DE3723933A1 - Verfahren zum erfassen einer kleinflaechigen, nahezu punktfoermigen und weitgehend kraeftefreien beruehrung zwischen einer sonde und einem festen gegenstand, sowie beruehrungsdetektor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erfassen einer kleinflächi­ gen, nahezu punktförmigen und weitgehend kräftefreien Berührung zwischen einer Sonde und einem festen Gegenstand, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens (Berührungsdetektor).

Bei einer Vielzahl von Meßverfahren ist die Erfassung eines möglichst schonenden Kontaktes zwischen einer Sonde und einem Gegenstand erwünscht, als Beispiel seien die Härteprüfung und die Längenmessung mit einem mechani­ schen Meßstab genannt.

Bei der Härteprüfung nach Vickers wird Prüfkraft und Oberfläche des bleiben­ den Pyramideneindrucks ermittelt. Die Oberfläche kann über die Tiefe des Eindrucks berechnet werden, wenn die Längendifferenz zwischen nahezu kräfte­ freiem Berührungskontakt und Eindringtiefe nach Abschalten der Prüfkraft bekannt ist. Es muß also zwischen dem rein elastischen Anteil und dem blei­ benden Anteil der Verformung unter Prüfkraft unterschieden werden. Diese Unterscheidung ist auch für andere Härteprüfverfahren von Vorteil.

Bei der Längenmessung, insbesondere einer automatisch durchgeführten Längen­ messung, ist eine definierte Anlagekraft des mechanischen Längenmeßstabes Voraussetzung für eine präzise Messung. Bei unterschiedlichen Anlagekräften können an einzelnen Meßpunkten unterschiedliche elastische und bleibende Verformungen auftreten, hierdurch wird das Meßergebnis verfälscht.

Unter einer kleinflächigen, nahezu punktförmigen Berührung wird eine Berüh­ rung verstanden, bei der die Diagonale der Vickers-Pyramide im Bereich um einen Mikrometer und noch darunter liegt. Es handelt sich also um Berüh­ rungsflächen, die zumeist nicht in einem Lichtmikroskop, allenfalls - wenn überhaupt - in einem Elektronenmikroskop, nachweisbar sind. Unter einer weitgehend kräftefreien Berührung werden Berührungskräfte im Bereich mN (milliNewton) und darunter, z. B. 10^-4 N, verstanden.

Bei dem aus der DE-OS 34 24 514 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 den beiden Aufsetzpunkten führen zu Fehlern bei der Messung der Eindruckstiefe. Darüber hinaus ist das Maß der Andruckkraft, mit der die Aufsetzfüße auf die Oberfläche des Gegenstandes aufgesetzt werden, nicht konstant, so daß sich weitere Meßfehler dadurch ergeben, daß die Aufsetzfüße mehr oder weniger stark in die auszumessende Oberfläche eingedrückt werden. Dem kann man zwar 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 Gegenstände im allgemeinen nicht mit dem tatsächlichen Auftreffpunkt (Erstkontakt) der auf die Oberfläche zu bewegenden Sonde mit der Oberfläche zusammenfällt.

Ausgehend von den Verfahren der eingangs genannten Art und der nach diesem Verfahren arbeitenden Vorrichtungen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung anzugeben, mit denen die 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 erfaßt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Sonde, die vor­ zugsweise als Diamantspitze ausgebildet ist, am freien Endbereich eines stabförmigen Resonators angeordnet ist, der durch einen mit ihm verbundenen elektrischen Frequenzgenerator zu Eigenschwingungen in seiner Längsrichtung angeregt wird und mit einem Empfänger verbunden ist, der die Amplituden 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.

Erfindungsgemäß wird also direkt die Berührung der Sonde selbst mit der auszumessenden Oberfläche erfaßt und angezeigt, die mit einer indirekten Messung, wie sie beispielsweise aus der DE-OS 34 24 514 bekannt ist, verbun­ denen Fehler werden umgangen und treten nicht auf. Zugleich können auch kleinen Oberflächenbereiche, beispielsweise Flanken von Zahnrädern, bei denen 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 erfindungsgemäße 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 Längenmessungen ergibt sich die Möglichkeit, reproduzierbare Anlagekräfte zu erhalten und auf diese Weise kleinste Längenunterschiede, beispielsweise Stufen, auszu­ messen. Das Verfahren kann dabei auch benutzt werden, um ein Profil einer 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 die Schwingungsamplitude des stabförmigen Resonators innerhalb eines vorgegebe­ nen Bereiches gehalten wird.

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.

Derartige stabförmige Resonatoren sind zwar grundsätzlich aus der US-Patent­ schrift 31 53 388 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 kombiniert zu werden. Bei Messung sowohl einer Amplitudenänderung, also auch einer Fre­ quenzverschiebung ist eine ausgesprochen universale Härtemessung, insbeson­ dere eine Härtemessung nach Vickers, möglich. Darüber hinaus können die Erfahrungen, die mit den vorbekannten stabförmigen Resonatoren erhalten wurden, weitgehend auf das erfindungsgemäße Verfahren bzw. den Berührungsde­ tektor übertragen werden. Insofern wird der Offenbarungsgehalt der genannten US-Patentschrift und auch der Offenbarungsgehalt einer in der DE-OS 37 20 625 beschriebenen Weiterentwicklung in den Offenbarungsgehalt der vorliegen­ den Anmeldung einbezogen.

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 separate Sonde nicht notwendig ist.

In einer anderen Ausbildung kann der Resonator aber auch aus Metall gefer­ tigt werden, er ist dann mit Ultraschallwandlern verbunden, die ihrerseits an den Frequenzgenerator bzw. an den Empfänger angeschlossen sind. Zur Konstruktion wird auf die bereits erwähnte Offenlegungsschrift 37 20 625 verwiesen, in der auch ausgeführt ist, daß ein vorzugsweise schlank ausge­ führter Resonator größere Frequenzänderungen bei Kontakt mit einem Gegen­ stand zeigt, als dicke Resonatoren (gesehen im Verhältnis zur Länge). Bei Versuchen hat es sich herausgestellt, daß dieser Zusammenhang auch für die Amplitudenänderung gilt. Schlanke Resonatoren zeigen größere Amplitudenände­ rungen bei Kontakt mit einem Gegenstand als dickere Resonatoren. Aufgrund dieses Umstandes lassen sich eine Amplitudenerfassung und eine Frequenzmes­ sung am selben Resonator günstig kombinieren.

Die Schaltung zur Erfassung einer Amplitudenänderung bzw. zur Anzeige der Amplituden der Stabeigenschwingungen im Empfänger ist an sich beliebig und kann nach dem Stand der Technik ausgeführt werden. Die Amplitude kann digi­ tal oder auch analog ausgemessen und gegebenenfalls kann eine Mittlung über einige oder mehrere Amplituden durchgeführt werden. Anstelle einer unmittel­ baren Amplitudenmessung ist auch ein Erfassen der vom Signal mit der Nul­ linie eingeschlossenen Fläche (über eine Integration) möglich. Ebenso ist eine punktweise Abtastung der Elongation denkbar. Zur Erfassung einer Ampli­ tudenänderung eignen sich Brückenschaltungen, Diskriminatoren, Komparatoren und dergleichen.

Für eine Längenmessung ist es vorteilhaft, wenn entweder die Sonde selbst oder vorzugsweise der stabförmige Resonator im Bereich eines Schwingungskno­ tens mit einem Längenmesser, beispielweise einer Mikrometerschraube, dem Spiegel eines Interferometers, 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 Sonde ausgesprochen klein bleiben und nach wie vor kleinste Bereiche ausgemessen werden können. Die Amplitude der longitudinalen Schwingungen des Resonators 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.

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 zeigt

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,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Berührungsdetektor, der zugleich als Kleinlast-Härteprüfgerät ausgebildet ist,

Fig. 3 eine Seitenansicht eines stabförmigen Resonators, der mit einer Längenmeßeinrichtung verbunden ist, die hier zur besseren Veran­ schaulichung als Mikrometeruhr ausgeführt ist, und

Fig. 4 eine schematische Darstellung in Seitenansicht einer Vorrichtung zur Ausmessung einer Oberfläche (eines Reliefs).

Der Berührungsdetektor nach Fig. 1 hat ein gestrichelt angedeutetes Gehäuse 20, das gemäß Fig. 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 Kegelstumpfteil mit­ einander 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. Es können also auch unzugängliche Teile, beispielsweise Flanken von Zahnrädern, Innenwände von Rohren, Sackbohrungen und dergleichen ausgemessen werden.

An seinem freien, gemäß Fig. 2 außerhalb des Gehäuses 20 befindlichen Endbereich ist am Resonator 22 eine Sonde 28 befestigt, die allgemein als Diamantspitze ausgebildet ist, in vereinfachter Ausführung aber auch eine Metallspitze oder einstückig mit dem 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- Impedance)-Verfahren verwiesen.

Die am oberen Ende des Resonators 22 einander gegenüberliegend angeordneten Ultraschallwandler 24 sind mit einem Frequenzgenerator 30 verbunden, der in Fig. 1 als Sender bezeichnet ist. Die beiden etwa in der Längsmitte des Resonators 22 angeordneten anderen Ultraschallwandler 26 sind mit einem 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 Fig. 1) eingespannt und somit 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 den 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 Si­ gnale 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 vom Gehäuse 20 ist und mit diesem über eine Leitung 40 verbunden ist, weiterverarbeitet wird.

Zur Erfassung der Amplitude der vom 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 Speicher 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.

Fig. 2 zeigt schnittbildlich ein Handgerät zur Mikrohärteprüfung unter Last, anhand eines derartigen kombinierten Gerätes soll der Vorteil einer an sich bekannten UCI-Messung durch Erfassen der Frequenzverschiebung und der erfindungsgemäßen Überwachung der Amplitude gezeigt werden:

Der Resonator 22 ragt mit seinem unteren, mit der Sonde 28 verbundenen Ende etwa zehn Prozent seiner Gesamtlänge s frei aus dem unteren Ende eines als Rohrkörper ausgebildeten Gehäuses 20 heraus. Der Resonator 22 ist innerhalb dieses Rohrkörpers von einem Führungsrohr 42 umgeben. Es bildet im unteren Bereich mehrere, quer zu seiner Axialrichtung verlaufenden Gewinde aus, in die Fixierschrauben 44 eingedreht sind, die den Resonator 22 an der Stelle 34 fixieren. In entsprechender Entfernung vom anderen Endbereich des Resona­ tors 22 ist ein O-Ring 46 zwischen dem Führungsrohr 42 und dem Resonator 22 angeordnet. Beidseitig von ihm befinden sich jeweils zwei Ultraschallwandler 24, 26, die in entsprechende Ausnehmungen des metallischen Stabes eingesetzt und mit diesem dauerhaft verbunden sind.

Das Führungsrohr 42 wird von zwei zylinderringförmigen Gleitlagern 48 um­ griffen, von denen sich eines im unteren Endbereich und das andere etwa in der Mitte des Rohrkörpers befindet. Zwischen den Gewindestutzen für die Fixierschrauben 44 und der unteren Ringfläche des oberen Gleitlagers 48 ist eine Druckschraubenfeder 50 angeordnet, die das Führungsrohr 42 und damit den Resonator 22 gegen das untere Ende des griffelähnlichen Gehäuses 20 preßt. Dort ist im Inneren des Gehäuses 20 eine Stufe vorgesehen, die einen Anschlag bildet.

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. Kommt beim Vorschub die Sonde 28 in Kontakt mit der Oberfläche des Gegenstandes, wird ein Amplitudenabfall im Empfänger 32 registriert. Die zu diesem Zeitpunkt erreichte Anzeige des Längenmessers wird erfaßt und abgespeichert. Wird nun das Gehäuse 20 in Fortführung der Bewegung zunehmend gegen die Oberfläche gedrückt, so federt der Resonator 22 und damit sein Führungsrohr 42 gegen die Wirkung der Feder 50 nach innen ein.

Der obere Endbereich des Führungsrohres 42 ist abgeschlossen, ihm ist ein Schalter 52 zugeordnet, dessen Schaltteil bei einer gewissen Relativbewegung zwischen Führungsrohr 42 und Gehäuse 20 betätigt wird. Diese Relativposition ist so eingestellt, daß bei ihr der gewünschte Prüfdruck vorliegt. Der 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 und die Steuerschaltung 36 umfaßt. Sie ist wiederum mit einem Steckverbinder 56 verbunden, der im oberen Abschlußbereich des Gehäuses 20 angeordnet ist.

Ist die vorgegebene Prüfkraft erreicht, wird die Frequenzverschiebung der 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. Unmit­ 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.

Das Prinzip der Längenmessung soll im folgenden anhand der Fig. 3 verdeut­ licht werden: In Fig. 3 ist ein Resonator 22 gezeigt, wie er im Gerät nach Fig. 2 verwendet ist. Er hat an seinem unteren, freien Ende eine axiale Sackbohrung 58, in die lösbar und austauschbar die Sonde 28, die in Fig. 3 nicht dargestellt ist, eingesetzt werden kann. Im Unterschied zur Abbildung gemäß Fig. 2 hat der Resonator 22 nach Fig. 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 Schwingungsknoten. Am Kragen 60 liegt ein Meßstößel 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.

Bei einer reinen Längenmessung beispielsweise, wie sie in Fig. 4 näher dargestellt ist, ist der Resonator 22 mit einem heb- und senkbaren Schlitten (Pfeil 67) eines Stativs 68 verbunden, die Mikrometeruhr 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 der Darstellung gemäß Fig. 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 Doppelpfeiles 67 verfahren werden kann.

Mit Hilfe der Vorrichtung gemäß Fig. 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.

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 vom Empfänger 32 aufgenommenen Schwingungsamplitude des Resonators 22. Das Grundgerät 38 ist ausgangsseitig mit den Antriebsmotoren verbunden (Leitung 80). Die Antriebsmotoren werden so betätigt, daß die vom Empfänger 32 aufgenommene Schwingungsamplitude innerhalb einer vorgegebenen Bandbreite bleibt.

Claims (11)

1. Verfahren zum Erfassen einer kleinflächigen, möglichst punktförmigen und weitgehend kräftefreien Berührung zwischen einer Sonde (28) und einem festen Gegenstand (70), dadurch gekennzeichnet, daß die vorzugsweise als Diamantspitze ausge­ bildete Sonde (28) am freien Endbereich eines stabförmigen Resonators (22) angeordnet ist, der durch einen mit ihm verbundenen elektrischen Frequenzgenerator (30) zu Eigenschwingungen in seiner Längsrichtung angeregt wird und mit einem Empfänger (32) verbunden ist, der die Amplituden dieser Schwingungen auf Amplitudenänderungen überwacht und ein Berührungssignal erscheint, wenn die Amplitude bei Annäherung der Sonde (28) an den Gegenstand (70) um einen vorgegebenen Wert, zum Beispiel ein Dezibel, abfällt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Empfänger zugleich Änderungen der Frequenz der Schwingungen erfaßt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausmessung einer Oberfläche des Gegenstandes (70) die Sonde (28) gegenüber der Oberfläche motorisch verschoben wird und die hierfür benutzten Motoren über das vom Empfänger erfaßte Amplitudensignal so gesteuert werden, daß die Amplitude der erfaßten Schwingung in einer, ihrer Höhe nach einem Erstkontakt entsprechenden Höhe bleibt.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (20), in dem der stabförmige Resonator (22) schwingfähig gelagert ist, durch eine Sonde (28) am freien Endbe­ reich des Resonators (22), durch einen an dem stabförmigen Resonator (22) angeschlossenen und ihn zu Längseigenschwingungen anregenden Fre­ quenzgenerator (30) und einen an den Resonator (22) angeschlossenen Empfänger (32), der eine Schaltung zur Erfassung von Amplitudenänderun­ gen oder zur Anzeige der Amplituden der Stabeigenschwingungen aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (22) eine Länge s aufweist und bei s/4 mit dem Gehäuse (20) (bei 34) verbunden ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (22) aus einem piezoelektrischen Material gefertigt ist und Elektroden aufweist, die mit dem Frequenzgenerator (30) und mit dem Empfänger (32) verbunden sind, oder daß er aus einem magnetostriktivem Material gefertigt ist und mit dem Frequenzgenerator (30) bzw. dem Empfänger (32) über Spulen verbunden ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (22) aus Metall gefertigt und mit Ultraschallwandlern (24, 26) verbunden ist, die ihrerseits an den Frequenzgenerator (30) bzw. an den Empfänger (32) angeschlossen sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (28) einstückig oder lösbar mit dem Resonator (22) ver­ bunden ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (32) einen Amplitudendiskriminator aufweist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (22) im Bereich eines Schwingungsknotens mit einem Längenmesser, zum Beispiel Mikrometeruhr (64), einem Spiegel eines Interferometers, einem induktiven Weggeber oder dergleichen, verbunden ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (22) im Gehäuse in Längsrichtung verschiebbar gela­ gert und gegenüber dem Gehäuse über eine Feder (50) abgestützt ist, und daß im Empfänger (32) ein Frequenzmesser oder ein Zeitmesser für die Periodendauer der Schwingungsfrequenz des Resonatorstabes vorgesehen ist.