DE19516643C1 - Highly accurate force and distance measuring head which determines broad range of physical properties - Google Patents

Abstract

A measuring device determines the force acting on its measuring head caused by a defined head movement, which is occasioned by a drive system. The novel assembly includes a piezoelectric actuator, which is combined with a unit (18) with larger feed resolution, and additional units (17), or the head drive alone. To the measurement head drive, devices are connected which measure the feed movement (16) and the force exerted (15). Also claimed are uses of the device in the measurement of: hardness, viscosity, compression, stress-strain, adhesive-, static-, sliding- or rolling frictional forces, Young's modulus of elasticity, coating thickness, failure criteria or transverse modulus of elasticity. Pref. the head drive is a combination of units with higher-, smaller- and/or intermediate feed resolutions, pref. connected in series. The unit with smaller feed resolution is an electromagnetic drive. One of the units with greater or intermediate feed resolution is a piezoelectric drive. The force measurement device (15) is located between measuring head tip (20) and the adjacent measuring head drive unit. It is interchangeable and is arranged axially with, or parallel to, the head drive. The feed measurement device is rigidly connected to the measurement head, and it too, may be interchangeable. Feed measurement is performed by an optical system, e.g. an encoder with a slotted disc, light source and light detector. Alternatively it is a laser system. The feed measurement is made by a non-contact detection system employing: microwaves, resistance strain gauge measurement, capacitance, inductance or any form of resonance.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und deren Verwendung zur Bestimmung der Härte von Stoffen, wie Metalle, Kera­ miken, Kunststoffe, Gummis, Naturprodukte (z. B. Ge­ stein, Holz, Lebensmittel, Obst) u. a. Stoffen. Au­ ßerdem kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kom­ pressionsmessung, für Spannungs-/Dehnungsmessungen, Viskositätsprüfungen, zur Haft-, Gleit- und Rollrei­ bungskraftmessung, Bestimmung des E-Moduls zur Schichtdickenmessung (nach Knoop) des Schubmoduls (G- Modul) bei oszillierender Bewegung eines Meßkopfes und zur Bestimmung von Versagenskriterien (wie Bruch­ versuche oder Ausstoßversuch einer Tablette aus einer Verpackung) eingesetzt werden.The invention relates to a device and their use for Determination of the hardness of substances such as metals, kera chemicals, plastics, rubbers, natural products (e.g. Ge stone, wood, food, fruit) u. a. Fabrics. Au In addition, the device for com pressure measurement, for stress / strain measurements, Viscosity tests, for adhesive, sliding and roll free Exercise force measurement, determination of the modulus of elasticity Layer thickness measurement (according to Knoop) of the shear modulus (G- Module) with oscillating movement of a measuring head and to determine failure criteria (such as break try or attempt to eject a tablet from a Packaging).

Bisher ist es üblich, bei den einschlägigen Meßver­ fahren und den dabei verwendeten Vorrichtungen, bei­ spielsweise wie das bei der Härtemessung der Fall ist, die benötigten Kräfte mittels Gewichten, Federn oder unter Verwendung fluidischer Medien zu erzeugen. Es ist auch üblich, elektromotorische Antriebe, wie z. B. Synchron- oder Schrittmotore zu verwenden. Eben­ so kommen auch elektromagnetische Stellelemente, wie Permanentmagnete und Tauchspulen zur Anwendung. Bei diesen bekannten Arten der Krafterzeugung steht je doch das Problem der Kraftaufbringung vor allem. Die bekannten Lösungen haben den gemeinsamen Nachteil, daß sie bezüglich der aufbringbaren Kräfte und der Einstellung des Arbeitsweges nur begrenzt regelbar sind. Wird beispielsweise die Kraft durch die Absen­ kung eines Gewichtes aufgebracht, kann die Vorschub­ geschwindigkeit nur mit einer Gewichtsbremse geregelt werden. Eine aktive Kraftregelung ist so nicht mög­ lich. Für viele Anwendungsfälle ist jedoch eine akti­ ve Regelung der auf zubringenden Kraft in bezug zum Vorschubweg und/oder auch zeitabhängig erforderlich. Ebenso nachteilig ist es, daß die bekannten Lösungen in der Regel nicht multifunktionell einsetzbar sind. Es handelt sich dabei um stationäre Geräte, die nur für eine Meßaufgabe einsetzbar sind. Ein weiterer Nachteil der bekannten Lösungen besteht in der oft nicht ausreichenden Meßgenauigkeit.So far, it is common for the relevant measuring ver drive and the devices used  for example like the case with hardness measurement is, the forces required by means of weights, springs or using fluidic media. It is also common to like electric motor drives e.g. B. to use synchronous or stepper motors. Exactly so also come electromagnetic control elements, such as Permanent magnets and moving coils for use. At these known types of power generation are available but above all the problem of applying force. The known solutions have the common disadvantage that in terms of the forces that can be applied and the The setting of the commute can only be regulated to a limited extent are. For example, the power through the Absen Kung a weight applied, the feed can speed only controlled with a weight brake will. Active force control is not possible in this way Lich. For many applications, however, is an acti ve regulation of the force to be applied in relation to the Feed path and / or time-dependent required. It is also disadvantageous that the known solutions are generally not multifunctional. These are stationary devices that only can be used for a measurement task. Another The disadvantage of the known solutions is that insufficient measuring accuracy.

Eine bekannte Meßvorrichtung mit einem elektromecha­ nischen Wandler zur Messung der Kraftwirkungen in einem mechanisch belasteten Maschinenteil oder der­ gleichen, ist in US 4 800 760 beschrieben. Die Meß­ vorrichtung ist dabei in einer Bohrung des Maschinen­ teils eingesetzt und kann unter gleichzeitiger Vor­ spannung des elektromechanischen Wandlers dort kraft­ schlüssig verspannt werden. Der elektromechanische Wandler kann bei dieser Vorrichtung durch eine koaxial in einer Hülse angeordnete Schraubspindel und einer mit dieser in Eingriff befindlichen Schraubein­ richtung im Inneren der Hülse axial verschoben wer­ den. Der Wandler verfügt über diametral gegenüberlie­ gende Krafteinleitungselemente, die an einem Innenko­ nus in der Hülse zur verspannenden Spreizung unmit­ telbar in Eingriff bringbar ist. Mit dem elektrome­ chanischen Wandler können dabei sowohl Druckkräfte, wie auch tangentiale Schubkräfte an der Hülsenwandung gemessen werden, wenn durch die axiale Verschiebung in Verbindung mit dem Innenkonus in der Hülse der Wandler im verspannten Zustand gehalten ist.A known measuring device with an electromecha African converter for measuring the effects of forces in a mechanically loaded machine part or the same, is described in US 4,800,760. The meas The device is in a hole in the machine partly used and can under simultaneous Vor voltage of the electromechanical transducer there to be finally tense. The electromechanical This device can be converted by a converter  Screw spindle arranged coaxially in a sleeve and a screw engaged with it direction axially shifted inside the sleeve the. The converter has diametrically opposite ing force introduction elements, which on an Innenko nut in the sleeve for tensioning spreading can be brought into engagement. With the electrome chanic transducers can both compressive forces, as well as tangential shear forces on the sleeve wall be measured when by the axial displacement in connection with the inner cone in the sleeve of the Converter is held in the tensioned state.

Die Messung der Kraft, mit der eine Tastelektrode gegen einen menschlichen oder tierischen Körper zur Erfassung von krankem Gewebe unter Ausnutzung einer Hochfrequenz-Energiequelle ist in DE-GM 88 08 120 be­ schrieben. Dabei soll die Messung der Feldstärke des HF-Feldes immer mit der gleichen Anpreßkraft gegen den Körper erfolgen. Die dort beschriebene Tastelek­ trode wird gegen den Körper bewegt und die entspre­ chende Anpreßkraft soll beispielsweise auch mit einem piezoelektrischen Meßelement gemessen werden, wobei bei einem vorgegebenen Wert für die Andruckkraft ein Signal erzeugt werden soll.The measurement of the force with which a probe electrode against a human or animal body Detection of diseased tissue using one High-frequency energy source is in DE-GM 88 08 120 be wrote. The measurement of the field strength of the HF field always with the same contact pressure the body. The Tastelek described there trode is moved against the body and corresponds The contact pressure should also, for example, with a Piezoelectric measuring element can be measured, wherein at a predetermined value for the pressure force Signal should be generated.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, die einfach aufgebaut ist, universell einsetzbar ist und eine hohe Meßgenauigkeit gewähr­ leistet.It is therefore an object of the invention to provide a device to create that is simple, universal can be used and ensures high measuring accuracy accomplishes.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 genannten Merk­ male gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich bei Ver­ wendung der in den untergeordneten Ansprüchen genann­ ten Merkmale.According to the invention, this object is achieved by the Claim 1 mentioned times solved. Advantageous designs and Further developments of the invention result from Ver  application of the subordinate claims characteristics.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist zuminde­ stens eine Einheit eines Meßkopfantriebes als piezo­ elektrisches Stellglied ausgebildet, das den Meßkopf mit höchster Genauigkeit, durch sehr große Vorschub­ auflösung, translatorisch gegen den zu messenden Stoff beziehungsweise den Körper bewegt. Dabei ist es vorteilhaft, an den Meßkopf eine Kraftmeßeinrichtung und eine Einrichtung zur Messung des Vorschubweges angreifen zu lassen. Die Vorschubwegauflösung, der durch das piezoelektrische Stellglied gebildeten Ein­ heit des Meßkopfantriebes sollte im Bereich von 0,1 µm oder kleiner liegen.At least in the device according to the invention least one unit of a measuring head drive as a piezo electrical actuator formed the measuring head with maximum accuracy, thanks to very large feed resolution, translational against the one to be measured Fabric or the body moves. It is advantageous, a force measuring device to the measuring head and a device for measuring the feed path to attack. The feed path resolution, the formed by the piezoelectric actuator Unit of the measuring head drive should be in the range of 0.1 µm or less.

Die Einsetzbarkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann sich durch die Verwendung zusätzlicher Einhei­ ten, für den Meßkopfantrieb erhöhen. Die verwendeten Einheiten sollten dabei verschiedene Vorschubwegauf­ lösungen von klein bis mittel aufweisen. Wobei die kleine Vorschubwegauflösung im Bereich von etwa 1 µm liegt.The applicability of the device according to the invention may be affected by the use of additional units ten, increase for the measuring head drive. The used Units should have different feed paths have solutions from small to medium. Whereby the small feed path resolution in the range of about 1 µm lies.

Bevorzugt werden die verschiedenen Einheiten des Meßkopfantriebes seriell hintereinander angeordnet und können alternativ zueinander den Vorschub des Meßkopfes je nach eigener Möglichkeit durchführen. So ist beispielsweise die Einheit, die eine kleine Vor­ schubwegauflösung ermöglicht, ein elektromagnetischer Antrieb. Dieser Antrieb ist bevorzugt dazu einsetz­ bar, den Meßkopf bis hin zu oder zumindestens in die direkte Nähe des zu messenden Stoffes bzw. Körpers zu bewegen. Dieser Antrieb kann auch verwendet werden, wenn die Meßaufgabe keine hochgradige Genauigkeit erfordert.The different units of the Measuring head drive arranged in series and can alternatively feed the Carry out the measuring head as you wish. So For example, the unit that has a small front thrust travel resolution enables an electromagnetic Drive. This drive is preferably used for this bar, the measuring head down to or at least in the close proximity of the substance or body to be measured move. This drive can also be used  if the measurement task is not high accuracy required.

Wird eine höhere Meßgenauigkeit gewünscht, kann die Einheit des Meßkopfantriebes aktiviert werden, die eine mittlere Vorschubwegauflösung erreicht. Kommt es auf höchste Meßgenauigkeit an, wird nach erreichen der Oberfläche des Stoffes bzw. des Körpers, die Ein­ heit mit der größten Vorschubwegauflösung aktiviert. Dabei ist vor dem eigentlichen Meßvorgang zu überprü­ fen, ob sich das hierfür verwendete piezoelektrische Stellglied in Ausgangsstellung befindet oder nicht.If a higher measuring accuracy is desired, the Unit of the measuring head drive can be activated achieved a medium feed path resolution. It comes to the highest measurement accuracy, will be reached after the surface of the substance or body, the one activated with the greatest feed path resolution. It must be checked before the actual measuring process fen, whether the piezoelectric used for this Actuator is in the starting position or not.

Vorteilhaft ist es, wenn das piezoelektrische Stell­ glied beim Anfahren an das eigentliche Meßobjekt, bis zur Berührung, durch Anlegen einer Spannung vorge­ spannt ist, um Beschädigungen in der Vorschubphase zu vermeiden. Erst nach Erfassung einer Berührung, vor dem Meßvorgang, wird das piezoelektrische Stellglied in die Ausgangsstellung zurück versetzt.It is advantageous if the piezoelectric actuator link when approaching the actual object to be measured pre-touched by applying a voltage is stretched to damage in the feed phase avoid. Only after detecting a touch, before the measuring process, the piezoelectric actuator returned to the starting position.

Mit einem solchen Stellglied sind Vorschubwege von etwa 100 µm ohne weiters erreichbar und über den ge­ samten Vorschubweg ist eine exakte Einstellbarkeit möglich.With such an actuator, feed paths of about 100 µm easily accessible and over the ge The entire feed path is an exact adjustability possible.

Insbesondere für den Vorschub mit mittlerer Vorschub­ wegauflösung sind piezoelektrische Antriebe geeignet, die Vorschubbewegungen über einen etwas größeren Vor­ schubweg ermöglichen, als dies bei den piezoelektri­ schen Stellgliedern der Fall ist. Zur Einhaltung ei­ ner hohen Meßgenauigkeit ist es günstig, die Kraft­ meßeinrichtung, die ein bekannter Kraftsensor sein kann, direkt zwischen Meßkopf und Meßkopfantrieb an­ zuordnen und so bei der Kraftmessung der Quer­ kraftkomponenten von vornherein weitestgehend aus zu­ schließen.Especially for the feed with medium feed piezoelectric drives are suitable, the feed movements over a slightly larger forward enable the travel path than this with the piezoelectric actuators is the case. To comply with egg ner high accuracy, it is favorable, the force measuring device that be a known force sensor can, directly between the measuring head and the measuring head drive assign and so when measuring the force of the cross  as far as possible from the outset shut down.

Aus Platzgründen kann dabei aber auch die Kraftmeß­ einrichtung parallel zum Meßkopfantrieb angeordnet sein. Vorteilhaft ist es, die Kraftmeßeinrichtung austauschbar zu gestalten, um dem entsprechenden An­ wendungszweck insbesondere in bezug auf Meßgenauig­ keit und Meßbereich angepaßte Kraftmeßeinrichtungen verwenden zu können.For space reasons, the force measurement can also be used device arranged parallel to the measuring head drive his. It is advantageous to use the force measuring device designed to be interchangeable to match the relevant Purpose of use, especially with regard to measurement accuracy force and measuring range adapted force measuring devices to be able to use.

Für die verschiedensten, weiteren Anwendungen ist es ebenfalls günstig, den Vorschubweg des Meßkopfes ge­ nau zu messen und dazu die Einrichtung zur Messung des Vorschubweges starr mit dem Meßkopf zu verbinden. Dabei ist es ebenfalls günstig, wenn die Einrichtung zur Messung des Vorschubweges entsprechend ausge­ tauscht werden kann und so eine Anpassung an ver­ schiedene Meßbedingungen möglich wird.It is for a wide variety of other applications also favorable, the feed path of the measuring head ge to measure exactly and the device for measurement rigidly connect the feed path to the measuring head. It is also convenient if the facility to measure the feed path accordingly can be exchanged and thus an adjustment to ver different measurement conditions is possible.

Zur Bestimmung des Vorschubweges können die verschie­ densten bekannten optischen Wegmeßsysteme eingesetzt werden. Beispielsweise ist dabei die Verwendung einer Schlitzscheibe, mit einer aus Lichtquelle und Licht­ empfänger gebildeten Lichtschranke ebenso möglich, wie Lasersysteme mit einem Encoder, wobei beispiels­ weise ein Michelson-/Interferometer eingesetzt wer­ den.The various can be used to determine the feed path most known optical path measuring systems used will. For example, the use of a Slotted disc, with a light source and light light barrier formed by the receiver is also possible, like laser systems with an encoder, whereby for example a Michelson / interferometer is used the.

Es können aber auch andere Meßverfahren zur Bestim­ mung des Vorschubweges des Meßkopfes eingesetzt wer­ den. Hierfür können bekannte Abstandserfassungssyste­ me, wie beispielsweise ein Mikrowellensystem, eine Resonanzsonde, kapazitive oder induktive Sensoren eingesetzt werden. Neben diesen genannten Mög­ lichkeiten können auch auf Folien aufgebrachte Dehn­ meßstreifen für die Ermittlung des Abstandes oder des Vorschubweges des Meßkopfes eingesetzt werden.However, other measuring methods for determining can also be used tion of the feed path of the measuring head used the. Known distance detection systems can be used for this me, such as a microwave system, a Resonance probe, capacitive or inductive sensors be used. In addition to these possibilities  Possibilities can also be applied to foils measuring strips for determining the distance or the Feed path of the measuring head can be used.

Vorteilhaft ist es, wenn die erfindungsgemäße Vor­ richtung so ausgebildet ist, daß der Meßkopf oder die Meßkopfspitze je nach zu verwirklichender Meßaufgabe durch entsprechenden Austausch an diese angepaßt wer­ den kann. Eine besonders vorteilhafte Möglichkeit besteht, neben den bekannten mechanischen Verbindun­ gen darin, daß der Meßkopf in der Vorrichtung durch magnetische oder elektromagnetische Kräfte gehalten ist. Dadurch kann er auf einfache Weise entfernt und durch einen neuen ersetzt werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit, den Meßkopf mechanisch mit Schrauben, Gewinden, Bolzen, Stiften u. a. zu befe­ stigen. Außerdem ist bei entsprechender Formgebung von Meßkopf und Meßkopfaufnahme gewährleistet, daß Spielfreiheit zwischen beiden Teilen besteht und so kein negativer Einfluß auf die gemessenen Meßsignale auftritt.It is advantageous if the invention before direction is designed so that the measuring head or Measuring head tip depending on the measuring task to be carried out adapted to them by appropriate exchange that can. A particularly advantageous option exists, in addition to the known mechanical connections gene in that the measuring head in the device held magnetic or electromagnetic forces is. This makes it easy to remove and be replaced by a new one. But there is also the possibility of using the measuring head mechanically Screws, threads, bolts, pins u. a. to befe increase. In addition, with the appropriate shape of the measuring head and measuring head holder ensures that There is no play between the two parts and such no negative influence on the measured signals occurs.

Wird die Vorschubbewegung von den Einheiten des Meß­ kopfantriebes durch Rotation auf den Meßkopf übertra­ gen, erfolgt dies vorteilhaft über eine im Gehäuse axial und radial spielfrei gelagerte Antriebswelle, die in Vorschubrichtung vorgespannt ist. Der Antrieb der Antriebswelle erfolgt dabei einmal durch die Ein­ heit mit kleiner Vorschubwegauflösung oder die Ein­ heit mit mittlerer Vorschubwegauflösung. Der Vor­ schub, der mit dem piezoelektrischen Stellglied rea­ lisiert wird erfolgt ausschließlich translatorisch, durch dessen geometrische Ausdehnung. Is the feed movement of the units of the measuring Transfer head drive by rotation to the measuring head gene, this is advantageously done via a in the housing axially and radially backlash-free drive shaft, which is biased in the feed direction. The drive the drive shaft is done once by the on unit with a small feed path resolution or the on unit with medium feed path resolution. The before thrust that rea with the piezoelectric actuator is only done translationally, by its geometrical extension.  

Eine weitere Verbesserung der erfindungsgemäßen Vor­ richtung ist dadurch erreichbar, daß sowohl die An­ triebswelle als auch das piezoelektrische Stellglied rohrförmig ausgebildet sind und es dadurch möglich ist, ein optisches Wegmeßsystem im Inneren der Vor­ richtung anzuordnen, was dazu führt, daß die Baugröße für die Vorrichtung verringert wird und gleichzeitig der Einfluß von Streulicht bei der Messung des Vor­ schubweges verhindert wird.Another improvement to the invention direction can be reached that both the An drive shaft as well as the piezoelectric actuator are tubular and therefore possible is an optical measuring system inside the front Arrange direction, which leads to the size for the device is reduced and at the same time the influence of stray light when measuring the front thrust is prevented.

Für den Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es ebenfalls günstig, wenn diese so ausgebildet ist, daß ein einfacher Austausch des piezoelektrischen Stellgliedes möglich ist. Durch den Austausch des piezoelektrischen Stellgliedes ist eine Anpassung an verschiedene Vorschubwege und eine Anpassung der Vor­ schubauflösung möglich. Beides führt dazu, daß die Vorrichtung in bezug auf die Meßaufgabe weiter opti­ miert wird und für den Fall der Zerstörung des piezo­ elektrischen Stellgliedes die Ausfall zeit stark redu­ ziert werden kann, da eine zeitaufwendige Reparatur in einer Werkstatt nicht erforderlich ist.For the use of the device according to the invention it is also favorable if it is designed so that a simple exchange of the piezoelectric Actuator is possible. By exchanging the piezoelectric actuator is an adaptation to different feed paths and an adjustment of the feed thrust resolution possible. Both lead to the fact that Device with respect to the measurement task further opti is lubricated and in the event of destruction of the piezo electrical actuator greatly reduce the downtime can be decorated as a time-consuming repair is not necessary in a workshop.

Nachfolgend soll die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben werden. Nach einer entspre­ chenden Eichung und Initialisierung werden nach Ein­ schalten der Vorrichtung die Signale, aller elektri­ schen Komponenten der Vorrichtung in eine zentrale Steuereinheit eingelesen. Dies sind die tatsächlichen von den einzelnen Einheiten des Meßkopfantriebes rea­ lisierten Vorschubwege, die mit der Vorschubmeßein­ richtung erfaßt worden sind und die mit dem Kraftsen­ sor gemessene Kraft. Mit dem Einlesen dieser Werte in die zentrale Steuereinheit können diese Anfangspara­ meter auf einem Bildschirm dargestellt werden und die momentane Position der erfindungsgemäßen Vorrichtung insbesondere der des Meßkopfes kann der Bediener er­ kennen und weiter reagieren. Der Bediener kann dann durch Eingabe von Positionierbefehlen die Vorrichtung dazu veranlassen, daß die für eine Messung erforder­ liche Position angefahren wird. Hierbei werden je nach zu realisierendem Vorschubweg die einzelnen Ein­ heiten des Meßkopfantriebes aktiviert. Der elektroma­ gnetische Antrieb mit kleiner Vorschubwegauflösung ist für das grobe Anfahren des Meßkopfes zuständig. Besteht der Meßkopf aus drei verschiedenen Einheiten, wird der letzte Teil der Vorschubbewegung des Meßkop­ fes bis nahezu zur Berührung des Meßkopfes mit dem Meßobjekt bzw. des Stoffes mit Hilfe der Einheit durchgeführt, die eine mittlere Vorschubauflösung erreicht. Erfaßt dann beispielsweise der Kraftsensor, daß auf den Meßkopf eine Kraft wirkt, wird der Vor­ schub des Meßkopfes sofort angehalten und auf dem Bildschirm angezeigt, daß eine Kraft erfaßt worden ist. Dies führt dazu, daß eine Beschädigung verhin­ dert wird oder ein unnötiger, unerwünschter Meßvor­ gang nicht ausgelöst werden kann. Dieser kurze Zwi­ schenhalt kann durch eine weitere Eingabe des Bedie­ ners beendet und der Meßvorgang kann durchgeführt werden. Insbesondere bei der Härtemessung wird der Vorschub nach Berührung des Meßkopfes allein vom piezoelektrischen Stellglied realisiert und die auf­ zubringende Kraft kann gleichmäßig ohne störende Ein­ flüsse aufgebracht werden.Below is the function of the invention Device will be described. After a match Appropriate calibration and initialization are carried out after On switch the device the signals, all electri cal components of the device in a central Control unit read. These are the real ones of the individual units of the measuring head drive rea lized feed paths that are with the feed measurement direction have been grasped and those with strength sor measured force. By reading these values in the central control unit can use this initial pair meters are displayed on a screen and the  current position of the device according to the invention the operator can in particular that of the measuring head know and react further. The operator can then the device by entering positioning commands cause it to be necessary for a measurement position is approached. Here, each the individual inputs according to the feed path to be implemented units of the measuring head drive activated. The Elektroma magnetic drive with small feed path resolution is responsible for the rough start of the measuring head. If the measuring head consists of three different units, becomes the last part of the feed movement of the measuring head fes up to almost the contact of the measuring head with the The object to be measured or the substance using the unit performed a medium feed resolution reached. The force sensor then detects, for example, the force acts on the measuring head thrust of the measuring head immediately stopped and on the Screen displayed that a force has been sensed is. This causes damage is changed or an unnecessary, unwanted measurement gear cannot be triggered. This short two stop can be entered by entering the operator ners ended and the measuring process can be carried out will. Especially when measuring hardness Feed after touching the measuring head only from piezoelectric actuator and realized on force can be applied evenly without annoying input rivers are applied.

Der Betrieb der Vorrichtung kann aber auch automa­ tisch unter Nutzung abgespeicherter Prüfprogramme, z. B. für Serienmessungen, erfolgen. The operation of the device can also automa table using stored test programs, e.g. B. for series measurements.  

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können ver­ schiedene Betriebsarten ausgewählt und durchgeführt werden. Eine Betriebsart ist die wegabhängige Rege­ lung. Sie kann einmal mit den Einheiten des Meßkopf­ antriebes durchgeführt werden, die über die kleinste Vorschubwegauflösung, über die Einheit mit der mitt­ leren Vorschubwegauflösung oder die große Vorschub­ wegauflösung verfügen. In beiden Fällen wird über eine Eingabeeinheit der Verfahrweg vorgegeben, d. h. einmal für die grobe Einstellung des Vorschubweges, die durch den elektromagnetischen Antrieb anzusteu­ ernde Position und für die etwas feinere Vorschubbe­ wegungseinstellung, die vom piezoelektrischen Antrieb anzusteuernde Position eingegeben wird.With the device according to the invention, ver different operating modes selected and carried out will. One operating mode is the path-dependent rain lung. It can be done once with the units of the measuring head drive are carried out over the smallest Feed path resolution, via the unit with the middle ler feed path resolution or the large feed have path resolution. In both cases, over an input unit of the travel path is specified, d. H. once for the rough adjustment of the feed path, to be controlled by the electromagnetic drive position and for the somewhat finer feed rates movement adjustment by the piezoelectric drive position to be controlled is entered.

Wird die Antriebsbewegung des elektromagnetischen oder des piezoelektrischen Antriebes über eine An­ triebswelle auf den Meßkopf übertragen, so sollte die Antriebswelle mit den Antrieben über eine Torsionssteife, mechanische oder elektromagnetische Kupplung mit dem Schaft der Antriebswelle verbunden sein. Da­ bei ist die Antriebswelle in einer Antriebswellenmut­ ter spielfrei geführt und die Antriebswellenmutter wird in Linearführungen spielfrei in der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung gehalten. So wird durch Drehung der Antriebe eine nahezu spielfreie Linearbewegung der zusätzlich angebrachten Einheit des Meßkopfan­ triebes mit der großen Vorschubwegauflösung, dem dar­ an befestigten Kraftdetektorsystems und dem Meßkopf erreicht. Das Umkehr- und Axialspiel kann je nach Vorspannung der Spindelmutter ca. 1 µm sein.Will the drive movement of the electromagnetic or the piezoelectric drive via an drive shaft to the measuring head, so the Drive shaft with the drives via a torsional stiffness, mechanical or electromagnetic clutch be connected to the shaft of the drive shaft. There at is the drive shaft in a drive shaft courage ter without play and the drive shaft nut is free of play in linear guides in the Invention kept according to the device. So by turning the drives have an almost backlash-free linear movement the additional unit attached to the measuring head with the large feed path resolution, the attached to the force detector system and the measuring head reached. The backlash and axial play can vary Pretension of the spindle nut must be approx. 1 µm.

Die letztgenannte Einheit des Meßkopfantriebes wird dann für die Feinmessung eingesetzt. Hierbei wird das piezoelektrische Stellglied durch Eingabe der Werte für die anzusteuernde Position bzw. den maximalen Vorschubweg beeinflußt. Dabei müssen die Parameter des piezoelektrischen Stellgliedes, wie die mechani­ schen (Piezostackdimensionen), das Auflösungsvermögen bei der entsprechenden Stellung je nach angesteuerter Antriebseinheit und die Parameter der elektronischen Bauteile (z. B. der AD/DA-Wandler) der Steuerung be­ rücksichtigt werden.The latter unit of the measuring head drive is then used for the fine measurement. Here is the piezoelectric actuator by entering the values  for the position to be controlled or the maximum Feed path affected. The parameters of the piezoelectric actuator, such as the mechani (piezo stack dimensions), the resolving power at the corresponding position depending on the activated Drive unit and the parameters of the electronic Components (e.g. the AD / DA converter) of the control be taken into account.

Eine weitere Möglichkeit einer Betriebsart ist eine Kraftregelung. Hierbei wird mit den gleichen Kompo­ nenten, wie bei dem vorbeschriebenen weggeregelten Modus gearbeitet. Es wird dabei lediglich der aktuel­ le gemessene Kraftwert mit einem Sollkraftwert, der vorab über eine Eingabe eingegeben worden ist, ver­ glichen und das Steuerprogramm des piezoelektrischen Stellgliedes oder der anderen Antriebe mit einer PID- Regelung (Proportional-Integral-Differential-Rege­ lung) oder einer Fuzzy-Logic-Regelung, gesteuert.Another possibility of an operating mode is one Force control. This is done with the same compo nents, as in the above-mentioned path-regulated Mode worked. It is only the current one le measured force value with a target force value, the has been entered beforehand via an input, ver compared and the control program of the piezoelectric Actuator or other drives with a PID Control (proportional-integral-differential control lung) or a fuzzy logic control.

Neben dem bereits beschriebenen Betriebsmoden ist ein weiterer, nämlich der freigewählte Modus für die er­ findungsgemäße Vorrichtung möglich. Hierbei wird ebenfalls mit den gleichen Komponenten gearbeitet. Es wird lediglich mit gekoppelter Weg- und Kraftregelung gearbeitet. Dabei werden die Vorschubwege, die durch das piezoelektrische Stellglied, den elektromagneti­ schen oder den piezoelektrischen Antrieb erreicht und der vorgegebene Kraftsollwert frei oder in Kombina­ tion zueinander ausgewählt werden. Der Vorschub kann so gesteuert werden, daß Haltephasen oder gar ein Zurückziehen des Meßkopfes erreicht wird, was sich insbesondere, bei der Messung an elastischen Körpern/Stoffen, positiv auswirkt. In addition to the operating modes already described is a another, namely the chosen mode for which he device according to the invention possible. Here will also worked with the same components. It is only with coupled displacement and force control worked. The feed paths through the piezoelectric actuator, the electromagnetic or reached the piezoelectric drive and the specified force setpoint is free or in combination tion to each other. The feed can are controlled so that holding phases or even a Retracting the measuring head is achieved what is especially when measuring on elastic bodies / substances, has a positive effect.  

In allen Fällen wird nach jeder Messung der Meßkopf um einen freiwählbaren Weg zurückgefahren - freige­ macht -, um bei einem lateralen Verfahren entweder der Vorrichtung oder des zu messenden Körpers, eine Beschädigung durch ein seitliches Anstoßen zu verhin­ dern. Eine solche Bewegung darf nur erfolgen, wenn vom Kraftdetektor keine Kraft erfaßt wird. Wird eine Kraft erfaßt, wird die Bewegung sofort abgeschaltet und ein weiteres Zurückfahren des Meßkopfes muß er­ folgen, bis keine Kraft mehr erfaßt wird und ein wei­ teres gefahrlosen Verfahren der Vorrichtung möglich ist. Normalerweise liegt ein solches Freimachen in einem Bereich bis zu 50 µm.In all cases, the measuring head is used after each measurement returned by a freely selectable route - free makes - to either in a lateral procedure the device or the body to be measured, a Prevent damage from a side impact other. Such a movement may only take place if no force is detected by the force detector. Will one If force is detected, the movement is switched off immediately and a further retraction of the measuring head follow until no more force is detected and a white teres safe movement of the device possible is. Normally, such a clearance is in a range up to 50 µm.

Aus Sicherheitsgründen kann die erfindungsgemäße Vor­ richtung auch im Speicher eine maximale Kraft enthal­ ten, die bei der Messung nicht überschritten werden darf. Ist dies trotzdem der Fall gewesen, wird im Speicher ein Überlastbit abgelegt, das bei jeder er­ neuten Inbetriebnahme der Vorrichtung abgefragt wird und die Betriebnahme der Vorrichtung, im Falle des vorherigen Überschreitens dieser maximalen Kraft, verhindert, um sicher zu stellen, daß keine falsche Messung mit defekter Kraftdetektion erfolgen kann.For security reasons, the front according to the invention direction also contains a maximum force in the accumulator that are not exceeded during the measurement may. If this was the case anyway, the Memory stored an overload bit, which every new commissioning of the device is queried and the operation of the device, in the case of previously exceeding this maximum force, prevented to make sure that no wrong one Measurement with defective force detection can take place.

Vorteilhaft ist auch, wenn nach Ablauf jedes Meßvor­ ganges die ermittelten Meßergebnisse auf einem Bild­ schirm wiedergegeben werden und sofort nach Beendi­ gung des Prüfvorganges eine Abspeicherung der Meßwer­ te erfolgt, so daß diese für die Erstellung von Prü­ fungsprotokollen, für Qualitäts- und Sicherheitskon­ trollen weiter zur Verfügung stehen. Besonders vor­ teilhaft ist es dabei, wenn mit der Abspeicherung gleichzeitig der Speicherdatei eine Nummer automa­ tisch zugeordnet wird, so daß die ermittelten Meßwer­ te auch nachträglich zuordenbar bleiben.It is also advantageous if after the end of each measurement ganges the determined measurement results on a picture screen and immediately after completion storage of the measured value te is done so that this for the creation of test protocols, for quality and safety control trolls are still available. Especially before It is a part of it when saving at the same time the memory file has a number  table is assigned so that the measured value te can also be assigned retrospectively.

Günstig ist es, wenn bei der erfindungsgemäßen Vor­ richtung eine Linearführung für die Einheit des Meß­ kopfantriebes mit der großen Vorschubwegauflösung vorhanden ist, die drehfest mit einer Antriebswelle, die mit anderen Einheiten des Meßkopfantriebes ver­ bunden ist. Dabei ist das piezoelektrische Stell­ glied, das die Einheit mit der großen Vorschubwegauf­ lösung bildet, so angeordnet, daß es axial oder auch parallel zur translatorischen Bewegungsrichtung des Meßkopfes in bezug auf die Antriebswelle angeordnet ist.It is advantageous if in the case of the invention direction a linear guide for the unit of measurement head drive with the large feed path resolution is present, which is rotationally fixed with a drive shaft, ver with other units of the measuring head drive is bound. Here is the piezoelectric actuator link that the unit with the large feed path Solution forms, arranged so that it is axial or also parallel to the translatory direction of movement of the Measuring head arranged with respect to the drive shaft is.

Vorteilhafterweise können austauschbare Meßköpfe ein­ gesetzt werden. Für die Messung können Meßspitzen aus den verschiedensten Materialien, wie Stahl, Hartme­ tall und andere Materialien großer Härte, ähnlich der von Diamanten, wie Diamanten selbst in den verschie­ densten Formen verwendet werden. So können sie bei­ spielsweise die Formen und Abmaße der bei genormten Härtemessungen üblichen Meßköpfe aufweisen.Interchangeable measuring heads can advantageously be used be set. Measuring tips can be used for the measurement various materials, such as steel, Hartme tall and other materials of great hardness, similar to that of diamonds, like diamonds even in the various most shapes are used. So you can at for example, the shapes and dimensions of the standard Hardness measurements have usual measuring heads.

Neben der Kraftmeßeinrichtung, die bevorzugt ein Dy­ namometer sein kann, werden zur Messung der Vorschub­ bewegung auch Abstandserfassungssysteme eingesetzt, die mit der Antriebseinheit fest verbunden sind. Hierfür kann einmal ein Dekoder eines elektromagneti­ schen Antriebes eingesetzt werden. Weitere geeignete Abstandserfassungssysteme können in geeigneter Form angebrachte Dehnungsmeßstreifen oder bekannte Halb­ leiterfolien mit DMS sein, deren Widerstand sich ent­ sprechend verändert. In addition to the force measuring device, which is preferably a Dy Namometer can be used to measure the feed movement also used distance detection systems, which are firmly connected to the drive unit. For this, a decoder of an electromagnetic be used drive. More suitable Distance detection systems can be in a suitable form attached strain gauges or known half be conductor foils with strain gauges, the resistance of which speaking changed.  

Als optisches Längenmeßsystem, zur Abstandserfassung kann beispielsweise auch ein bekanntes Interferometer verwendet werden, um die Vorschubbewegung des Meßkop­ fes zu steuern oder zu überwachen. Eine weitere Mög­ lichkeit zur Verwendung für ein Abstandserfassungs­ system ist der Einsatz einer piezoelektronischen Son­ de.As an optical length measuring system, for distance measurement can also be a known interferometer, for example used to advance the measuring head to control or monitor fes. Another possibility Possibility to use for distance detection system is the use of a piezoelectric son de.

Vorteilhaft ist es, wenn die Meßauflösung des Ab­ standserfassungssystems an die Auflösung des Vor­ schubweges, der mit den verschiedenen Einheiten rea­ lisierbar ist, angepaßt werden kann. So ist bei­ spielsweise die Meßauflösung bei der Überwachung des Vorschubes, der mit der Einheit, die eine kleine Vor­ schubwegauflösung aufweist und für einen größeren Vorschubweg zuständig ist, ebenfalls eine kleine Auf­ lösung ausreichend. Im Gegensatz dazu muß, wenn die Vorschubbewegung des Meßkopfes allein mit dem piezo­ elektrischen Stellglied erreicht wird ebenfalls eine sehr hohe Auflösung des Abstandserfassungssystems vorhanden sein.It is advantageous if the measurement resolution of the Ab level detection system to the dissolution of the pre path that rea with the different units is lisizable, can be adjusted. So is with for example, the measurement resolution when monitoring the Feed that with the unit that has a small advance has travel distance resolution and for a larger one Feed path is responsible, also a small on solution sufficient. In contrast, if the Feed movement of the measuring head with the piezo alone electrical actuator is also reached very high resolution of the distance detection system to be available.

Die Einheit des Meßkopfantriebes, die eine kleine Vorschubwegauflösung hat, realisiert einen Vorschub­ weg von bis zu 200 mm, die Einheit, mit einer mitt­ leren Auflösung des Vorschubweges kann einen Vor­ schubweg bis zu 50 mm bewirken und die Einheit mit der größten Auflösung kann einen sehr kleinen Vor­ schubweg, bis zu etwa 300 µm, sehr genau bewirken. Der so erzielte Vorschubweg, kann in dieser genauen Form in seiner Summe erhöht werden, wenn mehrere pie­ zoelektrische Stellglieder nacheinander, gesondert voneinander ansteuerbar, angeordnet werden und durch gezieltes Anlegen von Spannungen an die einzelnen Stellglieder der gewünschte Vorschubweg erreicht wird.The unit of the measuring head drive, which is a small one Feed path resolution has implemented a feed away from up to 200 mm, the unit, with a mitt leren resolution of the feed path can be a forward push distance up to 50 mm and the unit with the greatest resolution can be a very small pre push path, up to about 300 µm, very precisely. The feed path achieved in this way can in this exact Shape in its sum can be increased if several pie zoelectric actuators in succession, separately controllable from each other, arranged and by targeted application of tension to the individual  Actuators reached the desired feed path becomes.

Für bestimmte Meß- bzw. Prüfverfahren, wie z. B. der Bestimmung des Schubmoduls ist es günstig, wenn die Einheiten des Meßkopfantriebes in der Lage sind, os­ zillierende Bewegungen des Meßkopfes hervorzurufen, und mit einer Logik-Technik die Phasenverschiebung zu ermitteln. Für ein piezoelektrisches Stellglied ist dies relativ einfach möglich, in dem eine gepulste Spannung oder gar eine Wechselspannung angelegt wird.For certain measuring or test methods, such as. B. the Determining the shear modulus, it is beneficial if the Units of the measuring head drive are able to os cause zilliger movements of the measuring head, and the phase shift with a logic technique determine. For a piezoelectric actuator this is relatively easy in which a pulsed Voltage or even an AC voltage is applied.

Für die elektronische Auswertung kann einmal die Stellung der Linearführung und damit verbunden die Stellung des Meßkopfes oder die Stellung des Meßkop­ fes allein über einen A/D-Wandler, einen I/O-Zähler oder einen optischen Laufzeitzähler ermittelt werden, um so den möglichen Vorschubweg zu bestimmen, und die einzelnen Einheiten des Meßkopfantriebes entsprechend ansteuern zu können. Diese Ansteuerung kann vor­ zugsweise mit einer Soll-Ist-Wertvergleichseinrich­ tung durchgeführt werden. Eine solche elektronische Steuerung eines Meßkopfantriebes ist bevorzugt rela­ tiv frei programmierbar und kann so auf einfache Art und Weise manuell beeinflußt werden.For electronic evaluation, the Position of the linear guide and the associated Position of the measuring head or the position of the measuring head only via an A / D converter, an I / O counter or an optical runtime counter can be determined, in order to determine the possible feed path, and the corresponding units of the measuring head drive to be able to control. This control can be done before preferably with a target / actual value comparison device be carried out. Such an electronic Control of a measuring head drive is preferably rela freely programmable and can be easily done and be influenced manually.

Aus Sicherheitsgründen sind magnetische, elektrische, elektronische, elektromagnetische oder optische An­ schläge vorgesehen, die die maximale Vorschubbewegung begrenzen.For safety reasons, magnetic, electrical, electronic, electromagnetic or optical an strikes provided the maximum feed movement limit.

Nachfolgend soll die Erfindung an Ausführungsbeispie­ len näher beschrieben werden. The invention is based on exemplary embodiments len are described in more detail.  

Dabei zeigt:It shows:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung einer er­ findungsgemäßen Vorrichtung mit zwei den Meßkopfantrieb bildenden Einheiten; Figure 1 is a sectional view of a device according to the invention with two units forming the measuring head drive.

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei den Meßkopfantrieb bildenden Einheiten; Fig. 2 is a schematic representation of a device according to the invention with two Meßkopfantrieb the forming units;

Fig. 3 ein Blockschaltbild für die Verwen­ dung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer elektronischen Steuerung; Fig. 3 is a block diagram for the use of a device according to the invention with an electronic control;

Fig. 4 ein Kraft-Weg-Diagramm gemessen an zwei Gummibällen; . Figure 4 is a force-distance diagram measured at two rubber balls;

Fig. 5 ein Kraft-Zeit-Diagramm ent­ sprechend dem in Fig. 4 gezeigten Diagramm und Fig. 5 is a force-time diagram accordingly the diagram shown in Fig. 4 and

Fig. 6 ein Weg-Zeit-Diagramm. Fig. 6 is a path-time diagram.

Die in der Fig. 1 gezeigte Vorrichtung kann relativ universell eingesetzt werden. Der Einsatz kann hier­ bei an die verschiedensten Meßaufgaben angepaßt und die erfindungsgemäße Vorrichtung in entsprechenden Aufnahmen aufgenommen werden. Die Vorrichtung besitzt vorzugsweise einen runden Querschnitt, für eine gün­ stige Halterungsart wie z. B. Klemmbefestigung am Au­ ßenmantel. Die Aufnahme kann dabei an verschiedensten Fertigungseinheiten zur Überwachung bestimmter Para­ meter direkt in der Produktion vorgenommen werden. Es ist jedoch auch die Anbringung an bestimmten Teilen eines Industrieroboters möglich, so daß die Vorrich­ tung mit dessen Hilfe zu den verschiedensten Meßpunk­ ten manövriert werden kann.The device shown in FIG. 1 can be used relatively universally. The use here can be adapted to a wide variety of measurement tasks and the device according to the invention can be included in corresponding recordings. The device preferably has a round cross-section, for a gün stige type of holder such. B. clamp on the outer shell. The recording can be made in a wide variety of manufacturing units to monitor certain parameters directly in production. However, it is also possible to attach to certain parts of an industrial robot, so that the device can be maneuvered with its help to a wide variety of measuring points.

Das dargestellte Beispiel ist modular aufgebaut und besteht bei diesem Beispiel aus den Modulen 1 bis 3. Die einzelnen Module 1 bis 3 können auf einfache Art und Weise ausgetauscht oder sogar mit zusätzlichen Modulen ergänzt werden. Bei diesem Beispiel bildet der Modul 1 die Einheit des Meßkopfantriebes, die eine kleine Vorschubwegauflösung aufweist und mit der in grober Form der größte Teil des Vorschubweges er­ reicht wird. Dabei ist ein elektromagnetischer Antrieb l über eine Kupplung 2 mit einer Antriebswel­ le 3 verbunden. Der elektromagnetische Antrieb 1 ist hierbei mit einer Befestigungsplatte 4 am Grundkörper 5 des Modules 1 befestigt. Im Grundkörper 5 des Modu­ les 1 ist zur Führung der Antriebswelle 3 ein spiel­ freies Präzisionskugellager 6 mit einem Abstandsring und einer Platte 7 befestigt. Dabei ist die Welle 3 mit einer Befestigungsmutter 8 mit dem Präzi­ sionskugellager 6 verbunden. An der Antriebswelle 3 ist eine vorgespannte spielfreie Antriebswellenmutter 10 vorhanden, die an einem die Antriebswelle 3 um­ greifenden Käfig 11 befestigt ist. Am Käfig 11 sind in Linearführungen 9 eingreifende Führungselemente 12 vorhanden.The example shown has a modular structure and in this example consists of modules 1 to 3 . The individual modules 1 to 3 can be exchanged in a simple manner or even supplemented with additional modules. In this example, the module 1 forms the unit of the measuring head drive, which has a small feed path resolution and with which, in rough form, the largest part of the feed path is sufficient. An electromagnetic drive l is connected via a clutch 2 to a drive shaft 3 . The electromagnetic drive 1 is fastened to the base body 5 of the module 1 with a mounting plate 4 . In the basic body 5 of modu les 1 is mounted for guiding the drive shaft 3 a play-free precision ball bearing 6 with a spacer ring and a plate. 7 The shaft 3 is connected to a fastening nut 8 with the precision ball bearing 6 . On the drive shaft 3 there is a preloaded backlash-free drive shaft nut 10 which is fastened to a cage 11 which engages around the drive shaft 3 . Guide elements 12 which engage in linear guides 9 are present on the cage 11 .

Beim Einschalten des elektromagnetischen Antriebes l wird die Antriebswelle 3 definiert gedreht und mit Hilfe der Vorspannung und der Führung 9, 12 eine translatorische Bewegung der Meßkopfspitze 20 des Meßkopfes 21 hervorgerufen. Das Modul 1 ist dabei so ausgelegt, daß eine Vorschubbewegung bis zu 150 mm bei einer Vorschubauflösung von maximal 1 µm erreicht werden kann. An das Modul 1 kann ein weiteres Modul 2 angebracht sein, das den Vorschub des Meßkopfes 21 mit wesentlich größerer Auflösung ermöglicht. Hierfür ist eine Aufnahme für ein piezoelektrisches Stell­ glied 13 vorhanden. Das piezoelektrische Stellglied ist in der Lage einen Vorschubweg von maximal 200 µm bei einer Auflösung von < 0,01 µm zu erwirken.When the electromagnetic drive 1 is switched on, the drive shaft 3 is rotated in a defined manner and a translatory movement of the measuring head tip 20 of the measuring head 21 is brought about with the aid of the preload and the guide 9 , 12 . Module 1 is designed so that a feed movement of up to 150 mm can be achieved with a feed resolution of maximum 1 µm. A further module 2 can be attached to the module 1 , which enables the measuring head 21 to be advanced with a substantially greater resolution. For this purpose, a receptacle for a piezoelectric actuator 13 is available. The piezoelectric actuator is able to achieve a maximum feed path of 200 µm with a resolution of <0.01 µm.

An das zweite Modul, das die zweite Einheit des Meß­ kopfantriebes bildet, schließt sich das Modul 3, der eigentliche Meßkopf an. Dieser ist vorzugsweise wei­ testgehend von einem Faltenbalg 14 umschlossen, um die einzelnen Meßelemente vor mechanischen Einflüssen und Verschmutzungen zu schützen. Außerdem ist als Kraftmeßeinrichtung eine dynamometrische Zelle 15 im Meßkopf 21 aufgenommen. Bei diesem Beispiel kann der gesamte Meßkopf 21 inklusive der Kraftmeßeinrichtung 15 ausgetauscht werden.At the second module, which forms the second unit of the measuring head drive, the module 3 , the actual measuring head connects. This is preferably enclosed by a bellows 14 in order to protect the individual measuring elements from mechanical influences and contamination. In addition, a dynamometric cell 15 is accommodated in the measuring head 21 as a force measuring device. In this example, the entire measuring head 21 including the force measuring device 15 can be replaced.

Der Meßkopf 21 kann jedoch auch so ausgebildet sein, daß jedes Teil für sich austauschbar ist. Dabei kann die Prüfspitze 20 entsprechend des geforderten Meß­ verfahrens gegen eine andere ersetzt werden, die in Form und Größe entsprechend angepaßt ist. Ebenso ist ein Austausch der dynamometrischen Zelle möglich, um eine Anpassung an verschiedene Meßbereiche vornehmen zu können.However, the measuring head 21 can also be designed so that each part is interchangeable. In this case, the test probe 20 can be replaced by another according to the required measuring method, which is adapted in shape and size accordingly. It is also possible to replace the dynamometric cell so that it can be adapted to different measuring ranges.

Bei diesem Beispiel kann das Modul 1 durch ein ande­ res Modul ersetzt werden. Bei diesem wird an Stelle des elektromagnetischen Antriebes 1 ein piezoelektri­ scher Antrieb verwendet und so eine Einheit des Meß­ kopfantriebes eingesetzt, die eine mittlere Vorschub­ wegauflösung für die Messungen erreicht. Mit einer solchen Einheit ist ein Vorschubweg bis zu 30 mm er­ reichbar. In this example, module 1 can be replaced by another module. In this, a piezoelectric drive is used in place of the electromagnetic drive 1 and thus a unit of the measuring head drive is used which achieves a medium feed travel resolution for the measurements. With such a unit, a feed path of up to 30 mm can be achieved.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann jedoch auch, wie dies nicht dargestellt ist, mit vier Modulen auf­ gebaut sein, wobei ein zusätzlicher Modul eingesetzt ist und der Meßkopfantrieb aus insgesamt drei Einhei­ ten gebildet wird. Mit einer so aufgebauten Vorrich­ tung können drei verschiedene Vorschubwegauflösungen eingestellt oder gewählt werden. Damit ist ein opti­ maler Einsatz einer so ausgebildeten Vorrichtung mög­ lich.However, the device according to the invention can also as not shown, with four modules be built using an additional module is and the measuring head drive from a total of three units ten is formed. With a device so constructed three different feed path resolutions can be set or selected. This is an opti Painter use of such a device possible Lich.

Das in der Fig. 2 dargestellte Beispiel entspricht im wesentlichen dem, das in der Fig. 1 gezeigt ist. Die Darstellung ist jedoch gegenüber der ersten sche­ matisiert und Einzelheiten sind dabei weggelassen worden.The example shown in FIG. 2 essentially corresponds to that shown in FIG. 1. However, the representation is compared to the first and details have been omitted.

Im Unterschied zum Beispiel nach der Fig. 1 ist ein optisches Wegmeßsystem (16) vorhanden, mit dessen Hilfe die Vorschubbewegung des Meßkopfes 21 über­ wacht, gesteuert bzw. geregelt werden kann. Auch bei diesem Beispiel wird der Meßkopfantrieb aus zwei Ein­ heiten 17 und 18 gebildet, wobei die Einheit 17 eine kleine Vorschubwegauflösung und die Einheit 18 eine große Vorschubwegauflösung aufweist. Vor den beiden Einheiten 17 und 18 ist ein Kraftdetektor 15 angeord­ net, der die durch die Vorschubbewegung hervorgerufe­ ne Kraft, die auf die Prüfspitze 20 wirkt, erfaßt. Bevorzugt ist der Kraftdetektor 15 so ausgebildet, daß er sowohl Druck- als auch Zugkräfte erfassen kann.In contrast to the example according to FIG. 1, an optical displacement measuring system ( 16 ) is present, with the aid of which the feed movement of the measuring head 21 can be monitored, controlled or regulated. In this example, too, the measuring head drive is formed from two units 17 and 18 , the unit 17 having a small feed path resolution and the unit 18 having a large feed path resolution. Before the two units 17 and 18 , a force detector 15 is net angeord, which detects the ne force caused by the feed movement, which acts on the probe 20 . The force detector 15 is preferably designed such that it can detect both compressive and tensile forces.

Mit Hilfe des in Fig. 3 dargestellten Blockschalt­ bildes kann die Funktion der erfindungsgemäßen Vor­ richtung beschrieben werden. Die Steuerung und Akti­ vierung der Meßvorgänge, die mit der erfindungsgemä­ ßen Vorrichtung durchführbar sind, erfolgt z. B. mit einem bekannten Personalcomputer an dem peripher ein Bildschirm, ein Drucker und eine Tastatur angeschlos­ sen sein können. Je nach vom Bediener ausgewählten Meßprogramm steuert der Personalcomputer 19 über eine D/A-, A/D oder I/O-Steuerung 22 elektronische Schal­ tungen 23 und 24 für die Realisierung des Vorschubes des Meßkopfes 21 mit in diesem Fall zwei verschiedene Einheiten eines Meßkopfantriebes. Hierbei steuert die elektronische Schaltung 23 die Einheit 17 des Meß­ kopfantriebes, die für die grobe Vorschubregelung zuständig ist und die Schaltung 24 die Einheit 18, die für die feine Regelung des Vorschubes verwendet wird. Die Schaltung 25 übermittelt die vom optischen Wegmeßsystem 16 (Laser Encoder, DMS Halbleiterfolie) erfaßten Daten über die Steuerung 22 zum Personalcom­ puter 19 für die Auswertung der Messung. Nach Durch­ fuhrung von Soll- und Istwertvergleichen und entspre­ chender Erzeugung von Steuersignalen, werden diese Steuersignale über die Steuerung 22 an die Einheit 23 oder 24, zur Realisierung eines entsprechenden erfor­ derlichen Vorschubweges, geleitet. Die Schaltung 26 ist mit der Kraftmeßeinrichtung 15 und ebenfalls mit der Steuerung 22 verbunden. Das von der Kraftmeßein­ richtung 15 erfaßte Signal kann über die Schaltung 26 wiederum über die Steuerung 22 auf den PC 19 zur Aus­ wertung und weiteren entsprechenden Steuerung der Messung verwendet werden, wie dies bereits bei dem optischen Wegmeßsignal beschrieben worden ist.With the help of the block diagram shown in Fig. 3, the function of the device according to the invention can be described. The control and acti vation of the measuring processes, which can be carried out with the device according to the invention, z. B. with a known personal computer on the peripheral a screen, a printer and a keyboard can be ruled out. Depending on the measurement program selected by the operator, the personal computer 19 controls 22 electronic circuits 23 and 24 for realizing the advance of the measuring head 21 with in this case two different units of a measuring head drive via a D / A, A / D or I / O control . Here, the electronic circuit 23 controls the unit 17 of the measuring head drive, which is responsible for the rough feed control and the circuit 24, the unit 18 , which is used for the fine control of the feed. The circuit 25 transmits the data recorded by the optical position measuring system 16 (laser encoder, DMS semiconductor film) via the controller 22 to the personal computer 19 for evaluating the measurement. After carrying out setpoint and actual value comparisons and corresponding generation of control signals, these control signals are passed via the control 22 to the unit 23 or 24 , in order to implement a corresponding feed path required. The circuit 26 is connected to the force measuring device 15 and also to the controller 22 . The signal detected by the Kraftmeßein device 15 can in turn be used via the circuit 26 via the controller 22 on the PC 19 for evaluation and further appropriate control of the measurement, as has already been described in the optical displacement signal.

Die Einheit 17 kann hierbei ein Antrieb mit kleiner oder mittlerer Vorschubwegauflösung sein.The unit 17 can be a drive with a small or medium feed path resolution.

Zur Überwachung des realisierten Vorschubweges kann auch ein Schrittzähler 30 eingesetzt werden. A step counter 30 can also be used to monitor the feed path that has been implemented.

Für die Auswertung der Meßdaten oder auch eine exter­ ne Steuerung kann der Anschluß eines Modem vorgesehen sein.For the evaluation of the measurement data or an external A controller can be used to connect a modem his.

Die in den Fig. 4 bis 6 dargestellten Diagramme wurden bei Messungen an zwei Gummibällen durchge­ führt, wobei ein Gummiball sehr gut sprang und demzu­ folge mit "Happy" bezeichnet wurde und ein nicht­ springender, "Unhappy" bezeichneter Gummiball gemes­ sen worden sind. In beiden Fällen erfolgte die Mes­ sung, wie das insbesondere der Fig. 6 zu entnehmen ist, in Stufen. Bei diesem Beispiel wurde der Vor­ schub gestuft in insgesamt 8, 500 µm Schritten durch­ geführt, wobei nach jeder Vorschubstufe eine Halte­ phase eingelegt worden ist. Anschließend wurde, wie dies ebenfalls der Fig. 6 zu entnehmen ist, der Vor­ schub in der gleichen Weise zurückgeregelt. Insbeson­ dere, dem in Fig. 4 gezeigten Kraft-Weg-Diagramm, ist zu entnehmen, daß der nichtspringende Ball eine wesentlich größere Hysterese aufweist, als der sprin­ gende Ball (Happy). Wobei die ermittelten Kraftwerte für den "Happy"- Ball wesentlich größer, als die für den anderen Ball ermittelten, sind.The diagrams shown in FIGS . 4 to 6 were carried out during measurements on two rubber balls, one rubber ball jumping very well and consequently being labeled "Happy" and a non-jumping, "Unhappy" rubber ball being measured. In both cases, the measurement took place in stages, as can be seen in particular from FIG. 6. In this example, the feed was graded in 8, 500 µm steps, with a holding phase inserted after each feed step. Subsequently, as can also be seen in FIG. 6, the advance was regulated back in the same way. In particular, the force-displacement diagram shown in Fig. 4, it can be seen that the non-jumping ball has a much greater hysteresis than the jumping ball (Happy). The force values determined for the "Happy" ball are considerably larger than those determined for the other ball.

Claims (37)

1. Vorrichtung zur Ermittlung einer auf einen Meßkopf, infolge einer mittels eines Meßkopfan­ triebes definiert vorgegebenen Bewegung des Meß­ kopfes auf diesen wirkenden Kraft, mit einem piezoelektrischem Stellglied (13), das mit min­ destens einer Einheit (18) mit großer Vor­ schubwegauflösung, in Kombination mit anderen Einheiten (17) oder den Meßkopfantrieb allein bildet und der Meßkopfantrieb mit einer Einrich­ tung (16) zur Messung des Vorschubweges und mit einer Kraftmeßeinrichtung (15) kombiniert ist. 1. Device for determining a on a measuring head, as a result of a defined by means of a Meßkopfan drive predetermined movement of the measuring head acting on this force, with a piezoelectric actuator ( 13 ) with at least one unit ( 18 ) with large advance displacement resolution, in Combination with other units ( 17 ) or the measuring head drive alone forms and the measuring head drive with a Einrich device ( 16 ) for measuring the feed path and with a force measuring device ( 15 ) is combined. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einheit (18) mit der größeren Auflösung, mit einer zweiten Einheit (17) mit kleiner Vorschubwegauflösung und/oder einer dritten Einheit mit einer mittleren Vorschubweg­ auflösung, als Meßkopfantrieb verbunden ist/sind.2. Device according to claim 1, characterized in that the unit ( 18 ) with the greater resolution, with a second unit ( 17 ) with a small feed path resolution and / or a third unit with a medium feed path resolution, is / are connected as a measuring head drive . 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einheiten (17, 18) seriell an­ geordnet sind.3. Apparatus according to claim 2, characterized in that the units ( 17 , 18 ) are arranged in series. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit (17) mit kleiner Vorschubwegauflösung ein elektromagneti­ scher Antrieb ist.4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the unit ( 17 ) with a small feed path resolution is an electromagnetic shear drive. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Einheiten (17) mit großer oder mittlerer Vorschubwegauflö­ sung ein piezoelektrischer Antrieb ist.5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that one of the units ( 17 ) with a large or medium feed displacement solution is a piezoelectric drive. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmeßeinrich­ tung (15) zwischen Meßkopfspitze (20) und der zu diesem benachbart angeordneten Einheit (18) des Meßkopfantriebes angeordnet ist.6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the Kraftmeßeinrich device ( 15 ) between the measuring head tip ( 20 ) and the adjacently arranged unit ( 18 ) of the measuring head drive is arranged. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmeßeinrich­ tung (15) austauschbar ist.7. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the Kraftmeßeinrich device ( 15 ) is interchangeable. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmeßeinrich­ tung (15) axial oder parallel zum Meßkopfantrieb angeordnet ist.8. Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the Kraftmeßeinrich device ( 15 ) is arranged axially or parallel to the measuring head drive. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Messung des Vorschubweges (16) starr mit dem Meßkopf verbunden ist.9. Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the device for measuring the feed path ( 16 ) is rigidly connected to the measuring head. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einrichtung zur Messung des Vorschubweges (16) austauschbar ist.10. The device according to claim 9, characterized in that the device for measuring the feed path ( 16 ) is interchangeable. 11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einrichtung zur Messung des Vorschubweges (16) ein optisches Wegmeßsystem ist.11. The device according to claim 9, characterized in that the device for measuring the feed path ( 16 ) is an optical position measuring system. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das optische Wegmeßsystem ein En­ coder mit einer Schlitzscheibe, Lichtquelle und Lichtempfänger ist.12. The apparatus according to claim 11, characterized records that the optical measuring system is an En  coder with a slotted disc, light source and Is light receiver. 13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das optische Wegmeßsystem ein La­ sersystem ist.13. The apparatus according to claim 11, characterized records that the optical measuring system a La system. 14. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einrichtung zur Messung des Vorschubweges ein Abstandserfassungssystem ist.14. The apparatus according to claim 9, characterized records that the device for measuring the Feed path is a distance detection system. 15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Abstandserfassungssystem ein Mikrowellen-System ist.15. The apparatus according to claim 14, characterized indicates that the distance detection system Microwave system is. 16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Abstandserfassungssystem ein Dehnmeßstreifen-System ist.16. The apparatus according to claim 14, characterized indicates that the distance detection system Strain gauge system is. 17. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Abstandserfassungssystem ein kapazitiver Sensor ist.17. The apparatus according to claim 14, characterized indicates that the distance detection system capacitive sensor. 18. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Abstandserfassungssystem ein induktiver Sensor ist.18. The apparatus according to claim 14, characterized indicates that the distance detection system is inductive sensor. 19. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Abstandserfassungssystem eine Resonanzsonde ist.19. The apparatus according to claim 14, characterized records that the distance detection system a Resonance probe is. 20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkopf (21) austauschbar ist. 20. Device according to one of claims 1 to 19, characterized in that the measuring head ( 21 ) is interchangeable. 21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkopf (21) ma­ gnetisch oder elektromagnetisch gehalten ist.21. Device according to one of claims 1 to 20, characterized in that the measuring head ( 21 ) is held magnetically or electromagnetically. 22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkopf (21) mechanisch gehalten ist.22. Device according to one of claims 1 to 20, characterized in that the measuring head ( 21 ) is held mechanically. 23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorschubbewegung des Meßkopfes (21) über eine axial oder parallel zu diesem ausgerichtete Antriebswelle (3) über­ tragbar ist.23. Device according to one of claims 1 to 22, characterized in that the feed movement of the measuring head ( 21 ) via an axially or parallel to this aligned drive shaft ( 3 ) is portable. 24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Antriebswelle (3) axial und radial spielfrei gelagert ist.24. The device according to claim 23, characterized in that the drive shaft ( 3 ) is mounted axially and radially without play. 25. Vorrichtung nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (3) von der Einheit (1, 16) mit kleiner Vorschubwegauflö­ sung und/oder der Einheit mit mittlerer Vor­ schubwegauflösung des Meßkopfantriebes angetrie­ ben ist/sind.25. The apparatus of claim 23 or 24, characterized in that the drive shaft ( 3 ) from the unit ( 1 , 16 ) with a small feed path solution and / or the unit with a medium feed path resolution of the measuring head drive is / are ben. 26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Stellglied der Einheit (18) des Meßkopfantriebes röhrenförmig ausgebildet ist.26. Device according to one of claims 1 to 25, characterized in that the piezoelectric actuator of the unit ( 18 ) of the measuring head drive is tubular. 27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (3) eine Durchgangsbohrung aufweist. 27. The device according to one of claims 1 to 26, characterized in that the drive shaft ( 3 ) has a through hole. 28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Stellglied (13) austauschbar ist.28. Device according to one of claims 1 to 27, characterized in that the piezoelectric actuator ( 13 ) is interchangeable. 29. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Messung der Härte von Stoffen.29. Use of the device according to claim 1 for Measurement of the hardness of substances. 30. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Messung der Viskosität von Stoffen.30. Use of the device according to claim 1 for Measurement of the viscosity of substances. 31. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Messung von Kompression.31. Use of the device according to claim 1 for Measurement of compression. 32. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Spannungs-Dehnungs-Messung.32. Use of the device according to claim 1 for Stress-strain measurement. 33. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Messung von Haft-, Gleit- oder Rollreibkräften.33. Use of the device according to claim 1 for Measurement of adhesive, sliding or rolling friction forces. 34. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Messung des E-Moduls.34. Use of the device according to claim 1 for measuring the modulus of elasticity. 35. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Schichtdickenmessung.35. Use of the device according to claim 1 for layer thickness measurement. 36. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Bestimmung von Versagenskriterien.36. Use of the device according to claim 1 to determine failure criteria. 37. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Messung des Schubmoduls (G-Modul).37. Use of the device according to claim 1 for measuring the shear modulus (G-module).