<Desc/Clms Page number 1>
Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Bestimmung von Oberflächenparametern eines Messobjekts, z. B. eines Werkstückes, mit einem zumindest eine Sensor-Messfläche aufweisenden Sensorelement, das mit seiner Sensor-Messfläche auf der oder in einem Abstand zur Oberfläche des Messobjekts positionierbar ist, wobei die Sensor-Messfläche aus einer Vielzahl von Sub-Sensorelementen mit separaten Messwert-Ausgängen bzw. mit separaten Messwert-Wandlern zusammengesetzt ist und die aus Sub-Sensorelementen zusammengesetzte Sensor-Messfläche in einem Sensorkopf angeordnet ist, der aus einem an einer Seite offenen Hohlkörper gebildet ist, und dass die aus den Sub-Sensorelementen zusammengesetzte Sensor-Messfläche an der offenen Seite des Sensorkopfes angebracht ist, sodass diese mit dem Sensorkopf auf der Oberfläche des Messobjekts oder in einem Abstand zu dieser positionierbar ist.
Einen wichtigen Bestandteil der Qualitätskontrolle bei der Fertigung von Werkstücken bildet die Beurteilung der erzielten Oberflächengüte, für welche bereits eine Vielzahl an Methoden entwickelt worden ist. Unter den relevanten Oberflächenparametern ist die Rauheit von besonderer Bedeutung für die Qualitätskontrolle.
Beim Tastschnittverfahren, welches zu den mechanischen Verfahren zu zählen ist, erfolgt die Abtastung des Oberflächenprofils durch ein Tastsystem mit einer Diamantnadel (Einkufentastsystem, Pendeltastsystem, Bezugsflächentastsystem), über welche unter Zuhilfenahme elektronischer Hilfsmittel ein überhöhter Protilschnitt aufgezeichnet wird. Die vertikale Auflösung dieser Systeme liegt in der Grössenordnung von ca. 0,01 um, die horizontale Auflösung ist durch den Spitzenradius der Diamantnadel (z. B. 5 um) und den Kegelwinkel (z. B. 60 ) begrenzt. Insbesondere gesinterte Oberflächen können mit diesem Verfahren nicht zuverlässig beurteilt werden, da die Poren in den Oberflächen von Sinterteilen nicht vollständig erfasst werden können.
Die gemessenen Rauhigkeitswerte für gesinterte Oberflächen sind aus diesem Grund nicht verwertbar, es verursacht dieses Verfahren für eine Anwendung in einem Fertigungsprozess aber auch einen zu hohen Zeitaufwand und zu hohe Kosten.
Relativ häufig angewendet werden mikroskopische Verfahren, insbesondere sind hier die Lichtschnitt- und die Interferenzmikroskopie zu nennen.
Beim Lichtschnittmikroskop erfährt eine unter 45 auf eine Oberfläche projizierte, schmale Lichtlinie (optisches Spaltbild) durch die Oberflächengeometrie eine affine Verzerrung, die photographisch dargestellt oder mit einem Okularmikrometer ausgemessen werden kann. Dieses Verfahren lässt eine Bestimmung von Rauhtiefen < 1 um zu.
Die Rauhtiefen von spiegelnden, nicht zu rauhen Oberflächen können mit dem Interferenzmikroskop vermessen werden, mit dem ein durch Interferenz gebildetes Höhenschichtlinienbild mit Niveaulinien im Abstand von A/2 der Lichtwellenlänge erzeugt wird. Die messbaren Rauhtiefenunterschiede betragen ca. 0,01 um.
Ein weiteres bekanntes optisches Verfahren stellt die Laserabtastung dar, bei der mittels eines fokussierten Laserstrahls die zu vermessende Oberfläche abgetastet wird und aufgrund der Intensität des reflektierten Lichtes ein Abbild der Oberfläche entsteht. Obgleich das Messergebnis der Messung relativ rasch erhalten werden kann, ist eine wesentliche Beschränkung der Anwendung dieser Methode dadurch gegeben, dass ihre Durchführbarkeit von den Reflexionseigenschaften der Oberfläche abhängig ist.
Grosse Schwierigkeiten bereitet allerdings die Anwendung der bekannten Verfahren bei Fertigungsprozessen mit hohen Stückzahlen, da der hohe apparative Aufwand und die erforderlichen langen Messzeiten für solche Oberflächenmessungen die Rentabilität des Herstellungsvorganges negativ beeinflussen. Auch stellen die rauhen Umgebungsbedingungen oder die komplizierte Bedienung der Messgeräte oftmals ein Hindernis beim Einsatz derselben dar.
Andererseits sind oftmals Werkstücke aufgrund bestimmter Umstände, z. B. wegen der besonderen Beschaffenheit der Oberfläche, einer verlässlichen Bewertung nicht zugänglich. Dies ist etwa bei porösen Oberflächen der Fall, da durch deren zerklüftete Struktur die Oberflächenqualität mit vielen bekannten Verfahren gar nicht oder nur unzulänglich bestimmt werden kann.
Aus der DE 900 278 C geht ein Sensorkopf mit einer Messelektrode hervor, wobei die Messelektrode kugelig gelagert sein kann, insbesondere da die Auswirkungen dieser Veränderung aus dem Stand der Technik nicht abschätzbar sind. Der Sensorkopf der DE 900 278 C umfasst jedoch lediglich ein Sensorelement und nicht eine Vielzahl an Sub-Sensorelementen. Quantitative Aussage über die Oberflächenparameter können mit einem solchen Sensorkopf daher nicht getroffen
<Desc/Clms Page number 2>
werden.
Die EP 1 108 977 A1 betrifft einen Sensor zur Bestimmung der Rauhigkeit einer Oberfläche mit einem Messaufnehmer mit mehreren elektrisch leitenden Elektroden, die gegeneinander isoliert in einer Ebene liegen. Aus der EP 1 108 977 A1 ist jedoch kein Hinweis zu entnehmen, wie der Messaufnehmer reproduzierbar auf eine Werkstückoberfläche aufgesetzt werden kann, sodass sich der Messaufnehmer selbsttätig ausrichtet.
Die DE 40 35 075 A1 betrifft eine Anordnung zum Messen mit einem Messkopf, der eine Vielzahl an Sensoren umfasst. Auch aus der DE 40 35 075 A1 ist nicht zu entnehmen, wie der Messkopf reproduzierbar auf eine Werkstückoberfläche aufgesetzt werden kann, sodass sich der Messkopf selbsttätig ausrichtet.
Die DE 693 07 511T2 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Halten einer Gruppe von Werkzeugen in einer konstanten Relativstellung bezüglich einer nichtebenen Fläche. Die Einrichtung weist eine Platine mit mehreren akustischen Sensoren zum Senden und Empfangen von Signalen auf. Aus der Differenz der Signallaufzeit zweier gegenüberliegender Sensoren wird ein Steuersignal zum Verstellen der Platine ermittelt. Nachteilig an einem Verfahren gemäss der DE 693 07 511T2 ist, dass für die Ausrichtung der Platine ein grosser apparativer Aufwand mit einer Vielzahl an beweglichen Teilen erforderlich ist, wodurch hohe Herstellungskosten und erforderliche Wartungsarbeiten bedingt sind.
Die US 4 908 574 A offenbart einen kapazitiven Sensor zur Bestimmung der Oberflächenbeschaffenheit eines Werkstückes, wobei die Sensor-Messfläche aus einer Vielzahl an SubSensorelementen zusammengesetzt ist. Die Sensor-Messfläche kann in einem aus ring- und scheibenförmigen Elementen zusammengesetzten Gehäuse angeordnet sein, wobei das Gehäuse an einer Seite offen ist und die Sensor-Messfläche an der offenen Seite des Gehäuses angebracht ist.
Nachteilig an einem Sensor gemäss der US 4 908 574 A ist, dass die Messergebnisse vom Winkel und dem Messbereich des Sensors gegenüber dem Werkstück abhängen, wobei sich bereits bei einer geringen Veränderung eines dieser Parameter grosse Messunterschiede ergeben können.
Dabei liegt der Sensor bei einer Messung üblicherweise an einem Punkt auf der Werkstückoberfläche auf. Daher sind die Messergebnisse mit einem Sensor gemäss der US 4 908 574 A ungenügend reproduzierbar, insbesondere bei einer im wesentlichen starren Werkstückoberfläche.
Unter Berücksichtigung des Standes der Technik wird als Aufgabe der Erfindung angesehen, einen Sensor gemäss dem Oberbegriff des neuen Patentanspruches 1 zu schaffen, der eine Messung von Oberflächenparametern mit relativ geringem technischen Aufwand ermöglicht, wobei die Dauer des Messvorganges und die dafür aufzuwendenden Kosten gering sind, der eine selbsttätige Ausrichtung der Sensor-Messfläche sicherstellt, sodass eine Online-Beurteilung der Oberflächenqualität von Werkstücken durchführbar ist und mit dem die zuverlässige und reproduzierbare Bestimmung von Oberflächenparametern in verhältnismässig kurzer Zeit auch bei sehr unregelmä- #iger Oberflächenbeschaffenheit realisierbar ist.
Weiters soll es mit dem anzugebenden Sensor möglich sein, integrale Oberflächenkennwerte über einen bestimmten Bereich des Messobjektes zu ermitteln.
Weitere Aufgabe ist es, einen möglichst robusten und wenig störanfälligen Sensor anzugeben, bei dem sich die Sensorpositionierung auf der Messobjektfläche selbsttätig einstellt.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass der Sensorkopf mittels einer über einen bestimmten Weg bzw. Winkelweg in allen Richtungen frei beweglichen an sich bekannten kardanischen Aufhängung gegenüber einem an einer Seite offenen Sensorgehäuse angeordnet ist, wobei der Sensorkopf - in seiner nicht applizierten Lage - mit seiner offenen Seite aus der offenen Seite des Sensorgehäuses vorragt.
Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass sich der Sensorkopf unabhängig von dem Aufsetzwinkel entsprechend der lokalen Werkstückoberfläche der Messstelle ausrichtet, wodurch die Reproduzierbarkeit der Messergebnisse sichergestellt wird. Dabei stellt sich die Anordnung mit dem geringsten Durchschnitts-Abstand des Sensorkopfes von der Werkstückoberfläche ein, wodurch die Messgenauigkeit verbessert wird.
Dadurch ist garantiert, dass der Sensorkopf jeweils auf dem zu vermessenden Werkstück selbsteinstellend auf den lokal höchsten Oberflächenbereichen aufliegt. Die Reproduzierbarkeit der Messergebnisse lässt sich dadurch verbessern.
Durch die Unterteilung der Sensor-Messfläche kann sowohl eine integrale als auch eine auf
<Desc/Clms Page number 3>
eine eng begrenzte Fläche bezogene, lokale Messwert-Bestimmung sowie eine rasche Mittelung von Messwerten vorgenommen werden. Dies ermöglicht einerseits die Reduktion von Störeinflüssen und andererseits eine Korrelation von Sensor-Messwerten und Oberflächenparametern.
Eine andere Variante der Erfindung kann darin bestehen, dass zumindest eines der SubSensorelemente, vorzugsweise über eine Klemmeinrichtung, lösbar mit der Sensor-Messfläche verbunden ist. Auf diese Weise ist ein einfacher Austausch der Sub-Elektroden möglich. Die Klemmeinrichtung kann für jede Art von Sub-Sensorelementen vorgesehen sein.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung kann darin bestehen, dass die Sensor-Messfläche durch eine Messelektrode gebildet ist und dass die Sub-Sensorelemente als Sub-Elektroden ausgebildet sind, die elektrisch voneinander isoliert sind und als Messwert-Ausgang jeweils einen elektrischen Anschluss aufweisen, über den sie mit einer Auswertevorrichtung verbunden sind.
Mittels der voneinander getrennten Sub-Elektroden ist die gesamte Sensor-Messfläche in sehr kleine Teilbereiche unterteilt und es können daher an einer entsprechend hohen Anzahl von über die Sensor-Messfläche verteilten Messwertpunkten Kapazitäts-Messwerte bestimmt werden, aus welchen sehr genau Oberflächen-Kennwerte berechnet werden können.
Da in den meisten Fällen eine nominell ebene Messobjekt-Oberfläche gegeben sein wird, können die Sub-Elektroden aus in einer Ebene angeordneten Metallelektroden gebildet sein. Eine weitere Fortbildung der Erfindung kann dann bestehen, dass die Sub-Eiekiroden aus der nominellen Oberflächengeometrie des Messobjekts angepassten Metallelektroden gebildet sind.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung kann darin bestehen, dass auf den Subelektroden eine aus einem Dielektrikum gebildete Schicht aufgebracht ist. Diese Schicht verhindert, dass die Subelektroden unbeabsichtigt direkt in Kontakt mit der Messobjekt-Oberfläche gelangen können.
Die Form und Anordnung der Sub-Elektroden kann in beliebiger Weise gewählt werden, eine mit geringem technischen Aufwand herstellbare Bauart lässt sich erzielen, wenn in Weiterbildung der Erfindung die Sub-Elektroden aus drei-, vier-, sechs- oder achteckigen Flächen gebildet sind, die gleich voneinander beabstandet sind.
Eine auf einfache Weise bewertbare Verteilung der Sub-Elektroden ergibt sich, wenn in weiterer Fortbildung der Erfindung die Sub-Elektroden quadratisch ausgebildet und in Form einer Matrix angeordnet sind.
Um die Beeinflussung der Messauswertung durch parasitäre Kapazitäten weitestgehend herabzusetzen, kann Messelektrode zusammen mit der Auswertevorrichtung in einem Sensorkopf angeordnet sein.
Schliesslich können in weiterer Ausbildung der Erfindung die Sub-Sensorelemente mikrosystemtechnisch gefertigt werden. Der mit dieser Herstellungsart erreichbare hohe Miniaturisierungsgrad erlaubt eine Unterteilung der Sensor-Messfläche in viele kleine Sub-Sensoren mit separaten Messwertausgängen bzw. Messwertwandlern.
Weiters bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Bestimmung von Oberflächenparametern eines Messobjekts, z. B. eines Werkstückes unter Verwendung eines erfindungsgemässen Sensors.
Erfindungsgemäss wird das Sensorelement mit seiner aus den Sub-Elektroden zusammengesetzten Messelektrode auf der oder in einem Abstand zur Oberfläche des Messobjekts positioniert, die Kapazitäten jeweils zwischen den Sub-Elektroden und dem gegenüberliegenden Bereich des Messobjektes und deren Mittelwert sowie der integrale Wert der Kapazität über alle Sub-Elektroden bestimmt und unter Einbeziehung der gemessenen Werte die 3D-Glättungstiefe berechnet.
Der auf diese Weise angegebene Wert der 3D-Glättungstiefe wird nicht aus punktuell durch aufeinanderfolgende Einzelmessungen gewonnenen Werten sondern durch inhärente Mittelwertbildung über eine Sensorfläche oder Mittelung der Einzelmesswerte der Sub-Sensoren abgeleitet, weshalb eine wesentliche schnellere und apparativ weniger aufwendige Beurteilung der Oberflächengüte ermöglicht wird.
In weiterer Ausbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass in einem dem Messvorgang vorangehenden Kalibrierschritt der Minimalwert und der Maximalwert aus den zwischen den SubElektroden und der Oberfläche des Messobjektes bestimmten Kapazitätswerten ermittelt werden.
Der beim eigentlichen Messvorgang erhältliche integrale Wert für die Kapazität zwischen Messelektrode und Messobjektoberfläche kann auf die Minimal- und Maximalwerte der Sub-ElektrodenKapazitäten bezogen werden. Damit werden die gemessenen Kapazitätswerte mit den Höhen-
<Desc/Clms Page number 4>
koordinaten der Messobjekt-Oberfläche korrelierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigeschlossenen Zeichnungen eingehend erläutert. Es zeigt dabei
Fig. 1 zeigt eine vergrösserte Draufsicht auf einen Teilbereich einer Ausführungsform einer Sensor-Messfläche des erfindungsgemässen Sensors;
Fig. 2 einen Schnitt durch das Gehäuse einer Ausführungsform des erfindungsgemässen Sensors ;
Fig. 3 eine Schaltungsanordnung zur Messung der Kapazität zwischen einer Sub-Elektrode und der Messobjekt-Oberfläche bzw. zwischen zwei Sub-Elektroden;
Fig. 4 eine schematische Seitenansicht eines im Abstand von der Messobjekt-Oberfläche positionierten erfindungsgemässen Sensors und Fig.5 eine weitere schematische Seitenansicht eines im Abstand von der MessobjektOberfläche positionierten erfindungsgemässen Sensors.
Fig. 2 zeigt einen vertikalen Schnitt durch einen Sensor zur Bestimmung von Oberflächenparametern eines Messobjekts, z. B. eines Werkstückes, über welche etwa die Oberflächengüte eines solchen Messobjekts bestimmt werden kann. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird eine kapazitive Messmethode angewandt, die Erfindung ist aber nicht auf diese Art der Messwerterfassung beschränkt. Zur technischen Realisierung stehen, wie nachfoigend noch erläutert werden wird, eine Fülle von Möglichkeiten zur Verfügung. Das Erfindungsprinzip wird aber zunächst anhand des in Fig. 2 gezeigten kapazitiven Oberflächensensors beschrieben.
Bei diesem ist ein, eine Sensor-Messfläche 4 aufweisendes Sensorelement vorgesehen, das mit seiner Sensor-Messfläche 4 auf der oder in einem Abstand zur Oberfläche des Messobjektes positionierbar ist. Die Sensor-Messfläche 4 beträgt für die Beurteilung gebräuchlicher WerkstückOberflächen ungefähr 1-2 mm2 (bis zu 20 mm2).
Eine wesentliche Grösse bei der Beurteilung der Oberflächengüte stellt die Rauheit dar, die bisher nur mit sehr komplizierten und aufwendigen Apparaturen verlässlich ermittelt werden konnte.
Besonders bei Messobjekten mit einer sehr hohen Porosität, die, wie etwa bei Sinterteilen, durchaus in dieser Form gewünscht ist, weil das Werkstück z. B. ein ganz bestimmtes Restporenvolumen zur Aufnahme von bestimmten Schmierstoffen aufweisen soll, kann es bei Anwendung der bisher üblichen Bestimmungsmethoden zu einer Fehlbewertung kommen, da die relativ grossen Poren von Sinterteilen jede Messung so beeinflussen, dass entsprechend hohe Rauheitswerte vorgetäuscht werden, obwohl die ganz aussen liegende Funktionsoberfläche in Wirklichkeit eine sehr glatte Struktur aufweist. Um derartige Fehlmessungen zu vermeiden, müssen sehr hochauflösende Verfahren angewandt werden, die aber entsprechend lange Messzeiten und hohe Kosten mit sich bringen.
Erfindungsgemäss werden die vorgenannten Probleme dadurch gelöst, dass die SensorMessfläche 4 aus einer Vielzahl von Sub-Sensorelementen 6 zusammengesetzt ist.
Je nach Art der Messmethode wird dabei der Sensor in mehrere, z. B. 100 bis 1000, vorzugsweise 400 Untereinheiten unterteilt, aus denen voneinander unabhängige Messwerte gewonnen werden können.
Bei der im Ausführungsbeispiel gemäss Fig.2 angewandten kapazitiven Messmethode ist die Sensor-Messfläche 4 durch eine, aus einer Vielzahl von Sub-Elektroden 6' zusammengesetzten Messelektrode 4' gebildet, die elektrisch voneinander isoliert sind und die als Messwert-Ausgang jeweils einen elektrischen Anschluss aufweisen, über den sie mit einer Auswertevorrichtung 3 (Fig. 2) verbunden sind. Über diese elektrische Anschlüsse ist das Messsignal der Sub-Elektroden 6' getrennt voneinander oder in Gruppen gleichzeitig abgreifbar, wodurch die Möglichkeit besteht, Einzelmesswerte, insbesondere Minimal- und Maximalwerte oder integrale Messwerte zu ermitteln.
Diese Unterteilung in eine Vielzahl von Sub-Elektroden erfolgt in der Praxis bevorzugt mit Hilfe von mikrosystemtechnischen Methoden auf Basis einer miniaturisierten Sensorfläche mit geeigneten Sub-Unterteilungen.
Der dabei genutzte physikalische Effekt muss sich aber nicht auf das elektrische Feld zwischen einer Mess-Elektrode und der Messobjekt-Oberfläche beschränken, sondern kann ebenso andere geeignete Grössen, z. B. magnetische, optische, piezo-elektrische oder pneumatische Grössen, die mittels einer Vielzahl von Sub-Sensorelementen erfasst werden können, betreffen.
Fig.1 zeigt einen Teil einer Messelektrode, bei der die Sub-Elektroden 6' aus in einer Ebene
<Desc/Clms Page number 5>
angeordneten quadratischen Metallelektroden gebildet sind, die in Form einer Matrix angeordnet sind. Die einzelnen elektrischen Anschlüsse sind in Fig. 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt, können aber beispielsweise unter Anwendung eines mikrotechnischen Verfahrens zusammen mit den Sub-Elektroden aus einem geeigneten Substrat geätzt werden.
Die Sub-Elektroden 6' bilden dabei, sobald sie im richtigen Abstand von der zu vermessenden Oberfläche positioniert worden sind, jeweils eine Teilelektrode eines Kondensators (Fig. 4), dessen anderer Teil durch einen Teilbereich der Oberfläche des Messobjektes 7 gebildet ist, wobei als Dielektrikum entweder ein durch den Abstand zwischen den Sub-Elektroden 6' und der MessobjektOberfläche bestehender Luftspalt wirkt oder eine Schicht eines isolierenden Festkörpers bzw. eine entsprechende dielektrische Flüssigkeit, die zwischen die Messobjekt-Oberfläche und die SubElektroden 6' eingebracht worden ist.
Die Form der Sub-Elektroden 6' und ihre gegenseitige Beabstandung bzw. ihre Anordnung sind im Rahmen der Erfindung ebenfalls keinerlei Beschränkung unterworfen.
Aus geometrischen Gründen sind aus drei-, vier-, sechs- oder achteckigen Flächen gebildete Sub-Elektroden, die gleich voneinander beabstandet sind, in der Praxis die geeignetsten Realisierungsformen.
Werden die den Sub-Elektroden gegenüberliegenden Oberflächenbereiche des Messobjekts 7 als zweite Elektrode des so gebildeten Plattenkondensators verwendet, so ist ein relativ hoher Leitfähigkeitswert des Messobjekts Voraussetzung für das Funktionieren des erfindungsgemässen Sensors. Für die Messung kann das Messobjekt 7 durch eine leitfähige Verbindung oder Kontaktierung mit der Auswertevorrichtung 3, bzw. wie in Fig. 4 angedeutet, mit Masse verbunden sein.
Sofern das Messobjekt aus einem elektrisch nicht leitenden Material besteht und eine Erhöhung seiner Leitfähigkeit nicht möglich ist, kann auch die Kapazität zwischen jeweils zwei SubElektroden 6' als Messwert herangezogen werden, wie dies in Fig.5 gezeigt ist. Das Feld zwischen den zwei Sub-Elektroden 6' wird dabei durch die Oberfläche des Messobjektes 7 entsprechend ihrer Beschaffenheit beeinflusst.
Analog dazu können bei einer optischen oder pneumatischen Sensor-Messfläche 4 abwechselnd aktive und passive Sub-Sensorelemente vorgesehen sein, wobei jeweils die passiven SubSensorelemente, z. B. Phototransistoren, Mikro-Drucksensoren das von der Messobjekt-Oberfläche zurückgegebene bzw. reflektierte Signal der benachbarten aktiven Sub-Sensorelemente, z. B.
Photodioden, Mikro-Druckgeber in ein Messsignal umwandeln.
Der erfindungsgemässe Sensor kann auch an die Kontur der Messobjekt-Oberfläche angepasst werden. Dies ist im einfachsten Fall durch Verwendung verschiedener Elektrodenformen möglich, es besteht aber auch die Möglichkeit, die Sensorelektrode so auszuführen, dass sie an das Messobjekt, z. B. an dessen nominelle Oberflächengeometrie, z. B. die eines Zylinders anpassbar wird. Auf diese Weise ergibt sich eine deutliche Verringerung von unerwünschten Streufeldern im Raum zwischen Elektrode und Messobjekt. Weiters kann durch die Verwendung eines geeigneten Dielektrikums zwischen Sub-Elektroden und Messobjekt-Oberfläche im Feldraum der Einfluss von Streufeldern noch weiter reduziert werden.
Dies kann z. B. dadurch geschehen, dass auf den Sub-Elektroden 6' eine aus einem Dielektrikum gebildete Schicht aufgebracht ist. Über diese Schicht können die Sub-Elektroden 6' mit der Oberfläche des Messobjektes in Berührung gebracht werden.
Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform ist die aus Sub-Elektroden 6' zusammengesetzte Messelektrode 4' zusammen mit der Auswertevorrichtung 3 in einem Sensorkopf 2 angeordnet, der aus einem an einer Seite offenen Hohlkörper gebildet ist. Bei der angewandten kapazitiven Messmethode bewirken auch Leitungskapazitäten wie sie bei Verbindungsleitungen zwischen der Auswertevorrichtung 3 und den Sub-Elektroden 6' bestehen, einen deutlich messbaren Störeinfluss auf das Messergebnis. Durch die räumliche Nähe zwischen der Auswertevorrichtung 3 und der Messelektrode 4' können jedoch die parasitären Kapazitäten gering gehalten werden, wodurch sich die Qualität des Messsignals deutlich verbessert.
Die aus den Sub-Elektroden 6' zusammengesetzte Messelektrode 4' ist an der offenen Seite des Hohlkörpers angebracht, sodass diese mit dem Sensorkopf 2 auf die Oberfläche des Messobjekts 7 oder in einem Abstand zu dieser positionierbar ist.
Einen grossen Einfluss auf die Reproduzierbarkeit des Messergebnisses hat die Sensorpositionierung auf der Messobjektoberfläche selbst. Um eine genau definierte Aufsetzbewegung des
<Desc/Clms Page number 6>
erfindungsgemässen Sensors zu ermöglichen, ist der Sensorkopf 2 mittels einer, in allen Richtungen über einen bestimmten Weg bzw. Winkelweg frei beweglichen kardanischen Aufhängung 5 oder eines mechanischen Äquivalents gegenüber einem an einer Seite offenen Sensorgehäuse 1 angeordnet, wobei der Sensorkopf 2 mit seiner offenen Seite aus der offenen Seite des Sensorgehäuses 1 vorragt.
Die kardanische Aufhängung bewirkt somit, dass der erfindungsgemässe Sensor auf dem gleichen Abschnitt des Messobjektes 7 immer in definierter und reproduzierbarer Weise aufsetzt, weil der Sensorkopf 2 durch seine Bewegbarkeit gegenüber dem Sensorgehäuse 1 auf den lokal höchsten Punkten der Messobjekt-Oberfläche zu liegen kommt. Ein Verkanten der SensorMessfläche ist damit ausgeschlossen. Die Messung der Kapazität geschieht immer in Bezug auf diese lokal höchsten Erhebungen. Die beschriebene Anordnung der Sensor-Messfläche 7 innerhalb des Sensorkopfes 2 und die kardanische Aufhängung bezüglich des Sensor-Gehäuses 1 ist für jedes Sensorprinzip anwendbar. Anstelle einer aus Sub-Elektroden 6' zusammengesetzten Sensor-Messfläche 7 können also entsprechende optische, pneumatische, piezo-elektrische SubSensoren o.ä. treten.
Die Messung der während des Messvorganges zwischen den Sub-Elektroden 6' und der Messobjekt-Oberfläche gebildeten Kapazitäten geschieht aus messtechnischen Gründen mit Hilfe eines elektrischen Wechselfeldes, wobei bei der Messung die jeweils zu bestimmende Kapazität die Frequenz eines Oszillators beeinflusst, der z. B. mit einer Frequenz von 30 MHz schwingt. Aus der gemessenen Oszillator-Frequenz kann die zwischen der jeweiligen Sub-Elektrode 6' und der Messobjekt-Oberfläche vorhandene Kapazität berechnet werden.
Eine dafür geeignete Messanordnung ist in Fig. 3 gezeigt. Der aus einem Schmitt-Trigger 13 und den Widerständen 11,12 und dem Kondensator 14 gebildete Oszillator gibt eine rechteckförmige Ausgangsspannung Ua aus, deren Frequenz in Abhängigkeit von einer am Oszillator-Eingang 15 parallel geschalteten Kapazität 10 (CMess) variiert, welche die zu messende Kapazität, z.B. zwischen der Sub-Elektrode 6' und der Messobjekt-Oberfläche repräsentiert. Die Ermittlung der Kapazität kann aber auch in anderer Form durchgeführt werden.
Die Frequenz des in Fig. 3 gezeigten Schwingkreises ist somit ein Mass für die Kapazität zwischen der jeweiligen Sub-Elektrode 6' und der Oberfläche des Messobjektes 7 und somit ein Mass für die Rauheit der Werkstückoberfläche.
Die in Form einer Matrix angeordneten Sub-Elektroden 6' können während der Messung unabhängig voneinander mit dem Oszillator-Eingang 15 verbunden werden. Sobald die SensorMessfläche 4 relativ zur Messobjekt-Oberfläche positioniert worden ist, können alle Sub-Elektroden 6' nacheinander mit dem Oszillator-Eingang 15 verbunden und in dem von der Sensor-Messfläche 4 überdeckten Oberflächenbereich der minimale und der maximale Kapazitätswert ermittelt werden, die mit den maximalen und minimalen Höhenkoordinaten im Oberflächenbereich korrelieren.
Im eigentlichen Messvorgang werden vorzugsweise alle Sub-Elektroden 6' gemeinsam mit dem Oszillator-Eingang 15 verbunden und ein für die gesamte Sensor-Messfläche 4 gültiger, integraler Kapazitätswert bestimmt. Wird dieser Messwert in Relation zu den im vorangehenden Kalibriervorgang bestimmten minimalen und maximalen Kapazitäts-Messwerte gesetzt, ergibt sich ein auf die Sensor-Messfläche 4 bezogener Referenzwert. Auf diese Weise werden die gemessenen Kapazitätswerte mit den Höhenkoordinaten korrelierbar. Gleichzeitig bewirkt dieser Messvorgang eine deutliche Reduktion des Einflusses die bei der Messung auftretenden, parasitären Kapazitäten.
Die in Sub-Elektroden 6' unterteilte Sensor-Messfläche 4 kann sowohl zur Ermittlung eines Kalibrierwertes zur Sensorpositionierung als auch zur Berechnung eines Korrekturwertes für die direkte Messung von 3D-Oberflächenparametern, z. B. der 3-D Glättungstiefe Sp, der mittleren 3DRauheit Sa und der 3D-Rautiefe St verwendet werden.
Im folgenden wird die Auswertung des Messsignals zur Bestimmung der 3-D Glättungstiefe Sp eines Messobjektes beschrieben. Diese Messgrösse ist auf Basis des erfindungsgemässen Verfahrens mit einem genormten Kennwert, wie er mit bisher in Verwendung stehenden Messeinrichtungen bestimmt werden kann, korrelierbar.
Folgende Messwerte werden während des Messvorganges ermittelt: Cges: Kapazitätsmesswert über die gesamte Sensor-Messfläche 4 Csub,avg: Mittelwert der Kapazitätsmesswerte aller Sub-Elektroden 6' Csub,min: Minimaler Kapazitätsmesswert aller Sub-Elektroden 6'
<Desc/Clms Page number 7>
Csub,max: Maximaler Kapazitätsmesswert aller Sub-Elektroden 6'
Aus diesen Messwerten können äquivalente Elektrodenabstände nach folgender Formel ermittelt werden :
EMI7.1
Für die Berechnung der äquivalenten Plattenabstände für die Subelektrodenmessungen ist für Asensor die Fläche einer Subelektrode 6' einzusetzen, ansonsten die gesamte Elektrodenfläche.
Somit entspricht der äquivalente Plattenabstand dem Elektrodenabstand eines äquivalenten Plattenkondensators mit ideal glatten Elektrodenflächen.
Nach obiger Formel können aus den angeführten Messwerten die zugehörigen äquivalenten Plattenabstände dges, dsub,avg, dsub,min, und dsub.max ermittelt werden.
Ermittlung der 3D-Glättungstiefe Sp:
Setzt man die Werte für Sp und dsub,avg zueinander in Beziehung und zieht den (bekannten) Sensorabstand dsensor ab, so zeigen diese Werte bereits eine relativ gute Übereinstimmung. Als problematisch erweist sich aiierdings, dass die Differenz dieser Werte mit steigender Rauheit zu- nimmt. Daher wird ein Korrekturfaktor k, berechnet, mit dessen Hilfe aus dem Wert dsub,avg der Wert Sp ermittelt werden kann
EMI7.2
Der Faktor k1 ist ein Mass dafür, wie "uneben" die Fläche ist, für eine ideal glatte Fläche wäre dieser Wert = 1.
Genau diese Unebenheit wird aber durch die Glättungstiefe letztendlich beschrieben, daher führt der um den Faktor 1/K1 korrigierte Wert dsub,avg2 zu einer verbesserten Beurteilung der Glättungstiefe, der maximale relative Fehler liegt im Bereich von ca. 2 %.
Somit ergibt sich die 3D-Glättungstiefe aus den Kapazitätsmesswerten und den bekannten Sensorabmessungen zu
EMI7.3
Wie bereits erwähnt, beschränkt sich der Erfindungsgedanke nicht auf die Messung mittels einer bestimmten physikalischen Grösse und kann daher auf verschiedenartige Weise umgesetzt werden.
So kann die Bestimmung der Rauhigkeit auch durch Beleuchtung eines auf wenige mm2 begrenzten Oberflächenbereiches und Ausweitung des von der Oberfläche reflektierten Lichtes über eine opto-elektronische Bildpunkt-Wandlung erfolgen. Erhöhungen und Vertiefungen erscheinen als Lichtintensitäts- oder Lichtfarbensignal.
Eine Unterteilung der Sensor-Messfläche wird durch einen vielsegmentigen Mikrospiegel erreicht, der von einem Laserlichtstrahl angestrahlt wird und das Licht punktweise auf die Oberfläche des Messobjektes lenkt. Dort wird es reflektiert und nimmt denselben Weg wie das auf die Oberfläche gelenkte Licht bis zu einem Strahlteiler, über den die reflektierten Lichtstrahlen zu photoelektrischen Wandlern gelangen, welche die Auswertung übernehmen.
Alternativ dazu kann das von einer beleuchteten Oberfläche reflektierte Licht über eine Abbildungsoptik direkt auf ein opto-elektrisches Dioden-Array gelangen und so punktförmig ausgewertet werden.
<Desc/Clms Page number 8>
Weiters kann auch Laserlicht über eine, aus vielen Einzelsegmenten, z. B. Photdioden gebildete, opto-elektronische Lichtventil-Matrix in Form einer Lichtpunkt-Matrix auf die MessobjektOberfläche gestrahlt werden und das reflektierte Licht räumlich getrennt delektiert und in elektronische Messsignale gewandelt werden.
Genauso ist es auch denkbar, eine Sensor-Messfläche aus einer Vielzahl von Piezo-Aktuatoren oder auf anderen Kraftwechselwirkungen mit der Oberfläche beruhenden Aktuatoren zusammenzusetzen. Die Auswertung der gemessenen Messsignale geschieht in analoger Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Sensor zur Bestimmung von Oberflächenparametern eines Messobjekts, z. B. eines Werk- stückes, mit einem zumindest eine Sensor-Messfläche aufweisenden Sensorelement, das mit seiner Sensor-Messfläche auf der oder in einem Abstand zur Oberfläche des Messob- jekts positionierbar ist, wobei die Sensor-Messfläche (4) aus einer Vielzahl von Sub-
Sensorelementen (6) mit separaten Messwert-Ausgängen bzw.
mit separaten Messwert-
Wandlern zusammengesetzt ist und die aus Sub-Sensorelementen (6) zusammengesetzte
Sensor-Messfläche (4) in einem Sensorkopf (2) angeordnet ist, der aus einem an einer Sei- te offenen Hohlkörper gebildet ist, und dass die aus den Sub-Sensorelementen (6) zusam- mengesetzte Sensor-Messfläche (4) an der offenen Seite des Sensorkopfes (2) angebracht ist, sodass diese mit dem Sensorkopf (2) auf der Oberfläche des Messobjekts oder in einem
Abstand zu dieser positionierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorkopf (2) mittels einer über einen bestimmten Weg bzw.
Winkelweg in allen Richtungen frei bewegli- chen an sich bekannten kardanischen Aufhängung (5) gegenüber einem an einer Seite offenen Sensorgehäuse (1) angeordnet ist, wobei der Sensorkopf (2) - in seiner nicht applizierten Lage - mit seiner offenen Seite aus der offenen Seite des Sensorgehäuses (1) vorragt.