DE10025461A1 - Messeinrichtung nach dem Interferenzprinzip - Google Patents
Messeinrichtung nach dem InterferenzprinzipInfo
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- G01D5/36—Forming the light into pulses
- G01D5/38—Forming the light into pulses by diffraction gratings
Abstract
Eine interferenzoptische Messeinrichtung zur Erfassung und Verfolgung der Bewegung eines mechanischen Elements weist eine Lichtquelle zur Abgabe eines interferenzfähigen Lichtbündels sowie ein Beugungsgitter und eine Sensoranordnung auf. Von der Lichtquelle führt ein Strahlengang über das Beugungsgitter zu der Sensoranordnung. Das Beugungsgitter zerlegt das Lichtbündel in mindestens drei Teilkomponenten, so dass auf der optischen Sensoranordnung ein Lichtfleck mit drei einander überlappenden Maxima, dem mittleren nullten Maximum und dem beidseits davon liegenden minus ersten und plus ersten Maximum entsteht. Die Lichtstrahlen zur Erzeugung der drei Helligkeitsmaxima interferieren miteinander, so dass der resultierende überlagerte Leuchtfleck Interferenzlinien enthält, die in einer oder anderen Richtung laufen, wenn das Beugungsgitter bewegt wird. Die Bewegung der Interferenzlinien wird mit der Sensoranordnung erfasst und in einer Auswerteschaltung ausgewertet. Damit ist die präzise Erfassung jeder Bewegung des Beugungsgitters möglich. Mit der vorgestellten Anordnung wird nahezu das gesamte von der Lichtquelle ausgesendete Licht zum erzeugenden Interferenzbild ausgenutzt. Es entstehen somit lichtstarke Interferenzbilder schon bei geringen Lichtleistungen der Lichtquelle. Es können deshalb Bauelemente geringer Leistung zum Einsatz kommen.
Description
Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung, die ins
besondere zur Messung der Oberflächenrauheit und/oder der
Oberflächenkontur eines Werkstücks vorgesehen ist.
Die Vermessung von Werkstücken und die Bestimmung
spezieller Oberflächeneigenschaften wie Rauheit, Formhal
tigkeit (Kontur) und ähnliche Messaufgaben werden häufig
gelöst, indem die Oberfläche oder zu vermessende Oberflä
chenbereiche mechanisch angetastet werden. Dazu sind ver
schiedene Tastkörper wie Kugeln, Messspitzen, Diamantspit
zen oder ähnliches in Gebrauch - je nach Messaufgabe. Während
die mechanische Vermessung meist durch punktweises
Antasten der Werkstückoberfläche erfolgt, ist es zur Be
stimmung der Oberflächenrauheit oder der Oberflächenkontur
oder von Formelementen eines Werkstücks üblich, eine Tast
spitze, bspw. eine Diamantspitze oder eine Stahlspitze,
über eine festgelegte Wegstrecke mit festgelegter Ge
schwindigkeit zu schleppen und die im Wesentlichen recht
winklig zu der Werkstückoberfläche erfolgenden Auslenkun
gen der Tastspitze aufzuzeichnen bzw. auszuwerten. Voraus
setzung ist immer die Erfassung der Bewegung bzw. Auslen
kung des Tastelements. Hierzu sind hoch auflösende und
schnell arbeitende Linearmesssysteme (sogenannte Wegauf
nehmer) oder verwandte Messsysteme erforderlich. Soll die
Rauheitsmessung mit einer Konturmessung kombiniert werden
oder nur eine Konturmessung durchgeführt werden, durch
läuft das Tastelement bei dem Messvorgang in der Regel
relativ große Hübe. Diese sollen möglichst innerhalb des
Messbereichs des entsprechenden Messsystems liegen.
Zur Messung linearer Verschiebungen sind bspw. induk
tive Messsysteme bekannt. Diese geben in der Regel ein der
Auslenkung proportionales Signal ab und müssen deshalb als
Analog-Messsysteme gelten. Darüber hinaus sind sogenannte
inkrementale Geber bekannt, die auch auf optischen Prinzi
pien beruhen können. Bspw. ist aus der DE 197 12 622 A1 eine
Auswerteeinrichtung für eine optisch abgetastete Maßstab
teilung bekannt. Das optische Messsystem erzeugt zwei Sig
nale S1, S2, die als Abtastsignale der Auswerteeinheit
zugeleitet werden. Die Abtastsignale sind um 90° phasen
versetzt und periodisch. Die Signale werden über einen
Analog/Digital-Wandler geleitet. Die Anzahl der durchlau
fenen Maxima kennzeichnet eine Schrittzahl und der präzise
Signalwert den über die Schrittzahl hinaus durchlaufenen
Weg. Die genannte Offenlegungsschrift befasst sich jedoch
nicht mit der Art der Signalgewinnung. Vielmehr werden
sowohl optische als auch magnetische Maßstäbe und somit
auch Sensoren in Betracht gezogen.
Aus der DE 196 52 563 A1 ist eine lichtelektrische Po
sitionsmesseinrichtung bekannt, zu der eine Lichtquelle,
ein ruhendes Beugungsgitter, das als Strahlteiler dient,
und ein bewegtes Beugungsgitter gehören. Das erste Beu
gungsgitter gibt gebeugte Lichtstrahlen +1. Ordnung und
-1. Ordnung ab. Diese Lichtstrahlen treffen das bewegte
Beugungsgitter, das die Teilstrahlen +1. Ordnung und -1.
Ordnung zurückreflektiert. Sie durchlaufen nochmals den
Strahlteiler und werden zur Interferenz gebracht. Das be
wegte und als Maßstab dienende Beugungsgitter wird somit
von zerlegtem, in mehrere Teilstrahlen aufgefächerten,
Licht getroffen. Nur ein Teil des aufgefächerten Lichts
wird von dem als Strahlteiler dienenden Beugungsgitter
wieder zusammengefasst und zur Interferenz gebracht.
Ein abweichendes Messprinzip zur Positionsmessung ist
aus der EP 0586454 B1 bekannt. Hier wird ein Beugungsgit
ter mit einem parallelen interferenzfähigen Lichtbündel
beleuchtet. Die zurückgestreuten Lichtbündel -1. Ordnung
und +1. Ordnung werden über einen Strahlteiler wechsel
weise miteinander zur Interferenz gebracht und die Inter
ferenzbilder werden von jeweils eigenen Detektoren ausge
wertet.
Die Positionsbestimmung des Maßstabs erfolgt aus
schließlich anhand der gebeugten Strahlen +1. Ordnung
und -1. Ordnung. Diese tragen nur einen Teil der einge
setzten Lichtenergie.
Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, einen
optischen Positionssensor anzugeben, der eine gute Licht
ausnutzung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird mit einer Messeinrichtung gelöst,
die die Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist.
Die erfindungsgemäße Messeinrichtung weist ein Beu
gungsgitter auf, das von einem interferenzfähigen Licht
bündel getroffen wird. Das Beugungsgitter erzeugt einen
ungebeugten Lichtstrahl sowie mehrere gebeugte Lichtstrah
len, von denen der gebeugte Lichtstrahl +1. Ordnung und
der gebeugte Lichtstrahl -1. Ordnung gemeinsam mit dem
ungebeugten Lichtstrahl (0. Ordnung), der das Beugungs
gitter passiert hat, zur Erzeugung eines Interferenzbilds
herangezogen werden. Die Strahlmaxima nulltes Maximum,
plus erstes Maximum und minus erstes Maximum überdecken
sich dabei teilweise, so dass ein insgesamt helles Inter
ferenzmuster schon bei lichtquellengeringster Leistung
erzeugbar ist. Dadurch können sehr leistungsschwache La
serdioden zur Erzeugung des interferenzfähigen Lichtbün
dels verwendet werden. Dies hat den Vorteil eines sehr
geringen Wärmeeintrags in die gesamte Messeinrichtung, was
wiederum deren Genauigkeit erhöht. Fehler infolge von
thermischen Ausdehnungen, infolge von Temperaturerhöhungen
können bspw. reduziert oder ausgeschlossen werden. Das
gesamte Messsystem kann sehr klein gebaut werden. Auf eine
thermische Trennung von Lichtquelle, Beugungsgitter und
Sensoren kommt es kaum noch an.
Die Messeinrichtung gestattet eine hohe Auflösung.
Diese kann durch Änderung der Gitterkonstante des Beu
gungsgitter sowie des Abstands zwischen der Lichtquelle
und dem Beugungsgitter beeinflusst werden, wenn mit einem
nicht parallelen interferenzfähigen Lichtbündel gearbeitet
wird. Vorzugsweise wird das von der Lichtquelle ausgesen
dete Lichtbündel über eine entsprechende optische Einrich
tung (Optik) fokussiert und das Beugungsgitter wird in der
Nähe des Fokuspunkts (Brennpunkt) oder genau auf diesem
angeordnet. Dabei ist das Beugungsgitter vorzugsweise quer
zu dem Lichtstrahl ausgerichtet. Das Beugungsgitter muss
jedoch nicht zwingend präzise rechtwinklig zu dem Licht
strahl angeordnet sein. Kleinere Abweichungen vom rechten
Winkel stören nicht oder kaum. Auch spielt eine Verdrehung
oder Verschwenkung des optischen Beugungsgitters sowie
eine Bewegung desselben in Richtung der optischen Achse
kaum eine Rolle.
Die von dem Beugungsgitter gebeugten Lichtstrahlen
erzeugen ein Interferenzmuster, das von der optischen Sen
soranordnung erfasst wird. Die optische Sensoranordnung
kann ein oder mehrere lichtempfindliche Elemente aufwei
sen. Sie registriert Hell-/Dunkeldurchgänge des Interfe
renzmusters. Im einfachsten Fall kann durch Auszählen der
registrierten Hell-/Dunkeldurchgänge an dem Sensorelement
der Betrag einer Relativverschiebung des Beugungsgitters
bestimmt werden. Soll mit der Messeinrichtung außerdem die
Richtung der Relativverschiebung bestimmt werden, sind an
der Auswertung der Verschiebung des Interferenzmusters
vorzugsweise mehrere Sensorelemente beteiligt. Die Sensor
elemente können bspw. um die halbe Breite eines gebeugten
Lichtstrahls oder eines Interferenzstreifens gegeneinander
versetzt angeordnet sein, so dass ein Sensor oder eine
Sensorgruppe ein Kosinussignal liefert, während der andere
Sensor oder die andere Sensorgruppe ein Sinussignal lie
fert. Die Sensoren dürfen dabei breiter sein als ein In
terferenzstreifen. Vorzugsweise werden vier Sensorelemente
verwendet, die nebeneinander in einer Reihe angeordnet
sind und auf die der aus ungebeugtem Lichtstrahl sowie
gebeugten Lichtstrahl +1. Ordnung und -1. Ordnung ge
bildete Lichtfleck fällt. Drei der vier Sensorelemente
nehmen eine Länge ein, die mit der Länge des Lichtflecks
übereinstimmt. Dieser trifft die Sensorelemente etwa mit
tig, d. h. die beiden außenständigen Sensorelemente werden
gerade noch beleuchtet. Der Meßhub kann sehr groß gewählt
werden und hängt nur von der Länge des Beugungsgitters ab.
Die Auflösung stimmt dabei, wenn nur ganze Interferenzli
nien gezählt werden, mit dem Gitterlinienabstand überein.
Dies erlaubt hochpräzise Messungen.
Soll die Auflösung noch höher sein als durch reines
Zählen der an einem Sensorelement vorbeilaufenden Interfe
renzlinien möglich, kann zusätzlich eine Analogauswertung
der Signale vorgenommen werden. Hier kann der Umstand ge
nutzt werden, dass die Hell-/Dunkelübergänge an den ein
zelnen Sensorelementen nicht abrupt, sondern sinus- oder
kosinusförmig verlaufen. Eine Auswertung der aktuellen
Helligkeit kann dadurch eine Interpolation der Verschie
bung zwischen verschiedenen Interferenzlinien ermöglichen.
Die Messeinrichtung ist vorzugsweise Teil eines Mess
geräts, bspw. zur Kontur oder Rauheitsmessung. Zu dem
Messgerät gehört dann auch eine Positionierungseinrich
tung, bspw. eine Vorschubeinrichtung, mit der das Tast
element und ggfs. mit diesem gemeinsam die Messeinrichtung
über die Oberfläche des Werkstücks bewegt werden.
Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen
der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen, der
Zeichnung oder der Beschreibung. In der Zeichnung ist ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Es zei
gen:
Fig. 1 ein Messgerät mit einem optischen Messsystem
an einem Werkstück, in schematischer Prinzipdarstellung,
Fig. 2 das Messgerät nach Fig. 1, in einer perspek
tivischen Gesamtansicht und ohne Gehäuse,
Fig. 3 die Lagerung des Tastarms des Messgeräts nach
Fig. 2, in perspektivischer Explosionsdarstellung,
Fig. 4 das optische Messsystem des Messgeräts nach
Fig. 1 und 2, in schematischer Draufsicht,
Fig. 4a Tastarm und Beugungsgitter des optischen
Messsystems nach Fig. 4, in einer schematisierten Seiten
ansicht,
Fig. 5 das optische Messsystem nach Fig. 4, in einer
Funktionsdarstellung, und
Fig. 6 eine Auswerteeinrichtung des Messsystems als
Blockschaltbild.
In Fig. 1 ist eine Messeinrichtung 1 ver
anschaulicht, die zur Bestimmung des Profils oder der Kon
tur einer Oberfläche 2 eines Werkstücks 3 dient. Zusätz
lich kann die Rauheit der Oberfläche 2 bestimmt werden.
Die Messeinrichtung 1 weist ein Tastelement 4, z. B. eine
Tastspitze, auf, das in einer durch einen Pfeil 5 bezeich
neten Richtung etwa rechtwinklig zu der Oberfläche 2 des
Werkstücks 3 bewegbar gelagert ist. Dazu dient eine Lager
einrichtung, die im vorliegenden Fall durch einen schwenk
bar gelagerten Tastarm 6 gebildet wird. Der Tastarm 6 ist
an einem als zweiarmiger Hebel ausgebildeten Träger 6a
gehalten, der bei einer Schwenklagerung 7 durch geeignete
Lagermittel wie Kugellager, Nadellager, Schneidenlagerun
gen oder Federn aufgehängt ist. An seinem einen freien
Ende trägt er das Tastelement 4. An dem davon abliegenden
freien Ende des Trägers 6a ist dieser mit einer optischen
Messanordnung 8 verbunden, die jede Verschwenkung des
Tastarms 6 und somit jede Bewegung des Tastelements 4 in
Richtung des Pfeils 5 registriert und in elektrische Sig
nale umsetzt. Diese gelangen über eine Leitung 9 an ein
Auswertegerät 10.
Um mit der Messeinrichtung 1 die Oberflächenkontur
und/oder die Oberflächenrauheit der Oberfläche 2 des Werk
stücks 3 bestimmen zu können, enthält die Messeinrichtung
1 eine Positionierungseinrichtung 11, die dazu eingerich
tet ist, das Tastelement 4 entlang eines vorbestimmten
Wegs über die Werkstückoberfläche 2 zu bewegen. Dazu dient
eine Führungsschiene 12, die in einem Gehäuse 14 der orts
fest anzuordnenden Messeinrichtung 1 angeordnet ist. An
der Führungsschiene 12 ist ein Schlitten 15 verschiebbar
gelagert, der die Lagerung 7 für den Tastarm 6 und die
optische Messanordnung 8 trägt. Außerdem gehört zu der
Positionierungseinrichtung 11 ein Stellantrieb 16, der
über ein Getriebemittel 17 mit dem Schlitten 15 oder einem
mit dem Schlitten 15 verbundenen Element verbunden ist.
Das Getriebemittel 17 kann bspw. eine Gewindespindel sein,
die von dem Stellantrieb 16 gesteuert in Drehung versetzt
werden kann. Eine auf der Gewindespindel sitzende Mutter
kann dann mit dem Schlitten 15 verbunden sein, wobei sie
an dem Schlitten 15 axial unverschiebbar und unverdrehbar
gelagert ist. Andere Linearantriebe, wie bspw. Zahnriemen,
Zugseile oder Drähte sind ebenfalls anwendbar.
An den mit der optischen Messanordnung 8 verbundenen
Ende des Tastarms 6 greift, bspw. über magnetische Kupp
lung, ein bedarfsweise aktivierbarer Hubantrieb 18 an,
über den der Tastarm 6 gezielt verschwenkt werden kann,
bspw. um das Tastelement 4 von der Werkstückoberfläche 2
abzuheben. Außerdem kann der Hubantrieb 18 dazu herangezo
gen werden, eine Messkraft aufzubringen. Dazu kann der
Hubantrieb 18 als magnetischer Linearmotor ausgebildet
sein. Alternativ kann die Messkraft auch durch Federmittel
oder ähnliche Einrichtungen aufgebracht werden.
Anders als bei dem in Fig. 1 veranschaulichten Aus
führungsbeispiel kann die Messeinrichtung 1 auch ohne Po
sitioniereinrichtung 11 und Stelleinrichtung 16 auskommen.
Ist dies der Fall, kann eine nicht weiter veranschaulichte
äußere Positioniervorrichtung vorgesehen werden, die die
gesamte Messeinrichtung 1 in der gewünschten Richtung be
wegt. Dies kann bspw. durch einen in ein- oder mehreren
Richtungen gesteuert bewegbaren Träger erfolgen, der die
Messeinrichtung 1 trägt.
Während die Messeinrichtung 1 in Fig. 1 relativ
schematisch veranschaulicht ist, geben die Fig. 2 und 3
die Ansicht einer praktisch ausgeführten Messeinrichtung 1
wieder. Einzelheiten und Elemente die mit der in Fig. 1
schematisch veranschaulichten Ausführungsform übereinstim
men, sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Wie Fig.
3 veranschaulicht, ist der Tastarm 6 als abnehmbarer Tast
armabschnitt lösbar an dem fest an der Messeinrichtung 1
montierten Träger 6a gehalten. Zur Lagerung des Tastarms 6
an dem Träger 6a dient eine auch als magnetische Tastarm
halterung bezeichnete Kupplungseinrichtung 21. Diese ist
in Fig. 3 gesondert veranschaulicht. Dem Träger 6a sind
zwei Kugelköpfe 22 und ein Magnet zugeordnet, der an der
in Fig. 3 dem Betrachter abgewandten Seite des Trägers 6a
angeordnet ist. Eine dem Magneten benachbarte Stellschrau
be 23 weist eine Stirnfläche auf, der eine entsprechende
plane Anlagefläche 24 an einem Halterungsteil 25 des Tast
arms 6 zugeordnet ist. Außerdem ist an dem Halterungsteil
25 eine kegelförmige Ausnehmung 26 (90°-Senkung) angeord
net, die einer der Kugelköpfe 22 zugeordnet ist. Zur ein
deutigen Positionierung des Tastarms 6 in Bezug auf den
Träger 6a dient außerdem eine prismenförmige Ausnehmung
27, der der andere der Kugelköpfe 22 zugeordnet ist.
Eine wesentliche Besonderheit der Messeinrichtung 1
liegt in der Ausbildung der optischen Messanordnung 8.
Diese ist in Fig. 4 und Fig. 4a schematisch veranschau
licht. Zu der Messanordnung 8 gehören eine Lichtquelle 31,
ein Beugungsgitter 32 und eine Sensoranordnung 33 sowie
ggfs. weitere optische oder mechanische Elemente. Die
Lichtquelle 31 erzeugt einen vorzugsweise konvergenten
Strahl 34 interferenzfähigen Lichts. Dazu ist eine Laser
diode 35 vorgesehen, deren Licht durch ein Objektiv, im
einfachsten Fall eine Sammellinse 36, zu einem Lichtbündel
mit der gewünschten Konvergenz (oder Divergenz) umgeformt
wird. In dem hier bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das
Lichtbündel 34 mit Konvergenz bezüglich einer optischen
Achse 37 erzeugt. Um die Messanordnung 8 möglichst kompakt
auszubilden, können in dem Strahlengang, der von der
Lichtquelle 31 über das Beugungsgitter 32 zu der Sensor
anordnung 33 führt, ein oder mehrere Spiegel 38, 39 an
geordnet sein. Bedarfsweise können auch Lichtleitelemente
oder andere Einrichtungen zur Lichtübertragung vorgesehen
sein.
Das Beugungsgitter 32 ist unmittelbar mit dem als
Schwenkträger dienenden Teil 6b verbunden, das den Tast
armteil 6a trägt, der den eigentlichen Tastarm bildet. Das
Beugungsgitter 32 kann ein einfaches Strichgitter sein,
dessen lichtbeugende Gitterlinien parallel zueinander und
etwa quer zu der in Fig. 4a durch einen Pfeil 41 bezeich
neten Bewegungsrichtung des Beugungsgitters 32 orientiert
sind. Die einzelnen Gitterlinien können somit sowohl etwa
parallel zu dem Tastarm 6 oder parallel zu seiner Dreh
achse orientiert sein - je nachdem in welcher Richtung das
Lichtbündel 34 geführt wird (quer zu dem Tastarm 6 oder
parallel zu diesem).
Die Gitterlinien des Beugungsgitters können in glei
chen Abständen oder bedarfsweise auch in wechselnden Ab
ständen angeordnet werden. Die Gitterteilung beeinflusst
die Auflösung und somit die Linearität des Tastsystems.
Wechselnde Gitterteilungen können dazu dienen, sonst vor
handene Linearitätsfehler auszugleichen oder eine ge
wünschte nichtlineare Kennlinie zu erzeugen.
Die Gitterlinien können bedarfsweise auch
spitzwinklig zueinander angeordnet sein, so dass sich die
gedachten Verlängerungen aller Gitterlinien bei dem in
Fig. 4a veranschaulichten, jedoch etwas abgewandelten
Beispiel in der Drehachse der Lagereinrichtung 7 treffen.
Ebenso kann das Beugungsgitter, das vorzugsweise eben aus
gebildet ist, auch gewölbt oder gekrümmt ausgebildet sein.
Es ist in der Nähe des Fokuspunkts 42 des konvergierenden
Lichtbündels 34 angeordnet, so dass nur wenige, z. B. nur 3
oder 5, Gitterlinien beleuchtet werden.
Das von dem Beugungsgitter 32 reflektierte oder wie
im dargestellten Beispiel durchgelassene Licht bildet ein
Interferenzlichtbündel 34a, das gebeugte und ungebeugte
Anteile enthält, die als interferierende Lichtstrahlen auf
die Sensoranordnung 33 treffen. Diese ist, wie bspw. Fig.
6 veranschaulicht, vorzugsweise in mehrere, bspw. in vier
Elemente 43, 44, 45, 46 unterteilt, die gemeinsam einen
optoelektrischen Wandler (die Sensoranordnung 33) bilden.
Die einzelnen Elemente 43 bis 46 der Sensoranordnung 33
werden von einem Interferenzmuster getroffen, das in dem
Teil des Interferenzlichtbündels 34a entsteht, der das
Beugungsgitter passiert hat. Wie in Fig. 5 angedeutet,
ist parallel zur optischen Achse ein erstes Helligkeits
maximum vorhanden, das einen ungebeugten Strahlanteil dar
stellt. Rechts und links (in Fig. 5 oberhalb und unter
halb) des ungebeugten Strahls ist ein +1. Maximum und ein
-1. Maximum vorhanden. Der in Fig. 5 links dargestellte
Lichtbalken (balkenförmiger Lichtfleck) 44, der von der
Laserdiode 35 und dem Objektiv 36 erzeugt wird, wird somit
durch Beugung aufgefächert. Der aufgefächerte Lichtfleck,
der durch Überlagerung des 0. Maximums mit dem +1. Maxi
mum und dem -1. Maximum entsteht, ist somit größter als
der Lichtbalken 44. Er enthält ein Muster von Interferenz
linien, die in Fig. 5 bei 46 angedeutet sind. Sie charak
terisieren die Relativposition des Beugungsgitters 32 zu
dem Lichtbündel 34 bzw. zu seiner optischen Achse.
Das Beugungsgitter 32 ist ziemlich nahe an dem Fokus
42 oder auch demselben angeordnet, so dass nur relativ
wenige Linien des als Beugungsgitter 32 dienenden Strich
gitters die Bildung des Interferenzmusters bewirken. Die
ses fällt auf die Elemente 43 bis 46 der Sensoranordnung.
Dabei ist der das Interferenzmuster enthaltende Lichtbal
ken 46 vorzugsweise kürzer als die Sensoranordnung 33, so
dass die außenständigen Sensorzellen 43, 46 nur von dem
überlagerten Lichtfleck 46 nur noch teilweise überdeckt
werden.
Jedes Element 43, 44, 45, 46 ist jeweils an einen
Kanal eines Analogverstärkers 47 angeschlossen. Dazu sind
entsprechende Eingänge 53, 54, 55, 56 vorgesehen, die
paarweise (53 und 54; 55 und 56) einen Differenzeingang
bilden. Entsprechend wird aus den an den Eingängen 53, 54
anstehenden Signalen ein erstes Ausgangssignal an einem
Ausgang 61 erzeugt. Ein Ausgang 62 des Verstärkers 47 gibt
das verstärkte Differenzsignal der Eingänge 55 und 56 ab.
Aufgrund der Anordnung der Sensorzellen 43, 44, 45, 46 auf
eine Weise, dass das Sensorzellenpaar 43, 44 gegen das
Sensorzellenpaar 45, 46 um eine halbe Interferenzlinien
breite versetzt ist, stehen an den Ausgängen 61, 62 des
Verstärkers 47 um 90° phasenversetzte sinusförmige Signale
an. Die Signale der Ausgänge 61, 62 werden an Triggers
tufen 63, 64 weitergegeben, die die Sinunssignale in
Rechtecksignale umwandeln. Ein nachgeschalteter
Vorwärts/Rückwärts-Zähler 65 enthält die getriggerten
Sinus- und Kosinussignale und zählt diese. Durch den 90°-
Phasenversatz zwischen dem Sinus- und dem Kosinussignal
ist eine eindeutige Richtungsbestimmung möglich, so dass
der Vorwärts/Rückwärts-Zähler 65 entsprechend der Bewe
gungsrichtung des Beugungsgitters 32 seinen Zählwert in
krementiert oder dekrementiert.
Parallel zu den Triggerstufen 63, 64 sind
Analog/Digital-Wandlerstufen 66, 67 geschaltet, die den
aktuellen Signalwert der Ausgänge 61, 62 in Digitalwerte
umsetzen. Die so erhaltenen Digitalwerte sind ein Kennzei
chen für die aktuelle Helligkeitsdifferenz zwischen den
Sensorzellen 43, 44 und entsprechend 45, 46. Mit dieser
Information ist eine Interpolation der Winkelposition auf
der Sinuskurve zwischen einem Maximum und einem Minimum
der Helligkeit bzw. des Signalwerts möglich. Die Auflösung
kann deshalb besser sein als die Gitterliniendichte des
Beugungsgitters 32 vorgibt. Die Analog/Digital-Wandlers
tufen 66, 67 bilden mit einer angeschlossenen Auswerte
schaltung 68 eine Analog-Auswerteschaltung zur Bestimmung
des Winkels zwischen Helligkeitsmaximum und Helligkeits
minimum.
Die Ausgänge des Vorwärts/Rückwärts-Zählers 65 und
die an die Analog/Digital-Wandler 67, 66 angeschlossenen
Auswerteschaltung 68 sind mit einer Kombinierstufe 69 ver
bunden, die die von der Vorwärts/Rückwärts-Zählstufe 65
vorgegebenen Schrittzahlen und den von der Auswerteschal
tung 68 abgegebenen Zwischenschrittwert addiert, um einen
Messwert zu erhalten. Dieser wird an einem Ausgang 70 aus
gegeben.
Die insoweit beschriebene Messeinrichtung 1 arbeitet
wie folgt:
Soll mittels der Messeinrichtung die Oberfläche 2
vermessen werden, wird der Tastarm 6 mit dem Tastelement 4
über die Oberfläche 2 des Werkstücks 3 geführt. Dazu wird
bspw. bei der Messeinrichtung nach Fig. 1 die Stellein
richtung 16 betätigt. Das Tastelement 4 folgt dabei der
Kontur und der Rauheit der Oberfläche 2, wodurch der Tastarm
6 entsprechend ausgelenkt wird. Die Bewegung des Tast
arms 6 überträgt sich auf das Beugungsgitter 32, das ent
sprechend der Auslenkung des Tastelements 4 bewegt wird.
Damit wird das Beugungsgitter 32 relativ zu dem Lichtbün
del 34 bzw. seiner optischen Achse verschoben. Entspre
chend laufen die Interferenzlinien des Lichtflecks 46 über
die Sensoranordnung 33. Jede Interferenzlinie erzeugt da
bei eine Sinuswelle an den Ausgängen 31, 32. Der Zählin
halt des Vorwärts/Rückwärts-Zählers 65 gibt richtungsab
hängig die Anzahl der durchgelaufenen Interferenzlinien
wieder. Die Zwischenwerte werden mit der Auswerteschaltung
68 bestimmt. Die Kombinierstufe 69 gibt dadurch an ihrem
Ausgang ein Positionssignal aus, dass die aktuelle Aus
lenkung des Tastelements 4 präzises kennzeichnet.
Der veranschaulichte interferenzoptische Sensor kann
nicht nur für eindimensionale Messaufgaben, sondern be
darfsweise auch für zweidimensionale Messaufgaben genutzt
werden. Dazu werden zur Erzeugung des Interferenzbilds
bspw. anstelle eines Strichgitters, zwei um 90° gegenein
ander verdrehte Strichgitter verwendet, die entweder un
abhängig voneinander oder gemeinsam bewegbar sind. In ei
nigen Fällen kann auch ein Punktgitter (Raster) zur Anwen
dung kommen. Das Punktgitter kann durch kreisförmige oder
anderweitig geformte Punkte auf lichtdurchlässigem oder
lichtreflektierendem Untergrund gebildet sein. Auch die
inverse Anordnung, bei der die Punkte durchsichtig oder
reflektierend und die übrige Fläche undurchsichtig bzw.
nichtreflektierend ausgebildet ist, ist anwendbar. Sensor
seitig wird dann nicht mit einem linienhaften Sensor ge
arbeitet, wie er in Fig. 6 angedeutet ist, sondern mit
einem Flächensensor oder mit zwei kreuzweise angeordneten
Liniensensoren, die miteinander bspw. einen Winkel von 90°
einschließen.
Eine interferenzoptische Messeinrichtung zur Erfas
sung und Verfolgung der Bewegung eines mechanischen Ele
ments 4 weist eine Lichtquelle 31 zur Abgabe eines inter
ferenzfähigen Lichtbündels sowie ein Beugungsgitter und
eine Sensoranordnung 33 auf. Von der Lichtquelle führt ein
Strahlengang über das Beugungsgitter 32 zu der Sensoran
ordnung 33. Das Beugungsgitter zerlegt das Lichtbündel in
mindestens drei Teilkomponenten, so dass auf der optischen
Sensoranordnung 33 ein Lichtfleck mit drei einander über
lappenden Maxima, dem mittleren nullten Maximum und dem
beidseits davon liegenden minus ersten und plus ersten
Maximum entsteht. Die Lichtstrahlen zur Erzeugung der drei
Helligkeitsmaxima interferieren miteinander, so dass der
resultierende überlagerte Leuchtfleck 46 Interferenzlinien
enthält, die in einer oder anderen Richtung laufen, wenn
das Beugungsgitter bewegt wird. Die Bewegung der Interfe
renzlinien wird mit der Sensoranordnung 33 erfasst und in
einer Auswerteschaltung ausgewertet. Damit ist die präzise
Erfassung jeder Bewegung des Beugungsgitters 32 möglich.
Mit der vorgestellten Anordnung wird nahezu das gesamte
von der Lichtquelle ausgesendete Licht zu erzeugendes In
terferenzbilds ausgenutzt. Es entstehen somit lichtstarke
Interferenzbilder schon bei geringen Lichtleistungen der
Lichtquelle 31. Es können deshalb Bauelemente geringer
Leistung zum Einsatz kommen.
Claims (10)
1. Messeinrichtung (1), insbesondere zur Messung der
Oberflächenrauheit und/oder der Oberflächenkontur eines
Werkstücks (3),
mit einem Tastelement (4), das beweglich gelagert und mit der Werkstückoberfläche (2) in Anlage überführbar ist,
mit einem Beugungsgitter (32), das beweglich gelagert und mit dem Tastelement (4) verbunden ist,
mit einer Lichtquelle (31) zur Erzeugung eines inter ferenzfähigen Lichtbündels (34), das auf das Beugungsgit ter (32) gerichtet ist, um ein Interferenzlichtbündel (34a) mit wenigstens einem Nullten (0.), einem positiven ersten (+1.) und einem negativem ersten Maximum (-1.) zu erzeugen,
mit einer optischen Sensoranordnung (33), die dem von dem Beugungsgitter (32) kommenden Interferenzlichtbündel (34a) ausgesetzt ist.
mit einem Tastelement (4), das beweglich gelagert und mit der Werkstückoberfläche (2) in Anlage überführbar ist,
mit einem Beugungsgitter (32), das beweglich gelagert und mit dem Tastelement (4) verbunden ist,
mit einer Lichtquelle (31) zur Erzeugung eines inter ferenzfähigen Lichtbündels (34), das auf das Beugungsgit ter (32) gerichtet ist, um ein Interferenzlichtbündel (34a) mit wenigstens einem Nullten (0.), einem positiven ersten (+1.) und einem negativem ersten Maximum (-1.) zu erzeugen,
mit einer optischen Sensoranordnung (33), die dem von dem Beugungsgitter (32) kommenden Interferenzlichtbündel (34a) ausgesetzt ist.
2. Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, dass die optische Sensoranordnung (33) mit einer
digitalen Auswerteeinrichtung (63, 64, 65) verbunden ist,
die wenigstens einen Zähler (65) zur Erfassung der Zahl an
der Sensoranordnung (33) vorbeigezogener Interferenzstrei
fen aufweist.
3. Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, dass die Sensoranordnung (33) an eine Analog
auswerteeinrichtung (66, 67, 68) angeschlossen ist, die
eine Interpolationseinrichtung bildet, die dazu eingerichtet
ist, der von der Sensoranordnung (33) erfassten Hel
ligkeit einen Positionswert zuzuordnen.
4. Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, dass die Sensoranordnung (33) wenigstens zwei
Sensorelemente (43, 44, 45, 46) aufweist, die zur Erfas
sung der Helligkeiten an unterschiedlichen Stellen des
Interferenzlichtbündels dienen.
5. Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, dass zu der Sensoranordnung (33) zwei jeweils
wenigstens einen Sensor (43, 44; 45, 46) enthaltende Sen
sorgruppen (43, 44; 45, 46) gehören, die gegeneinander um
eine halbe Interferenzstreifenbreite versetzt angeordnet
sind.
6. Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, dass das Tastelement (4) eindimensional beweg
lich gelagert ist.
7. Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, dass das Beugungsgitter (32) ein lichtdurchläs
siges Gitter ist.
8. Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, dass das Beugungsgitter (32) quer zu dem Licht
bündel (34) beweglich gelagert ist.
9. Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, dass sie eine Positionierungseinrichtung (16)
enthält, die dazu eingerichtet ist, das Tastelement (4) in
einer vorgegebenen Richtung über die Oberfläche des Werk
stücks zu bewegen.
10. Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, dass sie eine Krafterzeugungseinrichtung (18)
zur Erzeugung einer Messkraft aufweist.
Priority Applications (4)
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DE10025461A DE10025461A1 (de) | 2000-05-23 | 2000-05-23 | Messeinrichtung nach dem Interferenzprinzip |
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EP (1) | EP1287314A1 (de) |
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WO (1) | WO2001090698A1 (de) |
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