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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Formmessung von Freifrom-Flächen an Messobjekten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Formmessung von Freiform-Flächen an Messobjekten mit einer derartigen Vorrichtung.
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Die
DE 198 08 273 A1 zeigt eine interferometrische Messvorrichtung zum Erfassen der Form rauher Oberflächen, wobei eine räumlich koheränte Strahlungserzeugungseinheit vorgesehen ist, die eine zeitlich kurzkoheränte und breitbandige Strahlung abgibt, und eine Trennung in einem Abschnitt mit den Komponenten eines Modulationsinterferometers und den Komponenten einer Messsonde vorgenommen und die Messsonde über eine Lichtleitfaseranordnung mit dem Modulationsinterferometer gekoppelt ist und vom Modulationsinterferometer entfernt verwendbar ist.
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Derartige interferometrische Messeinrichtungen werden in Form-Messmaschinen eingesetzt. Dabei ist die Messsonde in einen optischen Tastarm integriert, der beispielsweise über eine Magnetkupplung auswechselbar mit einer Messmaschine mechanisch verbunden ist. Das Modulationsinterferometer als Bestandteil des optischen Messgerätes ist ebenfalls an die Messmaschine angebunden. Die optische Verbindung zwischen dem optischen Messgerät und der Messsonde erfolgt über die Lichtleitfaseranordnung.
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Bekannte Formmessmaschinen mit punktmessenden optischen Tastarmen verwenden Anordnungen zur Bewegung des Tatstarm-Abtastpunktes entlang einer Bahnlinie. Ein optischer oder interferometrischer Tastarm hat jedoch einen begrenzten Akzeptanzwinkel, was die zulässige Variation der Oberflächenneigung der zu messenden Oberfläche begrenzt. Somit können mit einer solchen Anordnung grundsätzlich nur zylindrische, kegelförmige oder ebene Flächen vermessen werden. Die Vermessung von beispielsweise kugelförmigen, rotationssymmetrischen oder asphärischen Oberflächen ist nicht möglich, da ab einer bestimmten Neigung der Oberfläche zur optischen Achse des Tastarms der zulässige Akzeptanzwinkel überschritten wird.
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Aus diesem Grund wurde in der
DE 10 2007 024 197 A1 der Anmelderin eine verbesserte Vorrichtung zur Formmessung von Freiform-Flächen vorgeschlagen, bei der der Tastarm in einer Ebene derart drehbar ist, dass der Messstrahl senkrecht oder innerhalb eines Akzeptanzwinkels des Tastarms auf die zu messende Freiform-Fläche trifft. Bei der bekannten Vorrichtung fällt die optische Achse, entlang derer sich der Messstrahl erstreckt, mit der von der Längserstreckung des Tastarms definierten Tastarmachse zusammen.
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Weiterhin sind flächenhaft messende optische Systeme, beispielsweise in Form eines Weißlicht-Interferometers bekannt. Solche Systeme benötigen Objektive, welche für die zu messende Oberfläche angepasste Lichtwellen-Fronten erzeugen. Die Objektive für Freiform-Flächen sind sehr aufwändig und entsprechend teuer.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausgehend von dem vorgenannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Formmessvorrichtung anzugeben, bei der die im Stand der Technik vergleichsweise großen Fahrwege des Tastarms minimiert sind. Bevorzugt soll die vorzuschlagende Tastarmanordnung robust sein. Darüber hinaus besteht die Aufgabe darin, ein Messverfahren mit einer entsprechend optimierten Vorrichtung zur Minimierung der Fahrwege anzugeben.
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Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen. Zur Vermeidung von Wiederholungen sollen vorrichtungsgemäß offenbarte Merkmale als verfahrensgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein. Ebenso sollen verfahrensgemäß offenbarte Merkmale als vorrichtungsgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, eine besonders robuste Anordnung dadurch zu konzipieren, dass sich der optische Messstrahl rechtwinklig zu der von der Längserstreckung des Tastarms definierten Längsachse erstreckt, insbesondere dadurch, dass der optische Messstrahl im oder am Tastarm, vorzugsweise um 90°, abgelenkt wird und dass die Schwenkachse, um die der Tastarm drehbar angeordnet ist, parallel und mit Abstand zur Tastarmachse verläuft und dabei den Abtastpunkt, also den Spot des Messstrahls auf dem Messobjekt, schneidet. Aus einer derartigen Anordnung ergibt sich neben einem robusten Aufbau der Vorteil, dass lediglich kleine, rein rotatorische Bewegungen realisiert werden müssen, um die optische Achse des Abtastpunktes, d. h. die optische Achse, entlang derer sich der Messstrahl erstreckt, bevorzugt senkrecht oder unter einem Akzeptanzwinkel zur Freiformfläche des Messobjektes einzustellen. Insgesamt können hierdurch große Fahrwege einer Führungsmaschine für den Tastarm minimiert werden, was insgesamt in einem schnelleren und präziseren Messvorgang resultiert. Als Messeinrichtung kann beispielsweise ein WhitePoint-Interferometer zum Einsatz kommen. Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn der Abstand zwischen der Tastarmachse und der Schwenk- bzw. Drehachse- unter Berücksichtigung der notwendigen Optik zur Fokussierung des Messstrahls im Abtastpunkt – möglichst gering ist.
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In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Schwenkwinkelposition des Tastarms um die Schwenkachse und damit der Winkel zwischen Messstrahl und Messobjekt im Abtastpunkt erfassbar ist. Ganz besonders bevorzugt ist hierfür der Schwenkachse bzw. einem Schwenkantrieb ein Winkelencoder zugeordnet.
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Besonders zweckmäßig ist es, Steuermittel vorzusehen, die derart ausgebildet sind, dass mit diesen der Tastarm mit sich rechtwinklig dazu erstreckendem Messstrahl derart entlang einer vorgegebenen bzw. vorgebbaren Bahnlinie bewegbar ist, dass der Messstrahl senkrecht oder unter einem Akzeptanzwinkel zur zu messenden Freiform-Fläche im Abtastpunkt orientiert ist.
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Besonders zweckmäßig ist es, wenn Mittel zum Rotieren des Messobjektes vorgesehen sind. Durch die drehbare Anordnung des Messobjektes ist es möglich, mit einem Tastarm, der nur um die Schwenkachse um seinen Abtastpunkt drehbar gelagert ist, eine mehrdimensionale Formfläche aufzunehmen. Dies ermöglicht beispielsweise die Messung der Oberfläche einer Kugel, indem der Tastarm auf einen Punkt der Kugeloberfläche ausgerichtet wird, die Kugeloberfläche durch die Rotationsbewegung der Kugel durch den Abtastpunkt bewegt und so die Kugel oberflächenlinienförmig abgetastet wird.
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Ganz besonders zweckmäßig ist es, wenn der Tastarm Teil einer interferometrischen Messeinrichtung ist, wobei der Tastarm beispielsweise über eine Lichtleitfaseranordnung mit einem Modulationsinterferometer verbunden ist. Die interferometrische Messeinrichtung ermöglicht die optische Vermessung der Oberfläche des Prüfobjektes. Dabei erlaubt die Lichtleitfaseranordnung die freie Bewegung des Tastarms entlang der Bahnlinie sowie die Drehung des Tastarms um die parallel zur Tastarmachse verlaufende Schwenkachse.
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Die Erfindung führt auch auf ein Verfahren zur Formmessung von Freiform-Flächen an Messobjekten unter Verwendung einer wie zuvor beschrieben ausgebildeten Vorrichtung. Dabei ist es Kern des Verfahrens, die erfindungsgemäße Vorrichtung derart anzusteuern, dass der Tastarm mit dem sich senkrecht dazu erstreckenden Messstrahl derart entlang einer Bahnlinie bewegt wird, dass der Messstrahl während der Messung senkrecht oder unter einem Akzeptanzwinkel zur Freiform-Fläche orientiert ist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen.
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Diese zeigen in:
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1: in einer schematischen Darstellung den prinzipiellen Aufbau einer Vorrichtung zur Formmessung von Freiform-Flächen an Messobjekten und
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2: die Relativpositionierung einer derartigen Vorrichtung während des Messbetriebs, bei welchem der Tastarm entlang einer Bahnlinie relativ zu dem rotierbar angetriebenen Messobjekt bewegt wird.
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In den Figuren sind gleiche Elemente und Elemente mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In 1 ist ausschnittsweise eine Vorrichtung 1 zur Formmessung von Freiform-Flächen an Messobjekten gezeigt. Zur besseren Orientierung ist ein kartesisches Koordinatensystem mit den Achsen x, y und z vorgegeben.
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Zu erkennen ist ein langgestreckter, stabförmiger Tastarm 2, der sich sich entlang der y-Achse des Koordinatensystems erstreckt und dessen Längserstreckung bzw. Längsachse eine Tastarmachse T definiert. Der Tastarm 2 ist über eine Lichtleitfaseranordnung 3 mit einem nicht dargestellten, an sich bekannten, einen Bestandteil der Vorrichtung 1 bildenden Weißlicht-Modulationsinterferometer verbunden. Der Tastarm 2 ist an einem Halter 4 festgelegt, der mittels eines nicht dargestellten Schrittmotors um eine Schwenkachse S verschwenkbar ist, wobei die Schwenkachse S parallel und mit Abstand zur Tastarmachse T angeordnet ist. Die Schwenkachse S steht senkrecht auf der von der x- und der z-Achse definierten Ebene. Der mit dem Bezugszeichen 5 gekennzeichnete Doppelpfeil symbolisiert die möglichen Schwenkrichtungen (Umfangrichtungen), in die der Tastarm 2 um die sich entlang der y-Achse des Koordinatensystems erstreckende Schwenkachse S verschwenkbar ist. Innerhalb des Tastarms 2 wird die Messstrahlung um 90° umgelenkt, so dass ein Messstrahl 6 den Tastarm 2 entlang einer optischen Achse O verlässt, die rechtwinklig, d. h. senkrecht zur Tastarmachse T, orientiert ist. Der Messstrahl 6 ist in einem Abtastpunkt A (Spot) auf dem in 1 nicht näher dargestellten Messobjekt fokussiert. Die Schwenkachse S ist derart angeordnet, dass diese durch den Abtastpunkt A verläuft, diesen also schneidet.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Halter 4 Bestandteil eines Winkelencoders 7, mit dem die Schwenkwinkelposition des Tastarms 2 um die Schwenkachse S messbar und mit einer nicht dargestellten Steuereinrichtung auswertbar ist, um so den nicht dargestellten Schrittmotor entsprechend ansteuern zu können, vorzugsweise derart, dass die optische Achse O beim Verfahren des Tastarms 2 entlang einer Bahnlinie 9, die beispielsweise entlang der Z-Achse orientiert ist, immer senkrecht auf der zu vermessenden Freiform-Fläche steht. Bevorzugt wird der Tastarm 2 dabei derart bewegt, dass dieser immer einen konstanten Abstand zum Messobjekt einhält.
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Bevorzugt ist ein Abstand a von typischerweise weniger als 10 mm zwischen der Tastarmachse T und der Schwenkachse S einstellbar.
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In 2 ist der Tastarm 2 der Vorrichtung 1 gemäß 1 während eines Messvorgangs gezeigt.
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Ein rotationssymmetrisches Messobjekt 8 ist rotierbar um eine Rotationsachse R angetrieben. Der Tastarm 2 wird von nicht dargestellten Steuermitteln derart angesteuert, dass sich der Tastarm 2 entlang einer Bahnlinie 9 bewegt, rechtwinklig zu der der Messstrahl 6 entlang der optischen Achse O austritt. Zu erkennen ist, dass die optische Achse O senkrecht im Abtastpunkt A auf dem Messobjekt 8 steht und zwar unabhängig von der Position des Tastarms 2 auf der Bahnlinie.
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In einer mit 1. gekennzeichneten Position befindet sich der Tastarm T außerhalb eines zylindrischen Abschnittes des Messobjektes 8 und wird entlang der z-Achse, die parallel zur Rotationsachse R verläuft, bewegt, während das Messobjekt 8 um die Rotationsachse R rotiert. In der mit 2. gekennzeichneten Position wird der Tastarm T um die Schwenkachse S um einen Schwenkwinkel, der mit einem Winkelencoder erfassbar ist, rotiert, damit die optische Achse O weiterhin senkrecht zum Messobjekt 8, genauer zum Abtastpunkt A auf der zu vermessenden Freiform-Fläche orientiert ist, dass ab der mit 2. gekennzeichneten Position ein konisch konturierter Abschnitt vermessen wird. Ein weiteres Verschwenken erfolgt dann in der mit 3. gekennzeichneten Position, ab welcher sich der Konuswinkel ändert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19808273 A1 [0002]
- DE 102007024197 A1 [0005]
