DE102008012461A1

DE102008012461A1 - Vorrichtung zur optischen Abtastung der Innenfläche einer Bohrung

Info

Publication number: DE102008012461A1
Application number: DE200810012461
Authority: DE
Inventors: Elmar Mattes
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2008-03-04
Filing date: 2008-03-04
Publication date: 2009-09-10
Anticipated expiration: 2028-03-05
Also published as: DE102008012461B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Abtastung der Innenfläche einer Bohrung, mit einer Lichtquelle zur Abgabe eines Lichtmessstrahls in die Bohrung, einer Messeinrichtung zum Empfangen eines reflektierten Lichtstrahls aus der Bohrung und einem Reflektor, der dazu eingerichtet ist, in die Bohrung eingeführt zu werden, um den Lichtmessstrahl auf die Innenfläche der Bohrung zu lenken und den reflektierten Lichtstrahl von der Innenfläche der Bohrung zu empfangen und auf die Messeinrichtung zu lenken, wobei der Reflektor einen konischen Fresnelschen Stufenspiegel umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Abtastung der Innenfläche einer Bohrung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Solche Vorrichtungen sind zum Beispiel aus der JP-A-2004 205218 oder der JP-A-11 304443 bekannt.
Für die optische Abtastung der Innenfläche einer Bohrung sind verschiedene Techniken bekannt. Beispielsweise ist es möglich, einen sich drehenden optischen Sensor in die Bohrung einzuführen, der in axialer Richtung verschoben wird, um die gesamte Innenfläche der Bohrung abzutasten. Ebenso ist es möglich, das zu vermessende Bauteil zu drehen, während der Sensor still steht.
Bei der Abtastung der Innenfläche einer Bohrung mit beispielsweise einem Weißlichtinterferometer ist es nicht notwendig, rotierende Teile zu verwenden. Ein Weißlichtinterferometer wird als ein Messgerät zum berührungslosen Messen der Topographie von Werkstücken mit hoher räumlicher Tiefenauflösung verwendet. Bei der Weißlichtinterferometrie wird Licht geringer Kohärenzlänge (im Mikrometerbereich) verwendet, um ein Weißlichtinterferogramm zu erstellen. Interferenzen können nur dann entstehen, wenn die optischen Weglängen im Referenz- und Objektstrahl bis auf wenige Mikrometer genau (im Bereich der Kohärenzlänge) gleich sind. Die Methode kann somit für die hochpräzise Abtastung der Innenfläche einer Bohrung in axialer Richtung eingesetzt werden. Andere optische Oberflächenmeßverfahren, zum Beispiel ein chromatischer Sensor, können alternativ verwendet werden.
Hierzu ist es aus dem oben genannten Stand der Technik bekannt, die Innenfläche der Bohrung mittels eines 45°-Konusspiegels abzubilden, um einen Messlichtstrahl, der in die Bohrung gerichtet wird, auf die Innenfläche der Bohrung zu lenken und das reflektierte Licht aus der Bohrung heraus und auf einen Sensor zu lenken. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass die optischen Weglängen von der zu vermessenden Oberfläche zum Sensor, beispielsweise einem CCD-Chip, für alle Oberflächenpunkte nahezu gleich sind.
Ein solches Messverfahren wird beispielsweise zur Abtastung der Innenfläche der Lagerhülse eines fluiddynamischen Lagers für einen Spindelmotor eingesetzt. Diese Lagerhülsen weisen an ihren Innenflächen definierte Rillenstrukturen auf, beispielsweise in zwei axial voneinan der beabstandeten Bereichen der Innenfläche der Lagerhülse. Im Betrieb des hydrodynamischen Lagers wirken diese Rillenstrukturen über einen geringen Arbeitsspalt mit einer relativ zu der Lagerhülse rotierenden Welle zusammen und bauen eine gezielte Druckverteilung in dem hydrodynamischen Lager auf, die für die Funktion des Lagers entscheidend ist. Hierfür ist es nicht nur wichtig, dass die Rillenstrukturen mit hoher Präzision ausgebildet sind, sondern auch der Innendurchmesser der Lagerhülse muss über deren gesamte Länge und insbesondere im Bereich der Rillenstruktur bekannt sein, um Abweichung von der zylindrischen Form sowohl in axialer Richtung (konische Abweichung) als auch in radialer Richtung (Koaxialität) kompensieren zu können.
Zur Qualitätssicherung ist es daher notwendig, die Innenflächen solcher Lagerbuchsen mit hoher Genauigkeit zu vermessen. Die Erfindung ist auch auf die Abtastung der Innenfläche anderer Arten von Bohrungen anwendbar.
Bei der Abtastung einer strukturierten Innenfläche kann bei Verwendung des bekannten Konusspiegels der Abtastbereich auf einen sehr engen Bereich zwischen der maximalen Rillentiefe und der höchsten Oberflächenerhebung eingeengt werden. Dadurch kann eine sehr hohe Auflösung eingestellt werden. Mit erhöhtem Spiegelabstand zur Spitze des Konus hin sinkt jedoch die Auflösung. Im Bereich der Konusspitze ist das erfasste Bild der Innenfläche nahezu unbrauchbar, weil die Innenfläche nur noch durch eine Punktreflexion abgebildet wird. Die Winkelauflösung geht gegen Null. Der Bereich in der Nähe der Spitze des Konus kann daher für die Messung nicht genutzt werden.
Die bekannten Systeme haben darüber hinaus den Nachteil, dass es zum Abtasten der gesamten Innenfläche der Bohrung notwendig ist, den Konusspiegel und das Bauteil, beispielsweise die Lagerhülse, in axialer Richtung relativ zueinander zu bewegen, um die gesamte Länge der Bohrung abzutasten Die Messergebnisse müssen dann mathematisch zusammengefügt wer den. Hierbei ergeben sich in der Regel Positionierungsfehler, die zu Messungenauigkeiten führen.
Der Stand der Technik hat somit folgende Nachteile:
Durch Verwendung eines 45°-Konusspiegels lässt sich maximal ein axialer Abschnitt der Bohrungsinnenfläche abtasten, dessen Länge dem Radius der Bohrung entspricht.
Mit zunehmendem Abstand des Konus zur Innenfläche verringert sich die Auflösung. An der Spitze des Konus ist die Winkelauflösung gleich Null. Für Spiegelpositionen, die von der Innenfläche der Bohrung entfernt sind, ist somit die Auflösung ungenügend, und der Bereich des Spiegels in dessen Zentrum kann für die Abtastung nicht verwendet werden. Die genaue Ausrichtung der Position und Neigung des Konusspiegel zur Bohrung und zum Messsystem ist schwierig, da Möglichkeiten zur Kalibrierung fehlen. Bei einer Bohrung, die länger ist als ihr Radius, muss zudem zur Abtastung der gesamten Länge der Innenfläche der Bohrung eine Relativbewegung zwischen dem Konusspiegel und der Bohrung sowie eine Zusammensetzung der erfassten Bilder erfolgen. Dadurch ergeben sich weitere Positionierungsfehler. Insbesondere eine Fehleinstellung in radialer Richtung kann zu großen Messungenauigkeiten führen. Diese Positionierungsfehler, insbesondere eine Neigung oder eine radiale Fehlpositionierung des Spiegels, müssen daher erfasst und ausgeglichen werden, um die nötige Genauigkeit der Oberflächenabtastung zu gewährleisten.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur optischen Abtastung der Innenfläche einer Bohrung anzugeben, welche die beschriebenen Probleme des Standes der Technik vermeidet.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 oder 2 gelöst.
Die Erfindung sieht eine Vorrichtung zur optischen Abtastung der Innenfläche einer Bohrung vor, die eine Lichtquelle zur Abgabe eines Messlichtstrahls in die Bohrung, eine Messeinrichtung zum Empfangen eines reflektierten Lichtstrahls aus der Bohrung und einen Reflektor aufweist. Der Reflektor ist dazu eingerichtet, in die Bohrung eingeführt zu werden, um den Messlichtstrahl auf die Innenfläche der Bohrung zu lenken und den reflektierten Lichtstrahl von der Innenfläche der Bohrung zu empfangen und auf die Messeinrichtung zu lenken. Dabei fällt die Achse der Bohrung mit der Achse des Reflektors zusammen. Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird die Spitze des Kegels, die bei der Messung keine sinnvoll verwertbaren Daten liefert, durch eine plane Fläche, die senkrecht zur Achse des Konus verläuft, ersetzt. An der planen Fläche wird ein Referenzlichtstrahl reflektiert, um die Neigung und den senkrechten Abstand des Konusspiegels relativ zur Bohrung und zum Messsystem zu bestimmen. Um die Genauigkeit der Kalibrierung weiter zu verbessern, können weitere zur Achse senkrecht verlaufende Flächen in den Konus eingeschliffen werden, die als Referenzflächen verwendet werden können.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann zur Lenkung des Messlichtstrahls und des reflektierten Lichtstrahls ein konischer Stufenreflektor vorgesehen sein. Ein konischer Stufenreflektor ist ein Bauteil, das nach einem ähnlichen Prinzip wie ein Fresnel-Spiegel ausgebildet ist. Die reflektierenden konischen Oberflächen des konischen Stufenreflektors sind jedoch im Gegensatz zum Aufbau eines Fesnel-Spiegels auseinandergezogen, so dass die Abmessung des Reflektors in axialer Richtung des konischen Stufenreflektors größer ist als der Radius einer abzutastenden Bohrung. Dies wird dadurch realisiert, dass der Reflektor in axialer Richtung abwechselnd zylindrische Abschnitte sowie in Richtung seiner Achse geneigte (konische) Messflächen aufweist. Dadurch kann die Länge des Reflektors in axialer Richtung so bemessen werden, dass sich der Reflektor im Wesentlichen über die gesamte Länge der abzutastenden Bohrung oder über die gesamte Länge eines Bereichs der Bohrung, der abgetastet werden soll, erstreckt.
Mit konischen Messflächen sind Flächen bezeichnet, die zur Achse des Reflektors geneigt angeordnet sind, beispielsweise in einem Winkel von 45°.
Wenn beispielsweise die Innenfläche der Lagerhülse eines fluiddynamischen Lagers abgetastet werden soll, so sind in der Regel die Bereiche der Innenfläche von besonderem Interesse, in denen eine Rillenstruktur ausgebildet ist. Der Reflektor kann in diesem Fall so angepasst werden, dass konische Messflächen dort ausgebildet sind, wo der in die Bohrung eingeführte Reflektor den interessierten Bereichen, zum Beispiel den Rillenstrukturen, gegenüberliegt, während in den dazwischen liegenden Bereichen der Reflektor schlicht zylinderförmig ist. Die für die Abtastung relevante Fläche des Reflektors, nämlich die Fläche mit den konischen Messflächen, wird somit auf einen Bereich konzentriert, der dem besonders interessierenden Bereich der Innenfläche der Bohrung entspricht. Dadurch kann in diesen Bereichen die Innenfläche der Bohrung mit einer sehr guten Auflösung abgetastet werden. Ferner ist es möglich, den konischen Stufenreflektor so auszubilden, dass er die gesamte Länge der Bohrung abdeckt, also zur Abtastung der gesamten axialen Länge der Bohrung nicht relativ zu der Bohrung bewegt werden muss.
Da die konischen Messflächen nur in Bereichen des Reflektors vorgesehen werden, welche den interessierenden Bereichen der Innenfläche der Bohrung gegenüberliegen, und da der Stufenreflektor zwischen diesen Bereichen zylinderförmig ist, kann die Innenfläche der Bohrung unter Erzeugung einer insgesamt wesentlich geringeren Datenmenge abgetastet werden.
Zu beachten ist, dass die optische Weglängen von Lichtquelle zur Oberfläche bzw. von der Oberfläche zum Sensor bei den verschiedenen Abschnitten des Stufenreflektors unterschiedlich sind, so dass es notwendig sein wird, bei der Abtastung der Innenfläche der Bohrung die Brennweite der Messeinrichtung entsprechend anzupassen oder den Abstand des Sensors anzupassen.
Der Stufenreflektor hat den großen Vorteil, dass es möglich ist, die gesamte Innenfläche einer Bohrung mit einem einzigen, einteiligen Reflektor abzutasten, der während der gesamten Messung nicht relativ zu der Bohrung bewegt werden muss. Dadurch entfallen Positionierungsschritte und die damit einhergehenden Positionierungsfehler. Der Reflektor muss lediglich einmal relativ zu der Bohrung positioniert werden.
Der Stufenreflektor kann ebenfalls eine oder mehrere plane, senkrecht zu seiner Achse liegende, Flächen aufweisen, die als Referenzflächen zur genauen Ausrichtung des Stufenreflektors zum Messsystem und zur Abstandskalibrierung genutzt werden können.
Weiterhin können die zylindrischen Abschnitte des Reflektors für die Positionierung und radiale Abstandskalibrierung des Reflektors genutzt werden. So kann beispielsweise ein Kalibrierring auf einen zylindrischen Abschnitt des Reflektors aufgebracht werden, um den Reflektor relativ zu der Bohrung zu positionieren. Eine möglicherweise noch verbleibende Abweichung der Position des Reflektors von einer radial zentrierten Lage oder ein möglicherweise verbleibender Neigungsfehler muss nur einmal erfasst werden und kann durch mechanische Einstellung vor der Messung korrigiert oder bei der Datenauswertung durch mathematische Berechnung berücksichtigt werden.
Ein weiterer Vorteil des Stufenreflektors besteht darin, dass die Winkelauflösung an den Messstellen nahezu konstant ist, da sich der Abstand von der Oberfläche der Bohrung zur Messfläche im Bereich des jeweiligen konischen Reflektorabschnittes nur geringfügig ändert.
In einer Ausführung der Erfindung ist der konische Stufenreflektor als ein mit einer reflektierenden Beschichtung versehenes Bauteil ausgebildet, das zylindrische Abschnitte und konische Messflächen aufweist und das den Messlichtstrahl sowie den reflektierten Lichtstrahl an seiner Außenfläche reflektiert. Die Stufen haben vorzugsweise eine Neigung von 45° zur Achse des Stufenreflektors.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung umfasst der Reflektor einen inversen konischen Stufenreflektor, der in einem Zylinder aus lichtdurchlässigem Material ausgebildet ist, wobei eine reflektierende Messfläche des Stufenreflektors durch eine reflektierende Beschichtung der Innenfläche der Stufen gebildet ist. Der Stufenreflektor ist beispielsweise in einen Glaszylinder eingeformt, wobei der Messlichtstrahl durch den Glaszylinder hindurch geht und an der reflektierenden Beschichtung im Inneren des Zylinders zur Innenwand der Bohrung hin reflektiert wird.
Anstatt den inversen Stufenreflektor mit einer reflektierenden Beschichtung zu versehen, ist es auch möglich, den Reflektor aus einem transparenten Material herzustellen, dessen Brechungsindex n so gewählt ist, dass bei der verwendeten Wellenlänge des Messlichtstrahls sowie bei dem gewählten Neigungswinkel der Reflektorstufen Totalreflexion des Messlichtstrahls an den konischen Reflektorflächen auftritt, geeignet ist z. B. Glas mit n ≥ 1.5 für Messlicht im sichtbaren Bereich.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung kann der Reflektor eine Kombination aus konischem Stufenreflektor und inversem Stufenreflektor umfassen, der in einem lichtdurchlässigen Zylinder ausgebildet ist. Hierbei können eine oder mehrere konische Messflächen in den Zylinder eingeformt und mit einer reflektierenden Oberflächenbeschichtung versehen sein. Weitere Stufen sind auf dem Außenumfang des Zylinders ausgebildet und ebenfalls mit einer reflektierenden Oberflächenbeschichtung versehen. Dadurch wird ein Teil des Messlichttrahls an den äußeren Messflächen des Stufenreflektors und ein Teil des Messlichtstrahls an der inneren Messfläche des Stufenreflektors reflektiert.
Bei allen Ausführungen kann jeweils ein Kalibrierring auf einen zylindrischen Abschnitt des Reflektors aufgebracht sein, um den Reflektor relativ zu der abzutastenden Bohrung in radialer und/oder axialer Richtung zu positionieren.
Die Erfindung ist im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum optischen Abtasten der Innenfläche einer Bohrung gemäß einer ersten Ausführung der Erfindung;
2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur optischen Abtastung der Innenfläche einer Bohrung gemäß einer zweiten Ausführung der Erfindung;
2a eine teilweise geschnittene, perspektivische Darstellung einer Vorrichtung zur optischen Abtastung der Innenfläche einer Bohrung gemäß einer Abwandlung der zweiten Ausführung der Erfindung;
3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur optischen Abtastung der Innenfläche einer Bohrung gemäß einer dritten Ausführung der Erfindung; und
4 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur optischen Abtastung der Innenfläche einer Bohrung gemäß einer vierten Ausführung der Erfindung.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Abtastung der Innenfläche einer Bohrung gemäß einer ersten Ausführung der Erfindung. In 1 wird die Vorrichtung zur Abtastung der Innenfläche einer Lagerhülse 10 eingesetzt, welche eine erste und eine zweite Rillenstruktur 12, 14 aufweist, die mit axialem Abstand zueinander in die Innenfläche der Bohrung eingeformt sind, die in der Lagerhülse 10 ausgebildet ist. Eine solche Lagerhülse 10 ist Bestandteil eines fluiddynamischen Lagers, das beispielsweise zur Lagerung einer Welle in einem Spindelmotor eingesetzt wird. Die Messvorrichtung umfasst ein Messsystem 16 mit einer Lichtquelle zum Abgeben eines oder mehrerer Messlichtstrahlen 17 in die Bohrung sowie mit einer Messeinrichtung zum Empfangen eines oder mehrerer reflektierter Lichtstrahlen aus der Bohrung. Die Messeinrichtung 16 kann beispielsweise eine CCD-Kamera oder einen anderen optischen Sensor umfassen, um eine Abbildung der Innenfläche der Bohrung der Lagerhülse 10 zu erstellen. Das Messverfahren kann mit einem Weißlicht-Interferometer arbeiten. Zum Beispiel kann ein TopMap-Topographie-Messsystem der Polytec GmbH, Waldbronn, zum Einsatz kommen. Auch die Verwendung eines chromatischen Sensors oder einer anderen berührungslosen optischen Oberflächenmessmethode liegt im Bereich der Erfindung. Die Erfindung ist auf kein bestimmtes Messverfahren oder Messsystem eingeschränkt.
Die Vorrichtung nach 1 umfasst einen Konusspiegel 18 mit einer reflektierender Oberfläche, die eine Neigung von 45° zur Achse des Konus und somit zur Achse der Lagerhülse 10 aufweist. Der Konusspiegel 18 ist über einen Spiegelhalter 20 mit einem Positionierblock 22 verbunden. Der Positionierblock 22 in Verbindung mit dem Spiegelhalter 20 dient zum Einführen des Konusspiegels 18 in die Bohrung der Lagerhülse 10 sowie zum Positionieren des Konusspiegels 18 in axialer und radialer Richtung innerhalb der Bohrung. Die Spitze des Konusspiegels ist erfindungsgemäß durch eine plane Fläche 19 ersetzt, die zur Kalibrierung des Abstandes und der Neigung des Reflektors relativ zum Messsystem verwendet werden kann. Dazu werden Referenzlichtstrahlen 15, welche das Messsystem aussendet, an dieser Fläche reflektiert und vom Messsystem 16 erfasst.
Zur Abtastung der Innenfläche der Bohrung der Lagerhülse 10 gibt das Messsystem 16 Messlichtstrahlen 17 in die Bohrung ab, welche an der 45° Fläche des Konusspiegels 18 in Richtung der Innenfläche der Bohrung reflektiert und von der Innenfläche der Bohrung über den Konusspiegel 18 als reflektierten Lichtstrahlen zu dem Messsystem 16 zurückgesandt werden.
Mit der Vorrichtung aus 11 lässt sich ein axialer Abschnitt A der Innenfläche der Bohrung abbilden, dessen Höhe geringer ist als der Radius der Bohrung.
Somit ist es bei dem in 1 gezeigten System notwendig, zur Vermessung der gesamten Innenfläche der Lagerhülse 10 beziehungsweise zur Vermessung der interessierenden Abschnitte der Innenfläche, zum Beispiel dort, wo die Rillenstruktur 12, 14 ausgebildet ist, den Konusspiegel 18 innerhalb der Bohrung der Lagerhülse 10 in axialer Richtung zu verfahren. Das Messsystem 16 ist entsprechend angepasst, um die Brennweite bzw. den Abstand des Messsystems an die verschiedenen axialen Positionen des Konusspiegels 18 anzupassen. Dies ist durch den Doppelpfeil angedeutet.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Abtastung der Innenfläche einer Bohrung gemäß einer zweiten Ausführung der Erfindung. Entsprechende Komponenten wie in 1 sind mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht nochmals im Einzelnen beschrieben. 2a zeigt in teilweise geschnittener perspektivischer Darstellung eine ähnliche Ausführung wie 2, wobei das eigentliche Messsystem 16 nicht dargestellt ist.
Die dargestellte Vorrichtung umfasst anstelle des Konusspiegels 18 einen Reflektor, der als ein konischer Stufenreflektor 24 ausgebildet ist, der zylindrische Abschnitte 26 sowie konische Messflächen 28 umfasst. Wenigstens die Oberfläche des Stufenreflektors 24 im Bereich der konischen Messflächen 28 ist mit einer reflektierenden Oberflächenbeschichtung versehen. Der Reflektorkörper 25 kann aus Metall hergestellt sein, wobei die Materialwahl nur insofern entscheidend ist, als der Reflektor genaue Abmessungstoleranzen einhalten muss.
Der Stufenreflektor 24 kann ähnlich wie in 1 über einen Halter 20 und einen Positionierblock 22 relativ zu der Bohrung einer Lagerhülse 10 und relativ zum Messsystem 16 in radialer und axialer Richtung positioniert werden. Die Endfläche 29 dient hierbei als Referenzfläche. Es genügt, den Stufenreflektor 24 einmal relativ zu der Bohrung auszurichten, eine axiale Verschiebung während der Messung ist nicht notwendig.
Das Messsystem 16 kann im Wesentlichen wie im Stand der Technik aufgebaut sein, um einen oder mehrere Messlichtstrahlen 17 in die Bohrung abzugeben und reflektierte Lichtstrahlen aus der Bohrung zu empfangen und auszuwerten.
Durch die Ausbildung des Stufenreflektors 24 mit zylindrischen Abschnitten 26 und konischen Messflächen 28 ist es möglich, die konischen Messflächen 28 über der axialen Länge des Stufenreflektors 24 so zu verteilen, dass sie dann, wenn der Stufenreflektor 24 in der Bohrung positioniert ist, den interessierenden Bereichen an der Innenfläche der Bohrung gegenüberliegen. In 2 sind die axialen Abschnitte, welche mittels der jeweiligen konischen Messflächen 28 des Stufenreflektors 24 an der Innenfläche der Bohrung abgetastet werden können, mit a gekennzeichnet. Mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist es somit nicht möglich, die gesamte Innenfläche der Bohrung der Lagerhülse 10 lückenlos abzutasten. Dadurch, dass die einzelnen reflektierenden Bereiche, also die Messflächen 28, quasi auseinander gezogen werden, ist es jedoch möglich, die reflektierenden Messflächen 28 dort zu positionieren, wo gemessen werden soll, beispielsweise auf der Höhe von Lagerstrukturen innerhalb einer zu vermessenden Bohrung einer Lagerhülse 10. Dies bedeutet auch, dass es durchaus notwendig sein kann, für unterschiedliche Bohrungen unterschiedliche Stufenreflektoren 24 vorzusehen.
Bei der Vermessung der Bohrung einer Lagerhülse, wie in vielen anderen Anwendungen, ist es nicht immer notwendig, die gesamte Innenfläche zu vermessen. In dem beschriebenen Anwendungsbeispiel ist in der Regel die Abtastung des Bereichs der Innenfläche dort, wo die Rillenstrukturen ausgebildet sind, ausreichend. Auch dort genügt häufig eine abschnittsweise Abtastung, um die Abweichungen von Zylindrizität und Koaxialität, sowie die Ausbildung der Rillenstrukturen zu bestimmen. Dadurch ist es möglich, die Innenfläche der Bohrung mit konischen Messflächen abzutasten, welche eine relativ geringe Distanz zur Innenfläche haben, wodurch eine sehr gute Auflösung erreicht wird.
Eine weitere Ausführung der Erfindung ist in 3 schematisch dargestellt, wobei 3 nur einen Teil der abzutastenden Bohrung zeigt und auch das Messsystem selbst nicht dargestellt ist. Dieses kann wie in den 1 und 2 gezeigt ausgebildet sein.
Auch die Vorrichtung der 3 dient zum Abtasten der Innenfläche 30 einer Bohrung, die in einem Messobjekt 32 ausgebildet ist. Bei der in 3 gezeigten Ausführung wird der Reflektor der Vorrichtung durch einen inversen konischen Stufenreflektor 34 gebildet, der in einen Zylinderkörper 36 aus einem transparenten Material, beispielsweise ein Glaszylinder, eingearbeitet ist. Hierzu ist in den zylinderförmigen Körper 36 eine Stufenstruktur mit konischen Messflächen 38 sowie zylindrischen Abschnitten 40 eingearbeitet, die invers zu der in 2 gezeigten Struktur des Reflektors ist. Die konischen Messflächen 38 können mit einer reflektierenden Oberflächenbeschichtung versehen sein.
Alternativ zu der Verwendung einer Oberflächenbeschichtung ist es auch möglich, den Stufenreflektor 34 aus einem transparenten Material herzustellen, dessen Brechungsindex so gewählt ist, dass bei den verwendeten Wellenlängen und Neigungswinkeln der Reflektorstufen eine Totalreflexion des Messlichtstrahls an den konischen Messflächen auftritt.
Obwohl der in 3 gezeigte inverse Stufenreflektor 34 in axialer Richtung nur relativ kurz ist, wird ein Fachmann verstehen, dass auch dieser inverse Stufenreflektor mit einer größeren axialen Erstreckung hergestellt werden kann, ähnlich wie der Stufenreflektor 24 in 2.
Zur Abtastung der Innenfläche 30 der Bohrung werden von dem Messsystem (nicht gezeigt) Messlichtstrahlen in die Bohrung gerichtet, welche von den konischen Messflächen 38 zur Innenwand 30 der Bohrung umgelenkt, von der Innenwand der Bohrung 30 reflektiert und von dem inversen Stufenreflektor 34 zurück zu dem Messsystem geschickt werden. Dabei laufen die Lichstrahlen durch den transparenten zylinderförmigen Körper 36. Dadurch kann die Innenfläche 30 der Bohrung grundsätzlich auf dieselbe Weise abgetastet werden, wie mit Bezug auf 2 beschrieben.
Das System der 3 hat den Vorteil, dass der Stufenreflektor 34 der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und das Messsystem beide an demselben Ende der Bohrung angeordnet werden können, so dass sich das System auch zur Abtastung von Sackbohrungen eignet. Zur genauen Ausrichtung des Stufenreflektors zum Messystem kann die plane Endfläche 39 als Referenzflache verwendet werden. Ferner kann auf den transparenten zylinderförmigen Körper 36, wie in 3 gezeigt, ein Kalibrierring 42, beispielsweise aus Metall, aufgebracht werden, dessen Maße sehr genau bekannt sind und der zur Überprüfung der axialen, radialen und Winkellage des Stufenreflektors 34 und als Referenzobjekt für die Abstandsmessung verwendet werden kann. Hierzu ist der Kalibrierring 42 relativ zu dem inversen Stufenreflektor 34 so angeordnet, dass er auf Höhe wenigstens eines konischen Stufenabschnittes 38a liegt, so dass der Stufenreflektor 34 auch zur Vermessung der Position des Stufenreflektors relativ zu dem Kalibrierring 42 und somit relativ zu dem Messobjekt 32 verwendet werden kann. Des Weiteren kann der Kalibrierring 42 für verschiedene Innendurchmesser der zu vermessenden Bohrung angepasst werden.
Die in 3 gezeigte Ausführung der Erfindung hat somit im Vergleich zu der Ausführung der 2 die Vorteile, dass Reflektor und Messsystem auf derselben Seite der Bohrung liegen und somit auch eine Sackbohrung vermessen werden kann und dass es der Aufbau des inversen Stufenreflektors 34 erlaubt, eine zusätzliche Kalibrierung der Lage des Stufenreflektors relativ zu dem Messobjekt 32 mittels eines Kalibrierrings 42 vorzunehmen. Mögliche Abweichungen von der gewünschten radialen, axialen und Winkellage des Stufenreflektors 34 relativ zu dem Messobjekt 32, die mechanisch nicht ausgeglichen werden können, können daher durch Erfassung dieser Abweichung mathematisch berücksichtigt werden. Zu diesem Zweck sind an dem Stufenreflektor 34 oder dem Halter vorzugsweise Markierungen ausgebildet (in der Figur nicht gezeigt).
Eine noch weitere Ausführung der Erfindung ist in 4 dargestellt, wobei die rechte Hälfte der Zeichnung einen Schnitt durch den Stufenreflektor darstellt. Diese Ausführung kombiniert die Funktionen des Stufenreflektors 24 der 2 und des inversen Stufenreflektors 34 der 3. Entsprechende Bauteile wie in 3 sind mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. In der Ausführung der 4 ist der Reflektor mit zwei Abschnitten aufgebaut, nämlich einem Abschnitt mit konischen Messflächen 48, der ähnlich der Ausführung in 2 ist, und einem inversen konischen Stufenabschnitt 46, der im Wesentlichen der Ausführung der 3 entspricht. Der Stufenreflektor 44 ist aus einem transparenten Material, vorzugsweise aus Glas, gefertigt, wobei die Außenfläche wenigstens im Bereich der konischen Messflächen 48 mit einer reflektierenden Oberflächenbeschichtung versehen sein kann. Die Messfläche 46 des inversen Stufenabschnitts ist, ähnlich wie in der Ausführung der 3, in den Reflektorkörper 44 eingearbeitet und kann ebenfalls mit einer reflektierenden Oberflächenbeschichtung versehen sein. Auch der Halter 50 ist, wie in 3, aus einem transparenten Material, insbesondere Glas, hergestellt.
Da der Reflektor, wie in der Ausführung der 3, aus einem transparenten Material hergestellt ist, kann er von derselben Seite der Bohrung, auf der auch das Messsystem (nicht gezeigt) liegt, in die Bohrung eingeführt werden. Der Messlichtstrahl wird durch den Halter 50 und den Reflektorkörper 44 in die Bohrung gerichtet und sowohl an der reflektierenden Oberfläche der konischen Messflächen 48 als auch der Messflächen des inversen konischen Stufenabschnitts 46 zur Innenfläche 30 der Bohrung hin umgelenkt. Anstelle des in 4 gezeigten einen Stufenabschnitts 46 können auch mehrere inverse konische Stufenabschnitte in dem Reflektorkörper 44 ausgebildet sein, ähnlich wie in 3 gezeigt. Zur genauen Ausrichtung des Stufenreflektors zum Messystem kann die plane Endfläche 49 als Referenzfläche verwendet werden.
Im Bereich des inversen Stufenabschnitts 46 ist außerdem ein Kalibrierring 52 auf dem Reflektorkörper angeordnet, der mit dem inversen konischen Stufenabschnitt 46 zusammenwirkt, um die axiale, radiale und Winkellage des Reflektors relativ zu der Bohrung zu kalibrieren, ähnlich wie mit Bezug auf 3 beschrieben. Dabei hat die Anordnung der 4 den besonderen Vorteil, dass die Abmessungen der Stufenabschnitte 48 und des Stufenabschnitts 46 so gewählt sind, dass die Lichtweglängen relativ nah beieinander liegen, so dass für die Abtastung der Innenfläche 30 des Messobjekts 32 und die Kalibrierung des Abstands und der Lage des Reflektors weitgehend mit denselben Brennweiten, oder jedenfalls innerhalb eines kleineren Brennweitenbereichs, gearbeitet werden kann.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungen von Bedeutung sein.

10: Lagerhülse
12, 14: Rillenstruktur
15: Referenzlichtstrahl
16: Messsystem
17: Messlichtstrahl
18: Konusspiegel
19: Referenzfläche
20: Spiegelhalter/Halter
22: Positionierblock
A: axialer Abschnitt der Innenfläche
24: Stufenreflektor
25: Reflektorkörper
26: zylindrische Abschnitte
28: konische Messflächen
a: axiale Abschnitte der Innenfläche
29: Referenzfläche
30: Innenfläche des Messobjekts
32: Messobjekt
34: inverser Stufenreflektor
36: zylinderförmiger Körper
38, 38a: konische Messflächen
39: Referenzfläche
40: zylindrischer Abschnitt
42: Kalibrierring
44: Stufenreflektor
46: inverse konische Messfläche
48: konische Messflächen
50: Halter
52: Kalibrierring

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2004205218 A [0001]
- JP 11304443 A [0001]

Claims

Vorrichtung zur optischen Abtastung einer Innenfläche, mit einer Lichtquelle zur Abgabe eines Messlichtstrahls (17), einer Messeinrichtung (16) zum Empfangen eines reflektierten Lichtstrahls und einem Reflektor (18; 24; 34; 44), der dazu eingerichtet ist, den Messlichtstrahl (17) auf die Innenfläche zu lenken und den reflektierten Lichtstrahl von der Innenfläche zu empfangen und auf die Messeinrichtung (16) zu lenken, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (24; 34; 44) mehrere zur Richtung seiner Achse geneigte Messflächen (28; 38; 48; 46) aufweist, welche den Messlichtstrahl (17) reflektieren.
Vorrichtung zur optischen Abtastung einer Innenfläche, mit einer Lichtquelle zur Abgabe eines Messlichtstrahls (17), einer Messeinrichtung (16) zum Empfangen eines reflektierten Lichtstrahls und einem Reflektor (18; 24; 34; 44), der dazu eingerichtet ist, den Messlichtstrahl (17) auf die Innenfläche zu lenken und den reflektierten Lichtstrahl von der Innenfläche zu empfangen und auf die Messeinrichtung (16) zu lenken, wobei der Reflektor (24; 34; 44) wenigstens eine zur Richtung seiner Achse geneigte Messfläche (28; 38; 48; 46) aufweist, welche den Messlichtstrahl (17) reflektiert, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (18; 24; 34; 44) mindestens eine plane Fläche (19; 29; 39; 49) aufweist, die senkrecht zur Achse des Reflektors ausgerichtet ist, wobei diese Fläche als Referenzfläche für eine Kalibrierung und/oder zur Ausrichtung des Reflektors relativ zum Messsystem eingerichtet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet dass der Reflektor (24; 34; 44) zur Abtastung der Innenfläche einer Bohrung in die Bohrung einführbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse des Reflektors mit der Achse der abzutastenden Bohrung zusammenfällt.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor in Richtung seiner Achse eine Länge hat, die größer ist als der Radius der abzutastenden Bohrung.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet dass die Länge des Reflektors in axialer Richtung so bemessen ist, dass er sich über die gesamte Messlänge der Bohrung erstreckt
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor in axialer Richtung abwechselnd zylindrische Abschnitte (26; 40) sowie konische Messflächen (28; 38; 48) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die konischen Messflächen (28; 38; 48; 46) des Reflektors eine Neigung von ungefähr 45° zur Achse des Reflektors (24; 34; 44) haben.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die Messflächen (28; 38; 48; 46) entlang der Länge des Reflektors bei vorgegebenen Messpositionen angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kalibrierring (42; 52) auf einen zylindrischen Abschnitt (40) des Reflektors aufgebracht ist, um den Reflektor relativ zu der Innenfläche zu positionieren.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messflächen (28; 48) auf der Außenfläche des Reflektors (24; 34; 44) ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor aus einem Körper aus lichtdurchlässigem Material hergestellt ist und die Messflächen in einem Hohlraum des Reflektors (38; 46) ausgebildet sind (34, 44).
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (44) aus einem Körper aus lichtdurchlässigem Material hergestellt ist und Messflächen (46; 48) umfasst, die teilweise in einem Hohlraum des Reflektors und teilweise auf der Außenfläche des Reflektors (44) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Oberfläche einer Messfläche (18; 28; 38; 46; 48) des Reflektors mit einer reflektierenden Beschichtung versehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 und 13 wobei der Reflektor aus einem Material besteht, dessen Brechungsindex so gewählt ist, dass bei einem vorgegebenen Wellenlängenbereich des Messlichtstrahls und Neigungswinkel der Reflektorstufen der Messlichtstrahl an den in dem Hohlraum liegenden Messflächen total reflektiert wird.
Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 2 zur Abtastung der Innenfläche einer Bohrung, wobei der Reflektor durch eine Referenzmessung an der senkrecht zu seiner Achse ausgerichteten, planen Fläche (19; 29; 39; 49)(15) relativ zur Messeinrichtung (16) ausgerichtet und kalibriert wird, indem Referenzlichtstrahlen (15) an der planen Fläche zu der Messeinrichtung zurückreflektiert werden.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Abtastung der Innenfläche einer Bohrung, wobei der Reflektor in die Bohrung eingeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass entlang der Länge des Reflektors in den Abschnitten, welche den zu vermessenden Bereichen der Bohrungsinnenfläche radial gegenüberliegen, konische Messflächen ausgebildet sind.