WO1996035105A2 - Vorrichtung zur ermittlung von auf einen messkopf wirkenden kräften und deren verwendung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Härte von Stoffen, wie Metalle, Keramiken, Kunststoffe, Gummis, Naturprodukte (z.B. Gestein, Holz, Lebensmittel, Obst) u.a. Stoffen. Außerdem kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kompressionsmessung, für Spannungs-/Dehnungsmessungen, Viskositätsprüfungen, zur Haft-, Gleit- und Rollreibungskraftmessung, zur Schichtdickenmessung (nach Knoop), Bestimmung des E-Moduls, des Schubmoduls (G-Modul) bei oszillierender Bewegung eines Meßkopfes und zur Bestimmung von Versagenskriterien (wie Bruchversuche oder Ausstoßversuch einer Tablette aus einer Verpackung) eingesetzt werden. Die Vorrichtung soll einfach aufgebaut und universell einsetzbar sein sowie über eine hohe Meßgenauigkeit verfügen. Dabei wird eine auf einen Meßkopf, infolge einer mittels eines Meßkopfantriebes definiert vorgegebenen Bewegung des Meßkopfes auf diesen wirkende Kraft bestimmt, indem ein piezoelektrisches Stellglied, mindestens eine Einheit (18) mit großer Vorschubwegauflösung, in Kombination mit anderen Einheiten (17) oder den Meßkopfantrieb allein bildet und der Meßkopfantrieb mit einer Einrichtung (16) zur Messung des Vorschubweges und mit einer Kraftmeßeinrichtung (15) kombiniert ist.

Description

Vorrichtung zur Ermittlung von auf einen Heßkopf wirkende Kräfte und deren Verwendung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und deren Verwendung zur Bestimmung der Härte von Stoffen. Wie Metalle, Kera¬ miken, Kunststoffe, Gummis, Naturprodukte (z.B. Ge¬ stein, Holz, Lebensmittel, Obst) u. a. Stoffen. Au¬ ßerdem kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kom- pressions essung, für Spannungε-/Dehnungsmessungen, Viskositätsprüfungen, zur Haft-, Gleit- und Rollrei- bunbungskraftmessung, Bestimmung des E-Moduls zur Schichtdickenmessung (nach Knoop) des Schubmoduls (G- Modul) bei oszillierender Bewegung eines Meßkopfes und zur Bestimmung von Versagenskriterien (wie Bruch¬ versuche oder Ausstoßversuch einer Tablette aus einer Verpackung) eingesetzt werden.

Bisher ist es üblich, bei den einschlägigenen Meßver- fahren und den dabei verwendeten Vorrichtungen, bei- spielsweise wie daß bei der Härtemessung der Fall ist, die benötigten Kräfte mittels Gewichten, Federn oder unter Verwendung fluidischer Medien erzeugt wer¬ den. Es ist auch üblich, elektromotorische Antriebe, wie z. B. Synchron- oder Schrittmotore zu verwenden. Ebenso kommen auch elektromagnetische Stellelemente, wie Permanentmagnete und Tauchspulen zur Anwendung. Bei diesen bekannten Arten der Krafterzeugung steht jedoch das Problem der Kraftaufbringung vorallem. Die bekannten Lösungen haben den gemeinsamen Nachteil, daß sie bezüglich der aufbringbaren Kräfte und der Einstellung des Arbeitsweges nur begrenzt regelbar sind. Wird beispielsweise die Kraft durch die Absen¬ kung eines Gewichtes aufgebracht, kann die Vorschub- geschwindigkeit nur mit einer Gewichtsbremse geregelt werden. Eine aktive Kraftregelung ist so nicht mög¬ lich. Für viele Anwendungsfälle ist jedoch eine akti¬ ve Regelung der aufzubringenden Kraft in bezug zum Vorschubweg und/oder auch zeitabhängig erforderlich. Ebenso nachteilig ist es, daß die bekannten Lösungen in der Regel nicht multifunktioneil einsetzbar sind. Es handelt sich dabei um stationäre Geräte, die nur für eine Meßaufgabe einsetzbar sind. Ein weiterer Nachteil der bekannten Lösungen besteht in der oft nicht ausreichenden Meßgenauigkeit.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, die einfach aufgebaut ist, universell einsetzbar ist und eine hohe Meßgenauigkeit gewähr- leistet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn¬ zeichnenden Teil des Patentanspruch 1 genannten Merk¬ male gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich bei Ver- wendung der in den untergordneten Ansprüchen genann¬ ten Merkmale.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist zuminde- stens eine Einheit eines Meßkopfantriebes als piezo¬ elektrisches Stellglied ausgebildet, das den Meßkopf mit höchster Genauigkeit, durch sehr große Vorschub¬ auflösung, translatorisch gegen den zu messenden Stoff beziehungsweise den Körper bewegt. Dabei ist es vorteilhaft, an den Meßkopf eine Kraftmeßeinrichtung und eine Einrichtung zur Messung des Vorschubweges angreifen zu lassen. Die Vorschubwegauflösung, der durch das piezoelektrische Stellglied gebildeten Ein¬ heit des Meßkopfantriebes sollte im Bereich von 0,1 μm oder kleiner liegen.

Die Einsetzbarkeit der erfinungsgemäßen Vorrichtung kann sich durch die Verwendung zusätzlicher Einhei¬ ten, für den Meßkopfantrieb erhöhen. Die verwendeten Einheiten sollten dabei verschiedene Vorschubwegauf¬ lösungen von klein bis mittel aufweisen. Wobei die kleine Vorschubwegauflösung im Bereich von etwa 1 μm liegt.

Bevorzugt werden die verschiedenenen Einheiten des

Meßkopfantriebes seriell hintereinander angeordnet und können alternativ zueinander den Vorschub des Meßkopfes je nach eigener Möglichkeit durchführen. So ist beispielsweise die Einheit, die eine kleine Vor- schubwegauflösung ermöglicht, ein elektromagnetischer Antrieb. Dieser Antrieb ist bevorzugt dazu einsetz¬ bar, den Meßkopf bis hin zu oder zumindestens in die direkte Nähe des zu messenden Stoffes bzw. Körpers zu bewegen. Dieser Antrieb kann auch verwendet werden, wenn die Meßaufgabe keine hochgradige Genauigkeit erfordert.

Wird eine höhere Meßgenauigkeit gewünscht, kann die Einheit des Meßkopfantriebes aktiviert werden, die eine mittlere Vorschubwegauflösung erreicht. Kommt es auf höchste Meßgenauigkeit an, wird nach erreichen der Oberfläche des Stoffes bzw. des Körpers, die Ein¬ heit mit der größten Vorschubwegauflösung aktiviert. Dabei ist vor dem eigentlichen Meßvorgang zu überprü¬ fen, ob sich das hierfür verwendete piezoelektrische Stellglied in Ausgangsstellung befindet oder nicht.

Vorteilhaft ist es, wenn das piezoelektrische Stell- glied beim Anfahren an das eigentliche Meßobjekt, bis zur Berührung, durch-Anlegen einer Spannung vorge¬ spannt ist, um Beschädigungen in der Vorschubphase zu vermeiden. Erst nach Erfassung einer Berührung, vor dem Meßvorgang, wird das piezoelektrische Stellglied in die Ausgangsstellung zurück versetzt.

Mit einem solchen Stellglied sind Vorschubwege von etwa 100 μm ohne weiters erreichbar und über den ge¬ samten Vorschubweg ist eine exakte Einstellbarkeit möglich.

Insbesondere für den Vorschub mit mittlerer Vorschub¬ wegauflösung sind piezoelektrische Antriebe geeignet, die Vorschubbewegungen über einen etwas größeren Vor- schubweg ermöglichen, als dies bei den piezoelektri¬ schen Stellgliedern der Fall ist. Zur Einhaltung ei¬ ner hohen Meßgenauigkeit ist es günstig, die Kraft¬ meßeinrichtung, die ein bekannter Kraftsensor sein kann, direkt zwischen Meßkopf und Meßkopfantrieb an- zuordnen und so bei der Kraftmessung der Quer- kraftkomponenten von vornherein weitestgehend auszu¬ schließen.

Aus Platzgründen kann dabei aber auch die Kraftmeß- einrichtung parallel zum Meßkopfantrieb angeordnet sein. Vorteilhaft ist es, die Kraftmeßeinrichtung austauschbar zu gestalten, um dem entsprechenden An¬ wendungszweck insbesondere in bezug auf Meßgenauig¬ keit und Meßbereich angepaßte Kraftmeßeinrichtungen verwenden zu können.

Für die verschiedensten, weiteren Anwendungen ist es ebenfalls günstig, den Vorschubweg des Meßkopfes ge¬ nau zu messen und dazu die Einrichtung zur Messung des Vorschubweges starr mit dem Meßkopf zu verbinden. Dabei ist es ebenfalls günstig, wenn die Einrichtung zur Messung des Vorschubweges entsprechend ausge¬ tauscht werden kann und so eine Anpassung an ver¬ schiedene Meßbedinguήgen möglich wird.

Zur Bestimmung des Vorschubweges können die verschie¬ densten bekannten optischen Wegmeßsysteme eingesetzt werden. Beispielsweise ist dabei die Verwendung einer Schlitzscheibe, mit einer aus Lichtquelle und Licht- empfänger gebildeten Lichtschranke ebenso möglich, wie Lasersysteme mit einem Encoder, wobei beispiels¬ weise ein Michelson-/Interferometer eingesetzt wer¬ den.

Es können aber auch andere Meßverfahren zur Bestim¬ mung des Vorschubweges des Meßkopfes eingesetzt wer¬ den. Hierfür können bekannte Abstandserfassungssyste¬ me, wie beispielsweise ein Mikrowellensystem, eine Resonanzsonde, kapazitive oder induktive Sensoren eingesetzt werden. Neben diesen genannten Mög- lichkeiten können auch auf Folien aufgebrachte Dehn¬ meßstreifen für die Ermittlung des Abstandes oder des Vorschubweges des Meßkopfes eingesetzt werden.

Vorteilhaft ist es, wenn die erfindungsgemäße Vor¬ richtung so ausgebildet ist, daß der Meßkopf oder die Meßkopfspitze je nach zu verwirklichender Meßaufgabe durch entsprechenden Austausch an diese angepaßt wer¬ den kann. Eine besonders vorteilhafte Möglichkeit besteht, neben den bekannten mechanischen Verbindun¬ gen darin, daß der Meßkopf in der Vorrichtung durch magnetische oder elektromagnetische Kräfte gehalten ist. Dadurch kann er auf einfache Weise entfernt und durch einen neuen ersetzt werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit, den Meßkopf mechanisch mit

Schrauben, Gewinden, Bolzen, Stiften u. a. zu befe¬ stigen. Außerdem ist bei entsprechender Formgebung von Meßkopf und Meßkopfaufnähme gewährleistet, daß Spielfreiheit zwischen beiden Teilen besteht und so kein negativer Einfluß auf die gemessenen Meßsignale auftritt.

Wird die Vorschubbewegung von den Einheiten des Me߬ kopfantriebes durch Rotation auf den Meßkopf übertra- gen, erfolgt dies vorteilhaft über eine im Gehäuse axial und radial spielfrei gelagerte Antriebswelle, die in Vorschubrichtung vorgespannt ist. Der Antrieb der Antriebswelle erfolgt dabei einmal durch die Ein¬ heit mit kleiner Vorschubwegauflösung oder die Ein- heit mit mittlerer Vorschubwegauflösung. Der Vor¬ schub, der mit dem piezoelektrischen Stellglied rea¬ lisiert wird erfolgt ausschließlich translatorisch, durch dessen geometrische Ausdehnung. Eine weitere Verbesserung der erfindungsgemäßen Vor¬ richtung ist dadurch erreichbar, daß sowohl die An¬ triebswelle als auch das piezoelektrische Stellglied rohrförmig ausgebildet sind und es dadurch möglich ist, ein optisches Wegmeßsystem im Inneren der Vor¬ richtung anzuordnen, was dazu führt, daß die Baugröße für die Vorrichtung verringert wird und gleichzeitig der Einfluß von Streulicht bei der Messung des Vor¬ schubweges verhindert wird.

Für den Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es ebenfalls günstig, wenn diese so ausgebildet ist, daß ein einfacher Austausch des piezoelektrischen Stellgliedes möglich ist. Durch den Austausch des piezoelektrischen Stellgliedes ist eine Anpassung an verschiedene Vorschubwege und eine Anpassung der Vor¬ schubauflösung möglich. Beides führt dazu, daß die Vorrichtung in bezug auf die Meßaufgabe weiter opti¬ miert wird und für den Fall der Zerstörung des piezo- elektrischen Stellgliedes die Ausfallzeit stark redu¬ ziert werden kann, da eine zeitaufwendige Reperatur in einer Werkstatt nicht erforderlich ist.

Nachfolgend soll die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben werden. Nach einer entspre¬ chenden Eichung und Initialisierung werden nach Ein¬ schalten der Vorrichtung die Signale, aller elektri¬ schen Komponenten der Vorrichtung in eine zentrale Steuereinheit eingelesen. Dies sind die tatsächlichen von den einzelnen Einheiten des Meßkopfantriebes rea¬ lisierten Vorschubwege, die mit der Vorschubmeßein¬ richtung erfaßt worden sind und die mit dem Kraftsen¬ sor gemessene Kraft. Mit dem Einlesen dieser Werte in die zentrale Steuereinheit können diese Anfangspara- meter auf einem Bildschirm dargestellt werden und die momentane Position der erfindungsgemäßen Vorrichtung insbesondere der des Meßkopfes kann der Bediener er¬ kennen und weiter reagieren. Der Bediener kann dann durch Eingabe von Positonierbefehlen die Vorrichtung dazu veranlassen, daß die für eine Messung erforder¬ liche Position angefahren wird. Hierbei werden je nach zu realiserendem Vorschubweg die einzelnen Ein¬ heiten des Meßkopfantriebes aktiviert. Der elektroma¬ gnetische Antrieb mit kleiner Vorschubwegauflösung ist für das grobe Anfahren des Meßkopfes zuständig.

Besteht der Meßkopf aus drei verschiedenen Einheiten, wird der letzte Teil der Vorschubbewegung des Meßkop¬ fes bis nahezu zur Berührung des Meßkopfes mit dem Meßobjekt bzw. des Stoffes mit Hilfe der Einheit durchgeführt, die eine mittlere Vorschubauflösung erreicht. Erfaßt dann beispielsweise der Kraftsensor, daß auf den Meßkopf eine Kraft wirkt, wird der Vor¬ schub des Meßkopfes sofort angehalten und auf dem Bildsschirm angezeigt, daß eine Kraft erfaßt worden ist. Dies führt dazu, daß eine Beschädigung verhin¬ dert wird oder ein unnötiger, unerwünschter Meßvor¬ gang nicht ausgelöst werden kann. Dieser kurze Zwi¬ schenhalt kann durch eine weitere Eingabe des Bedie¬ ners beendet und der Meßvorgang kann durchgeführt werden. Insbesondere bei der Härtemessung wird der Vorschub nach Berührung des Meßkopfes allein vom piezoelektrischen Stellglied realisiert und die auf¬ zubringende Kraft kann gleichmäßig ohne störende Ein¬ flüsse aufgebracht werden.

Der Betrieb der Vorrichtung kann aber auch automa¬ tisch unter Nutzung abgespeicherter Prüfprogramme, z.B. für Serienmessungen, erfolgen. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können ver¬ schiedene Betriebsarten ausgewählt und durchgeführt werden. Eine Betriebsart ist die wegabhängige Rege¬ lung. Sie kann einmal mit den Einheiten des Meßkopf- antriebes durchgeführt werden, die über die kleinste Vorschubwegauflösung, über die Einheit mit der mitt¬ leren Vorschubwegauflösung oder die große Vorschub¬ wegauflösung verfügen. In beiden Fällen wird über eine Eingabeeinheit der Verfahrweg vorgegeben, d. h. einmal für die grobe Einstellung des Vorschubweges, die durch den elektromagnetischen Antrieb anzusteu¬ ernde Position und für die etwas feinere Vorschubbe¬ wegungseinstellung die vom piezoelektrischen Antrieb anzusteuernde Position eingegeben wird.

Wird die Antriebsbewegung des elektromagnetischen oder des piezoelektrischen Antriebes über eine An¬ triebswelle auf den Meßkopf übertragen, so sollte die Antriebswelle mit den Antrieben über eine torsions- steife, mechanische oder elektromagnetische Kupplung mit dem Schaft der Antriebswelle verbunden sein. Da¬ bei ist die Antriebswelle in einer Antriebswellenmut¬ ter spielfrei geführt und die Antriebswellenmutter wird in Linearführungen spielfrei in der erfindungs- gemäßen Vorrichtung gehalten. So wird durch Drehung der Antriebe eine nahezu spielfreie Linearbewegung der zusätzlich angebrachten Einheit des Meßkopfan¬ triebes mit der großen Vorschubwegauflösung, dem dar¬ an befestigten Kraftdetektorsystems und dem Meßkopf erreicht. Das Umkehr- und Axialspiel kann je nach Vorspannung der Spindelmutter ca. 1 μm sein.

Die letztgenannte Einheit des Meßkopfantriebes wird dann für die Feinmessung eingesetzt. Hierbei wird das piezoelektrische Stellglied durch Eingabe der Werte für die anzusteuernde Position bzw. den maximalen Vorschubweg beeinflußt. Dabei müssen die Parameter des piezoelektrischen Stellgliedes, wie die mechani¬ schen (Piezostackdimensionen) , das Auflösungsvermögen bei der entsprechenden Stellung je nach angesteuerter Antriebseinheit und die Parameter der elektronischen Bauteile (z.B. der AD/DA-Wandler) der Steuerung be¬ rücksichtigt werden.

Eine weitere Möglichkeit einer Betriesart ist eine Kraftregelung. Hierbei wird mit den gleichen Kompo¬ nenten, wie bei dem vorbeschriebenen weggeregelten Modus gearbeitet. Es wird dabei lediglich der aktuel¬ le gemessene Kraftwert mit einem Sollkraftwert, der vorab über eine Eingabe eingegeben worden ist, ver¬ glichen und das Steuerprogramm des piezoelektrischen Stellgliedes oder der anderen Antriebe mit einer PID- Regelung (Proportional-Integral-Differential-Rege- lung) oder einer Fuzzy-Logic-Regelung, gesteuert.

Neben dem bereits beschriebenen Betriebsmoden ist ein weiterer, nämlich der freigewählte Modus für die er¬ findungsgemäße Vorrichtung möglich. Hierbei wird ebenfalls mit den gleichen Komponenten gearbeitet. Es wird lediglich mit gekoppelter Weg- und Kraftregelung gearbeitet. Dabei werden die Vorschubwege, die durch das piezoelektrische Stellglied, den elektromagneti¬ schen oder den piezoelektrischen Antrieb erreicht und der vorgegebene Kraftsollwert frei oder in Kombina- tion zueinander ausgewählt werden. Der Vorschub kann so gesteuert werden, daß Haltephasen oder gar ein Zurückziehen des Meßkopfes erreicht wird, was sich insbesondere, bei der Messung an elastischen Körpern/ Stoffen, positiv auswirkt. In allen Fällen wird nach jeder Messung der Meßkopf um einen freiwählbaren Weg zurückgefahren - freige¬ macht -, um bei einem lateralen Verfahren entweder der Vorrichtung oder des zu messenden Körpers, eine Beschädigung durch ein seitliches Anstoßen zu verhin¬ dern. Eine solche Bewegung darf nur erfolgen, wenn vom Kraftdedektor keine Kraft erfaßt wird. Wird eine Kraft erfaßt, wird die Bewegung sofort abgeschaltet und ein weiteres Zurückfahren des Meßkopfes muß er- folgen, bis keine Kraft mehr erfaßt wird und ein wei¬ teres gefahrlosen Verfahren der Vorrichtung möglich ist. Normalerweise liegt ein solches Freimachen in einem Bereich bis zu 50 μm.

Aus Sicherheitsgründen kann die erfindungsgemäße Vor¬ richtung auch im Speicher eine maximale Kraft enthal¬ ten, die bei der Messung nicht überschritten werden darf. Ist dies trotzdem der Fall gewesen, wird im Speicher ein Überlastbit abgelegt, das bei jeder er- neuten Inbetriebnahme der Vorrichtung abgefragt wird und die Betriebnahme der Vorrichtung, im Falle des vorherigen Überschreitens dieser maximalen Kraft, verhindert, um sicher zu stellen, daß keine falsche Messung mit defekter Kraftdetektion erfolgen kann.

Vorteilhaft ist auch, wenn nach Ablauf jedes Meßvor¬ ganges die ermittelten Meßergebnisse auf einem Bild¬ schirm wiedergegeben werden und sofort nach Beendi¬ gung des Prüfvorganges eine Abspeicherung der Meßwer- te erfolgt, so daß diese für die Erstellung von Prü¬ fungsprotokollen, für Qualitäts- und Sicherheitskon¬ trollen weiter zur Verfügung stehen. Besonders vor¬ teilhaft ist es dabei, wenn mit der Abspeicherung gleichzeitig der Speicherdatei eine Nummer automa- tisch zugeordnet wird, so daß die ermittelten Meßwer¬ te auch nachträglich zuordenbar bleiben.

Günstig ist es, wenn bei der erfindungsgemäßen Vor- richtung eine Linearführung für die Einheit des Me߬ kopfantriebes mit der großen Vorschubwegauflösung vorhanden ist, die drehfest mit einer Antriebswelle, die mit anderen Einheiten des Meßkopfantriebes ver¬ bunden ist. Dabei ist das piezoelektrische Stell- glied, das die Einheit mit der großen Vorschubwegauf¬ lösung bildet, so angeordnet, daß es axial oder auch parallel zur translatorischen Bewegungsrichtung des Meßkopfes in bezug auf die Antriebswelle angeordnet ist.

Vorteilhafterweise können austauschbare Meßköpfe ein¬ gesetzt werden. Für die Messung können Meßspitzen aus den verschiedensten Materialien, wie Stahl, Hartme¬ tall und andere Materialien großer Härte, ähnlich der von Diamanten, wie Diamanten selbst in den verschie¬ densten Formen verwendet werden. So können sie bei¬ spielsweise die Formen und Abmaße der bei genormten Härtemessungen üblichen Meßköpfe aufweisen.

Neben der Kraftmeßeinrichtung, die bevorzugt ein Dy¬ namometer sein kann, werden zur Messung der Vorschub¬ bewegung auch Abstandεerfassungssysteme eingesetzt, die mit der Antriebseinheit fest verbunden sind. Hierfür kann einmal ein Dekoder eines elektromagneti- sehen Antriebes eingesetzt werden. Weitere geeignete Abstandserfassungssysteme können in geeigneter Form angebrachte Dehnungsmeßstreifen oder bekannte Halb¬ leiterfolien mit DMS sein, deren Widerstand sich ent¬ sprechend verändert. Als optisches Langenmeßsystem, zur Abstandserfassung kann beispielsweise auch ein bekanntes Interferometer verwendet werden, um die Vorschubbewegung des Meßkop¬ fes zu steuern oder zu überwachen. Eine weitere Mög- lichkeit zur Verwendung für ein Abstandserfassungs¬ system ist der Einsatz einer piezoelektronischen Son¬ de.

Vorteilhaft ist es, wenn die Meßauflösung des Ab- Standserfassungssystems an die Auflösung des Vor¬ schubweges, der mit den verschiedenen Einheiten rea¬ lisierbar ist, angepaßt werden kann. So ist bei¬ spielsweise die Meßauflösung bei der Überwachung des Vorschubes, der mit der Einheit, die eine kleine Vor- schubwegauflösung aufweist und für einen größeren

Vorschubweg zuständig ist, ebenfalls eine kleine Auf¬ lösung ausreichend. Im Gegensatz dazu muß, wenn die Vorschubbewegung des Meßkopfes allein mit dem piezo¬ elektrischen Stellglied erreicht wird ebenfalls eine sehr hohe Auflösung des Abstandserfassungssystems vorhanden sein.

Die Einheit des Meßkopfantriebes, die eine kleine Vorschubwegauflösung hat, realisiert einen Vorschub- weg von bis zu 200 mm, die Einheit, mit einer mitt¬ leren Auflösung des Vorschubweges kann einen Vor¬ schubweg bis zu 50 mm bewirken und die Einheit mit der größten Auflösung kann einen sehr kleinen Vor¬ schubweg, bis zu etwa 300 μm, sehr genau bewirken. Der so erzielte Vorschubweg, kann in dieser genauen

Form in seiner Summe erhöht werden, wenn mehrere pie- zoelekrische Stellglieder nacheinander, gesondert voneinander ansteuerbar, angeordnet werden und durch gezieltes Anlegen von Spannungen an die einzelnen Stellglieder der gewünschte Vorschubweg erreicht wird.

Für bestimmte Meß- bzw. Prüfverfahren, wie z.B. der bestimmung des Schubmoduls ist es günstig, wenn die Einheiten des Meßkopfantriebes in der Lage sind, os¬ zillierende Bewegungen des Meßkopfes hervorzurufen, und mit einer Logik-Technik die Phasenverschiebung zu ermitteln. Für ein piezoelektrisches Stellglied ist dies relativ einfach möglich, in dem eine gepulste

Spannung oder gar eine WechselSpannung angelegt wird.

Für die elektronische Auswertung kann einmal die Stellung der Linearführung und damit verbunden die

Stellung des Meßkopfes oder die Stellung des Meßkop¬ fes allein über einen A/D-Wandler, einen I/O-Zähler oder einen optischen LaufZeitzähler ermittelt werden um so den möglichen Vorschubweg zu bestimmen, und die einzelnen Einheiten des Meßkopfantriebes entsprechend ansteuern zu können. Diese Ansteuerung kann vor¬ zugsweise mit einer Soll-Ist-Wertvergleichseinrich- tung durchgeführt werden. Eine solche elektronische Steuerung eines Meßkopfantriebes ist bevorzugt rela- tiv frei programmierbar und kann so auf einfache Art und Weise manuell beeinflußt werden.

Aus Sicherheitsgründen sind magnetische, elektrische, elektronische, elektromagnetische oder optische An- schlage vorgesehen, die die maximale Vorschubbewegung begrenzen.

Nachfolgend soll die Erfindung an Ausführungsbeispie¬ len näher beschrieben werden. Dabei zeigt:

Figur 1 eine Schnittdarstellung einer er¬ findungsgemäßen Vorrichtung mit zwei den Meßkopfantrieb bildenden Einheiten;

Figur 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei den Meßkopfantrieb bildenden Einheiten;

Figur 3 ein Blockschaltbild für die Verwen¬ dung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer elektronischen Steuerung;

Figur 4 ein Kraft-Weg-Diagramm gemessen an zwei Gummibällen;

Figur 5 ein Kraft-Zeit-Diagramm ent¬ sprechend dem in Figur 4 gezeigten Diagramm und

Figur 6 ein Weg-Zeit-Diagramm.

Die in der Figur 1 gezeigte Vorrichtung kann relativ universell eingesetzt werden. Der Einsatz kann hier¬ bei an die verschiedensten Meßaufgaben angepaßt und die erfindungsgemäße Vorrichtung in entsprechenden Aufnahmen aufgenommen werden. Die Vorrichtung besitzt vorzugsweise einen runden Querschnitt, für eine gün- stige Halterungsart wie z.B. Klemmbefestigung am Au¬ ßenmantel. Die Aufnahme kann dabei an verschiedensten Fertigungseinheiten zur Überwachung bestimmter Para¬ meter direkt in der Produktion vorgenommen werden. Es ist jedoch auch die Anbringung an bestimmten Teilen eines Industrieroboters möglich, so daß die Vorrich- tung mit dessen Hilfe zu den verschiedensten Meßpunk¬ ten manövriert werden kann.

Das dargestellte Beispiel ist modular aufgebaut und besteht bei diesem Beispiel aus den Modulen 1 bis 3. Die einzelnen Module 1 bis 3 können auf einfache Art und Weise ausgetauscht oder sogar mit zusätzlichen Modulen ergänzt werden. Bei diesem Beispiel bildet der Modul 1 die Einheit des Meßkopfantriebes, die eine kleine Vorschubwegauflösung aufweist und mit der in grober Form der größte Teil des Vorschubweges er¬ reicht wird. Dabei ist ein elektromagnetischer Antrieb 1 über eine Kupplung 2 mit einer Antriebswel¬ le 3 verbunden. Der elektromagnetische Antrieb 1 ist hierbei mit einer Befestigungsplatte 4 am Grundkörper 5 des Modules 1 befestigt. Im Grundkörper 5 des Modu¬ les 1 ist zur Führung der Antriebswelle 3 ein spiel¬ freies Präzisionskugellager 6 mit einem Abstandsring und einer Platte 7 befestigt. Dabei ist die Welle 3 mit einer Befestigungsmutter 8 mit dem Präzi- sionskugeHager 6 verbunden. An der Antriebswelle 3 ist eine vorgespannte spielfreie Antriebswellenmutter 10 vorhanden, die an einem die Antriebswelle 3 um¬ greifenden Käfig 11 befestigt ist. Am Käfig 11 sind in Linearführungen 9 eingreifende Führungselemente 12 vorhanden.

Beim Einschalten des elektromagnetischen Antriebes 1 wird die Antriebswelle 3 definiert gedreht und mit Hilfe der Vorspannung und der Führung 9, 12 eine translatorische Bewegung der Meßkopfspitze 20 des Meßkopfes 21 hervorgerufen. Das Modul 1 ist dabei so ausgelegt, daß eine Vorschubbewegung bis zu 150 mm bei einer Vorschubauflösung von maximal 1 μm erreicht werden kann. An das Modul 1 kann ein weiteres Modul 2 angebracht sein, das den Vorschub des Meßkopfes 21 mit wesentlich größerer Auflösung ermöglicht. Hierfür ist eine Aufnahme für ein piezoelektrisches Stell¬ glied 13 vorhanden. Das piezoelektrische Stellglied ist in der Lage einen Vorschubweg von maximal 200 μm bei einer Auflösung von < 0,01 μm zu erwirken.

An das zweite Modul, das die zweite Einheit des Me߬ kopfantriebes bildet, schließt sich das Modul 3, der eigentliche Meßkopf an. Dieser ist vorzugsweise wei- testgehend von einem Faltenbalg 14 umschlossen, um die einzelnen Meßelemente vor mechanischen Einflüssen und Verschmutzungen zu schützen. Außerdem ist als Kraftmeßeinrichtung eine dynamometrische Zelle 15 im Meßkopf 21 aufgenommen. Bei diesem Beispiel kann der gesamte Meßkopf 21 inklusive der Kraftmeßeinrichtung 15 ausgetauscht werden.

Der Meßkopf 21 kann jedoch auch so ausgebildet sein, daß jedes Teil für sich austauschbar ist. Dabei kann die Prüfspitze 20 entsprechend des geforderten Me߬ verfahrens gegen eine andere ersetzt werden, die in Form und Größe entsprechend angepaßt ist. Ebenso ist ein Austausch der dynamometrischen Zelle möglich, um eine Anpassung an verschiedene Meßbereiche vornehmen zu können.

Bei diesem Beispiel kann das Modul 1 durch ein ande¬ res Modul ersetzt werden. Bei diesem wird an Stelle des elektromagnetischen Antriebes 1 ein piezoelektri¬ scher Antrieb verwendet und so eine Einheit des Me߬ kopfantriebes eingesetzt, die eine mittlere Vorschub¬ wegauflösung für die Messungen erreicht. Mit einer solchen Einheit ist ein Vorschubweg bis zu 30 mm er- reichbar. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann jedoch auch, wie dies nicht dargestellt ist, mit vier Modulen auf¬ gebaut sein, wobei ein zusätzlicher Modul eingesetzt ist und der Meßkopfantrieb aus insgesamt drei Einhei¬ ten gebildet wird. Mit einer so aufgebauten Vorrich¬ tung können drei verschiedene Vorschubwegauflösungen eingestellt oder gewählt werden. Damit ist ein opti¬ maler Einsatz einer so ausgebildeten Vorrichtung mög¬ lich.

Das in der Figur 2 dargestellte Beispiel entspricht im wesentlichen dem, das in der Figur 1 gezeigt ist. Die Darstellung ist jedoch gegenüber der ersten sche¬ matisiert und Einzelheiten sind dabei weggelassen worden.

Im Unterschied zum Beispiel nach der Figur 1 ist ein optisches Wegmeßsystem (16) vorhanden, mit dessen Hilfe die Vorschubbewegung des Meßkopfes 21 über- wacht, gesteuert bzw. geregelt werden kann. Auch bei diesem Beispiel wird der Meßkopfantrieb aus zwei Ein¬ heiten 17 und 18 gebildet, wobei die Einheit 17 eine kleine Vorschubwegauflösung und die Einheit 18 eine große Vorschubwegauflösung aufweist. Vor den beiden Einheiten 17 und 18 ist ein Kraftdetektor 15 angeord¬ net, der die durch die Vorschubbewegung hervorgerufe¬ ne Kraft, die auf die Prüfspitze 20 wirkt, erfaßt. Bevorzugt ist der Kraftdetektor 15 so ausgebildet, daß er sowohl Druck- als auch Zugkräfte erfassen kann.

Mit Hilfe des in Figur 3 dargestellten Blockschalt¬ bildes kann die Funktion der erfindungsgemäßen Vor¬ richtung beschrieben werden. Die Steuerung und Akti- vierung der Meßvorgänge, die mit der erfindungsge ä- Ben Vorrichtung durchführbar sind, erfolgt z.B. mit einem bekannten Personalcomputer an dem periphär ein Bildschirm, ein Drucker und eine Tastatur angeschlos¬ sen sein können. Je nach vom Bediener ausgewählten Meßprogramm steuert der Personalcomputer 19 über eine D/A-,A/D oder I/O-Steuerung 22 elektronische Schal¬ tungen 23 und 24 für die Realisierung des Vorschubes des Meßkopfes 21 mit in diesem Fall zwei verschiedene Einheiten eines Meßkopfantriebes. Hierbei steuert die elketronische Schaltung 23 die Einheit 17 des Me߬ kopfantriebes, die für die grobe Vorschubregelung zuständig ist und die Schaltung 24 die Einheit 18, die für die feine Regelung des Vorschubes verwendet wird. Die Schaltung 25 übermittelt die vom optischen Wegmeßsystem 16 (Laser Encoder, DMS Halbleiterfolie) erfaßten Daten über die Steuerung 22 zum Personalcom¬ puter 19 für die Auswertung der Messung. Nach Durch¬ führung von Soll- und Istwertvergleichen und entspre¬ chender Erzeugung von Steuersignalen, werden diese Steuersignale über die Steuerung 22 an die Einheit 23 oder 24, zur Realisierung eines entsprechenden erfor¬ derlichen Vorschubweges, geleitet. Die Schaltung 26 ist mit der Kraftmeßeinrichtung 15 und ebenfalls mit der Steuerung 22 verbunden. Das von der Kraftmeßein- richtung 15 erfaßte Signal kann über die Schaltung 26 wiederum über die Steuerung 22 auf den PC 19 zur Aus¬ wertung und weiteren entsprechenden Steuerung der Messung verwendet werden, wie dies bereits bei dem optischen Wegmeßsignal beschrieben worden ist.

Die Einheit 17 kann hierbei ein Antrieb mit kleiner oder mittlerer Vorschubwegauflösung sein.

Zur Überwachung des realisierten Vorschubweges kann auch ein Schrittzähler 30 eingesetzt werden. Für die Auswertung der Meßdaten oder auch eine exter¬ ne Steuerung kann der Anschluß eines Modem vorgesehen sein.

Die in den Figuren 4 bis 6 dargestellten Diagramme wurden bei Messungen an zwei Gummibällen durchge¬ führt, wobei ein Gummiball sehr gut sprang und demzu¬ folge mit "Happy" bezeichnet wurde und ein nicht¬ springender, "Unhappy" bezeichneter Gummiball gemes- sen worden sind. In beiden Fällen erfolgte die Mes¬ sung, wie das insbesondere der Figur 6 zu entnehmen ist, in Stufen. Bei diesem Beispiel wurde der Vor¬ schub gestuft in insgesamt 8, 500 μm Schritten durch¬ geführt, wobei nach jeder Vorschubstufe eine Halte- phase eingelegt worden ist. Anschließend wurde, wie dies ebenfalls der Figur 6 zu entnehmen ist, der Vor¬ schub in der gleichen Weise zurückgeregelt. Insbeson¬ dere, dem in Figur 4 gezeigten Kraft-Weg-Diagramm, ist zu entnehmen, daß der nichtspringende Ball eine wesentlich größere Histerese aufweist, als der sprin¬ gende Ball (Happy). Wobei die ermittelten Kraftwerte für den "Happy"- Ball wesentlich größer, als die für den anderen Ball ermittelten, sind.

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Ermittlung einer auf einen Meßkopf, infolge einer mittels eines Meß- kopfantriebes definiert vorgegebenen Bewe¬ gung des Meßkopfes auf diesen wirkenden Kraft, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß ein piezoelektrisches Stellglied, mindestens eine Einheit (18) mit großer Vorschubwegauflö¬ sung, in Kombination mit anderen Einheiten (17) oder den Meßkopfantrieb allein bildet und der Meßkopfantrieb mit einer Einrichtung (16) zur

Messung des Vorschubweges und mit einer Kraftmeßeinrichtung (15) kombiniert ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, daß die Einheit (18) mit der größeren

Auflösung, mit einer zweiten Einheit (17) mit kleiner Vorschubwegauflösung und/oder einer dritten Einheit mit einer mittleren Vorschubweg¬ auflösung, als Meßkopfantrieb verbunden ist/sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Einheiten (17,18) seriell an¬ geordnet sind.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche l bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit (17) mit kleiner Vorschubwegauflösung ein elektromagneti¬ scher Antrieb ist.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche l bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Einheiten (17) mit großer oder mittlerer Vorschubwegauflö¬ sung ein piezoelektrischer Antrieb ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmeßeinrich¬ tung (15) zwischen Meßkopfspitzen (20) und der zu diesem benachbart angeordneten Einheit (18) des Meßkopfantriebes angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmeßeinrich¬ tung (15) austauschbar ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmeßeinrich¬ tung (15) axial oder parallel zum Meßkopfantrieb angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Messung des Vorschubweges (16) starr mit dem Meßkopf verbunden ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Einrichtung zur Messung des Vorschubweges (16) austauschbar ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn- zeichnet, daß die Einrichtung zur Messung des

Vorschubweges (16) ein optisches Wegmeßsystem ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekenn- zeichnet, daß das optische Wegmeßsystem ein En- coder mit einer Schlitzscheibe, Lichtquelle und Lichtempfänger ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekenn- zeichnet, daß das optische Wegmeßsystem ein La¬ sersystem ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Einrichtung zur Messung des Vorschubweges ein Abstandserfassungssystem ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß das Abstandserfassungssystem ein Mikrowellen-System ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß das Abstandserfassungssystem ein Dehnmeßstreifen-System ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß das Abstandserfassungssystem ein kapazitiver Sensor ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekenn- zeichnet, daß das Abstandserfassungssystem ein induktiver Sensor ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß das Abstandserfassungssystem eine Resonanzsonde ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkopf (21) austauschbar ist.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkopf (21) ma¬ gnetisch oder elektromagnetisch gehalten ist.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadruch gekennzeichnet, daß der Meßkopf (21) mechanisch gehalten ist.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorschubbewegung des Meßkopfes (21) über eine axial oder parallel zu diesem ausgerichtete Antriebswelle (3) über¬ tragbar ist.

24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Antriebswelle (3) axial und radial spielfrei gelagert ist.

25. Vorrichtung nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (3) von der Einheit (1,16) mit kleiner Vorschubwegauflö¬ sung und/oder der Einheit mit mittlerer Vor¬ schubwegauflösung des Meßkopfantriebes angetrie¬ ben ist/sind.

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche l bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Stellglied der Einheit (18) des Meßkopfantriebes röhrenförmig ausgebildet ist.

27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (3) eine Durchgangsbohrung aufweist.

28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Stellglied (13) austauschbar ist.

29. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Messung der Härte von Stoffen.

30. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Messung der Viskosität von Stoffen.

31. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Messung von Kompression.

32. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Spannungs-Dehnungs-Messung.

33. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Messung von Haft-, Gleit- oder Rollreibkräften.

34. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Messung des E-Moduls.

35. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Schichtdickenmessung.

36. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Bestimmung von Versagenskriterien.

37. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Messung des Schubmoduls (G-Modul) .