WO2026012529A1 - Hybrider rauheitstaster - Google Patents

Abstract

Vorrichtung, mit einem Rauheitstaster (2) und mit einer Gleitkufe (10), wobei der Rauheitstaster (2) einen Tastarm (6) mit einer Tastspitze (8) zur Rauheitsmessung aufweist, wobei die Gleitkufe (10) an einem piezokeramischen Biegewandler (12) gehalten ist.

Description

HYBRIDER RAUHEITSTASTER

[0001 ] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, mit einem Rauheitstaster, der eine Tastnadel mit einer Tastspitze zur Rauheitsmessung aufweist und mit einer der Tastnadel zugeordneten Gleitkufe. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Rauheitsmessung.

[0002] In der Rauheitsmessung werden zwei grundsätzliche Messverfahren unterschieden - und zwar Gleitkufentastsysteme und Freitastsysteme.

[0003] Fig. 1 zeigt schematisch ein Gleitkufentastsystem 100. Das Gleitkufentastsystem 100 hat einen Rauheitstaster 110, der einen Tastarm 112 mit einer Tastspitze 114 zur Rauheitsmessung an einem Messobjekt M aufweist. Die Tastspitze 114 kann auch als Tastnadel bezeichnet werden.

[0004] Das Gleitkufentastsystem 100 hat eine Gleitkufe 120, die zusammen mit der Tastspitze 114 in horizontaler Richtung relativ zum Messobjekt M bewegt wird, um das Rauheitsprofil der Oberfläche abzutasten. Das Messprofil ergibt sich aus der vertikalen Lageverschiebung der Tastspitze 114 relativ zur Gleitkufe 120.

[0005] Gleitkufentastsysteme sind z.B. aus den Offenlegungsschriften EP 2 199 732 A1 und EP 3 228 974 A1 bekannt. [0006] Fig. 2 zeigt ein Freitastsystem 200. Das Freitastsystem 200 hat einen Rauheitstaster 210, der einen Tastarm 212 mit einer Tastspitze 214 zur Rauheitsmessung an einem Messobjekt M aufweist. Das Freitastsystem 200 kann auch als Bezugsflächen-Tast- system bezeichnet werden.

[0007] Beim Freitastsystem 200 wird die Tastspitze 214 ebenfalls in horizontaler Richtung über die Oberfläche des Messobjekts M bewegt. Das Messprofil ergibt sich direkt und absolut aus der vertikalen Lageverschiebung der Tastspitze 114. Die Bezugsfläche wird dabei durch die Ebene gebildet, in der die Tastspitze relativ verschoben wird.

[0008] Gleitkufentastsysteme haben den Vorteil, dass sie trotz geringem Messbereich auch für gekrümmte Oberflächen gut geeignet sind und werden daher häufig zur Messung der Zahnflanken von Zahnrädern eingesetzt. Weiter sind Gleitkufentastsysteme unempfindlich gegenüber Vibrationen und für sehr feine Oberflächen gut geeignet. Gleitkufentastsysteme haben den Nachteil, dass sie nicht gut für sehr raue Oberflächen geeignet sind. Denn die Gleitkufe hat abhängig von ihrer Größe und Form immer einen Einfluss auf das Messergebnis der Rauhigkeitsmessung, wobei dieser Einfluss insbesondere bei sehr rauen Oberflächen die Ergebnisse stark verändern kann.

[0009] Freitastsysteme haben den Vorteil, dass sie auch für sehr raue Oberflächen gut geeignet sind und eine Bestimmung von Welligkeitsparametern aus einem gefilterten Welligkeitsprofil erlauben. Freitastsysteme haben den Nachteil, dass sie eine hochgenaue Referenzfläche benötigen, da eventuell auftretende Formfehler ggf. trotz Filterung im Rauheitsmessprofil Einfluss nehmen. Freitastsysteme haben weiter den Nachteil, dass sie einen relativ großen Messbereich bei gekrümmten Oberflächen benötigen, wobei die Anforderungen an die Linearität des Messsystems dementsprechend hoch sind. Zudem sind Freitastsysteme vibrationsempfindlich.

[0010] Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die technische Problemstellung zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur verbesserten Rauheitsmessung anzugeben und insbesondere die Vorteile von Gleitkufentastsystemen und die Vorteile von Freitastsystemen zu kombinieren. [0011 ] Die voranstehend beschriebene, technische Problemstellung wird jeweils mit den Merkmalen den unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus dem abhängigen Ansprüchen und der nachstehenden Beschreibung.

[0012] Gemäß einem Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, mit einem Rauheitstaster und mit einer Gleitkufe, wobei der Rauheitstaster einen Tastarm mit einer Tastspitze zur Rauheitsmessung aufweist. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Gleitkufe an einem piezokeramischen Biegewandler gehalten ist.

[0013] Der piezokeramische Biegewandler ermöglicht ein Bewegen der Gleitkufe relativ zu dem Rauheitstaster, so dass die Gleitkufe in eine inaktive Position bewegt werden kann, in der die Gleitkufe im Messbetrieb keinen Kontakt zu einer abzutastenden Oberfläche aufweist.

[0014] Die Vorrichtung ist insbesondere dazu eingerichtet, als Freitastsystem betrieben zu werden, sofern die Gleitkufe mittels des piezokeramischen Biegewandlers in der inaktiven Position gehalten ist, und als Gleitkufentastsystem betrieben zu werden, sofern die Gleitkufe mittels des piezokeramischen Biegewandlers nicht in der inaktiven Position gehalten ist.

[0015] Gemäß einer Ausgestaltung der Vorrichtung kann vorgesehen sein, dass der piezokeramische Biegewandler dazu eingerichtet ist, die Gleitkufe in eine inaktive Position zu bewegen.

[0016] Piezokeramische Biegewandler zeichnen sich dadurch aus, dass deren Stellbewegungen wiederholgenau und reversibel ausgeführt werden können.

[0017] Es kann vorgesehen sein, dass der piezokeramische Biegewandler eine Längser- streckung aufweist, die entlang einer Längserstreckung des Tastarms des Rauheitstasters orientiert ist, insbesondere parallel zur Längserstreckung des Tastarms des Rauheitstasters orientiert ist. So kann die Gleitkufe mittels des piezokeramischen Biegewandlers relativ zum Tastarm bzw. zum Rauheitstaster ausgerichtet sein. [0018] Gemäß einer Ausgestaltung der Vorrichtung kann vorgesehen sein, dass die Gleitkufe an einem frei auskragenden Endabschnitt des piezokeramischen Biegewandlers angeordnet ist. Auf diese Weise kann eine Verformung des piezokeramischen Biegewandler unter Einfluss einer elektrischen Spannung in bestmöglicher Weise ausgenutzt werden, da die resultierende Verlagerung des piezokeramischen Biegewandler unter Einfluss einer elektrischen Spannung am freien Ende des piezokeramischen Biegewandlers am größten ist.

[0019] Es kann vorgesehen sein, dass der frei auskragende Endabschnitt des piezokeramischen Biegewandlers über eine Länge des Tastarms des Rauheitstasters hinweg auskragend erstreckt ist, wobei die Gleitkufe einen größeren Abstand zu einer Aufhängung der Vorrichtung aufweist als die Tastspitze. Gemäß alternativer Ausgestaltungen kann die Gleitkufe näher zu einer Aufhängung der Vorrichtung angeordnet sein als die Tastspitze oder mit im Wesentlichen gleichen Abstand. Die Anordnung kann konstruktiv vorgegeben sein. D.h. je nach Messaufgabe kann es vorteilhaft sein, die Gleitkufe bezüglich des Messvorschubs voreilend, nacheilend oder auf gleicher Höhe zur Tastspitze angeordnet zu gestalten.

[0020] Gemäß einer Ausgestaltung der Vorrichtung kann vorgesehen sein, dass der pie- zokeramische Biegewandler ein plattenförmiges Bauteil ist, insbesondere, dass der pie- zokeramische Biegewandler eine Länge aufweist, die mindestens dem Zehnfachen seiner Dicke entspricht und die mindestens dem Fünffachen seiner Breite entspricht.

[0021 ] Es kann vorgesehen sein, dass die Länge des piezokeramischen Biegewandlers kleiner oder gleich 10 cm ist, insbesondere kleiner oder gleich 5 cm ist, und/oder die Breite des piezokeramischen Biegewandlers kleiner oder gleich 2 cm ist, insbesondere kleiner oder gleich 1 cm ist, und/oder die Dicke des piezokeramischen Biegewandlers kleiner oder gleich 2 mm ist, insbesondere kleiner oder gleich 1 mm ist.

[0022] Es kann vorgesehen sein, dass eine Auslenkung der Gleitkufe mittels des piezokeramischen Biegewandlers kleiner oder gleich 3 mm ist, insbesondere kleiner oder gleich 2 mm ist. Mit anderen Worten kann der piezokeramische Biegewandler dazu eingerichtet sein, eine Auslenkung der Gleitkufe von kleiner oder gleich 3 mm, insbesondere von kleiner oder gleich 2 mm zu bewirken, und von mehr als 0 mm zu bewirken, insbesondere durch Anlegen einer Betriebsspannung an den piezokeramischen Biegewandler.

[0023] Piezokeramische Biegewandler sind bekannt und gehören zum Stand der Technik. Z.B. sind insbesondere vier verschiedene Bautypen piezokeramischer Biegewandler bekannt, die jeweils eine oder mehrere Piezokeramiken und ggf. eine passive Lage aufweisen. Die Bautypen können als „Monomorph“, „Bimorph“, „Trimorph“ oder „Multimorph“ bezeichnet werden. Insbesondere handelt es sich bei dem verwendeten piezokeramischen Biegewandler um einen piezokeramischen Biegewandler mit einseitiger Polarisationsrichtung bzw. Biegerichtung.

[0024] Beispielsweise kann, je nach Bautyp, eine Betriebsspannung von 300 V, von 230 V oder von 130 V, insbesondere von 100 V oder mehr und von 300 V oder weniger, an den piezokeramischen Biegewandler angelegt werden, um die Verformung bzw. Stellbewegung zu bewirken.

[0025] Gemäß einer Ausgestaltung der Vorrichtung kann vorgesehen sein, dass der piezokeramische Biegewandler in einem Querschnitt betrachtet auf einer der Tastspitze abgewandten Seite des Tastarms des Rauheitstaster angeordnet ist.

[0026] Es kann vorgesehen sein, dass der piezokeramische Biegewandler an einem Gehäuse befestigt ist, wobei der Tastarm des Rauheitstasters eine Öffnung des Gehäuses durchdringt und innerhalb der Öffnung frei beweglich relativ zu dem Gehäuse angeordnet ist.

[0027] Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Rauheitsmessung, wobei eine erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet wird, mit dem Verfahrensschritt: Messen der Rauheit einer zu messenden Oberfläche mittels des Rauheitstasters, wobei die Gleitkufe während des Messens an der zu messenden Oberfläche anliegt oder wobei die Gleitkufe während des Messens mittels des piezokeramischen Biegewandlers in einer inaktiven Position angeordnet gehalten wird und nicht an der zu messenden Oberfläche anliegt.

[0028] Das Messen der Rauheit der zu messenden Oberfläche kann derart erfolgen, dass die Vorrichtung als Freitastsystem betrieben wird, in dem die Gleitkufe mittels des piezokeramischen Biegewandlers in der inaktiven Position gehalten ist. D.h. der piezoke- ramische Biegewandler wird durch Anlegen einer Spannung deformiert, um die Gleitkufe in die in aktive Position zu bewegen und dort zu halten.

[0029] Das Messen der Rauheit der zu messenden Oberfläche kann derart erfolgen, dass die Vorrichtung als Gleitkufentastsystem betrieben wird, in dem die Gleitkufe mittels des piezokeramischen Biegewandlers nicht in der inaktiven Position gehalten ist - sondern mit anderen Worten in einer aktiven, an der zu messenden Oberfläche anliegenden Position gehalten ist. D.h. der piezokeramische Biegewandler wird insbesondere nicht durch Anlegen einer Spannung deformiert.

[0030] Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:

Fig. 1 ein Gleitkufentastsystem gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 2 ein Freitastsystem gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einem Querschnitt in einem ersten Betriebszustand als Gleitkufentastsystem;

Fig. 4 die erfindungsgemäße Vorrichtung aus Fig. 3 in einem zweiten Betriebszustand als Freitastsystem;

Fig. 5 einen Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 6 Bautypen piezokeramischer Biegewandler gemäß dem Stand der Technik;

Fig 7 die erfindungsgemäße Vorrichtung aus Fig. 3 in dem ersten Betriebszustand als Gleitkufentastsystem;

Fig. 8 die erfindungsgemäße Vorrichtung aus Fig. 3 in dem zweiten Betriebszustand als Freitastsystem. [0031 ] Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung 2. Die Vorrichtung 2 hat einen Rauheitstaster 4. Der Rauheitstaster 4 weist einen Tastarm 6 mit einer Tastspitze 8 zur Rauheitsmessung auf.

[0032] Die Vorrichtung 2 hat eine Gleitkufe 10.

[0033] Die Gleitkufe 10 ist an einem piezokeramischen Biegewandler 12 gehalten. Der piezokeramische Biegewandler 12 ist durch Anlegen einer Betriebsspannung U auslenkbar, wie in Fig. 4 gezeigt. Die Auslenkung ist vollständig reversibel.

[0034] Die Vorrichtung 2 kann daher als Gleitkufentastsystem betrieben werden, wie in Fig. 3 gezeigt, oder kann als Freitastsystem betrieben werden, wie in Fig. 4 gezeigt.

[0035] Der piezokeramische Biegewandler 12 weist eine Längserstreckung L1 auf, die entlang einer Längserstreckung L2 des Tastarms 6 des Rauheitstasters 4 orientiert ist bzw. im Wesentlichen parallel zur Längserstreckung L2 des Tastarms 6 des Rauheitstasters 4 orientiert ist. Der Begriff „im Wesentlichen parallel“ wird hier verwendet, da der Rauheitstaster 4 relativ zum piezokeramischen Biegewandler 12 bewegbar gelagert ist, um in bekannter Weise die Rauheitsmessung zu ermöglichen.

[0036] Die Auslenkung A in Fig. 4 ist zu Veranschaulichungszwecken stark übertrieben dargestellt. Die Auslenkung A ist in der Praxis im niedrigen einstelligen Millimeterbereich oder auch kleiner als drei Millimeter (mm) oder kleiner als 2 mm anzusiedeln.

[0037] Die Gleitkufe 10 ist an einem frei auskragenden Endabschnitt 14 des piezokeramischen Biegewandlers 12 angeordnet.

[0038] Der frei auskragende Endabschnitt 14 des piezokeramischen Biegewandlers 12 ist über eine Länge L2 des Tastarms 6 des Rauheitstasters 4 hinweg auskragend erstreckt ist, wobei die Gleitkufe 10 einen größeren Abstand zu einer Aufhängung 20 der Vorrichtung 2 aufweist als die Tastspitze 8. Gemäß alternativer Ausgestaltungen kann die Gleitkufe statt der hier gezeigten, nacheilenden Anordnung neben bzw. auf Höhe der Tastspitze angeordnet sein, oder auch der Tastspitze voreilend angeordnet sein.

[0039] Der piezokeramische Biegewandler 12 ist ein plattenförmiges Bauteil. [0040] Der piezokeramische Biegewandler weist die Länge L1 auf auf, die mindestens dem Zehnfachen seiner Dicke D1 entspricht und die mindestens dem Fünffachen seiner senkrecht zur Zeichnungsebene gemessenen Breite B1 entspricht.

[0041 ] Die Länge L1 des piezokeramischen Biegewandlers 12 ist kleiner 10 cm.

[0042] Die Breite B1 des piezokeramischen Biegewandlers 12 ist kleiner 2 cm. Zur Veranschaulichung der Breite B1 ist im unteren Teil der Fig. 3 eine vereinzelte unterbrochene Darstellung des Biegewandlers 12 in einer Draufsicht auf den Biegewandler 12 gezeigt.

[0043] Die Dicke D1 des piezokeramischen Biegewandlers ist kleiner 2 mm.

[0044] Der piezokeramische Biegewandler 12 ist in dem gezeigten Querschnitt betrachtet auf einer der Tastspitze 8 abgewandten Seite des Tastarms 6 des Rauheitstasters 4 angeordnet.

[0045] Der piezokeramische Biegewandler 12 ist an einem Gehäuse 16 der Vorrichtung 2 befestigt.

[0046] Der Tastarm 6 des Rauheitstasters 4 durchdringt eine Öffnung 18 des Gehäuses 16 und ist innerhalb der Öffnung 18 frei beweglich relativ zu dem Gehäuse 16 angeordnet.

[0047] Der piezokeramische Biegewandler 12 ist somit insgesamt dazu eingerichtet, die Gleitkufe 10 in eine inaktive Position (Fig. 4) zu bewegen, um den Betrieb der Vorrichtung als Freitastsystem zu ermöglichen, und die Gleitkufe 10 aus der inaktiven Position reversibel in die aktive Position zurückzustellen (Fig. 3), um den Betrieb der Vorrichtung 2 als Gleitkufentastsystem zu ermöglichen.

[0048] Es wird ein Verfahren zur Rauheitsmessung angegeben, wobei die Vorrichtung 2 verwendet wird, mit dem Verfahrensschritt: (A) Messen der Rauheit einer zu messenden Oberfläche O mittels des Rauheitstasters 4, wobei die Gleitkufe 10 während des Messens an der zu messenden Oberfläche O anliegt (Fig. 3; Fig. 7) oder wobei die Gleitkufe 10 während des Messens mittels des piezokeramischen Biegewandlers 12 in der inaktiven Position angeordnet gehalten wird und nicht an der zu messenden Oberfläche 0 anliegt (Fig. 4; Fig. 8).

[0049] Piezokeramische Biegewandler sind bekannt und gehören zum Stand der Technik.

In Fig. 6 sind exemplarisch und schematisch vier verschiedene Bautypen piezokerami- scher Biegewandler 12 gezeigt, die jeweils einen oder mehrere Piezokeramiken 22 und ggf. eine passive Lage 24 aufweisen. Die Bautypen können als (I) Monomorph, (II) Bimorph, (III) Trimorph oder (IV) Multimorph bezeichnet werden.

[0050] Fig. 7 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung 2 aus Fig. 3 in dem ersten Betriebszustand als Gleitkufentastsystem, wobei eine zu messende Oberfläche O eines ge- krümmten Messobjekts R abgetastet wird.

[0051 ] Fig. 8 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung 2 aus Fig. 3 in dem zweiten Betriebszustand als Freitastsystem, wobei die zu messende Oberfläche O des gekrümmten Messobjekts R abgetastet wird. Die Bewegung des Rauheitstasters 4 sollte dabei tangential zur abzutastenden, gekrümmten Oberfläche des Messobjekts R erfolgen.

BEZUGSZEICHEN

2 Vorrichtung

4 Rauheitstaster

6 Tastarm

8 Tastspitze

10 Gleitkufe

12 piezokeramischer Biegewandler

14 Endabschnitt

16 Gehäuse

18 Öffnung

20 Aufhängung

22 Piezokeramik

24 passive Lage

100 Gleitkufentastsystem

110 Rauheitstaster

112 Tastarm

114 Tastspitze

120 Gleitkufe

200 Freitastsystem 210 Rauheitstaster

212 Tastarm

214 Tastspitze A Auslenkung

B1 Breite

D1 Dicke

L1 Längserstreckung

L2 Längserstreckung M Messobjekt

0 zu messende Oberfläche

R Messobjekt

U Betriebsspannung

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1 . Vorrichtung, mit einem Rauheitstaster (4) und mit einer Gleitkufe (10), wobei der Rauheitstaster

(4) einen Tastarm (6) mit einer Tastspitze (8) zur Rauheitsmessung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitkufe (10) an einem piezokeramischen Biegewandler (12) gehalten ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der piezokeramische Biegewandler (12) eine Längserstreckung (L1 ) aufweist, die entlang einer Längserstreckung (L2) des Tastarms (6) des Rauheitstasters (4) orientiert ist.

3. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitkufe (10) an einem frei auskragenden Endabschnitt (14) des piezokeramischen Biegewandlers (12) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 und Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der frei auskragende Endabschnitt (14) des piezokeramischen Biegewandlers (12) über eine Länge (L2) des Tastarms (6) des Rauheitstasters (4) hinweg auskragend erstreckt ist, wobei die Gleitkufe (10) einen größeren Abstand zu einer Aufhängung (20) der Vorrichtung (2) aufweist als die Tastspitze (8).

5. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der piezokeramische Biegewandler (12) ein plattenförmiges Bauteil ist, insbesondere, dass der piezokeramische Biegewandler (12) eine Länge (L1 ) aufweist, die mindestens dem Zehnfachen seiner Dicke (D1 ) entspricht und die mindestens dem Fünffachen seiner Breite (B2) entspricht.

6. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (L1 ) des piezokeramischen Biegewandlers (12) kleiner oder gleich 10 cm ist, insbesondere kleiner oder gleich 5 cm ist, und/oder die Breite (B1 ) des piezokeramischen Biegewandlers (12) kleiner oder gleich 2 cm ist, insbesondere kleiner oder gleich 1 cm ist, und/oder die Dicke (D1 ) des piezokeramischen Biegewandlers (12) kleiner oder gleich 2 mm ist, insbesondere kleiner oder gleich 1 mm ist.

7. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der piezokeramischen Biegewandler (12) in einem Querschnitt betrachtet auf einer der Tastspitze (8) abgewandten Seite des Tastarms (6) des Rauheitstasters (4) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der piezokeramische Biegewandler (12) an einem Gehäuse (16) befestigt ist, wobei der Tastarm (6) des Rauheitstasters (4) eine Öffnung (18) des Gehäuses (16) durchdringt und innerhalb der Öffnung (18) frei beweglich relativ zu dem Gehäuse (16) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der piezokeramische Biegewandler (12) dazu eingerichtet ist, die Gleitkufe (10) in eine inaktive Position zu bewegen.

10. Verfahren zur Rauheitsmessung, wobei eine Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche verwendet wird, mit dem Verfahrensschritt:

Messen der Rauheit einer zu messenden Oberfläche mittels des Rauheitstasters (4), wobei die Gleitkufe (10) während des Messens an der zu messenden Oberfläche anliegt oder wobei die Gleitkufe während des Messens mittels des piezokeramischen Biegewandlers (12) in der inaktiven Position angeordnet gehalten wird und nicht an der zu messenden Oberfläche anliegt.