DD221009A1 - ARRANGEMENT FOR OPTICAL THROW MEASUREMENT - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur optischen Gewindemessung mittels Messgeraeten im Schattenbild- und Interferenzlinien-Verfahren mit dem Ziel, den Geraeteaufwand zu senken und Bedienbarkeit und Messgenauigkeit zu verbessern. Aufgabe ist es, durch Beeinflussung des Hauptstrahlenganges der Beleuchtungseinrichtung die Hauptstrahlen entsprechend dem Steigungswinkel des zu pruefenden Gewindes an der Messstelle aus der zur Gewindeachse senkrechten Nullage herauszuschwenken. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Aperturblende im Beleuchtungsstrahlengang reell mittels mechanischer Einstellmittel oder virtuell mittels optischer, den Strahlengang ablenkender Elemente senkrecht zur optischen Achse und parallel zur Gewindeachse des Messobjektes verschiebbar ist. Der Betrag a der reellen oder virtuellen Verschiebung ist so gross, dass die Hauptstrahlneigung des Beleuchtungsstrahlenganges am Messobjekt gleich dem Steigungswinkel c des zu pruefenden Gewindes ist. Fig. 1The invention relates to an arrangement for optical thread measurement by means of measuring devices in the shadow and interference line method with the aim to reduce the equipment cost and to improve operability and measurement accuracy. Task is to swing out by influencing the main beam path of the lighting device, the main rays according to the pitch angle of the thread to be tested at the measuring point from the perpendicular to the threaded axis neutral position. The invention is characterized in that the aperture diaphragm in the illumination beam path is displaceable real by means of mechanical adjustment means or virtually by means of optical, the beam path deflecting elements perpendicular to the optical axis and parallel to the threaded axis of the measurement object. The magnitude a of the real or virtual displacement is so great that the main beam inclination of the illumination beam path on the measurement object is equal to the pitch angle c of the thread to be tested. Fig. 1
Description
Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur optischen Gewindemessung, vorzugsweise mittels Meßgeräten im Schattenbild- oder Interferenzlinien-Verfahren. ; · The invention relates to an arrangement for optical thread measurement, preferably by means of measuring devices in the shadow or interference line method. ; ·
Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions
Optische Meßgeräte, mit denen die Gewindeprüfung berührungslos im Schattenbildverfahren (ZiII „Messen und Lehren im Maschinenbau und in der Feingerätetechnik" 3. Auflage, VEB Verlag Technik, Berlin, Seiten 143-147) oder mittels Interferenzlinie (Feingerätetechnik 26 (1977), Heft 9, Seiten 404-407) durchgeführt wird, sind in Form von Universalmikroskopen oder Zweikoordinaten-Meßgeräten bekannt, bei denen meist das Meßobjekt von unten mittels einer Durchlichtbeleuchtungseinrichtung telezentrisch beleuchtet wird. Mittels einer optischen Visiereinrichtung, die an einer schwenkbaren Säule des Meßgerätes gelagert ist, wird die Schattenkontur des zu prüfenden Gewindes oder die entstehende Interferenzlinie angetastet. Bei beiden Verfahren werden Visiereinrichtung (Meßmikroskop) und Durchlichtbeleuchtungseinrichtung, die miteinander verbunden an der Säule angeordnet sind, um den mittleren Steigungswinkel des zu prüfenden Gewindes aus der zur Gewindeachse senkrechten Nullage herausgeschwenkt, so daß die optische Achse der Beleuchtungs-und Visiereinrichtung in der Mitte der Gewindeflanke die Tangente an der Gewindeschraubenfläche, bzw. zu dieser parallel liegt, ist. Beim Übergang von einer Meßstelle am Gewinde zur diametral gegenüberliegenden Meßstelle muß der im Vorzeichen entgegengesetzte Schwenkwinkel eingestellt werden. Dieses bei den Messungen häufige Schwenken, wie es bei Serienprüfungen auftritt, ist sehr bedienaufwendig in bezug auf Zeit und Kraft, zumal auch die zu bewegenden Baugruppen relativ massereich sind. Des weiteren werden, um eine hohe Genauigkeit der Messungen zu gewährleisten, hohe Anforderungen an die Präzision der Schwenklagerung gestellt, da jede Verschiebung der optischen Achse in Meßrichtung während des Schwenkens als Meßfehler wirksam wird. Ursachen hierfür sind Quer- und Torsionskräfte; die im geschwenkten Zustand wirksam sind. Die Realisierung der Schwenkung erfordert ferner relativ große Druchbrüche in Grundbett und Meßtisch des Meßgerätes. Hieraus resultiert ein großes Gerätevolumen, da trotz der Durchbrüche eine hohe Gerätestabilität gewährleistet bleiben muß.Optical measuring devices, with which the thread test contactless in the shadowing process (ZiII "Measuring and teaching in mechanical engineering and in the Feingerätetechnik" 3rd edition, VEB Verlag Technik, Berlin, pages 143-147) or by means of interference line (Feingerätetechnik 26 (1977), No. 9 , Pages 404-407) are known in the form of universal microscopes or two-coordinate measuring instruments, in which usually the object to be measured is illuminated from below by means of transmitted light illumination means by means of an optical sighting device, which is mounted on a pivotable column of the measuring device In both methods, the sighting device (measuring microscope) and transmitted-light illumination device, which are arranged connected to one another on the column, move by the mean pitch angle of the thread to be tested from the neutral position h, which is perpendicular to the thread axis h pivoted so that the optical axis of the lighting and sighting in the middle of the thread flank is the tangent to the threaded screw surface, or parallel to this is. During the transition from a measuring point on the thread to the diametrically opposite measuring point opposite in the sign pivot angle must be set. This frequent pivoting in the measurements, as occurs in series tests, is very time-consuming in terms of time and force, especially since the moving assemblies are relatively massive. Furthermore, in order to ensure a high accuracy of the measurements, high demands are placed on the precision of the pivot bearing, since any displacement of the optical axis in the measuring direction during pivoting is effective as a measurement error. Causes for this are transverse and torsional forces; which are effective in the tilted state. The realization of the pivoting also requires relatively large Druchbrüche in basic bed and measuring table of the meter. This results in a large volume of equipment, as in spite of the breakthroughs a high device stability must be guaranteed.
Mit schwenkbarem Mikroskop und Beleuchtungseinrichtung kann die Forderung nach genauer Messung in einer dritten ' Koordinate (Z-Koordinate) nicht erfüllt werden. Bedingt durch den Freiheitsgrad der Schwenkung, kann die Senkrechtstellung der z-Bewegung zur Meßtischoberfläche nicht so genau realisiert werden, wie bei einem Gerät mit starr angeordneter z-Führung. . ' : ' ' ' ''.' "'·'' . ' .'.. : -. ' . ' .· " ' : '' \ \ " ' With a pivoting microscope and illumination device, the requirement for accurate measurement in a third' Coordinate (Z-coordinate) can not be met. Due to the degree of freedom of the pivoting, the vertical position of the z-movement to the measuring table surface can not be realized as accurately as in a device with rigidly arranged z-guide. , ':' ''''. ''' · ''. '.' ..: -. '. '.' '' ': '' \" '
Ziel der Erfindung ' '.'Aim of the invention ''.
Ziel der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen, den Geräteaufwand zu senken und dieThe aim of the invention is to eliminate the disadvantages of the prior art, reduce the equipment costs and the
Bedienbarkeit und Meßgenauigkeit zu verbessern. , 'To improve operability and measurement accuracy. , '
Wesen der Erfindung , ,Essence of the invention,,
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ohne Schwenkung der Beleuchtungseinrichtung und des Meßmikroskopes durch Beeinflussung des Hauptstrahlengang der Beleuchtungseinrichtung die Hauptstrahlen entsprechend dem Steigungswinkel des zu prüfenden Gewindes an der Meßstelle aus der zur Gewindeachse senkrechten Nullage herauszuschwenken. Erfindungsgemäß Wird diese Aufgabe bei einer Anordnung zur optischen Gewindeprüfung vorzugsweise nach dem Schattenbild-^ oder Interferenzlinienverfahren bei Meßgeräten, umfassend eine telezentrische Durchlichtbeleuchtungseinrichtung mit Lichtquelle, Aperturblende und Kollimator und ein Meßmikroskop zur Beobachtung bzw. optischen Antastung des Schattenbildes des Meßobjektes oder der äquidistant zur Schattenkontur verlaufenden Interferenzlinien, wobei Beleuchtungseinrichtung und Meßmikroskop eine gemeinsame optische Achse besitzen, dadurch gelöst, daß die Aperturblende im Strahlengang der Durchlichtbeleuchtungseinrichtung reell mittels mechanischer Einstellmittel oder virtuell mittels optischer, den Strahlengang ablenkender Elemente senkrecht zur optischen Achse und parallel zur Gewindeachse des zu prüfenden Meßobjektes verschiebbar ist, wobei der Betrag a der virtuellen oder reellen Verschiebung der Aperturblende so groß ist, daß die Hauptstrahlneigung des Beleuchtungsstrahlenganges am Meßobjekt gleich dem Steigungswinkel ψ des zu prüfenden Gewindes ist.The invention is based on the object, without pivoting of the illumination device and the measuring microscope by influencing the main beam path of the illumination device herauszuschwenken the main rays according to the pitch angle of the thread under test at the measuring point from the zero axis perpendicular to the threaded axis. According to the invention, this object is preferably achieved in a device for optical thread inspection by the Schattenbild- or interference line method in measuring devices comprising a telecentric transmitted light illumination device with light source, aperture diaphragm and collimator and a measuring microscope for observation or optical detection of the shadow image of the measurement object or the equidistant to the shadow contour Interference lines, wherein lighting device and measuring microscope have a common optical axis, achieved in that the aperture diaphragm in the beam path of the transmitted light device is movable by means of mechanical adjustment means or virtually by means of optical, the beam path deflecting elements perpendicular to the optical axis and parallel to the threaded axis of the test object to be tested, wherein the amount a of the virtual or real displacement of the aperture diaphragm is so large that the main beam inclination of the illumination str Ahlenganges the object to be measured equal to the pitch angle ψ of the thread to be tested.
-3- 256774 5-3- 256774 5
Dabei ist es vorteilhaft und einfach realisierbar, wenn im oder am Gehäuse der Beleuchtungseinrichtung mit der Aperturblende ih Wirkverbindung stehende mechanische Einstellelemente, vorzugsweise ein Schraubentrieb, und den Verschiebeweg begrenzende einstellbare, vorzugsweise mechanische Anschläge angeordnet sind.It is advantageous and easy to implement, if arranged in or on the housing of the illumination device with the aperture diaphragm ih operative connection mechanical adjusting elements, preferably a screw drive, and the displacement adjustable, preferably mechanical stops.
Zur Erzielung einer virtuellen Verschiebung der Aperturblende ist bei zentrisch und starr zur optischen Achse im Strahlengang der Beleuchtungseinrichtung angeordneter Aperturblende in Lichtrichtung hinter der Aperturbleride eine um einstellbare Winkelbeträge schwenkbare Planparallelplatte oder Schiebelinse angeordnet.In order to achieve a virtual displacement of the aperture stop, a plane parallel plate or sliding lens which can be pivoted by adjustable angle amounts is arranged in the light path direction behind the aperture blur at an aperture diaphragm arranged centrically and rigidly in the optical path of the illumination device.
Damit wird bei Meßgeräten, bei denen Mikroskop und Beleuchtungseinrichtung eine gemeinsame optische Achse.senkrecht zur Achse des Meßobjektes (Gewindes) besitzen, der durch die Mitte der Aperturblende verlaufende Hauptstrahl des Beleuchtungsstrahlenganges um den Steigungswinkel ψ des zu prüfenden Gewindes an der Meßstelle aus der zur Gewindeächse senkrechten Nullage herausgeschwenkt. Der maximale Schwenkwinkel wird lediglich durch die Apertur des Objektives des Meßmikroskopes und dem Aperturwinkel des Beleuchtungsstrahlenganges begrenzt. Bei Anwendung der Erfindung ergeben sich bei Meßgeräten erhebliche Vorteile. So ist es nicht mehr notwendig, bei der Einstellung des gesamten Meßstrahlehganges auf den Steigungswinkel des zu prüfenden Gewindes die Säule des Meßgerätes zu schwenken. Die aufwendige Schwenklagerung der Säule kann entfallen. Durch diese Lagerung bedingte Meßfehler treten nicht mehr auf. Notwendige Durchbrüche in Grundbett und Meßtisch können wesentlich verkleinert werden, wodurch die Stabilität und Steifigkeit des gesamten Meßgerätes erhöht werden. . ;S>Thus, in measuring instruments in which the microscope and illumination device have a common optical axis perpendicular to the axis of the measurement object (thread), the main beam of the illumination beam path passing through the center of the aperture diaphragm revolves around the pitch angle ψ of the thread under test at the measurement point from the axis of the thread swung out perpendicular zero position. The maximum tilt angle is limited only by the aperture of the objective of the measuring microscope and the aperture angle of the illumination beam path. When using the invention, there are considerable advantages in measuring devices. Thus, it is no longer necessary to pivot in the adjustment of the entire Meßstrahlehganges on the pitch angle of the thread to be tested, the column of the meter. The complex pivotal mounting of the column can be omitted. Measurement errors caused by this storage no longer occur. Necessary openings in the base bed and measuring table can be significantly reduced, whereby the stability and rigidity of the entire measuring device can be increased. , ; S >
Ausführungsbeispielembodiment
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen Fig.1: den Strahlengang des Meßgerätes undThe invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment. In the accompanying drawing Fig.1: the beam path of the measuring device and
Fig.2: die Anordnung eines ablenkenden optischen Elementes im Beleuchtungsstrahlengang.2 shows the arrangement of a deflecting optical element in the illumination beam path.
In Fig. 1 ist der Strahlengang eines Meßgerätes schematisch und stark vereinfacht dargestellt. Die Anordnung zur optischen Gewindeprüfung an Meßobjekten 1 nach dem Schattenbild- oder Interferenzlinienverfahren umfaßt eine telezentrische Durchlichtbeleuchtungseinrichtung 2 mit Lichtquelle 3, Aperturblende 4 und Kollimator 5 und ein Meßmikroskop 6 mit Objektiv 7, Okular 8 und einstellbarer Strichplatte 9 in der Okularbildebene bzw. mit fotoelektrischer Antastanordnung (nicht dargestellt) zur Beobachtung bzw. optische Antastung des Schattenbildes des Meßobjektes 1 oder der äquidistant zur Schattenkontur verlaufenden Interferenzlinien. Die Durchlichtbeleuchtungseinrichtung 2 und das Meßmikroskop 6 sind miteinander verbunden und besitzen eine gemeinsame optische Achse 10. Bei den Messungen stehen die optische Achse 10 und die Gewindeachse 11 des zu prüfenden Meßobjektes 12 senkrecht aufeinander.In Fig. 1 the beam path of a measuring device is shown schematically and greatly simplified. The arrangement for the optical thread test on DUTs 1 according to the Schattenbild- or interference line method comprises a telecentric transmitted light illumination device 2 with light source 3, aperture 4 and collimator 5 and a measuring microscope 6 with lens 7, eyepiece 8 and adjustable reticle 9 in the Okularbildebene or with fotoelektrischer Antastanordnung (Not shown) for observation or optical detection of the shadow image of the measurement object 1 or the equidistant extending to the shadow contour interference lines. The transmitted-light illumination device 2 and the measuring microscope 6 are connected to one another and have a common optical axis 10. In the measurements, the optical axis 10 and the threaded axis 11 of the test object 12 to be tested are perpendicular to one another.
Wie Fig. 1 zeigt, ist die telezentrische Aperturblende 4 um die Strecke a = f · tan ψ aus der optischen Achse 10 heraus parallel zur Gewindeachse 11 verschoben, wobei f die Brennweite des Kollimators 5 und ψ der Steigungswinkel des zu prüfenden Gewindes des Meßobjektes 1 sind. Beim Übergang zur diametral gegenüberliegenden Gewindeseite wird die Aperturblende 4 entgegengesetzt um die Strecke a aus der optischen Achse 10 herausgeführt. Diese Verschiebung der Aperturblende 4 erfolgt mittels mechanischer Einstellmittel 12, z.B. durch einen Gewindetrieb, die mit der Aperturblende 4 in Wirkverbindung stehen und vorzugsweise am Gehäuse 15 der Beleuchtungseinrichtung 2 angeordnet sind. Durch die Verschiebung der AperturblendeAs FIG. 1 shows, the telecentric aperture stop 4 is displaced out of the optical axis 10 parallel to the thread axis 11 by the distance a = f · tan,, f being the focal length of the collimator 5 and ψ the pitch angle of the thread to be tested of the object to be measured 1 are. During the transition to the diametrically opposite thread side, the aperture diaphragm 4 is led out opposite the distance a from the optical axis 10. This displacement of the aperture 4 is effected by means of mechanical adjustment means 12, e.g. by a screw drive, which are in operative connection with the aperture diaphragm 4 and are preferably arranged on the housing 15 of the illumination device 2. By shifting the aperture diaphragm
4 wird quasi das Meßobjekt 1 in Richtung der Gewindesteigung beleuchtet. Dabei müssen die Durchmesser der Optik der Beleuchtungseinrichtung (Kollimator 5) und des Meßmikroskopes 6 (Objektiv 7) so groß bemessen sein, daß außer dem Beleuchtungshauptstrahl 13 auch der Aperturrandstrahl 14 und damit alle Strahlen erfaßt werden, die unter einem Winkel4, the measured object 1 is illuminated in the direction of the thread pitch, as it were. The diameter of the optics of the illumination device (collimator 5) and the measuring microscope 6 (lens 7) must be sized so large that except the main illumination beam 13 and the Aperturrandstrahl 14 and thus all the rays are detected at an angle
5 ψ + σ gegen die optische Achse 10 geneigt sind, wobei oder Aperturwinkel des Beleuchtungsstrahlenganges ist. Um eine schnelle Verschiebung der Aperturblende 4 für diametrale Messungen am Meßobjekt 1 zu erzielen, sind vorteilhaft einstellbare mechanische Anschläge 16 vorgesehen, die entsprechend den Steigungswinkeln an Gewindevorder- und rückseite eingestellt werden.5 ψ + σ are inclined to the optical axis 10, wherein or aperture angle of the illumination beam path is. In order to achieve a rapid displacement of the aperture diaphragm 4 for diametrical measurements on the test object 1, advantageously adjustable mechanical stops 16 are provided, which are adjusted according to the pitch angles at the thread front and back.
Fig.2 zeigt einen Teil einer Durchlichtbeleuchtungseinrichtung 2' mit zentrisch und starr zur optischen Achse 1 ^angeordneter Aperturblende 17. In Lichtrichtung hinter der Aperturblende 17 ist ein den Beleuchtungsstrahlengang ablenkendes optisches Element 18 in Form einer Planparallelplatte vorgesehen, welches um einstellbare Winkelbeträge schwenkbar ist. Anstelle dieser Platte kann auch eine an sich bekannte Schiebelinse verwendet werden. Vorgesehene einstellbare Anschläge 19 begrenzen den Schwenkwinkel dieses optischen Elementes 18. Durch das optische Element 18 ist die Aperturblende 17 virtuell beiderseits senkrecht zur optischen Achse 10 und parallel zur Gewindeachse 11 verschiebbar.2 shows a part of a transmitted-light illumination device 2 'with an aperture diaphragm 17 arranged centrally and rigidly relative to the optical axis 1. In the light direction behind the aperture diaphragm 17, an optical element 18 deflecting the illumination beam path is provided in the form of a plane-parallel plate, which can be pivoted by adjustable angular amounts. Instead of this plate can also be used a known sliding lens. Provided adjustable stops 19 limit the pivoting angle of this optical element 18. By the optical element 18, the aperture diaphragm 17 is virtually mutually displaceable on both sides perpendicular to the optical axis 10 and parallel to the threaded axis 11.
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