WO1989000672A1 - Process for detecting a nearly pinpoint, essentially force-free contact of small area between a probe and a solid object, and contact detector - Google Patents

Process for detecting a nearly pinpoint, essentially force-free contact of small area between a probe and a solid object, and contact detector Download PDF

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WO1989000672A1
WO1989000672A1 PCT/DE1988/000388 DE8800388W WO8900672A1 WO 1989000672 A1 WO1989000672 A1 WO 1989000672A1 DE 8800388 W DE8800388 W DE 8800388W WO 8900672 A1 WO8900672 A1 WO 8900672A1
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resonator
probe
amplitude
receiver
rod
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PCT/DE1988/000388
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Inventor
Dirk-Michael Rupp
Jürgen KISING
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Krautkrämer Gmbh & Co.
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B3/00Measuring instruments characterised by the use of mechanical techniques
    • G01B3/002Details
    • G01B3/008Arrangements for controlling the measuring force
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01HMEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H13/00Measuring resonant frequency
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/40Investigating hardness or rebound hardness
    • G01N3/405Investigating hardness or rebound hardness by determining the vibration frequency of a sensing element in contact with the specimen

Definitions

  • the invention relates to a method for detecting a small-area gene, almost punctiform and largely force-free contact between a probe and a solid object, and an apparatus for performing this method (touch detector).
  • the detection of a possible gentle contact between a probe and an object is desirable.
  • the hardness test and the length measurement with a mechanical measuring rod may be mentioned as an example.
  • the surface of the permanent pyramid impression is determined for a given test force.
  • the surface can be calculated using the depth of the impression if the length difference between the almost force-free contact and the penetration depth is known after the test force has been removed.
  • a distinction must therefore be made between the purely elastic part and the permanent part of the deformation under test force. This distinction is also advantageous for other hardness test methods.
  • a defined contact force of the mechanical length measuring rod is a prerequisite for a precise measurement.
  • different elastic and permanent deformations can occur at individual measuring points, as a result of which the measurement result is falsified.
  • a small-area, almost punctiform contact is understood as a touch, in which, for. B. the diagonal of a Vickers pyramid is in the range of one micrometer and below. These are contact surfaces that are mostly not detectable in a light microscope, at most - if at all - in a scanning electron microscope. Subs A largely force-free contact becomes contact forces in the area
  • the difference between the depth of indentation compared to the (undisturbed) surface of the object is not determined directly by contact of the probe with the surface of the object. Rather, in addition to the probe, at least two mounting feet are provided, against which the probe can be moved transversely to the surface.
  • the starting point for the measurement of the penetration depth is the state of the probe, in which the probe tip lies on a straight line passing through the contact points of these feet.
  • the measurement of the (undisturbed) surface carried out in this way is only accurate if the surface to be measured runs in a straight line between the two contact points. All deviations from a straight line connection between the two contact points lead to errors in the measurement of the impression depth.
  • the measure of the pressing force with which the feet are placed on the surface of the object is not constant, so that further measurement errors result from the fact that the feet are more or less pressed into the surface to be measured.
  • This can be counteracted by using relatively large feet, for example a probe foot tube, but this defines a zero line or zero plane, which generally does not have the actual point of impact (first contact) on the surface with rough surfaces to a moving probe coincides with the surface.
  • the object of the invention is to specify a method or a device with which the detection of the first contact of a probe brought up to the surface of a solid object of the probe is possible.
  • a method or a device with which the detection of the first contact of a probe brought up to the surface of a solid object of the probe is possible.
  • successful contact contact of the probe with the surface to be measured should be detected.
  • the probe which is preferably designed as a diamond tip, has a free end region rod-shaped resonator is arranged, which is excited by an electrical frequency generator connected to natural vibrations in its longitudinal direction and is connected to a receiver that monitors the amplitude of these vibrations for changes in amplitude and a touch signal appears when the amplitude approaches the probe to the Object stood for a predetermined value, for example a value of one deciBel drops.
  • the contact of the probe itself with the surface to be measured is detected and displayed directly, which with an indirect measurement, as is known for example from DE-OS 34 24 514, which errors are avoided and do not occur.
  • small surface areas for example flanks of gear wheels, in which the areas are too small for the attachment of two attachment feet, can also be measured.
  • the method according to the invention enables the initial contact and thus the level of the (undisturbed) surface to be determined with the probe, which is also used later for the hardness test (for example Vickers diamond). With length measurements, there is the possibility of obtaining reproducible system forces and in this way measuring the smallest length differences, for example steps.
  • the method can also be used to precisely scan and reproduce a profile of a surface.
  • the method according to the invention is particularly suitable for automatic detection, for example an automatic hardness test or an automatic measurement of an object.
  • An arbitrarily shaped surface for example a workpiece, can thus be scanned point by point, but it is also possible with the method according to the invention to move the probe in the surface itself, that is to say to keep it constantly in contact with the surface, with the contact force is kept constant in that the
  • Vibration amplitude of the rod-shaped resonator is kept within a predetermined range.
  • a touch detector which has a housing in which a rod-shaped resonator is mounted so that it can vibrate is. At its free end area it has a probe which is designed separately or is an integral part of the resonator rod.
  • the resonator rod is connected to a frequency generator, by means of which it is excited to produce longitudinal natural vibrations. It is also connected to a receiver which has a circuit for detecting amplitude changes or for displaying the amplitude of the rod's natural vibrations.
  • the touch detector it is proposed to manufacture the rod-shaped resonator from a piezoelectric material and to attach electrodes which are connected to the frequency generator and to the receiver.
  • the rod-shaped resonator can also be made of a magnetostrictive material, the excitation then taking place via coils, which in turn are connected to the frequency generator or receiver.
  • Such training enables inexpensive resonator rods, the rod itself can form the probe, so that a separate probe is not necessary.
  • the resonator can also be made of metal, it is then connected to ultrasonic transducers, which in turn are connected to the frequency generator or to the receiver.
  • ultrasonic transducers which in turn are connected to the frequency generator or to the receiver.
  • a preferably slim resonator has larger frequency changes when in contact with an object than thick resonators (seen in relation to the length).
  • this relationship also applies to the change in amplitude.
  • Slim resonators show larger changes in amplitude when in contact with an object than thicker resonators.
  • an amplitude detection and a frequency measurement can be combined favorably on the same resonator.
  • the circuit for detecting an amplitude change or for displaying the amplitudes of the rod natural vibrations in the receiver is in itself arbitrary and can be implemented according to the prior art.
  • the amplitude can be measured digitally or analogously and, if necessary, averaging over a few or more amplitudes can be carried out.
  • a point-by-point scanning of the elongation is also conceivable.
  • Bridge circuits, discriminators, comparators and the like are suitable for detecting an amplitude change.
  • the probe itself or, preferably, the rod-shaped resonator in the region of a vibration node is connected to a length meter, for example a micrometer screw, the mirror of an interferometer, an inductive displacement sensor, a line grid or the like.
  • a length meter for example a micrometer screw, the mirror of an interferometer, an inductive displacement sensor, a line grid or the like.
  • the arrangement of the length meter in the region of an oscillation node of the resonator is advantageous because the dimensions of the touch detector in the region of the probe remain extremely small and the smallest areas can still be measured.
  • the amplitude of the longitudinal vibrations of the resonator are in the nm range, so that they would practically not influence the length measurement anyway.
  • the advantage is achieved that there is no interference with the vibration behavior of the resonator.
  • the resonator must anyway be mechanically clamped in a partial area of its total length s, preferably at s / 4. This clamping can also be used to connect the length measuring device.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of the touch detector according to the invention, the housing is indicated by the dashed square, the touch detector includes a separate display device which is connected to the housing via a connecting line,
  • FIG. 2 shows a longitudinal section through a touch detector, which is also designed as a low-load hardness tester,
  • FIG. 3 shows a side view of a rod-shaped resonator which is connected to a length measuring device, which is designed here as a micrometer watch for better illustration, and
  • Fig. 4 is a schematic representation in side view of a device for measuring a surface (a relief).
  • the touch detector according to FIG. 1 has a housing 20 indicated by dashed lines, which according to FIG. 2 is designed as a hand-held device with an essentially stylus shape.
  • a slim, rod-shaped resonator 22 is mounted so that it can vibrate. It is a total of around sixty millimeters long and consists of two cylindrical parts that are connected to one another by a truncated cone. In an upper, approximately thirty millimeter long section, it has a diameter of three millimeters, as a result of which there is just a sufficiently large area for attaching ultrasonic transducers 24, 26 to the metallic rod. In the lower area it has a diameter of two millimeters, this area is about twenty millimeters long. Because of this slim design of the resonator 22 is for the Measurement process takes up little space and only requires limited access. E Inaccessible parts, for example flanks of gear wheels, inner walls of pipes, blind bores and the like can also be measured.
  • a probe 28 is fastened to the resonator 22 at its free end region, which is located outside the housing 20 in accordance with FIG. 2, and is generally designed as a diamond tip, but in a simplified embodiment can also be a metal tip or a tip connected in one piece to the resonator.
  • UCI Ultrasonic Contact I pedance
  • the two other ultrasonic transducers 26 arranged approximately in the longitudinal center of the resonator 22 are connected to a receiver 32.
  • the metallic resonator 22 and the transmitter 30 and receiver 32 are connected to ground.
  • the resonator 22 has an overall length of s and is clamped at s / 4 (arrow 34 in FIG. 1) and is connected to the housing 20 at this point. Because of the clamping described, only the first harmonic of a natural vibration can develop in the longitudinal direction, which is excited by the transmitter 30. The generated vibration is interrogated via the receiver.
  • the receiver 32 has a circuit (not shown here) for detecting the vibration amplitude or for determining a change in the vibration amplitude.
  • a circuit (not shown here) for detecting the vibration amplitude or for determining a change in the vibration amplitude.
  • an oscillograph is connected to the receiver output, with which the oscillation amplitude can be monitored.
  • the receiver 32 has a memory in which the amplitude of the last oscillation (or an average of the amplitudes from a number of past oscillations) is stored in each case. The current value of the amplitude is compared with this stored value, and averaging can also take place here.
  • the receiver 32 If the compared signals deviate from one another by a predetermined threshold value, for example a dB, the receiver 32 emits a touch signal to a control circuit 36 located in the housing 20 is separate from housing 20 and is connected to it via a line 40, is further processed.
  • a predetermined threshold value for example a dB
  • the methods known for this purpose can be used to detect the amplitude of the vibrations detected by receiver 32, for example a peak value detector can be provided, but it is also possible to integrate the surface of the signal curve enclosed with the zero line.
  • Individual parameters of the rod-shaped resonator 22 can be stored in the control circuit 36 in a preferably non-volatile spoke. In this way, the values characteristic of a special resonator 22 are available within the housing 20 designed as a hand-held device, so that the basic device 38 can be connected to different hand-held devices.
  • the parameters of the rod-shaped resonator 22 also include the parameters of the ultrasonic transducers 24, 26 connected to it, the individual design of which has an influence on the vibration behavior of the resonator 22 itself.
  • the specific conditions of the holder in the area of the clamping 34 are also taken into account.
  • FIG. 2 shows a sectional view of a handheld device for micro hard testing under load. Using such a combined device, the advantage of a known UCI measurement by detecting the frequency shift and monitoring the amplitude according to the invention is to be shown:
  • the resonator 22 protrudes with its lower end, which is connected to the probe 28, approximately ten percent of its total length s freely from the lower end of a housing 20 formed as a tubular body.
  • the resonator 22 is surrounded within this tubular body by a guide tube 42. It forms in the lower region a plurality of threads running transversely to its axial direction, i the fixing screws 44 are screwed in, which fix the resonator 22 at the position 34.
  • an O-ring 46 is arranged between the guide tube 42 and the resonator 2.
  • the guide tube 42 is surrounded by two cylindrical-shaped slide bearings 48 handles, one of which is located in the lower end region and the other approximately i in the middle of the tubular body.
  • a compression coil spring 50 is arranged between the threaded connection piece for the fixing screws 44 and the lower ring surface of the upper slide bearing 48, which presses the guide tube 42 and dami 22 against the lower end of the handle-like housing 2.
  • the housing is clamped in a lowerable stand (not shown) and motorized against a surface to be measured.
  • the movement relative to this surface is recorded by means of a length measuring device (not shown). If the probe 28 comes into contact with the surface of the object during the advance, a drop in amplitude is registered in the receiver 32. The display of the length meter reached at this time is recorded and saved. If the housing 20 is pressed increasingly against the surface in continuation of the movement, the resonator 2 and thus its guide tube 42 spring inward against the action of the spring 50.
  • the upper end region of the guide tube 42 is closed, it is assigned a switch 52, the switching part of which is actuated by a certain relative movement between the guide tube 42 and the housing 20. This relative position is set so that it has the desired test pressure.
  • De switch 52 is connected to electronics 54, which is located in the upper inner space of the housing 20 and which includes the receiver 32, the transmitter 30 and the control circuit 36. It is in turn connected to a connector 56, which is arranged in the upper end region of the housing 20.
  • the frequency shift of the resonator frequency is determined and from this the size of the contact area between the probe 28 and the impression made by it on the surface of the object to be measured is determined.
  • the advance of the housing 20 against the surface is not continued in order not to exceed the test force.
  • the frequency shift is measured in a very short period of time, for example in twenty milliseconds.
  • FIG. 3 shows a resonator 22 as used in the device according to FIG. 2. It has at its lower, free end an axial blind bore 58 into which the probe 28, which is not shown in FIG. 3, can be inserted and exchangeably inserted.
  • the resonator 22 according to FIG. 3 has a collar 60 in its clamping region, which in the exemplary embodiment shown has the same diameter as the upper, cylindrical end region of the resonator 22 (three millimeters).
  • the resonator 22 has an oscillation node in the region of the collar 60 used for clamping.
  • a measuring plunger 62 of a micrometer watch 64 bears against the collar 60. It is attached in such a way that the relative movements of the resonator 22 with respect to a reference, for example with respect to a carriage of a tripod guide, can be detected.
  • the resonator 22 is connected to a liftable and lowerable slide (arrow 67) of a stand 68, the micrometer clock 64 itself is connected to the carriage 76 of the stand 68, so that the displacement of the slide 66 in the direction of the arrow 67 can be detected and measured.
  • an object 70 whose surface facing upwards is to be measured, is clamped onto a plate 72.
  • a tripod 68 which has two lateral supports and a guide rail 74 held by them, on which a carriage 76 is slidably guided in the direction of the double arrow 78.
  • the carriage 66 which can be moved in the sense of the double arrow 67, is arranged on it at right angles to the guide rail 74.
  • the course of the surface of the object 70 can be detected either by point-by-point scanning or by continuous scanning.
  • the housing 20, which is clamped to the slide 66, is lifted from the surface of the object 70, a certain amount in the sense of the double arrow 78 (for example one millimeter) is pushed, then the slide 66 is lowered again and the distance is determined until the probe 28 of the housing 20 is again in contact with the surface of the object 70. This is followed step by step.
  • the motors of the carriage 76 on the one hand and the carriage 66 on the other hand are controlled such that the probe 28 always remains in contact with the surface of the object 70.
  • This control takes place by monitoring the oscillation amplitude of the resonator 22 received by the receiver 32.
  • the basic device 38 is connected on the output side to the drive motors (line 80). The drive motors are operated in such a way that the oscillation amplitude received by the receiver 32 remains within a predetermined bandwidth.

Abstract

In a process for detecting a virtually pinpoint, essentially force-free contact of small area between a probe (28) and a solid object (70), a rod-shaped resonator (22) having a probe (28) at its free end is excited at its natural oscillation frequency in its longitudinal direction by an electrical frequency generator (30). The resonator (22) is connected to a receiver (32) which monitors the amplitude of these oscillations in order to detect changes in amplitude. A contact signal is emitted if the amplitude drops by a predetermined value, for example 1 decibel, when the probe (28) approaches the object (70).

Description

Bezeichnung: Verfahren zum Erfassen einer kleinflächigen, nahezu punktfö gen und weitgehend kräftefreien Berührung zwischen einer So und einem festen Gegenstand, sowie Berührungsdetektor Description: Method for detecting a small-area, almost point-like and largely force-free contact between a sun and a solid object, as well as a touch detector
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erfassen einer kleinfläch gen, nahezu punktförmigen und weitgehend kräftefreien Berührung zwisch einer Sonde und einem festen Gegenstand, sowie eine Vorrichtung z Durchführung dieses Verfahrens (Berührungsdetektor) .The invention relates to a method for detecting a small-area gene, almost punctiform and largely force-free contact between a probe and a solid object, and an apparatus for performing this method (touch detector).
Bei einer Vielzahl von Meßverfahren ist die Erfassung eines möglich schonenden Kontaktes zwischen einer Sonde und einem Gegenstand erwünsch als Beispiel seien die Härteprüfung und die Längenmessung mit einem mechan schen Meßstab genannt.In a large number of measuring methods, the detection of a possible gentle contact between a probe and an object is desirable. The hardness test and the length measurement with a mechanical measuring rod may be mentioned as an example.
Bei der Härteprüfung nach Vickers wird bei vorgegebener Prüfkraft die Ober fläche des bleibenden Pyramideneindrucks ermittelt. Die Oberfläche kann üb die Tiefe des Eindrucks berechnet werden, wenn die Längendifferenz zwische nahezu kräftefreiem Berührungskontakt und Eindringtiefe nach Wegnahme der Prüfkraft bekannt ist. Es muß also zwischen dem rein elastischen Anteil un dem bleibenden Anteil der Verformung unter Prüfkraft unterschieden werden. Diese Unterscheidung ist auch für andere Härteprüfverfahren von Vorteil.In the Vickers hardness test, the surface of the permanent pyramid impression is determined for a given test force. The surface can be calculated using the depth of the impression if the length difference between the almost force-free contact and the penetration depth is known after the test force has been removed. A distinction must therefore be made between the purely elastic part and the permanent part of the deformation under test force. This distinction is also advantageous for other hardness test methods.
Bei der Längenmessung, insbesondere einer automatisch durchgeführten Länge messung, ist eine definierte Anlagekraft des mechanischen Längenmeßstab Voraussetzung für eine präzise Messung. Bei unterschiedlichen Anlagekräft können an einzelnen Meßpunkten unterschiedliche elastische und unter ander auch bleibende Verformungen auftreten, hierdurch wird das Meßergebnis ver¬ fälscht.When measuring length, in particular an automatically performed length measurement, a defined contact force of the mechanical length measuring rod is a prerequisite for a precise measurement. With different system forces, different elastic and permanent deformations can occur at individual measuring points, as a result of which the measurement result is falsified.
Unter einer kleinflächigen, nahezu punktförmigen Berührung wird eine Berüh rung verstanden, bei der z. B. die Diagonale einer Vickers-Pyramide im Be¬ reich um einen Mikrometer und noch darunter liegt. Es handelt sich also um Berührungsflächen, die zumeist nicht in einem Lichtmikroskop, allenfalls - wenn überhaupt - in einem Rasterelektronenmikroskop, nachweisbar sind. Unt einer weitgehend kräftefreien Berührung werden Berührungskräfte im BereichA small-area, almost punctiform contact is understood as a touch, in which, for. B. the diagonal of a Vickers pyramid is in the range of one micrometer and below. These are contact surfaces that are mostly not detectable in a light microscope, at most - if at all - in a scanning electron microscope. Subs A largely force-free contact becomes contact forces in the area
-4 (milliNewton) und darunter, z.B. 10 N, verstanden.-4 (milliNewtons) and below, e.g. 10 N, understood.
Bei dem aus der DE-OS 3424514 vorbekannten Härteprüfer wird die Differenz zwischen der Eindruckstiefe gegenüber der (ungestörten) Oberfläche des Gegenstandes nicht direkt durch Kontakt der Sonde mit der Oberfläche des Gegenstandes ermittelt. Vielmehr sind neben der Sonde zumindest zwei Auf¬ setzfüße vorgesehen, gegenüber denen die Sonde quer zur Oberfläche verscho¬ ben werden kann. Ausgangspunkt für die Messung der Eindringtiefe ist der Zustand der Sonde, bei dem die Sondenspitze auf einer durch die Aufsetz punkte dieser Füße gehenden Geraden liegt. Die auf diese Weise durchgeführte Messung der (ungestörten) Oberfläche ist aber nur dann genau, wenn die auszumessende Oberfläche zwischen den beiden Aufsetzpunkten geradlinig ver¬ läuft. Alle Abweichungen von einer geradlinigen Verbindung zwischen de beiden Aufsetzpunkten führen, zu Fehlern bei der Messung der Eindruckstiefe. Darüberhinaus ist das Maß der Andruckskraft, mit der die Aufsetzfüße auf die Oberfläche des Gegenstandes aufgest- zt werden, nicht konstant, so daß sich weitere Meßfehler dadurch ergeben, daß die Aufsetzfuße mehr oder wenige stark in die auszumessende Oberfläche eingedrückt werden. Dem kann man zwa dadurch entgegenwirken, daß man relativ großflächige Aufsetzfüße, beispiels weise ein Tastfußrohr, benutzt, hierdurch wird aber eine Nullinie bzw. Nullebene definiert, die bei rauhen Oberflächen auszumessender Gegenständ im allgemeinen nicht mit dem tatsächlichen Auftreffpunkt (Erstkontakt) de auf die Oberfläche zu bewegten Sonde mit der Oberfläche zusammenfällt.In the hardness tester known from DE-OS 3424514, the difference between the depth of indentation compared to the (undisturbed) surface of the object is not determined directly by contact of the probe with the surface of the object. Rather, in addition to the probe, at least two mounting feet are provided, against which the probe can be moved transversely to the surface. The starting point for the measurement of the penetration depth is the state of the probe, in which the probe tip lies on a straight line passing through the contact points of these feet. However, the measurement of the (undisturbed) surface carried out in this way is only accurate if the surface to be measured runs in a straight line between the two contact points. All deviations from a straight line connection between the two contact points lead to errors in the measurement of the impression depth. In addition, the measure of the pressing force with which the feet are placed on the surface of the object is not constant, so that further measurement errors result from the fact that the feet are more or less pressed into the surface to be measured. This can be counteracted by using relatively large feet, for example a probe foot tube, but this defines a zero line or zero plane, which generally does not have the actual point of impact (first contact) on the surface with rough surfaces to a moving probe coincides with the surface.
Ausgehend von den Verfahren der eingangs genannten Art und der nach diese Verfahren arbeitenden Vorrichtungen liegt der Erfindung die Aufgab zugrunde, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung anzugeben, mit denen di Erfassung des Erstkontaktes einer an die Oberfläche eines festen Gegenstan des herangeführten Sonde möglich ist. Anders ausgedrückt soll ein so klein flächig wie möglich und bei so geringen Berührungskräften wie möglich erfol gender Berührungskontakt der Sonde mit der auszumessenden Oberfläche erfaß werden.On the basis of the methods of the type mentioned at the outset and the devices operating according to these methods, the object of the invention is to specify a method or a device with which the detection of the first contact of a probe brought up to the surface of a solid object of the probe is possible. In other words, as small a surface area as possible and with as little contact force as possible, successful contact contact of the probe with the surface to be measured should be detected.
Diese Aufgabe wird verfahrenεmäßig dadurch gelöst, daß die Sonde, die vor zugsweise als Diamantspitze ausgebildet ist, am freien Endbereich eine stabförmigen Resonators angeordnet ist, der durch einen mit ihm verbundene elektrischen Frequenzgenerator zu Eigenschwingungen in seiner Längsrichtun angeregt wird und mit einem Empfänger verbunden ist, der die Amplitude dieser Schwingungen auf Amplitudenänderungen überwacht und ein Berührungs signal erscheint, wenn die Amplitude bei Annäherung der Sonde an den Gegen stand um einen vorgegebenen Wert, beispielsweise einen Wert von ein deziBel abfällt.This object is achieved procedurally in that the probe, which is preferably designed as a diamond tip, has a free end region rod-shaped resonator is arranged, which is excited by an electrical frequency generator connected to natural vibrations in its longitudinal direction and is connected to a receiver that monitors the amplitude of these vibrations for changes in amplitude and a touch signal appears when the amplitude approaches the probe to the Object stood for a predetermined value, for example a value of one deciBel drops.
Erfindungsgemäß wird also direkt die Berührung der Sonde selbst mit de auszumessenden Oberfläche erfaßt und angezeigt, die mit einer indirekte Messung, wie sie beispielsweise aus der DE-OS 34 24 514 bekannt ist, verbun denen Fehler werden umgangen und treten nicht auf. Zugleich können auc kleine Oberflächenbereiche, beispielsweise Flanken von Zahnrädern, bei dene die Flächen zu klein für das Aufsetzen von zwei Aufsetzfüßen ist, ausgemes sen werden. In Verbindung mit einer Härteprüfung, beispielsweise im Klein lastbereich oder bei der Mikrohärteprüfung, ermöglicht das erfindungsgemäß Verfahren, daß der Erstkontakt und damit das Niveau der (ungestörten) Ober fläche eben mit der Sonde ermittelt wird, die auch später für die Härte prüfung eingesetzt wird (zum Beispiel Vickers-Diamant) . Bei Längenmessunge ergibt sich die Möglichkeit, reproduzierbare Anlagekräfte zu erhalten un auf diese Weise kleinste Längenunterschiede, beispielsweise Stufen, auszu messen. Das Verfahren kann dabei auch benutzt werden, um ein Profil eine Oberfläche präzise abzutasten und wiederzugeben. Dabei eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere für ein automatisches Erfassen, beispielsweise eine automatische Härteprüfung oder ein automatisches Ausmes¬ sen eines Gegenstandes. So kann eine beliebig geformte Oberfläche, bei¬ spielsweise eines Werkstücks, einerseits punktweise abgetastet werden, es ist aber bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch möglich, die Sonde in der Oberfläche selbst zu bewegen, also ständig mit der Oberfläche in Kontakt zu halten, wobei die Berührungskraft dadurch konstant gehalten wird, daß dieAccording to the invention, the contact of the probe itself with the surface to be measured is detected and displayed directly, which with an indirect measurement, as is known for example from DE-OS 34 24 514, which errors are avoided and do not occur. At the same time, small surface areas, for example flanks of gear wheels, in which the areas are too small for the attachment of two attachment feet, can also be measured. In connection with a hardness test, for example in the low-load range or for micro hardness testing, the method according to the invention enables the initial contact and thus the level of the (undisturbed) surface to be determined with the probe, which is also used later for the hardness test ( for example Vickers diamond). With length measurements, there is the possibility of obtaining reproducible system forces and in this way measuring the smallest length differences, for example steps. The method can also be used to precisely scan and reproduce a profile of a surface. The method according to the invention is particularly suitable for automatic detection, for example an automatic hardness test or an automatic measurement of an object. An arbitrarily shaped surface, for example a workpiece, can thus be scanned point by point, but it is also possible with the method according to the invention to move the probe in the surface itself, that is to say to keep it constantly in contact with the surface, with the contact force is kept constant in that the
Schwingungsamplitude des stabförmigen Resonators innerhalb eines vorgegebe¬ nen Bereiches gehalten wird.Vibration amplitude of the rod-shaped resonator is kept within a predetermined range.
Vorrichtungsmäßig wird die Aufgabe gelöst durch einen Berührungsdetektor, der ein Gehäuse hat, in dem ein stabförmiger Resonator schwingfähig gelagert ist. An seinem freien Endbereich hat er eine Sonde, die separat ausgeführt oder einstückiges Teil des Resonatorstabes ist. Der Resonatorstab ist an einen Frequenzgenerator angeschlossen, durch den er zu Längseigenschwingun¬ gen angeregt wird. Er ist weiterhin mit einem Empfänger verbunden, der eine Schaltung zur Erfassung von Amplitudenänderungen oder zur Anzeige der Ampli¬ tude der Stabeigenschwingungen hat.In terms of the device, the object is achieved by a touch detector which has a housing in which a rod-shaped resonator is mounted so that it can vibrate is. At its free end area it has a probe which is designed separately or is an integral part of the resonator rod. The resonator rod is connected to a frequency generator, by means of which it is excited to produce longitudinal natural vibrations. It is also connected to a receiver which has a circuit for detecting amplitude changes or for displaying the amplitude of the rod's natural vibrations.
Derartige stabförmige Resonatoren sind zwar grundsätzlich aus der US-Patent¬ schrift 3,153,388 bekannt, . bei den dort beschriebenen Resonatoren wird aber die Frequenzverschiebung der Schwingungsfrequenz des Stabes bei Kontakt der Stabspitze mit einem festen Gegenstand ermittelt. Bei elastischer Koppelung der Sonde des Stabes mit einer Masse findet eine Verschiebung der Resonanz¬ frequenz des stabförmigen Resonators zu höheren Werten statt, da eine zu¬ sätzliche Rückstellkraft auf das schwingende System wirkt. Die Größe dieser Rückstellkraft und damit die genannte Frequenzverschiebung sind von der Kontaktfläche zwischen Sonde und auszumessender Oberfläche und deren elasti¬ schem Verhalten abhängig. Eine Amplitudenänderung oder Messung der Amplitude ist aus diesem vorbekannten Verfahren nicht ersichtlich. Das vorbekannte Verfahren eignet sich, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kαtibiniert zu werden. Bei Messung sowohl einer Amplitudenänderung, also auch einer Fre- quenzverschiebung ist eine ausgesprochen universale Härtemessung, insbeson¬ dere eine Härtemessung nach Vickers nach dem Tiefenmeßverfahren (HVT) , mög¬ lich. Darüberhinaus können die Erfahrungen, die mit den vorbekannten stabför migen Resonatoren erhalten wurden, weitgehend auf das erfindungsgemäße Ver¬ fahren bzw. den Berührungsdetektor übertragen werden. Insofern wird der Offenbarungsgehalt der genannten US-Patentschrift und auch der Offenbarungs¬ gehalt einer in der DE-OS 37 20 625 beschriebenen Weiterentwicklung in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung einbezogen.Such rod-shaped resonators are known in principle from US Pat. No. 3,153,388. in the case of the resonators described there, however, the frequency shift of the oscillation frequency of the rod is determined when the rod tip comes into contact with a solid object. When the probe of the rod is elastically coupled to a mass, the resonance frequency of the rod-shaped resonator is shifted to higher values, since an additional restoring force acts on the oscillating system. The magnitude of this restoring force and thus the frequency shift mentioned depend on the contact area between the probe and the surface to be measured and its elastic behavior. A change in amplitude or measurement of the amplitude is not evident from this previously known method. The previously known method is suitable for being antibibinated with the method according to the invention. When measuring both an amplitude change and thus a frequency shift, a decidedly universal hardness measurement, in particular a Vickers hardness measurement using the depth measurement method (HVT), is possible. In addition, the experience gained with the known rod-shaped resonators can largely be transferred to the method according to the invention or to the touch detector. In this respect, the disclosure content of the US patent mentioned and also the disclosure content of a further development described in DE-OS 37 20 625 is included in the disclosure content of the present application.
In einer Weiterentwicklung des Berührungsdetektors wird vorgeschlagen, den stabförmigen Resonator aus einem piezoelektrischen Material zu fertigen und Elektroden anzubringen, die mit dem Frequenzgenerator und mit dem Empfänger verbunden sind. Alternativ kann der stabförmige Resonator auch aus einem magnetostriktiven Material hergestellt sein, wobei die Anregung dann über Spulen erfolgt, die wiederum mit dem Frequenzgenerator bzw. Empfänger ver¬ bunden sind. Eine derartige Ausbildung ermöglicht preisgünstige Resonator- stäbe, der Stab kann dabei selbst die Sonde ausbilden, so daß eine separa Sonde nicht notwendig ist.In a further development of the touch detector, it is proposed to manufacture the rod-shaped resonator from a piezoelectric material and to attach electrodes which are connected to the frequency generator and to the receiver. Alternatively, the rod-shaped resonator can also be made of a magnetostrictive material, the excitation then taking place via coils, which in turn are connected to the frequency generator or receiver. Such training enables inexpensive resonator rods, the rod itself can form the probe, so that a separate probe is not necessary.
In einer anderen Ausbildung kann der Resonator aber auch aus Metall gefe tigt werden, er ist dann mit Ultraschallwandlern verbunden, die ihrerseit an den Frequenzgenerator bzw. an den Empfänger angeschlossen sind. Zu Kontruktion wird auf die bereits erwähnte Offenlegungsschrift 37 20 62 verwiesen, in der auch ausgeführt ist, daß ein vorzugsweise schlank ausge führter Resonator größere Frenquenzänderungen bei Kontakt mit einem Gegen stand zeigt, als dicke Resonatoren (gesehen im Verhältnis zur Länge) . Be Versuchen hat es sich herausgestellt, daß dieser Zusammenhang auch für di Amplitudenänderung gilt. Schlanke Resonatoren zeigen größere Amplitudenände rungen bei Kontakt mit einem Gegenstand als dickere Resonatoren. Aufgrun dieses Umstandes lassen sich eine Amplitudenerfassung und eine Frequenzmes sung am selben Resonator günstig kαnbinieren.In another embodiment, the resonator can also be made of metal, it is then connected to ultrasonic transducers, which in turn are connected to the frequency generator or to the receiver. For construction, reference is made to the already mentioned laid-open specification 37 20 62, in which it is also stated that a preferably slim resonator has larger frequency changes when in contact with an object than thick resonators (seen in relation to the length). Experiments have shown that this relationship also applies to the change in amplitude. Slim resonators show larger changes in amplitude when in contact with an object than thicker resonators. On the basis of this fact, an amplitude detection and a frequency measurement can be combined favorably on the same resonator.
Die Schaltung zur Erfassung einer Amplitudenänderung bzw. zur Anzeige de Amplituden der Stabeigenschwingungen im Empfänger ist an sich beliebig un kann nach dem Stand der Technik ausgeführt werden. Die Amplitude kann digi tal oder auch analog ausgemessen und gegebenenfalls kann eine Mittlung übe einige oder mehrere Amplituden durchgeführt werden. Anstelle einer unmittel baren Amplitudenmessung ist auch ein Erfassen der vo Signal mit der Null linie eingeschlossenen Fläche (über eine Integration) möglich. Ebenso is eine punktweise Abtastung der Elongation denkbar. Zur Erfassung einer Ampli tudenänderung eignen sich Brückenschaltungen, Diskriminatoren, Komparatore und dergleichen.The circuit for detecting an amplitude change or for displaying the amplitudes of the rod natural vibrations in the receiver is in itself arbitrary and can be implemented according to the prior art. The amplitude can be measured digitally or analogously and, if necessary, averaging over a few or more amplitudes can be carried out. Instead of an immediate amplitude measurement, it is also possible to record the area enclosed by the signal with the zero line (via an integration). A point-by-point scanning of the elongation is also conceivable. Bridge circuits, discriminators, comparators and the like are suitable for detecting an amplitude change.
Für eine Längenmessung ist es vorteilhaft, wenn entweder die Sonde selbs oder vorzugsweise der stabförmige Resonator im Bereich eines Schwingungskno tens mit einem Längenmesser, beispielsweise einer Mikrometerschraube, de Spiegel eines Interferrometers, einem induktiven Weggeber, einem Strichgit ter oder dergleichen verbunden ist. Insbesondere die Anordnung des Längen messers im Bereich eines Schwingungsknotens des Resonators ist vorteilhaft, weil hierdurch die Abmessungen des Berührungsdetektors im Bereich der Sond ausgesprochen klein bleiben und nach wie vor kleinste Bereiche ausgemesse werden können. Die Amplitude der longitudinalen Schwingungen des Resonator liegen im Bereich nm, so daß sie ohnehin die Längenmessung praktisch nicht beeinflussen würden. Durch Ankopplung des Längenmessers in einem Schwin¬ gungsknoten wird aber der Vorteil erzielt, daß in das Schwingungsverhalten des Resonators nicht eingegriffen wird. Der Resonator muß ohnehin in einem Teilbereich seiner Gesamtlänge s vorzugsweise bei s/4 mechanisch eingespannt werden. Diese Einspannung kann zugleich der Verbindung mit dem Längenmesser dienen.For a length measurement, it is advantageous if either the probe itself or, preferably, the rod-shaped resonator in the region of a vibration node is connected to a length meter, for example a micrometer screw, the mirror of an interferometer, an inductive displacement sensor, a line grid or the like. In particular, the arrangement of the length meter in the region of an oscillation node of the resonator is advantageous because the dimensions of the touch detector in the region of the probe remain extremely small and the smallest areas can still be measured. The amplitude of the longitudinal vibrations of the resonator are in the nm range, so that they would practically not influence the length measurement anyway. By coupling the length meter in a vibration node, however, the advantage is achieved that there is no interference with the vibration behavior of the resonator. The resonator must anyway be mechanically clamped in a partial area of its total length s, preferably at s / 4. This clamping can also be used to connect the length measuring device.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen sowie der nun folgenden Beschreibung nicht einschränkend zu verstehender Ausführungsbeispiele der Erfindung, die unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert werden. In dieser zeigen:Further advantages and features of the invention emerge from the remaining subclaims and the following description of non-restrictive exemplary embodiments of the invention, which are explained in more detail with reference to the drawing. In this show:
Fig. 1 eine Prinzipskizze des erfindungsgemäßen Berührungsdetektors, das Gehäuse ist durch das gestrichelte Viereck angedeutet, zum Berüh¬ rungsdetektor gehört ein separates Anzeigegerät, das mit dem Gehäuse über eine Verbindungsleitung verbunden ist,1 is a schematic diagram of the touch detector according to the invention, the housing is indicated by the dashed square, the touch detector includes a separate display device which is connected to the housing via a connecting line,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Berührungsdetektor, der zugleich als Kleinlast-Härteprüfgerät ausgebildet ist,2 shows a longitudinal section through a touch detector, which is also designed as a low-load hardness tester,
Fig. 3 eine Seitenansicht eines stabförmigen Resonators, der mit einer Längenmeßeinrichtung verbunden ist, die hier zur besseren Veran¬ schaulichung als Mikrcmeteruhr ausgeführt ist, und3 shows a side view of a rod-shaped resonator which is connected to a length measuring device, which is designed here as a micrometer watch for better illustration, and
Fig.. 4 eine schematische Darstellung in Seitenansicht einer Vorrichtung zur Ausmessung einer Oberfläche (eines Reliefs) .Fig. 4 is a schematic representation in side view of a device for measuring a surface (a relief).
Der Berührungsdetektor nach Figur 1 hat ein gestrichelt angedeutetes Gehäuse 20, das gemäß Figur 2 als Handgerät mit im wesentlichen Griffelform ausge¬ führt ist. In diesem Gehäuse 20 ist schwingfähig ein schlanker, stabförmiger Resonator 22 gelagert. Er ist insgesamt etwa sechzig Millimeter lang und besteht aus zwei zylindrischen Teilen, die über einen stumpfkegligen Teil miteinander verbunden sind. In einem oberen, etwa dreißig Millimeter langen Teilstück hat er einen Durchmesser von drei Millimeter, wodurch eine noch gerade ausreichend große Fläche für das Anbringen von Ultraschallwandlern 24, 26 auf dem metallischen Stab vorliegt. Im unteren Bereich hat er einen Durchmesser von zwei Millimetern, dieser Bereich ist etwa zwanzig Millimeter lang. Aufgrund dieser schlanken Ausbildung des Resonators 22 wird für den Meßvorgang nur wenig Platz und auch nur ein beschränkter Zugang benötigt. E können also auch unzugängliche Teile, beispielsweise Flanken von Zahnrädern Innenwände von Rohren, Sackbohrungen und dergleichen ausgemessen werden.The touch detector according to FIG. 1 has a housing 20 indicated by dashed lines, which according to FIG. 2 is designed as a hand-held device with an essentially stylus shape. In this housing 20, a slim, rod-shaped resonator 22 is mounted so that it can vibrate. It is a total of around sixty millimeters long and consists of two cylindrical parts that are connected to one another by a truncated cone. In an upper, approximately thirty millimeter long section, it has a diameter of three millimeters, as a result of which there is just a sufficiently large area for attaching ultrasonic transducers 24, 26 to the metallic rod. In the lower area it has a diameter of two millimeters, this area is about twenty millimeters long. Because of this slim design of the resonator 22 is for the Measurement process takes up little space and only requires limited access. E Inaccessible parts, for example flanks of gear wheels, inner walls of pipes, blind bores and the like can also be measured.
An seinem freien, gemäß Figur 2 außerhalb des Gehäuses 20 befindliche Endbereich ist am Resonator 22 eine Sonde 28 befestigt, die allgemein al Diamantspitze ausgebildet ist, in vereinfachter Ausführung aber auch ein Metallspitze oder einstückig mit αem Resonator verbundene Spitze sein kann. Zur Ausbildung des stabförmigen Resonators 22, seiner Ultraschallwandler 24, 26 und der Sonde 28 wird auf die Literatur zum UCI (Ultrasonic Contact I pedance)-Verfahren verwiesen.A probe 28 is fastened to the resonator 22 at its free end region, which is located outside the housing 20 in accordance with FIG. 2, and is generally designed as a diamond tip, but in a simplified embodiment can also be a metal tip or a tip connected in one piece to the resonator. For the formation of the rod-shaped resonator 22, its ultrasonic transducers 24, 26 and the probe 28, reference is made to the literature on the UCI (Ultrasonic Contact I pedance) method.
Die am oberen Ende des Resonators 22 einander gegenüberliegend angeordnete Ultraschallwandler 24 sind mit einem Frequenzgenerator 30 verbunden, der i Figur 1 als Sender bezeichnet ist. Die beiden etwa in der Längsmitte des Resonators 22 angeordneten anderen Ultraschallwandler 26 sind mit eine Empfänger 32 verbunden. Der metallische Resonator 22 sowie Sender 30 und Empfänger 32 sind mit Masse verbunden. Der Resonator 22 hat eine Gesamtlänge von s und ist bei s/4 (Pfeil 34 in Figur 1) eingespannt und sαnit an dieser Stelle mit dem Gehäuse 20 verbunden. Aufgrund der beschriebenen Einspannung kann sich nur die erste Oberschwingung einer Eigenschwingung in longitudina- ler Richtung ausbilden, diese wird durch den Sender 30 angeregt. Über de Empfänger wird die entstandene Schwingung abgefragt, der Empfänger 32 hat im gezeigten Ausführungsbeispiel eine - hier nicht näher dargestellte - Schaltung zur Erfassung der Schwingungsamplitude bzw. zur Feststellung einer Änderung der Schwingungsamplitude. Im einfachsten Fall ist an den Empfänger¬ ausgang ein Oszillograph angeschlossen, mit dem die Schwingungsamplitude überwacht werden kann. In einer Alternative, die für eine automatische Messung geeignet ist, hat der Empfänger 32 einen Speicher, in dem jeweils die Amplitude der letzten Schwingung (oder ein Mittelwert der Amplituden aus einer Anzahl vergangener Schwingungen) abgespeichert ist. Mit diesem ge¬ speicherten Wert wird der aktuelle Wert der Amplitude verglichen, wobei auch hier eine Mittelwertbildung stattfinden kann. Weichen die verglichenen Sig¬ nale um einen vorgegebenen Schwellwert, beispielsweise ein dB, voneinander ab, so wird vom Empfänger 32 an eine im Gehäuse 20 befindliche Steuerschal¬ tung 36 ein Berührungssignal abgegeben, das in einem Grundgerät 38, das separat von Gehäuse 20 ist und mit diesem über eine Leitung 40 verbunden ist, weiterverarbeitet wird.The ultrasonic transducers 24, which are arranged opposite one another at the upper end of the resonator 22, are connected to a frequency generator 30, which is referred to in FIG. 1 as a transmitter. The two other ultrasonic transducers 26 arranged approximately in the longitudinal center of the resonator 22 are connected to a receiver 32. The metallic resonator 22 and the transmitter 30 and receiver 32 are connected to ground. The resonator 22 has an overall length of s and is clamped at s / 4 (arrow 34 in FIG. 1) and is connected to the housing 20 at this point. Because of the clamping described, only the first harmonic of a natural vibration can develop in the longitudinal direction, which is excited by the transmitter 30. The generated vibration is interrogated via the receiver. In the exemplary embodiment shown, the receiver 32 has a circuit (not shown here) for detecting the vibration amplitude or for determining a change in the vibration amplitude. In the simplest case, an oscillograph is connected to the receiver output, with which the oscillation amplitude can be monitored. In an alternative which is suitable for automatic measurement, the receiver 32 has a memory in which the amplitude of the last oscillation (or an average of the amplitudes from a number of past oscillations) is stored in each case. The current value of the amplitude is compared with this stored value, and averaging can also take place here. If the compared signals deviate from one another by a predetermined threshold value, for example a dB, the receiver 32 emits a touch signal to a control circuit 36 located in the housing 20 is separate from housing 20 and is connected to it via a line 40, is further processed.
Zur Erfassung der Amplitude der von Empfänger 32 erfaßten Schwingungen können die für diesen Zweck bekannten Verfahren eingesetzt werden, bei¬ spielsweise kann ein Spitzenwertdetektor vorgesehen sein, es ist aber auch möglich, die mit der Nullinie eingeschlossene Fläche der Signalkurve zu integrieren. In der Steuerschaltung 36 können individuelle Parameter des stabförmigen Resonators 22 in einem vorzugsweise nicht flüchtigen Speiche abgespeichert sein. Auf diese Weise sind die für einen speziellen Resonator 22 charakteristischen Werte innerhalb des als Handgerät ausgebildeten Ge¬ häuses 20 verfügbar, so daß das Grundgerät 38 mit unterschiedlichen Handge¬ räten verbunden werden kann. Zu den Parametern des stabförmigen Resonators 22 gehören, auch die Parameter der mit ihm verbundenen Ultraschallwandler 24, 26, deren individuelle Ausbildung auf das Schwingungsverhalten des Resona¬ tors 22 selbst einen Einfluß hat. Auch die konkreten Verhältnisse der Halte- rung im Bereich der Einspannung 34 sind berücksichtigt.The methods known for this purpose can be used to detect the amplitude of the vibrations detected by receiver 32, for example a peak value detector can be provided, but it is also possible to integrate the surface of the signal curve enclosed with the zero line. Individual parameters of the rod-shaped resonator 22 can be stored in the control circuit 36 in a preferably non-volatile spoke. In this way, the values characteristic of a special resonator 22 are available within the housing 20 designed as a hand-held device, so that the basic device 38 can be connected to different hand-held devices. The parameters of the rod-shaped resonator 22 also include the parameters of the ultrasonic transducers 24, 26 connected to it, the individual design of which has an influence on the vibration behavior of the resonator 22 itself. The specific conditions of the holder in the area of the clamping 34 are also taken into account.
Figur 2 zeigt schnittbildlich ein Handgerät zur Mikroharteprufung unte Last, anhand eines derartigen kombinierten Gerätes soll der Vorteil einer a sich bekannten UCI-Messung durch Erfassen der Frequenzverschiebung und de erfindungsgemäßen Überwachung der Amplitude gezeigt werden:FIG. 2 shows a sectional view of a handheld device for micro hard testing under load. Using such a combined device, the advantage of a known UCI measurement by detecting the frequency shift and monitoring the amplitude according to the invention is to be shown:
Der Resonator 22 ragt mit seinem unteren, mit der Sonde 28 verbundenen End etwa zehn Prozent seiner Gesamtlänge s frei aus dem unteren Ende eines al Rohrkörper ausgebildeten Gehäuses 20 heraus. Der Resonator 22 ist innerhal dieses Rohrkörpers von einem Führungsrohr 42 umgeben. Es bildet im untere Bereich mehrere, quer zu seiner Axialrichtung verlaufenden Gewinde aus, i die Fixierschrauben 44 eingedreht sind, die den Resonator 22 an der Stell 34 fixieren. In entsprechender Entfernung vom anderen Endbereich des Resona tors 22 ist ein O-Ring 46 zwischen dem Führungsrohr 42 und dem Resonator 2 angeordnet. Beidseitig von ihm befinden sich jeweils zwei Ultraschallwandle 24, 26, die in entsprechende Ausnehmungen des metallischen Stabes eingesetz und mit diesem dauerhaft verbunden sind.The resonator 22 protrudes with its lower end, which is connected to the probe 28, approximately ten percent of its total length s freely from the lower end of a housing 20 formed as a tubular body. The resonator 22 is surrounded within this tubular body by a guide tube 42. It forms in the lower region a plurality of threads running transversely to its axial direction, i the fixing screws 44 are screwed in, which fix the resonator 22 at the position 34. At an appropriate distance from the other end region of the resonator 22, an O-ring 46 is arranged between the guide tube 42 and the resonator 2. On both sides of it there are two ultrasonic transducers 24, 26, which are inserted into corresponding recesses in the metallic rod and are permanently connected to it.
Das Führungsrohr 42 wird von zwei zylinderringförmigen Gleitlagern 48 um griffen, von denen sich eines im unteren Endbereich und das andere etwa i der Mitte des Rohrkδrpers befindet. Zwischen den Gewindestutzen für di Fixierschrauben 44 und der unteren Ringfläche des oberen Gleitlagers 48 is eine Druckschraubenfeder 50 angeordnet, die das Führungsrohr 42 und dami den Resonator 22 gegen das untere Ende des griffelähnlichen Gehäuses 2 preßt. Dort ist im Inneren des Gehäuses 20 eine Stufe vorgesehen, die eine Anschlag bildet.The guide tube 42 is surrounded by two cylindrical-shaped slide bearings 48 handles, one of which is located in the lower end region and the other approximately i in the middle of the tubular body. A compression coil spring 50 is arranged between the threaded connection piece for the fixing screws 44 and the lower ring surface of the upper slide bearing 48, which presses the guide tube 42 and dami 22 against the lower end of the handle-like housing 2. There is a step inside the housing 20 which forms a stop.
Bei einer Messung wird das Gehäuse in ein absenkbares Stativ (nicht darge stellt) eingespannt und motorisch gegen eine auszumessende Oberfläche gefah ren. Die Bewegung gegenüber dieser Oberfläche wird mittels eines Längenmes sers (nicht dargestellt) erfaßt. Kαnmt beim Vorschub die Sonde 28 in Kontak mit der Oberfläche des Gegenstandes, wird ein Amplitudenabfall im Empfänge 32 registriert. Die zu diesem Zeitpunkt erreichte Anzeige des Längenmesser wird erfaßt und abgespeichert. Wird nun das Gehäuse 20 in Fortführung de Bewegung zunehmend gegen die Oberfläche gedrückt, so federt der Resonator 2 und damit sein Führungsrohr 42 gegen die Wirkung der Feder 50 nach inne ein.During a measurement, the housing is clamped in a lowerable stand (not shown) and motorized against a surface to be measured. The movement relative to this surface is recorded by means of a length measuring device (not shown). If the probe 28 comes into contact with the surface of the object during the advance, a drop in amplitude is registered in the receiver 32. The display of the length meter reached at this time is recorded and saved. If the housing 20 is pressed increasingly against the surface in continuation of the movement, the resonator 2 and thus its guide tube 42 spring inward against the action of the spring 50.
Der obere Endbereich des Führungsrohrs 42 ist abgeschlossen, ihm ist ei Schalter 52 zugeordnet, dessen Schaltteil bei einer gewissen Relativbewegun zwischen Führungsrohr 42 und Gehäuse 20 betätigt wird. Diese Relativpositio ist so eingestellt, daß bei ihr der gewünschte Prüfdruck vorliegt. De Schalter 52 ist mit einer Elektronik 54 verbunden, die sich im oberen Innen raum des Gehäuses 20 befindet und die den Empfänger 32, den Sender 30 un die Steuerschaltung 36 umfaßt. Sie ist wiederum mit einem Steckverbinder 56 verbunden, der im oberen Abschlußbereich des Gehäuses 20 angeordnet ist.The upper end region of the guide tube 42 is closed, it is assigned a switch 52, the switching part of which is actuated by a certain relative movement between the guide tube 42 and the housing 20. This relative position is set so that it has the desired test pressure. De switch 52 is connected to electronics 54, which is located in the upper inner space of the housing 20 and which includes the receiver 32, the transmitter 30 and the control circuit 36. It is in turn connected to a connector 56, which is arranged in the upper end region of the housing 20.
Ist die vorgegebene Prüfkraft erreicht, wird die Frequenzverschiebung de Resonatorfrequenz ermittelt und hieraus die Größe der Kontaktfläche zwischen Sonde 28 und dem von ihr hervorgerufenen Eindruck auf der Oberfläche des auszumessenden Gegenstandes bestimmt. Der Vorschub des Gehäuses 20 gegenüber der Oberfläche wird nicht weitergeführt, um die Prüfkraft nicht zu über¬ schreiten. Die Messung der Frequenzverschiebung erfolgt in einer sehr kurzen Zeitspanne, beispielsweise in zwanzig Millisekunden, es wird hierzu auf den Offenbarungsgehalt der bereits genannten DE-OS 37 20 625 verwiesen. Un it- telbar nach Erreichen der Prüfkraft wird der motorische Vorschub des Gehäu¬ ses 20 umgepolt, das Gehäuse 20 also wieder von der Oberfläche wegbewegt. Es wird nun wieder auf eine Amplitudenänderung geachtet: Verliert die Sonde 28 ihren Kontakt mit der Oberfläche des auszumessenden Gegenstandes, so steigt die Amplitude wieder an. Die zu diesem Zeitpunkt vorliegende Anzeige des Längenmessers wird erfaßt und mit derjenigen verglichen, die beim Erstkon¬ takt festgestellt wurde. Die Differenz beider Anzeigen ist die Tiefe des bleibenden Eindrucks, den die Sonde 28 in der Oberfläche hervorgerufen hat.If the predetermined test force is reached, the frequency shift of the resonator frequency is determined and from this the size of the contact area between the probe 28 and the impression made by it on the surface of the object to be measured is determined. The advance of the housing 20 against the surface is not continued in order not to exceed the test force. The frequency shift is measured in a very short period of time, for example in twenty milliseconds. For this purpose, reference is made to the disclosure content of the aforementioned DE-OS 37 20 625. Un it- After the test force has been reached, the motor feed of the housing 20 is reversed, ie the housing 20 is again moved away from the surface. Attention is once again paid to a change in amplitude: if the probe 28 loses contact with the surface of the object to be measured, the amplitude increases again. The display of the length meter available at this point in time is recorded and compared with that which was ascertained during the first contact. The difference between the two displays is the depth of the permanent impression that the probe 28 has created in the surface.
Das Prinzip der Längenmessung soll im folgenden anhand der Figur 3 verdeut¬ licht werden: In Figur 3 ist ein Resonator 22 gezeigt, wie er im Gerät nach Figur 2 verwendet ist. Er hat an seinem unteren, freien Ende eine axiale Sackbohrung 58, in die lösbar und austauschbar die Sonde 28, die in Figur 3 nicht dargestellt ist, eingesetzt werden kann. Im Unterschied zur Abbildung gemäß Figur 2 hat der Resonator 22 nach Figur 3 in seinem Einspannungsbe- reich _ einen Kragen 60, der im gezeigten Ausführungsbeispiel denselben Durchmesser wie der obere, zylindrische Endbereich des Resonators 22 hat (drei Millimeter) . Im Bereich des der Einspannung dienenden Kragens 60 hat der Resonator 22 einen Schwingungεknoten. Am Kragen 60 liegt ein Meßstδßel 62 einer Mikrometeruhr 64 an. Sie ist so befestigt, daß die Relativbewegun¬ gen des Resonators 22 gegenüber einer Referenz, beispielsweise gegenüber einem Wagen einer Stativführung, erfaßt werden können.The principle of length measurement is to be illustrated below with reference to FIG. 3: FIG. 3 shows a resonator 22 as used in the device according to FIG. 2. It has at its lower, free end an axial blind bore 58 into which the probe 28, which is not shown in FIG. 3, can be inserted and exchangeably inserted. In contrast to the illustration according to FIG. 2, the resonator 22 according to FIG. 3 has a collar 60 in its clamping region, which in the exemplary embodiment shown has the same diameter as the upper, cylindrical end region of the resonator 22 (three millimeters). The resonator 22 has an oscillation node in the region of the collar 60 used for clamping. A measuring plunger 62 of a micrometer watch 64 bears against the collar 60. It is attached in such a way that the relative movements of the resonator 22 with respect to a reference, for example with respect to a carriage of a tripod guide, can be detected.
Bei einer reinen Längenmessung beispielsweise, wie sie in Figur 4 näher dargestellt ist, ist der Resonator 22 mit einem heb- und senkbaren Schlitten (Pfeil 67) eines Stativs 68 verbunden, die Mikrcmeteruhr 64 selbst ist mit dem Wagen 76 des Stativs 68 verbunden, so daß die Verschiebung des Schlit¬ tens 66 im Sinne des Pfeils 67 erfaßt und gemessen werden kann.In the case of a pure length measurement, for example, as is shown in more detail in FIG. 4, the resonator 22 is connected to a liftable and lowerable slide (arrow 67) of a stand 68, the micrometer clock 64 itself is connected to the carriage 76 of the stand 68, so that the displacement of the slide 66 in the direction of the arrow 67 can be detected and measured.
In der Darstellung gemäß Figur 4 ist ein Gegenstand 70, dessen nach oben gewandte Oberfläche ausgemessen werden soll, auf eine Platte 72 aufgespannt. Oberhalb des Gegenstandes 70 befindet sich ein Stativ 68, das zwei seitliche Träger und eine von diesen gehaltene Führungsschiene 74 hat, auf der ein Wagen 76 im Sinne des Doppelpfeiles 78 verschiebbar geführt ist. An ihm ist rechtwinklig zur Führungsschiene 74 der Schlitten 66 angeordnet, der moto¬ risch im Sinne des Doppelpfeils 67 verfahren werden kann. Mit Hilfe der Vorrichtung gemäß Figur 4 kann der Verlauf der Oberfläche des Gegenstandes 70 entweder durch punktweises Abtasten oder durch kontinuier¬ liches Abtasten erfaßt werden. Bei punktweisem Abtasten wird das Gehäuse 20, das am Schlitten 66 festgespannt ist, jeweils von der Oberfläche des Gegen¬ standes 70 abgehoben, ein gewisses Maß im Sinne des Doppelpfeiles 78 (zum Beispiel ein Millimeter) weitergeschoben, anschließend wird der Schlitten 66 wieder abgesenkt und die Strecke ermittelt, bis die Sonde 28 des Gehäuses 20 wieder Kontakt mit der Oberfläche des Gegenstandes 70 hat. Schrittweise wird so weiterverfahren.In the illustration according to FIG. 4, an object 70, whose surface facing upwards is to be measured, is clamped onto a plate 72. Above the object 70 there is a tripod 68, which has two lateral supports and a guide rail 74 held by them, on which a carriage 76 is slidably guided in the direction of the double arrow 78. The carriage 66, which can be moved in the sense of the double arrow 67, is arranged on it at right angles to the guide rail 74. With the aid of the device according to FIG. 4, the course of the surface of the object 70 can be detected either by point-by-point scanning or by continuous scanning. In the case of point-by-point scanning, the housing 20, which is clamped to the slide 66, is lifted from the surface of the object 70, a certain amount in the sense of the double arrow 78 (for example one millimeter) is pushed, then the slide 66 is lowered again and the distance is determined until the probe 28 of the housing 20 is again in contact with the surface of the object 70. This is followed step by step.
Bei der kontinuierlichen Abtastung werden die Motoren des Wagens 76 einer¬ seits und des Schlittens 66 andererseits so gesteuert, daß die Sonde 28 stets in Berührungskontakt mit der Oberfläche des Gegenstandes 70 bleibt. Diese Steuerung erfolgt durch Überwachen der von Empfänger 32 aufgenommenen Schwingungsamplitude des Resonators 22. Das Grundgerät 38 ist ausgangsseitig it den Antriebsmotoren verbunden (Leitung 80) . Die Antriebsmotoren werden so betätigt, daß die von Empfänger 32 aufgenommene Schwingungsamplitude innerhalb einer vorgegebenen Bandbreite bleibt. During the continuous scanning, the motors of the carriage 76 on the one hand and the carriage 66 on the other hand are controlled such that the probe 28 always remains in contact with the surface of the object 70. This control takes place by monitoring the oscillation amplitude of the resonator 22 received by the receiver 32. The basic device 38 is connected on the output side to the drive motors (line 80). The drive motors are operated in such a way that the oscillation amplitude received by the receiver 32 remains within a predetermined bandwidth.

Claims

Bezeichnung: Verfahren zum Erfassen einer kleinflächigen, nahezu punktförmi gen und weitgehend kräftefreien Berührung zwischen einer Sond und einem festen Gegenstand, sowie BerührungsdetektorA n s p r ü c h e Designation: Method for detecting a small-area, almost punctiform and largely force-free contact between a probe and a solid object, as well as touch detector claims
1. Verfahren zum Erfassen einer kleinflächigen, möglichst punktförmige und weitgehend kräftefreien Berührung zwischen einer Sonde (28) un einem festen Gegenstand (70) , dadurch gekennzeichnet, daß die vorzugsweise als Diamantspitze ausge bildete Sonde (28) am freien Endbereich eines stabförmigen Resonator (22) angeordnet ist, der durch einen mit ihm verbundenen elektrische Frequenzgenerator (30) zu Eigenschwingungen in seiner Längsrichtun angeregt wird und mit einem Empfänger (32), verbunden ist, der di Amplituden dieser Schwingungen auf Amplitudenänderungen überwacht un ein Berührungssignal erscheint, wenn die Amplitude bei Annäherung de Sonde (28) an den Gegenstand (70) um einen vorgegebenen Wert, zu Beispiel ein deziBel, abfällt.1. A method for detecting a small-area, point-like and largely force-free contact between a probe (28) and a solid object (70), characterized in that the probe (28) preferably formed as a diamond tip at the free end region of a rod-shaped resonator (22nd ) is arranged, which is excited by an electrical frequency generator (30) connected to natural vibrations in its longitudinal direction and is connected to a receiver (32), which monitors the amplitudes of these vibrations for changes in amplitude and a touch signal appears when the amplitude at The probe (28) approaches the object (70) by a predetermined value, for example a decibel.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Empfänge zugleich Änderungen der Frequenz der Schwingungen erfaßt werden.2. The method according to claim 1, characterized in that changes in the frequency of the vibrations are simultaneously detected at the receptions.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausmessun einer Oberfläche des Gegenstandes (70) die Sonde (28) gegenüber de Oberfläche motorisch verschoben wird und die hierfür benutzten Motore über das vom Empfänger erfaßte Amplitudensignal so gesteuert werden daß die Amplitude der erfaßten Schwingung in einer, ihrer Höhe nac einem Erstkontakt entsprechenden Höhe bleibt.3. The method according to claim 1, characterized in that the Ausmessun a surface of the object (70), the probe (28) relative to the surface is motorized and the motors used for this are controlled by the amplitude signal detected by the receiver so that the amplitude of the detected Vibration remains at a level corresponding to its level after an initial contact.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens=nach Anspruch 1 oder 2 gekennzeichnet durch ein Gehäuse (20) , in dem der stabförmige Resonato (22) schwingfähig gelagert ist, durch eine Sonde (28) am freien Endbe reich des Resonators (22) , durch einen an dem stabförmigen Resonato (22) angeschlossenen und ihn zu Längseigenschwingungen anregenden F quenzgenerator (30) und einen an den Resonator (22) angeschlosse Empfänger (32) , der eine Schaltung zur Erfassung von Amplitudenänder gen oder zur Anzeige der Amplituden der Stabeigenschwingungen aufweis4. Apparatus for carrying out the method = according to claim 1 or 2, characterized by a housing (20) in which the rod-shaped resonato (22) is mounted such that it can vibrate, by means of a probe (28) on the free end region of the resonator (22) one on the rod-shaped resonato (22) connected and stimulating it to longitudinal natural vibrations F frequency generator (30) and a receiver (32) connected to the resonator (22), which has a circuit for detecting amplitude changes or for displaying the amplitudes of the rod natural vibrations
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonat5. The device according to claim 4, characterized in that the resonate
(22) eine Länge s aufweist und bei s/4 mit dem Gehäuse (20) (bei 3 verbunden ist.(22) has a length s and is connected at s / 4 to the housing (20) (at 3).
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß d Resonator (22) aus einem piezoelektrischen Material gefertigt ist u Elektroden aufweist, die mit dem Frequenzgenerator (30) und mit d Empfänger (32) verbunden sind, oder daß er aus einem magnetostriktiv Material gefertigt ist und mit dem Frequenzgenerator (30) bzw. d Empfänger (32) über Spulen verbunden ist.6. Apparatus according to claim 4 or 5, characterized in that the resonator (22) is made of a piezoelectric material and has electrodes which are connected to the frequency generator (30) and to the receiver (32), or that it consists of a magnetostrictive material is made and connected to the frequency generator (30) or d receiver (32) via coils.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß d Resonator (22) aus Metall gefertigt und mit Ultraschallwandlern (2 26) verbunden ist, die ihrerseits an den Frequenzgenerator (30) bz an den Empfänger (32) angeschlossen sind.7. Apparatus according to claim 4 or 5, characterized in that d resonator (22) made of metal and connected to ultrasonic transducers (2 26), which in turn are connected to the frequency generator (30) or to the receiver (32).
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichne daß die Sonde (28) einstückig oder lösbar mit dem Resonator (22) ve bunden ist.8. Device according to one of claims 4 to 7, characterized in that the probe (28) is integrally or detachably connected to the resonator (22).
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichne daß der Empfänger (32) einen Amplitudendiskriminator aufweist.9. Device according to one of claims 4 to 8, characterized in that the receiver (32) has an amplitude discriminator.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichne daß der Resonator (22) im Bereich eines Schwingungsknotens mit ein Längenmesser, zum Beispiel Mikrometeruhr (64) , einem Spiegel ein Interferometers, einem induktiven Weggeber oder dergleichen, verbund ist.10. The device according to one of claims 4 to 9, characterized in that the resonator (22) in the region of a vibration node with a length meter, for example micrometer clock (64), a mirror, an interferometer, an inductive displacement sensor or the like, is connected.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichne daß der Resonator (22) im Gehäuse in Längsrichtung verschiebbar gel gert und gegenüber dem Gehäuse über eine Feder (50) abgestützt ist, un daß im Empfänger (32) ein Frequenzmesser oder ein Zeitmesser für di Periodendauer der Schwingungsfrequenz des Resonatorstabes vorgesehe ist. 11. The device according to one of claims 4 to 10, characterized in that the resonator (22) in the housing in the longitudinally movable gel device and is supported relative to the housing by a spring (50), so that a frequency meter or a timer for the period of the oscillation frequency of the resonator rod is provided in the receiver (32).
PCT/DE1988/000388 1987-07-20 1988-06-28 Process for detecting a nearly pinpoint, essentially force-free contact of small area between a probe and a solid object, and contact detector WO1989000672A1 (en)

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