift trägt, der mit Spiel in eine Bohrung in dem Mess-System-Träger (4) ragt.
Messgerät nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Ankoppelungs-Stift einen in die Bohrung des Mess-System-Trägers (4) ragenden Kugelkopf aufweist oder trägt.
Messgerät nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Kugelkopf derart angeordnet ist, dass Abbé-Fehler bezüglich einer Verschiebung des Mess-System-Trägers (4) vermieden werden.
Messgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächen-Antastkörper (9) oder der diesen tragende Tasthebel (11) mittels einer Abhebevorrichtung von der Messobjekt-Oberfläche (8) abhebbar ist, die eine Exzenterscheibe umfasst, die auf einer Achse eines Motors des Mess-Moduls befestigt ist.
Messgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzel-Module (1, 2, 5, 6, 12) ein Wechselrahmen-Modul (6) umfassen, das aus oder mit einem auswechselbaren Wechselrahmen gebildet ist, in dem das Mess-Modul (5) wenigstens teilweise aufgenommen ist und/oder der wenigstens einen Teil des Mess-Moduls (5) vollumfänglich umgreift und der in einer Gebrauchsstellung des Messgeräts (10) der Messobjekt-Oberfläche (8) zugewandt und/oder der Messobjekt-Oberfläche (8) gegenüber liegend angeordnet ist.
Messgerät nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Wechselrahmen-Modul (6) oder der Wechselrahmen des Wechselrahmen-Moduls (6) einen Wechselrahmen-Gehäuseteil des Gehäuses bildet.
Messgerät nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrahmen mit einer Bodenplatte oder mit einem Bodenblech abgeschlossen ist, die eine Durchtrittsöffnung für den Oberflächen-Antastkörper (9) aufweist, durch welche der Oberflächen-Antastkörper (9) zumindest dann greift, wenn damit die Rauheit oder das Oberflächenmikrostrukturprofils der Messobjekt-Oberfläche (8) gemessen wird.
Messgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (7) einen rahmenförmigen oder glockenförmigen oder topfförmigen oder kastenförmigen Abdeckungs-Gehäuseteil umfasst, in dem das Elektronik-Modul (1) zumindest teilweise oder ganz und das Antriebs-Modul (2) zumindest teilweise oder ganz aufgenommen sind.
Messgerät nach Anspruch 15, 22 und 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse zumindest aus dem Abdeckungs-Gehäuseteil, dem Rahmen-Gehäuseteil und dem Wechselrahmen-Gehäuseteil besteht.
Messgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (7) topfförmig oder glockenförmig oder als ein kastenförmiger Behälter gestaltet ist.
Messgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses ein Wegmess-System zur Messung eines Abtastwegs des Oberflächen-Antastkörpers (9) entlang des Verfahrwegs umfasst.
Messgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Mess-System des Mess-Moduls (5) um ein kapazitives Mess-System handelt, bei welchem eine Änderung der Stellung des Oberflächen-Antastkörpers (9) relativ zu der Messobjekt-Oberfläche (8) mit einer Kapazitätsänderung einhergeht.
Messgerät nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazitätsänderung durch Eintauchen mindestens eines an dem Tasthebel (11) befestigten Plättchens aus Bariumtitanat in einen Zwischenraum zwischen mindestens zwei fest montierten Metallplatten zustande kommt.
Messgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Reinigungsvorrichtung vorgesehen ist, welche die Messobjekt-Oberfläche zumindest über die mittels des Oberflächen-Antastkörpers abzutastende Abtastweglänge durch Abblasen oder Absaugen von Schmutz befreit.
Messgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächen-Antastkörper (9) eine Tastspitze mit einem Tastspitzenradius von kleiner als 10 Mikrometer und/oder eine Tastspitze mit einem Tastspitzenradius von kleiner als 100 Nanometer aufweist.