表面测量仪的制作方法

本发明涉及一种用于测量工件表面的表面测量仪。

背景技术：

这类表面测量仪例如以触针装置的形式是众所周知的，例如已由de102017107373a1、de102017372a1、de102017107972a1以及de102017106741a1公开。

已知的表面测量仪具有用于对工件表面进行探测的探头，以及用于使探头相对于工件表面沿着进给轴线运动以便对工件表面进行扫描的进给装置，其中，探头在工件的扫描期间输出探头输出信号。已知的表面测量仪还具有评价装置，该评价装置与探头处于数据传输连接，并且被设计和编程为用于根据探头输出信号对工件表面的轮廓进行重构。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提出一种表面测量仪，其在功能可靠性方面得到了改进。

该目的是通过以下技术方案得以解决。

本发明基于以下认识：干扰信号被叠加在探头输出信号的有用信号上，该有用信号是由探头的探测元件通过工件表面发生的偏移引起的，并且表示工件表面的待重构的轮廓或者说待重构的形状，该干扰信号主要是由工件和探头壳体随时间的可变振动以及由进给装置的引导偏差引起的。

由此出发，本发明基于以下观察结果：如果表面测量仪的个别元件磨损了或者失调了，那么相应的机械基本干扰就增加。

此外，本发明还基于以下构思：表面测量仪作为整体是一个能振动的系统并且该能振动的系统中的每一个元件都具有独特的固有频率。也就是说，可以在基本干扰的频谱中，将独特的频谱线与表面测量仪的各个元件对应起来。在这些元件的相互协作下产生体现表面测量仪的独特的固有频率(charakteristischeeigenfrequenzen)的仪器频率特征，该仪器频率特征在一定程度上构成了表面测量仪的频谱指纹(spektralenfingerabdruck)。

由此出发，本发明基于以下构思：通过确定频谱指纹随时间的变化情况来监控表面测量仪的功能状态。表面测量仪的一个元件的磨损或者失调会引起属于该元件的独特的固有频率随时间的变化并且进而引起仪器频率特征的变化，根据本发明对此进行检测和分析。

因此，根据本发明，评价装置被设计并编程为用于对体现表面测量仪的独特的固有频率的仪器频率特征进行确定，以及提供用于对仪器频率特征随时间的变化过程进行检测和分析的分析部件，从而根据仪器频率特征随时间的变化过程对表面测量仪的功能状态进行判断或者能够进行判断。

以这种方式，根据表面测量仪的频谱指纹随时问的变化情况可以识别出由表面测量仪元件的磨损或者失调引起的功能状态(在这些功能状态中，表面测量仪的所需测量精度不再得到保证)并且通过维修或者调整来消除这样的功能状态。以这种方式，提高了根据本发明的表面测量仪的功能可靠性。此外，还实现了以状态为导向的维修，这节省了时间和成本。

原则上，为了确定仪器频率特征，例如可以使用振动传感器。本发明的一种特别有利的改进方案规定，评价装置被设计并编程为用于基于探头的探头输出信号对仪器频率特征进行确定。这种实施方式基于以下认识：表面测量仪的探头根据轮廓法是一种振动传感器。从探头的探头输出信号中确定仪器频率特征具有以下优点：不需要用于检测仪器频率特征的附加硬件，例如外部传感器的形式。而是，使用在表面测量仪中本来就存在的硬件，来确定仪器频率特征。因此，本发明可以按照成本特别低廉的方式，在无附加硬件的条件下仅仅通过相应的软件在表面测量仪中实施。

前述实施方式的一种改进方案规定，用于确定仪器频率特征的评价装置被设计并编程为，使得从通过测量工件表面而获得的探头输出信号分离出体现被测的工件表面的信号分量，以便确定仪器频率特征。从探头输出信号中分离出体现被测的工件表面的信号分量，可以根据相应的要求和情况以任何适当方式实现，例如通过频谱滤波。分离例如也可以通过以下方式实现：为了确定频谱指纹对工件进行测量，该工件的表面轮廓是已知的，例如是平板玻璃片。在对平板玻璃片进行测量时，探头的探测元件垂直于表面，也就是沿着z轴的偏移为零，从而在测量期间输出的探头输出信号体现了表面测量仪的机械基本干扰并且由此出发确定仪器频率特征。为了使独特的固有频率的随时间的瞬时变化在频谱指纹的确定中的影响达到最小或者至少是减小，可以执行时间上相继的多次测量并且对测量结果求平均值。

本发明的一种有利的改进方案规定，根据仪器频率特征随时间的变化过程，表面测量仪的功能状态被分类为“好”或者“不好”。

本发明的另一种特别有利的改进方案规定，分析部件被设计并编程为，使得在使用基于人工神经元网络应用的算法的条件下对仪器频率特征进行分析。在这种实施方式中，人工神经元网络例如可以基于异常检测器在持续的工作中自主学习，表面测量仪的与功能状态“好”对应的频谱指纹看上去是什么样子。关于这一点，可参阅例如以下引用文献：m.ahmed，a.n.mahmood，j.hu，“asurveyofnetworkanomalydetectiontechniques”，journalofnetworkandcomputerapplications，2016年，第60期：第19-31页。因此，不需要对算法进行系统特定的参数化。在与功能状态“好”发生相应偏离时，可以通过分析部件自动地识别出异常情况并且发出需要维修或者调整的信号。

本发明的另一有利的改进方案规定，探头是接触式探头。

根据本发明的另一种有利的改进方案规定，表面测量仪被设计成触针装置(ausgebildet)。

本发明还提供了一种根据本发明的表面测量仪的工作方法。根据本发明的方法的有利和适宜的改进方案也相应提供。相应地，可得到与在根据本发明的表面测量仪及其改进方案中相同的特征和优点。

附图说明

下面根据附图对本发明进行详细说明，在附图中示出了根据本发明的表面测量仪的实施例。在这里，所有描述的、在附图中示出的以及在权利要求中要求的特征单独以及按照任意适当的相互组合方式构成本发明的主题，不依赖于它们在权利要求及其引用关系中的概括，也不依赖于它们的描述或者在附图中的图示。

在附图中：

图1示出了根据本发明的测量场所的立体图，该测量场所包括根据本发明的表面测量仪的形式为触针装置的一种实施例；

图2示出了如图1的表面测量仪的各元件的极度简化视图；以及

图3示出了根据本发明的用于操作表面测量仪的方法的一种实施例的极度简化的流程图。

具体实施方式

下面参照图1至图3对根据本发明的表面测量仪的一种实施例和根据本发明的一种用于操作表面测量仪的方法进行详细说明。

在图1中示出了包括根据本发明的表面测量仪2的形式为触针装置的一种实施例的测量场所，该表面测量仪具有带有探测臂4的探头3，该探测臂支撑着图1中不可见的探测体，用于对待测量工件的表面进行探测。表面测量仪2具有进给装置6，它的固定基体8以高度和倾斜度可调节的方式设置在测量柱10上，该测量柱安装在底板12上。探测臂4通过机械接口14与进给装置6的活动部件16连接。

在表面测量仪2的工作中，进给装置6的活动部件16相对于基体8运动，从而借助安装在探测臂4上的探测体对待测量工件进行扫描。相应的触针装置的基本结构(包括探头和进给装置在内)是众所周知的，因此不进行详细说明。

表面测量仪2具有在图1中仅仅是示意性示出的评价装置18，该评价装置与探头处于数据传输连接，并且被设计和编程为用于根据探头输出信号对工件表面的轮廓进行重构。

根据本发明，评价装置18被设计和编程为用于对体现表面测量仪的独特的固有频率的仪器频率特征进行确定，其中，还提供了用于对仪器频率特征随时间的变化过程进行检测和分析的分析部件20，在图1中同样仅仅是示意性示出，从而根据仪器频率特征随时间的变化过程对表面测量仪2的功能状态进行判断或者能够进行判断。

在所示的实施例中，评价装置18被设计并编程为用于基于探头3的探头输出信号对仪器频率特征进行确定，其中，用于对仪器频率特征进行确定的评价装置18被设计并编程为确定仪器频率特征，从通过测量工件表面而获得的探头输出信号分离出体现被测的工件表面的信号分量。

在执行测量时，在该实施例中，通过探测尖端26对工件24的表面22(参见图2)进行扫描，其中，探测尖端26根据工件表面22的轮廓变化过程沿着z方向发生偏移(zw(x))。

当表面测量仪2处于运行状态时，将探头输出信号(tasterausgangssignal)zt(x，t)传输到评价装置18中，在体现表面轮廓的有用信号zw(x)上叠加了特别是由振动引起的干扰信号。在这里，工件24的随时间可变的振动使探测尖端8发生偏移sw(x，t)，探头壳体的振动产生偏移st(x，t)，进给的引导偏差产生偏移zv(x)。

由此得出通过探头3测得的轮廓变化过程zt(x，t)(探头输出信号)如下：

zt(x，t)＝zw(x)+zv(x)+sw(x，t)+st(x，t)

评价装置18在实施例中被设计成数字式评价装置，该评价装置被设计并设置或者编程为用于对在表面22的扫描期间由探头3输出的测量值(探头输出信号)进行评价，其中，在探头输出信号中，在体现待测量表面的轮廓的有用信号上叠加了由振动引起的干扰信号。

图3示出了根据本发明的用于操作表面测量仪的一种实施例的方法的极度简化的流程图。

在该方法的第一步骤28中，通过评价装置20对体现表面测量仪2的独特的固有频率的仪器频率特征进行确定，该仪器频率特征在一定程度上是表面测量仪2的频谱指纹。仪器频率特征的各个频谱分量体现表面测量仪2的各个元件的独特的固有频率。

在所示的实施例中，通过训练装置(ausbildungseinrichtungen)18基于探头的探头输出信号对仪器频率特征进行确定。为此，根据本发明，探头3在一定程度上被用作振动传感器。

为了确定仪器频率特征，从通过测量工件表面获得的探头输出信号中分离出体现被测的工件表面的信号分量。

根据本发明，可以例如通过表面测量仪2对平板玻璃片进行扫描。由于在这种情况下，探测尖端26的偏移等于零，通过扫描平板玻璃片获得的探头输出信号体现仪器频率特征。为了使仪器频率特征随时间的瞬时变化的影响达到最小或者至少是减小，可以执行多次或大量测量并对与仪器频率特征的确定有关的测量结果求平均值。

如果仪器频率特征的独特的频谱线位于与体现待测量表面的轮廓的有用频谱不同的频谱范围，那么这可以通过利用带阻滤波器的滤波来进行分离。

在步骤22中对仪器频率特征进行确定之后，对该仪器频率特征进行存储并且通过分析部件20对它在表面测量仪2的工作期间随时间的变化过程进行检测和分析(图3中的步骤24)，从而根据仪器频率特征的随时间的变化过程对表面测量仪2的功能状态进行判断。

如果已断定，相应确定的仪器频率特征与表面测量仪2的被定义为“好”的功能状态相符合，那么测量工作可以继续进行(图3中的分支26)。

如果相反地已断定，仪器频率特征已经发生改变并且与表面测量仪2的被定义为“好”的功能状态不相符(分支28)，那么可以例如在表面测量仪2的显示器上发出维修或者调整的信号。在执行完维修或者调整之后，测量工作可以继续进行(参见图3中的附图标记32)。

在所示的实施例中，如果表面测量仪的探头在仪器频率特征的确定中被用作振动传感器，那么为了确定仪器频率特征不需要附加硬件。因此，根据本发明的方法可以在使用本来就存在的硬件的条件下或者通过改装在表面测量仪中实施。

本发明使得能够以非常简单的方式对表面测量仪进行以状态为导向的维修。