Mobile Rahmenkonstruktion für berührungsfreie FORS-Messungen

Das faseroptische Spektrometer wurde für eine berührungsfreie Messkonfiguration mit einem Rahmen ausgestattet, auf dem ein beweglicher Messkopf manuell in x, y und z – Richtung mikrometrisch an dem ausgewählten Messpunkt in ausreichender Distanz zu dem Objekt positioniert werden kann (Abb. 1).^[1]
 

Der Rahmen besteht aus T Nut Aluminiumprofile^[2] (Abb. 2), deren Enden mit Scharnieren verbunden sind (Abb. 3). Er ist an zwei gegenüberliegenden Seiten über mittig platzierte Scharniere einknickbar, sodass das gesamte Gestell zusammengefaltet in einem Koffer transportiert werden kann. In die Nut gelegte Flachstahlstreifen werden im gestreckten Zustand über die Scharniere verschoben und ihre je 4 Feststellschrauben angezogen (Abb. 2, rechts im Bild). Sie versteifen und stabilisieren die beiden Gelenke beim Aufbau.

Auf einem der vier Rahmenprofile ist die Schiene einer absolut spielfreien Präzisionslinearführung^[3] (Abb. 3) aufgebracht. Auf dem kugelgelagerten Wagen ist die Plattform mit einem Getriebedrehknopf befestigt. Ausgeklinkt lässt sich die Plattform von Hand sehr leicht über die gesamte Länge hin und her verschieben. Eingeklinkt erlaubt der Grobtrieb (unterer Ring des Drehknopfs) eine zügige, aber über die ins Profil eingelegte Zahnstange geführte selbstarretierende Verschiebung. Der kleinere obere Knopf bietet mit seiner 10-fachen Untersetzung einen Feintrieb für die präzise Verschiebung im 1/10 mm Bereich. Auf die Plattform wird nach dem Transport und dem Aufklappen des Grundrahmens auch der Querarm mittels Flügelschraube festgezogen – 4 Stahlstifte garantieren eine exakt rechtwinklige Lage. Aus dem gleichen Aluprofil, mit der gleichen Präzisionsmechanik versehen trägt er den Messkopf, an seinem anderen Ende liegt er mit einer Rolle auf dem Rahmen auf. Die Höhe des Rahmens ist über die vier Füße einstellbar, die hierfür mit Gewindeschrauben ausgestattet sind (Abb. 3). Die Füße lassen sich mit einer separaten Halterung von außen und in variabler Position am Rahmen festschrauben. Auf der Rahmeninnenseite und auf dem Querarm sind Skalen zur Dokumentation der Messpunkte angebracht.
 

Der Messkopf (Abb. 4) trägt eine verschiebbare Halterung mit vier Teilen. Vorne sind die zwei optischen Faserleiter für das Messlicht auf den fest installierten Kollimatorenlinsen im Winkel von 45 Grad zur senkrechten Mittelachse fixiert. Mittig dazwischen ist die faseroptische Messsonde senkrecht in einen Metalltubus gesteckt. Eine kleine Imbusschraube hält ihn fest und ermöglicht die individuelle Anpassung der Höhe der Eintrittspupille der Faseroptik für die Messung. Die Halterung beinhaltet außerdem eine Webcam zur geräteintegrierten Dokumentation der Messpunkte. Im 45° Winkel zur optischen Achse der fünf Megapixel-Kamera sind zwei LEDs für die reflexfreie Beleuchtung des Messpunktes und seiner Umgebung angebracht. Sie haben eine eigene Stromversorgung über USB und werden mit einem Magnetkontakt der Halterung für Kamera und Faseroptiken in der Stellung „Kamera“ eingeschaltet. Die Halterung ist mit einer waagerechten Linearführung am Messkopf befestigt. Wird sie nach vorne gezogen, zeigt die Kamera den angesteuerten Messpunkt und seine Umgebung; die LEDs werden aktiviert und über die Laptop-Schnittstelle kann das Livebild direkt betrachtet und aufgenommen werden. Indem die Faseroptik wieder nach hinten geschoben und damit in die Messposition gebracht wird, werden die LEDs deaktiviert und die Messung ist am vorbestimmten Messpunkt möglich. Die beiden Endpositionen der Halterung werden mit Magneten gehalten. Eine weitere senkrecht gerichtete Linearführung – spielfrei wie alle – erlaubt die Einstellung der Messhöhe mittels einer Rändelschraube (Abb. 5). Um schnell Abstand zu einem unterliegenden Objekt zu gewinnen (beispielsweise um einen neuen Messpunkt anzusteuern), kann der gesamte Kopf an dieser Schraube angehoben und auf der höchsten Position festgesteckt werden (Abb. 6). Die richtige Messhöhe ist erreicht, wenn die beiden Lichtpunkte von den Kollimatoren sich genau decken und in der senkrechten Achse zur Mess-Faseroptik liegen. In der Position „Kamera“ ist dann auch das Bild scharf.

Aufstellen und Einrichten

1. Der gefaltete Rahmen wird auf einem Arbeitstisch so positioniert, dass die Seite nach oben zeigt, auf der die weiteren Teile aufgesteckt werden.
2. Die T Nutensteine (Muttern) zum Befestigen der Füße werden in die Nuten eingelegt und an die Positionen an den Ecken geschoben.
3. Der Rahmen wird aufgeklappt und die beiden zuvor eingeklappten Leisten werden versteift, indem die jeweiligen Feststellschrauben in ihren Flachstahlstreifen über die Scharniere platziert und die jeweils vier Rändelschrauben von Hand fest angezogen werden.
4. Die vier beiliegenden Jaccardschrauben werden an den Ecken des Rahmengestells eingedreht, wobei die schräg abgewinkelten Griffe durch hochziehen, drehen und loslassen so positioniert werden sollten, dass sie nicht den Abstand zur Arbeitsfläche vorgeben.
5. Die Füße werden auf die Nutensteine aufgeschraubt.
6. Der Querarm wird nach Entfernen einer Flügelschraube auf den Wagen der Linearführung aufgesteckt und mit der Schraube darauf fixiert. Achtung: Der Käfig mit den Kügelchen darf NIEMALS vom Rahmen geschoben werden, die Kügelchen sind nur mit außerordentlicher Geduld in den Käfig zurück zu bringen, wenn sie denn alle gefunden werden!
7. Die Lichtleiter werden auf den Messkopf fixiert. Sie dürfen nicht stark gebogen werden und werden zusammen mit der faseroptischen Messsonde (siehe Punkt 9) am besten in großem Bogen über einer Stativstange, etwa einem Laborstativ, drapiert. Auf den auf dem Messkopf fest installierten Kollimatoren werden die Enden des Y-Leiters fixiert, indem sie in die Gewinde der Kollimatoren eingedreht werden. Das andere Ende des Leiters wird in die Schnittstelle an der Lichtquelle geschraubt.
8. Sind die Lichtleiter fixiert, können die Lichtpunkte durch Verschieben feinjustiert und gebündelt werden.
9. Zum Schluss wird die faseroptische Messsonde in der mittleren Halterung versenkt und so tief eingestellt, dass die Lichtpunkte der Lichtleiter am unteren Rand gerade nicht ihr Gehäuse streifen. Die richtige Positionierung der Faser kann ebenfalls während der Kalibrierungsphase in der Mess-Software durch die Optimierung des Signals überprüft werden. Die Messsonde wird an das Spektrometer angeschlossen. Das Spektrometer bedarf keiner eigenen Stromquelle, wird aber über eine USB 2.0-Schnittstelle mit einem Computer verbunden. Nach der Kalibrierung die Lichtleiter nicht mehr in ihren Halterungen bewegen und auch den Biegeradius nicht mehr verändern!