DE102014224246A1

DE102014224246A1 - Systeme und verfahren zur lochmessung unter verwendung eines nicht drehenden chromatischen punktsensor- (cps) stifts

Info

Publication number: DE102014224246A1
Application number: DE102014224246.0A
Authority: DE
Inventors: Eric Herbert Altendorf
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2013-12-06
Filing date: 2014-11-27
Publication date: 2015-06-11
Anticipated expiration: 2034-11-28
Also published as: JP6480720B2; CN104697455B; CN104697455A; JP2015114326A; US20150159998A1; DE102014224246B4; US9329026B2

Abstract

Es werden ein System mit einem chromatischen konfokalen Punktsensor (CPS) und diesbezügliche Verfahren zum Messen von Löchern bereitgestellt. Ein optischer CPS-Stift umfasst ein strahlenteilendes Ablenkelement, das Messlicht gleichzeitig in mindestens drei Richtungen auf die Innenfläche des Lochs richtet. Ein CPS-Elektronikabschnitt umfasst einen Lichtgenerator, ein Spektrometer und einen Signalprozessor. Im Betrieb richtet der CPS-Stift das Messlicht auf die Innenfläche in den mindestens drei Richtungen, und das Spektrometer empfängt das Messlicht, das aus diesen Richtungen zurück durch den Stift reflektiert wird, und stellt ein spektrales Intensitätsprofil bereit, das spektrale Spitzenkomponenten umfasst, die Entfernungen zur Innenfläche in diesen Richtungen entsprechen. Die Locheigenschaft kann mindestens teilweise auf diesen Entfernungen basierend bestimmt werden. Der CPS-Stift kann als Sonde auf einer Koordinatenmaschine (CMM) verwendet werden. Der CPS-Stift muss nicht im Loch gedreht werden, um das Loch zu messen.

Description

HINTERGRUND
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Präzisionsmessinstrumente und genauer gesagt Systeme und Verfahren zum Betätigen eines chromatischen Punktsensor-(CPS)Stifts, um ein Merkmal eines Lochs zu messen, wie etwa einen Lochdurchmesser oder dergleichen, ohne den CPS-Stift drehen zu müssen.
Allgemeiner Stand der Technik
Techniken mit einer axialen chromatischen Aberration können für die Entfernungsmesstechnik verwendet werden. Wie in „Pseudocolor Effects of Longitudinal Chromatic Aberration", G. Molesini und S. Quercioli, J. Optics (Paris), 1986, Band 17, Nr. 6, S. 279–282, beschrieben, kann eine geregelte längsgerichtete chromatische Aberration (hier auch als axiale chromatische Streuung bezeichnet) in ein optisches Bildgebungssystem eingeführt werden, was bewirkt, dass sich die Brennweite des Bildgebungssystems mit der Wellenlänge ändert, wodurch ein Mittel für eine optische Messtechnik bereitgestellt wird. Insbesondere ist es möglich, eine Linse zu entwerfen, deren hintere Brennweite (BFL) eine monotone Funktion der Wellenlänge ist. Im Weißlichtbetrieb zeigt eine derartige Linse einen Regenbogen von axial verteilten Brennpunkten, die als Spektralsonde für Entfernungsmessanwendungen verwendet werden können.
Als weiteres Beispiel offenbart das US-Patent Nr. 7.477.401 , das hiermit zur Bezugnahme vollständig übernommen wird, ein optisches Element, das eine axiale chromatische Aberration aufweist, die man verwenden kann, um eine Breitband-Lichtquelle derart zu fokussieren, dass die axiale Entfernung oder Höhe einer Oberfläche bestimmt, welche Wellenlänge am besten auf diese Oberfläche fokussiert wird. Bei einer Reflexion von der Oberfläche wird das Licht wieder auf eine kleine Detektorapertur, wie etwa ein Sehloch, und/oder das Ende einer Lichtleitfaser fokussiert, und nur die Wellenlänge, die richtig auf die Oberfläche fokussiert ist, wird richtig auf die Apertur fokussiert. Andere Wellenlängen werden schlecht fokussiert und koppeln nicht viel Energie in die Apertur ein. Ein Spektrometer misst den Signalpegel für jede Wellenlänge, die durch die Apertur zurückkehrt. Eine Wellenlängenintensitätsspitze gibt effektiv die Entfernung oder Höhe der Oberfläche an.
Bestimmte Hersteller bezeichnen eine praktische und platzsparende optische Baugruppe, die für die chromatische konfokale Vermessung in einer Industrieumgebung geeignet ist, als chromatischen konfokalen Punktsensor, als chromatischen Punktsensor (CPS), der einen optischen Stift umfasst, und/oder einfach als „optischen Stift”. Ein Beispiel von optischen Stiftinstrumenten, welche die Z-Höhe messen, sind solche, die von STIL, S. A. aus Aix-en-Provence, Frankreich (STIL S. A.), hergestellt werden. Als spezifisches Beispiel misst der optische Stift von STIL mit der Modellnummer OP 300NL Z-Höhen und weist einen 300-Mikrometer-Bereich auf.
Eine andere Konfiguration für einen chromatischen konfokalen Punktsensor wird in dem gemeinsam übertragenen US-Patent Nr. 7.626.705 beschrieben, das hiermit zur Bezugnahme vollständig übernommen wird. Dieses Patent offenbart eine Linsenkonfiguration, die einen verbesserten optischen Durchsatz und eine verbesserte Lichtfleckgröße bereitstellt, was im Vergleich zu diversen handelsüblichen Konfigurationen zu einer verbesserten Messauflösung führt.
Die Anwendungen von derzeit verfügbaren optischen Stiften, um die Merkmale eines Lochs, wie etwa einen Lochdurchmesser, zu messen, erfordern das Drehen des optischen Stifts mit Bezug auf das zu messende Loch, um verschiedene Abschnitte der Lochwand zu messen und seine Gesamtform und/oder seine Position zu bestimmen. Die Stiftdrehung erfordert komplexe optomechanische Einzelteile, um die Drehung auszuführen. Bei diversen Anwendungen ist die Drehung des Stifts langwierig und verringert den Messdurchsatz. Auch bedingt die Drehung des Stifts unweigerlich eine gewisse Unrundheit und/oder Schwankung und diesbezügliche Messfehler.
Das gemeinsam übertragene US-Patent Nr. 8.194.251 („Patent '251”), das hiermit zur Bezugnahme vollständig übernommen wird, offenbart einen optischen Stift mit doppeltem Strahl, der positioniert werden kann, um zwei Oberflächengebiete gleichzeitig zu messen. Während allgemein gesagt die Konfigurationen mit zwei Strahlen, die in dem Patent '251 offenbart werden, gegenüber optischen Stiften mit einem einzigen Strahl gewisse Vorteile bereitstellen können, sind die Stifte in dem Patent '251 nicht spezifisch für eine zuverlässige und effiziente Lochmessung konfiguriert, insbesondere zum Messen von Lochdurchmessern, die sich dem Stiftdurchmesser nähern können.
Für diverse Anwendungen, die das Messen von Löchern und/oder ihren Innenflächen einbeziehen, können Verbesserungen der Konfiguration und des Verfahrens zum Verwenden von optischen CPS-Stiften erwünscht sein. Die vorliegende Erfindung betrifft das Bereitstellen von Systemen und Verfahren zum Betätigen eines optischen CPS-Stifts, um ein Merkmal der Innenflächen eines Lochs, wie etwa einen Lochdurchmesser, zu messen, ohne den Stift drehen zu müssen.
KURZDARSTELLUNG
Diese Kurzdarstellung wird bereitgestellt, um eine Auswahl von Konzepten in vereinfachter Form bereitzustellen, die nachstehend in der ausführlichen Beschreibung näher beschrieben werden. Diese Kurzdarstellung ist nicht dazu gedacht, Hauptmerkmale des beanspruchten Gegenstands zu identifizieren, und ist auch nicht dazu gedacht, um als Hilfsmittel bei dem Bestimmen des Umfangs des beanspruchten Gegenstandes verwendet zu werden.
Gemäß diversen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt, um ein System mit einem chromatischen Punktsensor (CPS) zu verwenden, um ein geometrisches Merkmal eines Lochs zu inspizieren, das mindestens teilweise von einer Innenfläche umgeben ist. Das Verfahren umfasst im Allgemeinen fünf Schritte. Der erste Schritt besteht darin, ein CPS-System bereitzustellen, das einen Elektronikabschnitt und einen optischen Stift umfasst. Der Elektronikabschnitt umfasst einen Ausgangslicht-Generierungsabschnitt, ein Spektrometer und einen Signalprozessor. Der optische Stift umfasst ein Gehäuse, das sich entlang einer mittleren Z-Achse des optischen Stifts erstreckt, eine konfokale Apertur, die Ausgangslicht ausgibt, einen Abschnitt mit einer axialen chromatischen Aberration, der eingerichtet ist, um das Ausgangslicht einzugeben und Messlicht auszugeben, das mit einer axialen chromatischen Aberration fokussiert wird, und ein strahlenteilendes Ablenkelement, das eingerichtet ist, um das Messlicht gleichzeitig in mindestens drei Messrichtungen quer zur mittleren Z-Achse zu verteilen. Beispielsweise kann das strahlenteilende Ablenkelement ein pyramidenförmiges, reflektierendes, optisches Element, das mindestens drei ebene reflektierende Facetten umfasst, die den mindestens drei Messrichtungen entsprechen, oder ein kegelförmiges, reflektierendes, optisches Element sein. Der zweite Schritt besteht darin, den optischen Stift in einer Position im Innern des Lochs zu positionieren, so dass das Messlicht auf die Innenfläche in den mindestens drei Messrichtungen einfällt. Der dritte Schritt besteht darin, das Messlicht zu empfangen, das aus den mindestens drei Messrichtungen zurück durch die konfokale Apertur des optischen Stifts in der Position reflektiert wird. Der vierte Schritt besteht darin, das CPS-System zu betätigen, um ein spektrales Intensitätsprofil des Messlichts zu erzielen. Das spektrale Intensitätsprofil umfasst spektrale Spitzenkomponenten, die Entfernungen zur Innenfläche entsprechen, die innerhalb des Messbereichs des optischen Stifts in den mindestens drei Messrichtungen liegen. Der fünfte Schritt besteht darin, das geometrische Merkmal des Lochs, wie etwa den Lochdurchmesser und dergleichen, mindestens teilweise auf Signalverarbeitungsvorgängen basierend zu bestimmen, wozu das Analysieren des spektralen Intensitätsprofils gehört, um mindestens eine erste Abstandmessung von dem optischen Stift bis zu der Innenfläche entlang mindestens einem ersten Messdurchmesser zu bestimmen.
Bei einigen Ausführungsbeispielen weist das Loch einen kreisförmigen Querschnitt auf. Das Loch weist einen Radius r auf, und das Verfahren kann das Konfigurieren oder Auswählen des optischen Stifts umfassen, so dass sich sein Messbereich in jeder der mindestens drei Messrichtungen mindestens über eine Entfernung RMAX' von seiner mittleren Z-Achse aus erstreckt, wobei RMAX' > r.
Bei einigen Ausführungsformen umfasst der Schritt des Positionierens des optischen Stifts in der Position das ungefähr zentrierte Positionieren des optischen Stifts in dem Loch, so dass alle spektralen Spitzenkomponenten in dem spektralen Intensitätsprofil im Wesentlichen zusammenfallen, um eine kombinierte spektrale Spitze zu bilden, die einen durchschnittlichen Radius der Innenfläche in den mindestens drei Messrichtungen angibt.
Bei weiteren Aspekten der Erfindung ist der optische Stift mit einer Koordinatenmessmaschine (CMM) gekoppelt, und die CMM wird verwendet, um den optischen Stift zu positionieren. Die Lage des Mittelpunkts des Lochs kann basierend auf CMM-Koordinaten, die der Position entsprechen, bestimmt werden.
Bei einigen Ausführungsformen umfasst der Schritt des Positionierens des optischen Stifts in der Position in dem Loch das Positionieren des optischen Stifts in einer Position, welche die höchste oder schmalste kombinierte spektrale Spitze von denjenigen bildet, die in einer Vielzahl von Positionen in dem Loch erzielt werden. Die höchste oder schmalste kombinierte spektrale Spitze kann beispielsweise einen durchschnittlichen Radius des Lochs angeben.
Bei anderen Ausführungsformen umfasst der Schritt des Positionierens des optischen Stifts in der Position in dem Loch das dezentrierte Positionieren des optischen Stifts in dem Loch, so dass mindestens drei spektrale Spitzenkomponenten in dem spektralen Intensitätsprofil isolierte spektrale Spitzenkomponenten sind, die jeweils den Entfernungen von dem optischen Stift zu der Innenfläche in den mindestens drei Messrichtungen entsprechen. Beispielsweise kann eine Winkelrichtung/Orientierung jeder der mindestens drei Messrichtungen mit Bezug auf die Lochmitte aus der Richtung/Orientierung der dezentrierten Position mit Bezug auf die Lochmitte abgeleitet werden.
Bei noch anderen Ausführungsformen umfasst der Schritt des Positionierens des optischen Stifts in der Position in dem Loch das Positionieren des optischen Stifts in einer ersten dezentrierten Position in dem Loch, so dass mindestens eine erste spektrale Spitzenkomponente in dem spektralen Intensitätsprofil eine isolierte spektrale Spitzenkomponente ist, die einer einzigartigen Entfernung von dem optischen Stift zu der Innenfläche in einer entsprechenden einzigartigen Messrichtung in der ersten dezentrierten Position entspricht. Wenn der optische Stift ferner mit einer Koordinatenmessmaschine (CMM) gekoppelt ist, wird die CMM verwendet, um den optischen Stift zu positionieren, und das Verfahren umfasst zusätzlich das Wiederholen der Schritte des Positionierens, Empfangens und Betätigens, die den zweiten und dritten dezentrierten Positionen entsprechen, so dass mindestens zweite und dritte isolierte spektrale Spitzenkomponenten in zweiten und dritten spektralen Intensitätsprofilen als isolierte spektrale Spitzenkomponenten erzielt werden, die jeweils einzigartigen Entfernungen von dem optischen Stift zu der Innenfläche in entsprechenden einzigartigen Messrichtungen in den zweiten und dritten dezentrierten Positionen entsprechen. Dann umfassen in dem Schritt des Bestimmens des geometrischen Merkmals die Signalverarbeitungsvorgänge: (a) das Analysieren mindestens der ersten, zweiten und dritten spektralen Intensitätsprofile, um mindestens erste, zweite und dritte Abstandmessungen von dem optischen Stift zu der Innenfläche in den entsprechenden einzigartigen Messrichtungen in den ersten, zweiten und dritten dezentrierten Positionen zu bestimmen, und (b) das Bestimmen des geometrischen Merkmals des Lochs basierend auf mindestens den ersten, zweiten und dritten Abstandmessungen und CMM-Koordinaten, die jeweils den ersten, zweiten und dritten dezentrierten Positionen entsprechen.
Bei einigen Aspekten der Erfindung umfasst die Innenfläche des Lochs Schraubengewinde, und der optische Stift ist mit einer CMM gekoppelt, die verwendet wird, um den optischen Stift zu positionieren. Der Schritt des Positionierens des optischen Stifts in der Position in dem Loch umfasst das Positionieren des optischen Stifts an einer aktuellen Position, die einer axialen Position in einer Richtung parallel zu einer mittleren Achse des Lochs und einer aktuellen dezentrierten Position quer zur mittleren Achse des Lochs entspricht, so dass mindestens eine erste spektrale Spitzenkomponente in dem entsprechenden spektralen Intensitätsprofil eine isolierte spektrale Spitzenkomponente ist, die einer einzigartigen Entfernung von dem optischen Stift zu der Innenfläche in einer entsprechenden einzigartigen Messrichtung in der aktuellen Position entspricht. Das Verfahren umfasst ferner das Wiederholen der Schritte des Positionierens, Empfangens und Betätigens in einer Vielzahl von verschiedenen aktuellen Positionen, die einer Vielzahl von verschiedenen axialen Positionen (entlang der Z-Achse) entsprechen. In dem Schritt des Bestimmens des geometrischen Merkmals umfassen die Signalverarbeitungsvorgänge: (a) das Analysieren einer Vielzahl von spektralen Intensitätsprofilen, die jeweils der Vielzahl von verschiedenen aktuellen Positionen entsprechen, die der Vielzahl von verschiedenen axialen Positionen entsprechen, um eine Vielzahl von Abstandmessungen von dem optischen Stift zu dem Schraubengewinde in einer entsprechenden einzigartigen Messrichtung in der Vielzahl von verschiedenen aktuellen Positionen, die der Vielzahl von verschiedenen axialen Positionen entsprechen, zu bestimmen, und (b) das Bestimmen des geometrischen Merkmals des Schraubengewindes basierend auf mindestens einigen von der Vielzahl von Abstandmessungen in der Vielzahl von verschiedenen aktuellen Positionen, die der Vielzahl von verschiedenen axialen Positionen entsprechen.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird ein System mit einem chromatischen konfokalen Punktsensor (CPS) bereitgestellt, um ein geometrisches Merkmal eines Lochs zu inspizieren, das mindestens teilweise von einer Innenfläche umgeben ist. Das CPS-System umfasst einen optischen Stift, der ein Gehäuse umfasst, das sich entlang einer mittleren Z-Achse des optischen Stifts erstreckt, eine konfokale Apertur, die Ausgangslicht ausgibt, einen Abschnitt mit einer axialen chromatischen Aberration, der eingerichtet ist, um das Ausgangslicht einzugeben und das Messlicht auszugeben, das mit der axialen chromatischen Aberration fokussiert ist, und ein strahlenteilendes Ablenkelement, das eingerichtet ist, um das Messlicht gleichzeitig in mindestens drei Messrichtungen quer zur mittleren Z-Achse zu verteilen. Das CPS-System umfasst ferner einen Elektronikabschnitt, der einen Ausgangslicht-Generierungsabschnitt, ein Spektrometer und einen Signalprozessor umfasst. Der Elektronikabschnitt ist derart konfiguriert, dass: (i) wenn der optische Stift in einer Position im Innern des Lochs positioniert ist, der Elektronikabschnitt derart funktioniert, dass das Messlicht auf die Innenfläche in den mindestens drei Messrichtungen einfällt, und das Spektrometer das Messlicht empfängt, das aus den mindestens drei Messrichtungen zurück durch die konfokale Apertur des optischen Stifts in der Position reflektiert wird; (ii) der Signalprozessor zusammen mit dem Spektrometer funktioniert, um ein spektrales Intensitätsprofil des Messlichts zu erzielen, wobei das spektrale Intensitätsprofil spektrale Spitzenkomponenten umfasst, die den Entfernungen zur Innenfläche entsprechen, die innerhalb des Messbereichs des optischen Stifts in den mindestens drei Messrichtungen liegen; und (iii) der Signalprozessor die Vorgänge, die mindestens einen von a), b) und c) umfassen, wie folgt ausführt:

a) Bestimmen des geometrischen Merkmals des Lochs, mindestens teilweise auf Signalverarbeitungsvorgängen basierend, die das Analysieren des spektralen Intensitätsprofils umfassen, um mindestens eine erste Abstandmessung von dem optischen Stift zu der Innenfläche in mindestens einer ersten Messrichtung zu bestimmen;
b) Analysieren des spektralen Intensitätsprofils, um mindestens eine erste Abstandmessung von dem optischen Stift zu der Innenfläche in mindestens einer ersten Messrichtung zu bestimmen, und Ausgeben der mindestens ersten Abstandmessung an ein externes System, das konfiguriert ist, um das geometrische Merkmal des Lochs mindestens teilweise auf der mindestens ersten Abstandmessung basierend zu bestimmen; und
c) Ausgeben des spektralen Intensitätsprofils an ein externes System, das konfiguriert ist, um das geometrische Merkmal des Lochs mindestens teilweise auf Signalverarbeitungsvorgängen basierend zu bestimmen, die das Analysieren des spektralen Intensitätsprofils umfassen, um mindestens eine erste Abstandmessung von dem optischen Stift zu der Innenfläche in mindestens einer ersten Messrichtung zu bestimmen.

Bei diversen Ausführungsbeispielen ist das externe System eine CMM, mit welcher der optische Stift gekoppelt ist, wobei die CMM konfiguriert ist, um die Position und Bewegung des optischen Stifts zu steuern. Bei einigen Ausführungsformen ist die CMM konfiguriert zum: (a) automatischen Positionieren des optischen Stifts in der Position innerhalb eines Lochs, das sich auf einem Werkstück befindet, das von der CMM zu inspizieren ist, wobei die Position eine vorbestimmte Position ist, die in einem Teileprogramm definiert ist, das von der CMM ausgeführt wird; und (b) Bestimmen des geometrischen Merkmals des Lochs, mindestens teilweise auf der mindestens ersten Abstandmessung zusammen mit CMM-Koordinaten, die der vorbestimmten Position entsprechen, basierend.
KURZE BESCHREIBUNG DER MEHREREN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
Es zeigen:
1 ein Blockdiagramm eines beispielhaften chromatischen Punktsensors (CPS), der einen optischen Stift umfasst, der Messlicht ausgibt.
2 ein Diagramm eines spektralen Intensitätsprofils, das durch einen CPS zu erzielen ist und das eine spektrale Spitzenkomponente umfasst, die einer einzigartigen Entfernung von dem optischen Stift zu der Innenfläche in einer entsprechenden einzigartigen Messrichtung entsprechen kann.
3 eine Querschnittsansicht eines Lochs mit Schraubengewinde, bei dem ein herkömmlicher optischer Stift eingesetzt und gedreht werden kann, um ein geometrisches Merkmal des Lochs, wie etwa den Lochdurchmesser, Gewindehöhen und dergleichen, zu messen.
4 das allgemeine Konzept des Messens eines Merkmals eines Lochs, wie etwa eines Durchmessers des Lochs, das einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, basierend auf mindestens drei Messpunkten, die an der Innenfläche des Lochs genommen werden.
5 ein Beispiel eines strahlenteilenden Ablenkelements in der Form eines rechtwinklig dreieckig pyramidenförmigen reflektierenden optischen Elements, das drei ebene reflektierende Facetten umfasst, gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
6 einen Radius und eine numerische Apertur (NA) eines herkömmlichen reflektierenden Elements, das mit einem distalen Ende eines optischen Stifts gekoppelt sein kann und gedreht werden kann, um Merkmale eines Lochs zu messen.
7 ein Blockdiagramm eines beispielhaften CPS, der einen optischen Stift umfasst, der Messlicht ausgibt, wobei der optische Stift ein strahlenteilendes Ablenkelement umfasst, das eingerichtet ist, um das Messlicht gleichzeitig in mindestens drei Messrichtungen zu verteilen, gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
8 eine allgemeine Überlegung beim Konfigurieren eines strahlenteilenden Ablenkelements in der Form eines rechtwinklig dreieckig pyramidenförmigen reflektierenden optischen Elements, das mindestens drei ebene Facetten umfasst, oder eines kegelförmigen reflektierenden optischen Elements, das in einem optischen Stift einzubeziehen ist, gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
9A ein Blockdiagramm eines Systems mit einem chromatischen konfokalen Punktsensor (CPS), das einen optischen Stift und einen Elektronikabschnitt umfasst, der mit einer externen Vorrichtung in der Form einer Koordinatenmessmaschine (CMM) gekoppelt sein kann, die einen CMM-Controller und eine Benutzerschnittstelle umfasst und geeignet ist, um diverse Verfahren des Inspizierens eines geometrischen Merkmals eines Lochs auszuführen, gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
9B ein Ablaufschema eines Verfahrens zum Verwenden eines CPS-Systems, um ein geometrisches Merkmal eines Lochs zu inspizieren, gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
10A bis 10D schematisch ein Verfahren des Betätigens eines optischen CPS-Stifts, um ein geometrisches Merkmal eines Lochs zu inspizieren, ohne den optischen Stift drehen zu müssen, gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
11 ein Ablaufschema von Schritten, die bei dem in 10A bis 10D abgebildeten Verfahren ausgeführt werden.
12A bis 12C schematisch ein anderes Verfahren des Betätigens eines optischen CPS-Stifts, um ein geometrisches Merkmal eines Lochs zu inspizieren, ohne den optischen Stift drehen zu müssen, gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
13 ein Ablaufschema von Schritten, die bei dem in 12A bis 12C abgebildeten Verfahren auszuführen sind.
14 ein Ablaufschema von Schritten, die bei noch einem anderen Verfahren des Betätigens eines optischen CPS-Stifts ausgeführt werden, um einen Radius eines Lochs zu inspizieren, das einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, ohne den optischen Stift drehen zu müssen, gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
15A ein kegelförmiges reflektierendes optisches Element, das als strahlenteilendes Ablenkelement verwendet werden kann, gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, und 15B eine Kegelscheibe von Messlicht, das von dem kegelförmigen reflektierenden optischen Element aus 15A erzeugt werden kann.
16A und 16B schematisch ein weiteres Verfahren des Betätigens eines optischen CPS-Stifts, der das kegelförmige reflektierende optische Element an seinem distalen Ende umfassen kann, um einen Radius eines Lochs zu inspizieren, ohne den optischen Stift drehen zu müssen, gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
17 ein Ablaufschema von Schritten, die in dem Verfahren ausgeführt werden, das in 16A und 16B abgebildet ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
1 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften chromatischen konfokalen Punktsensors bzw. eines chromatischen Punktsensors (CPS) 100. Der chromatische konfokale Punktsensor 100 weist gewisse Ähnlichkeiten zu den Sensoren auf, die in den US-Patenten Nr. 7.876.456 , 7.990.522 und 8.194.251 beschrieben werden, die hiermit zur Bezugnahme vollständig übernommen werden. Wie in 1 gezeigt, umfasst der chromatische konfokale Punktsensor 100 einen optischen Stift 120 und einen Elektronikabschnitt 160. Der optische Stift 120 umfasst einen Glasfaserstecker 109, ein Gehäuse 131, das sich entlang einer mittleren Z-Achse des optischen Stifts 120 erstreckt, und einen Abschnitt mit einer axialen chromatischen Aberration 150. Wie abgebildet, ist der Glasfaserstecker 109 am Ende des Gehäuses 131 angebracht und nimmt eine Ein-/Ausgangsglasfaser auf (im Einzelnen nicht gezeigt), die von einem Glasfaserkabel 112 ummantelt ist, das sich von dem Elektronikabschnitt 160 aus erstreckt. Die Ein-/Ausgangsglasfaser gibt Ausgangslicht aus einer Lichtquelle 164 (in dem Elektronikabschnitt 160) durch eine faseroptische konfokale Apertur 195 aus und empfängt reflektiertes Messlicht ebenfalls durch die faseroptische konfokale Apertur 195.
Im Betrieb gibt (empfängt) der Abschnitt mit einer axialen chromatischen Aberration 150, der eine oder mehrere Linsen umfasst, die eine axiale chromatische Aberration (Streuung) bereitstellen, Breitband-(z. B. weißes)Ausgangslicht ein, das von dem Faserende durch die faseroptische konfokale Apertur 195 emittiert wird, und gibt Messlicht aus, das mit einer axialen chromatischen Aberration fokussiert ist. Daraufhin befindet sich der Brennpunkt des Messlichts entlang der optischen Achse OA (die mit der Messrichtung MD in 1 zusammenfällt) je nach der Wellenlänge des Lichts in verschiedenen Entfernungen, wie es für chromatische konfokale Sensorsysteme bekannt ist. Das Messlicht umfasst eine Wellenlänge, die auf einer Werkstückfläche 190 in einer Position Z fokussiert ist, die sich in dem Messabstand (FF) mit Bezug auf den optischen Stift 120 befindet. Bei einer Reflexion von der Werkstückfläche 190 wird reflektiertes Messlicht durch den Abschnitt mit einer axialen chromatischen Aberration 150 auf die faseroptische konfokale Apertur 195 zurück fokussiert. Das betriebsfähige Ausgangslicht und das Messlicht werden durch die Grenzstrahlen LR1 und LR2 abgegrenzt. Auf Grund der axialen chromatischen Aberration hat nur eine Wellenlänge eine Frontfokusdimension FF, die mit dem Messabstand von dem optischen Stift 120 zu der Oberfläche 190 übereinstimmt. Der optische Stift ist derart konfiguriert, dass die Wellenlänge, die am besten auf der Oberfläche 190 fokussiert ist, auch die Wellenlänge des reflektierten Messlichts ist, das am besten, auf die faseroptische konfokale Apertur 195 fokussiert ist. Die faseroptische konfokale Apertur 195 filtert das reflektierte Messlicht räumlich derart, dass hauptsächlich die am besten fokussierte Wellenlänge durch die faseroptische konfokale Apertur 195 und in den Kern des Glasfaserkabels 112 geht. Das Glasfaserkabel 112 leitet das reflektierte Messlicht zu einem Wellenlängendetektor 162, der konfiguriert ist, um die Wellenlänge zu bestimmen, welche die dominante Intensität aufweist, die dem Messabstand (FF) zur Werkstückfläche 190 entspricht.
Wie abgebildet, weist der optische Stift 120 einen Messbereich R auf, der von einer Mindestreichweite ZMIN und einer Höchstreichweite ZMAX abgegrenzt ist, und die zu messende Oberfläche 190 muss in den Messbereich R fallen. Der allgemeine Messbereich R eines optischen Stifts 120 kann in dem Bereich von einigen Dutzend Mikrometern bis zu einigen Millimetern liegen, was basierend auf der Konfiguration des Abschnitts mit einer axialen chromatischen Aberration 150 anpassbar einstellbar ist. Der Messbereich R kann in manchen Fällen von bekannten optischen Stiften ungefähr 1/10 bis 1/2 des Nennarbeitsabstands vom Ende des Stifts betragen. Wie er hier verwendet wird, ist der Nennarbeitsabstand (S) des optischen Stifts 120 als Entfernung von einem distalen Ende des optischen Stifts 120 (einschließlich eines optischen reflektierenden Elements 155, das nachstehend ausführlich beschrieben wird) bis zu der zu messenden Oberfläche 190 definiert, wie in 1 gezeigt.
Bei diversen Ausführungsformen kann es vorteilhaft sein, dass die Höchst- und Mindestreichweiten der Messbereiche (d. h. ZMAX und ZMIN des Messbereichs R) gemäß gewissen optischen Systemauflagen bestimmt werden. Kurz gesagt ist ein erster Faktor beim Bestimmen des Minimums und des Maximums der Messbereiche die räumliche Entfernung, über die der vorgegebene Satz von Linsen in dem Abschnitt mit einer axialen chromatischen Aberration 150 einen vorgegebenen Satz von Wellenlängen mit einem vorgegebenen Genauigkeitsgrad fokussieren kann. Ganz allgemein entspricht jeder Bereich mit seinen Mindest- und Höchstgrenzen in der Regel dem Bereich, über den das verfügbare Eingangsspektrum unter Verwendung einer chromatischen Aberration richtig fokussiert werden kann. Zusätzlich sind die Einschränkungen des Wellenlängendetektors selber (siehe 162 in 1) ein anderer Faktor für die Bereiche. Mit anderen Worten ist es für die verschiedenen vorweggenommenen und erwünschten Wellenlängen, die zu messen sind, wünschenswert, dass die Wellenlängen über die Anordnung des Detektors 162 verteilt sind, so dass ein hoher Auflösungsgrad erreichbar ist. Zusammenfassend werden die Bereiche mit den vorgegebenen Mindest- und Höchstentfernungen in der Regel durch Einschränkungen, die mit der Fähigkeit, das Spektrum effektiv über eine Entfernung entlang der vorgegebenen Achse zu fokussieren, zusammenhängen, und durch theoretische Entscheidungen mit Bezug auf die Streuung der Wellenlängen auf dem Detektor 162 bestimmt.
Der Elektronikabschnitt 160 umfasst einen Faserkoppler 161, den Wellenlängendetektor 162, die Lichtquelle (Ausgangslicht-Generierungsabschnitt) 164, einen Signalprozessor 166 und einen Speicherabschnitt 168. Bei diversen Ausführungsformen umfasst der Wellenlängendetektor 162 ein Spektrometer oder eine spektrografische Anordnung, wobei eine Dispersionselement (z. B. ein Gitter) das reflektierte Messlicht durch das Glasfaserkabel 112 empfängt und das sich ergebende spektrale Intensitätsprofil an ein Detektor-Array 163 sendet. Der Wellenlängendetektor 162 kann auch eine diesbezügliche Signalverarbeitung umfassen (die bei einigen Ausführungsformen z. B. von dem Signalprozessor 166 bereitgestellt wird), die bestimmte detektorbezügliche Fehlerkomponenten aus dem spektralen Intensitätsprofil entfernt oder kompensiert. Somit können gewisse Aspekte des Wellenlängendetektors 162 und des Signalprozessors 166 bei einigen Ausführungsformen zusammengelegt werden und/oder nicht zu unterscheiden sein.
Die Weißlichtquelle 164, die von dem Signalprozessor 166 gesteuert wird, ist durch den optischen Koppler 161 (z. B. einen 2 × 1-Optokoppler) mit dem Glasfaserkabel 112 gekoppelt. Wie zuvor beschrieben, geht das Messlicht basierend auf dem Ausgangslicht durch den optischen Stift 120, der eine längsgerichtete chromatische Aberration erzeugt, so dass sich seine Brennweite mit der Wellenlänge des Lichts ändert. Die Wellenlänge des Messlichts, die am effektivsten durch die Faser zurückgesendet wird, ist die Wellenlänge, die auf der Oberfläche 190 in der Position Z im Brennpunkt liegt. Die von der reflektierten Wellenlänge abhängige Messlichtintensität geht dann wieder durch den Faserkoppler 161, um auf den Wellenlängendetektor 162 gerichtet zu werden, der ein spektrales Intensitätsprofil generiert. Das Detektor-Array 163 empfängt das spektrale Intensitätsprofil, das über ein Pixel-Array entlang einer Messachse des Detektor-Arrays 163 verteilt wird. 2 ist ein beispielhaftes Diagramm eines spektralen Intensitätsprofils 310 von dem Detektor-Array 163, das eine spektrale Spitzenkomponente umfasst, die einer einzigartigen Entfernung von dem optischen Stift 120 zur Innenfläche eines zu messenden Lochs entspricht, gemäß den hier offenbarten Grundlagen. Kurz gesagt wird ein Teilpixel-Auflösungsabstand, der die Koordinate der spektralen Spitzenkomponente „P” in 2 angibt, von dem Signalprozessor 166 berechnet, und die Entfernung, welche die Koordinate angibt, bestimmt den Messabstand (FF) zur Oberfläche 190 (bei Z) über eine Abstandskalibrierungs-Suchtabelle, die in dem Speicherabschnitt 168 gespeichert ist. Beispielsweise wird in 2 wird ein Teilpixel-Auflösungsabstand von ungefähr 620,6 Pixeln bestimmt, der die Wellenlängen-Spitzenkomponente „P” angibt, und der Teilpixel-Auflösungsabstand wird in Mikrometer oder Millimeter in den Messabstand (FF) umgewandelt. Der Teilpixel-Auflösungsabstand, der die Spitzenkoordinate angibt, kann durch diverse Verfahren bestimmt werden, wie etwa das Bestimmen des Schwerpunktes in einer spektralen Spitzenkomponente des spektralen Intensitätsprofils.
In 1 kann der optische Stift 120 optional ein reflektierendes Element 155 umfassen, das als gestrichelter Umriss gezeigt wird. Das reflektierende Element 155 kann auf dem Weg des Messlichts ML angeordnet werden, das von dem Abschnitt mit einer axialen chromatischen Aberration 150 ausgegeben wird, um das Messlicht 196' in die Messrichtung MD' umzuleiten, die im Allgemeinen rechtwinklig zur ursprünglichen Messrichtung von MD ist. Der Messbereich R' entlang der umgeleiteten Messrichtung MD' ist der gleiche wie der Messbereich R in der ursprünglichen Messrichtung MD und wird ebenfalls durch XMIN und XMAX abgegrenzt. Bei einer derartigen Umsetzung leitet das reflektierende Element 155 das Messlicht 196' in die Messrichtung MD', die anders als die optische Achse OA ist (z. B. dazu orthogonal), wie es von einigen Messanwendungen benötigt wird. Beispielsweise wird eine derartige orthogonale Orientierung, wie abgebildet, derzeit verwendet, um ein geometrisches Merkmal eines Lochs, wie etwa einen Lochdurchmesser, zu messen, wie in 3 gezeigt. 3 zeigt, dass ein optischer Stift 120, dessen Messlicht 196' sich in der orthogonalen Messrichtung MD' verbreitet, wie in 1 gezeigt, um seine mittlere Z-Achse gedreht werden kann, um einen Außendurchmesser eines Gewindelochs (1), einen Innendurchmesser des Gewindelochs (2) und eine Gewindehöhe (oder eine Tiefe des Gewindes) (3), die der Unterschied zwischen (1) und (2) ist, zu messen.
Wie insbesondere in 4 gezeigt, erfordert die Messung eines geometrischen Merkmals eines Lochs, wie etwa eines Durchmessers eines Kreises, die Bestimmung von mindestens drei Punkten auf der Innenfläche eines Lochs. 4 bildet ab, dass mindestens drei Sätze von X- und Y-Koordinaten (d. h. drei Punkte A, B und C) notwendig sind, um den Durchmesser des Kreises oder den Durchmesser eines Lochs auf einer gegebenen Z-Höhe, wie in 3 gezeigt, zu bestimmen. In 4, nachdem die Lagen von drei Punkten A, B und C bestimmt wurden, wird eine äquidistante Linie A-B zwischen den Punkten A und B gezogen, und eine andere äquidistante Linie B-C wird zwischen den Punkten B und C gezogen. Die Mitte 0 des Kreises kann dann als der Schnittpunkt zwischen den äquidistanten Linien A-B und B-C bestimmt werden. Die Entfernung von 0 zu einem der drei Punkte (A, B oder C) ist der Radius des Kreises, und der Durchmesser des Kreises wird als zweimal der Radius erzielt. Wie in 3 gezeigt, erfordert das Erzielen von mindestens drei Messpunkten auf der Innenfläche eines Lochs, wie etwa eines Kreises, derzeit das Drehen eines optischen Stifts 120, so dass seine Messrichtung MD' die Innenfläche eines Lochs an drei verschiedenen Positionen schneidet. Wie zuvor im Hintergrundabschnitt besprochen, erfordert die Tatsache, einen optischen Stift 120 drehen zu müssen, jedoch aufwendige optomechanische Einzelteile, um die Drehung auszuführen, ist langwierig und verringert somit den Messdurchsatz und bedingt unweigerlich eine gewisse Unrundheit und/oder Schwankung und diesbezügliche Messfehler.
Bei diversen Anwendungen kann es wünschenswert sein, dass man mindestens drei Punkte der Innenfläche eines Lochs messen kann, ohne den optischen Stift 120 drehen zu müssen. Gemäß einer Ausführungsform, wie in 5 und 7 gezeigt, wird ein strahlenteilendes Ablenkelement 200 in Form eines pyramidenförmigen reflektierenden optischen Elements 201 bereitgestellt, das am distalen Ende eines optischen Stifts 120 (anstelle des reflektierenden Elements 155 aus 1) angebracht werden kann. Das strahlenteilende Ablenkelement 200 ermöglicht das Messen eines geometrischen Merkmals eines Lochs, wie etwa eines Kreisdurchmessers, ohne den optischen Stift 120 drehen zu müssen.
Wie in 5 gezeigt, weist das rechtwinklig dreieckig pyramidenförmige reflektierende optische Element 201 eine dreieckige Grundfläche 202 auf, weist einen Scheitelpunkt 203 auf, der direkt über der Mitte der dreieckigen Grundfläche 202 ausgerichtet ist, und umfasst erste, zweite und dritte, ebene, reflektierende Facetten 204A, 204B und 204C, die jeweils mindestens drei Messrichtungen MD1, MD2 und MD3 entsprechen. Beispielsweise kann das pyramidenförmige reflektierende optische Element 201 ein rechtwinklig dreieckiges Pyramidenprisma sein, bei dem eine Spiegelbeschichtung auf jede der ebenen reflektierenden Facetten 204A, 204B und 204C aufgetragen ist. Zusätzlich mit Bezug auf 7 ist das pyramidenförmige reflektierende optische Element 201 derart eingerichtet, dass sein Scheitelpunkt 203 dem ankommenden Messlicht ML gegenüberliegt. Die drei ebenen reflektierenden Facetten 204A, 204B und 204C empfangen das Messlicht ML und verteilen (reflektieren) das Messlicht 196A, 196B und 196C gleichzeitig jeweils in mindestens drei Messrichtungen MD1, MD2 und MD3, die zu der mittleren Z-Achse querliegen, in Richtung auf die Innenfläche eines zu messenden Lochs. Ein Loch kann einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, einen nicht kreisförmigen Querschnitt (z. B. einen quadratischen Querschnitt) aufweisen, und kann nur teilweise von einer Innenfläche eines kreisförmigen oder nicht kreisförmigen Querschnitts umgeben sein.
Bei diversen Ausführungsbeispielen sind die mindestens drei Messrichtungen MD1, MD2 und MD3 gleichmäßig um 360 Grad verteilt. Beispielsweise bildet bei der abgebildeten Ausführungsform aus 5 jedes nebeneinanderliegende Paar der drei Messrichtungen MD1, MD2 und MD3 einen Winkel von 120 Grad, wobei jede der ebenen reflektierenden Facetten 204A, 204B und 204C im Vergleich zur NA des einfallenden Messlichts ML eine effektive numerische Apertur (NA) von ungefähr 0,6 NA aufweist. Insbesondere basiert die numerische Apertur von ungefähr 0,6 NA auf dem durchschnittlichen Strahlendurchmesser von 1,2 R, der von jeder der Messrichtungen MD1, MD2 und MD3 halbiert wird, wie in 5 gezeigt, wobei R der Radius des einfallenden Strahls ML ist, der auf die dreieckige Grundfläche 202 des pyramidenförmigen reflektierenden optischen Elements 201 projiziert wird. Andererseits, wie in 6 gezeigt, ist die numerische Apertur des reflektierenden Elements 155 aus 1 gleich NA, welche die gleiche ist wie die NA des Messlichts ML, das auf das reflektierende Element 155 einfällt. Die NA basiert auf der Strahlendreiecksgrundfläche der Länge 2R, die von der Messrichtung MD halbiert wird, wobei R der Radius des reflektierenden Elements 155 ist. Es sei zu beachten, dass die numerische Apertur von ungefähr 0,6 NA, die mit dem pyramidenförmigen reflektierenden optischen Element 201 verknüpft ist, nicht erheblich kleiner ist als die numerische Apertur NA des reflektierenden Elements 155 aus 1, und geeignet ist, um eine ausreichende Messlichtmenge zum Zweck des Ausführens einer chromatischen konfokalen Punktsensormessung gemäß diversen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu empfangen und auszugeben.
7 zeigt schematisch zwei der drei Messlichtstrahlen 196A, 196B, die von zweien der ebenen reflektierenden Facetten reflektiert werden, obwohl in Wirklichkeit drei Messlichtstrahlen jeweils von drei ebenen reflektierenden Facetten reflektiert werden. Insbesondere in 7 verbreitet sich das erste Messlicht 196A, das von der ersten ebenen reflektierenden Facette 204A reflektiert wird, in der ersten Messrichtung MD1, und das zweite Messlicht 196B, das von der zweiten ebenen reflektierenden Facette 204B reflektiert wird, verbreitet sich in der zweiten Messrichtung MD2. Der optische Stift 120 weist den gleichen Messbereich R', der durch RMIN' und RMAX' abgegrenzt wird, in jeder von der ersten und zweiten Messrichtung MD1 und MD2 auf, wie abgebildet. Obwohl dies in 7 nicht gezeigt ist, verbreitet sich das dritte Messlicht 196C, das von der dritten ebenen reflektierenden Facette 204C reflektiert wird, in der dritten Messrichtung MD3 und weist den gleichen Messbereich R' auf, der ebenfalls durch RMIN' und RMAX' abgegrenzt wird.
8 bildet eine allgemeine Überlegung beim Konfigurieren des strahlenteilenden Ablenkelements 200 in der Form des pyramidenförmigen reflektierenden optischen Elements 201 ab. 8 gilt auch für die Ausführungsform, bei der das strahlenteilende Ablenkelement 200 aus einem kegelförmigen optischen Element 340 gebildet ist, das nachstehend mit Bezug auf 15 bis 17 beschrieben wird. Im Allgemeinen kann der Scheitelhalbwinkel des pyramidenförmigen reflektierenden optischen Elements 201 (oder des kegelförmigen optischen Elements 340) folgendermaßen berechnet werden: Scheitelhalbwinkel = 45 – {sin^–1 (NA)}/4 Gl. (1)
Wenn man beispielsweise davon ausgeht, dass die numerische Apertur NA des einfallenden Strahls ML gleich 0,2 ist, dann wird der Scheitelhalbwinkel mit 42,11 Grad berechnet.
8 zeigt den Querschnitt des pyramidenförmigen reflektierenden optischen Elements 201 (oder des kegelförmigen optischen Elements 340), im Vergleich zum Querschnitt des reflektierenden Elements 115, wie in 1 gezeigt. Für das pyramidenförmige reflektierende optische Element 201 oder das kegelförmige optische Element 340, liegt der Halbwinkel des reflektierenden Oberflächenscheitelpunktes im Verhältnis zur mittleren Z-Achse und innerhalb der Ebene der zentralen Z-Achse, und das Messlicht beträgt bevorzugt weniger als 45 Grad, damit der Hauptstrahl des Messlichts 90 Grad im Verhältnis zu der mittleren Z-Achse des optischen Stifts beträgt. Die 42,11 Grad des zuvor berechneten Scheitelhalbwinkels erfüllen diese Bedingung. Bei diversen Ausführungsbeispielen besteht die allgemeine Regel darin, dass der Halbwinkel des Scheitelpunktes weniger als 45 Grad bei des NA-Winkels des Messlichts ML beträgt, wie in 8 gezeigt.
Gemäß diversen Ausführungsformen ist das Verfahren in der Lage, ein geometrisches Merkmal eines Lochs mit einer feinen Messauflösung von mindestens 5 Mikrometer zu messen.
Bei Anwendungen zum Inspizieren von diversen geometrischen Merkmalen von Löchern kann der optische Stift 120 mit einer beliebigen aus dem Stand der Technik bekannten Koordinatenmessmaschine (CMM) gekoppelt sein, die in der Lage ist, die genaue Position des optischen Stifts 120 entlang jeder der X-, Y- und Z-Achsen zu steuern. Typischerweise weist eine CMM eine Brücke, die entlang einer Achse der XY-Ebene bewegbar ist, und einen Schlitten, der entlang der Brücke entlang der anderen Achse der XY-Ebene bewegbar ist, auf. Die Z-Achsenbewegung wird durch eine senkrechte Spindel bereitgestellt, die sich anhand des Schlittens auf und ab bewegt. Wie in 9A gezeigt, umfasst das distale Ende der senkrechten Spindel 210 einer CMM 209 einen Sondenkopf 212, der konfiguriert ist, um verschiedenartige austauschbare längliche Sonden aufzunehmen, wie etwa den optischen Stift 120 gemäß diversen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Bei einer Ausführungsform kann der Sondenkopf 212 der CMM die standardmäßige Selbstverbindungskonfiguration von Renishaw^TM übernehmen, die für bestimmte industrielle Anwendungen am häufigsten verwendet wird und bei Renishaw Metrology Ltd., aus Gloucestershire, GB, erhältlich ist. Bei dem Beispiel aus 9A ist der optische Stift 120 mit dem Sondenkopf 212 gekoppelt, um ein geometrisches Merkmal eines Lochs, das ein Schraubengewinde 213 umfasst, zu inspizieren. Die CMM kommuniziert mit anderen Komponenten über eine Datenübertragungsleitung 199 (z. B. einen Bus), die durch einen Stecker 208 (z. B. einen „Mikro-D-” Stecker) mit einem Sondenkopfkabel 211 verbunden ist, das dem optischen Stift 120 Signale bereitstellt oder Signale von diesem empfängt. Die CMM 209, mit welcher der optische Stift 120 gekoppelt ist, wird von einem CMM-Controller 202 gesteuert, während der optische Stift 120 Daten mit der Schaltung zum Verarbeiten und Steuern von CPS-Stiftsignalen 207 (die bei einer Ausführungsform z. B. durch den Signalprozessor 166 und den Speicherabschnitt 168 in dem Elektronikabschnitt 160 aus 1 bereitgestellt wird) austauscht und von dieser gesteuert wird. Der Benutzer kann alle Komponenten über den Computer und die Benutzerschnittstelle 206 steuern.
Der CMM-Controller 202 umfasst einen Sondenkopf-Controller 203, der konfiguriert ist, um den Betrieb des Sondenkopfs 212 zu steuern, und einen Bewegungs-Controller 205, der spezifisch konfiguriert ist, um die genaue Position und die Bewegung des Sondenkopfs 212 und somit des optischen Stifts 120 in den X-, Y- und Z-Richtungen zu steuern, wie es in der Technik bekannt ist. Der CMM-Controller 202 umfasst auch eine Positionssperre 204, die eine XYZ-Position des Sondenkopfs 212 erzeugt. Eine entsprechende Positionssperre, die in der Schaltung zum Verarbeiten und Steuern von CPS-Stiftsignalen 207 enthalten ist, erzeugt ein XYZ-Sperrsignal des optischen Stifts 120 und kommuniziert mit der Positionssperre 204 in dem CMM-Controller 202, um die Koordinaten der CMM 209 mit den Messkoordinaten des optischen Stifts 120 zu synchronisieren. Somit können die geometrischen Merkmale eines Lochs, wie etwa die Lage des Mittelpunkts des Lochs, das von dem optischen Stift 120 inspiziert wird, der mit der CMM gekoppelt ist, basierend auf den CMM-Koordinaten bestimmt werden, die der Position des optischen Stifts 120 entsprechen, der in das Loch gesetzt wird.
Wie es nachstehend ausführlicher beschrieben wird, werden gemäß diversen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Verfahren bereitgestellt, die es einem Benutzer ermöglichen, ein geometrisches Merkmal eines Lochs eines Werkstücks mit einem CPS-Stift zu inspizieren oder zu messen, ohne den Stift drehen zu müssen. Bei diversen Anwendungen bedingen die Verfahren das Positionieren des optischen Stifts 120 in einem Loch, um mindestens drei Messpunkte der Innenfläche des Lochs zu bestimmen, ohne den optischen Stift 120 drehen zu müssen. Bei weiteren Anwendungen bedingen die Verfahren das lineare Bewegen des optischen Stifts 120 entlang einer oder mehrerer der X-, Y- und Z-Achsen, um dadurch mindestens drei Messpunkte der Innenfläche des Lochs zu bestimmen, ohne den optischen Stift 120 drehen zu müssen. Derartige lineare Verschiebungen des optischen Stifts 120 sind ohne Weiteres durch eine beliebige standardmäßige CMM zu erledigen, mit welcher der optische Stift 120 gekoppelt werden kann. Die Anweisungen zum Inspizieren eines Werkstücks, das diverse zu inspizierende Merkmale, wie etwa Löcher, umfasst, sind typischerweise als Werkstückprogramm oder Teileprogramm ausgebildet, das von der CMM ausgeführt werden kann.
Als anderes Beispiel kann der optische Stift 120 in Verbindung mit einem aus der Technik bekannten System zur maschinellen Sichtinspektion verwendet werden, wie etwa die Reihe QUICK VISION^® QV Apex von mikroskopischen Sichtsystemen, die bei Mitutoyo America Corporation aus Aurora, Ill., erhältlich ist. Kurz gesagt umfasst ein System zur maschinellen Sichtinspektion ein bewegbares Sicht-(Kamera)System und einen bewegbaren Arbeitstisch, auf den visuell zu inspizierendes Werkstück gelegt wird. Das Sichtsystem und/oder der Arbeitstisch ist bzw. sind entlang den X-, Y- und Z-Achsen derart bewegbar, dass das Sichtsystem ein vollständiges Bild des Werkstücks erfassen kann, das zu Zwecken der Inspektion und Analyse auf den Arbeitstisch gelegt werden kann. Die Anweisungen zum Erfassen eines Bildes eines Werkstücks, das diverse zu inspizierende Merkmale, wie etwa Löcher, umfasst, und zum Inspizieren des erfassten Bildes sind typischerweise als Werkstückprogramm oder Teileprogramm ausgebildet, das auf dem System zur maschinellen Sichtinspektion ausgeführt werden kann. Einige der Sichtsysteme können ein Sondenteilsystem umfassen, das konfiguriert ist, um eine Spezialsonde zu halten, wie etwa den optischen Stift 120 gemäß diversen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Somit kann durch Koppeln des optischen Stifts 120 mit dem Sondenteilsystem des Sichtsystems ein Benutzer den Controller des Systems zur maschinellen Sichtinspektion verwenden, um die Position und die lineare Bewegung des optischen Stifts 120 in den X-, Y- und Z-Richtungen zu steuern, um dadurch mindestens drei Messpunkte der Innenfläche eines Lochs zu erzielen, ähnlich wie das Verwenden einer CMM, um die Position und die lineare Bewegung des optischen Stifts 120 zu steuern. Bei dieser Konfiguration können standardmäßige CMM-Techniken zusammen mit standardmäßigen Maschinenvisionstechniken verwendet werden, um das Sondenteilsystem zu steuern, um den optischen Stift 120 und somit das strahlenteilende Ablenkelement 200 des optischen Stifts 120 mit Bezug auf das zu messende Loch automatisch zu positionieren und zu bewegen, gemäß diversen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
9B ist ein allgemeines Ablaufschema eines Verfahrens zum Verwenden eines CPS-Systems, um ein geometrisches Merkmal eines Lochs zu inspizieren, gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
In Block 220 ist der erste Schritt ein Schritt des Positionierens des optischen Stifts 120 in einer Position im Innern des Lochs, so dass das Messlicht auf die Innenfläche in mindestens drei Messrichtungen einfällt. Beispielsweise funktioniert der Elektronikabschnitt 160 des CPS 100 derart, dass das Messlicht auf die Innenfläche in den mindestens drei Messrichtungen einfällt.
In Block 222 ist der zweite Schritt ein Schritt des Empfangens des Messlichts, das aus den mindestens drei Messrichtungen zurück durch die konfokale Apertur 195 des optischen Stifts 120, der in der Position in dem Loch positioniert ist, reflektiert wird. Beispielsweise empfängt das Spektrometer (bei 162 aus 7) das Messlicht, das aus den mindestens drei Messrichtungen zurück durch die konfokale Apertur 195 reflektiert wird.
In Block 224 ist der dritte Schritt ein Schritt des Betätigens des CPS-Systems, um ein spektrales Intensitätsprofil des Messlichts zu erzielen (siehe 2), wobei das spektrale Intensitätsprofil spektrale Spitzenkomponenten umfasst, die den Entfernungen zur Innenfläche entsprechen, die innerhalb des Messbereichs „R” des optischen Stifts in den mindestens drei Messrichtungen liegen. Die spektralen Spitzenkomponenten können voneinander isoliert sein oder nicht, wie es nachstehend in diversen Beispielen beschrieben wird.
In Block 226 ist der vierte Schritt ein Schritt des Bestimmens des geometrischen Merkmals des Lochs mindestens teilweise basierend auf Signalverarbeitungsvorgängen, die das Analysieren des spektralen Intensitätsprofils umfassen, um mindestens eine erste Abstandmessung von dem optischen Stift 120 zur Innenfläche in mindestens einer ersten Messrichtung zu bestimmen.
Der vierte Schritt von Block 226 kann von dem Elektronikabschnitt 160 des CPS 100, von einem externen System, wie etwa einer CMM, mit der das CPS 100 gekoppelt ist, oder von einer Kombination von beiden bei diversen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden. Beispielsweise kann der vierte Schritt von Block 226 wiederum mindestens einen der nachstehenden folgenden Schritte a), b) und c) umfassen:

a) der Signalprozessor des Elektronikabschnitts 160 bestimmt das geometrische Merkmal des Lochs mindestens teilweise basierend auf Signalverarbeitungsvorgängen, die das Analysieren des spektralen Intensitätsprofils umfassen, um mindestens eine erste Abstandmessung von dem optischen Stift zu der Innenfläche in mindestens einer ersten Messrichtung zu bestimmen;
b) der Signalprozessor des Elektronikabschnitts 160 analysiert das spektrale Intensitätsprofil, um mindestens eine erste Abstandmessung von dem optischen Stift zu der Innenfläche in mindestens einer ersten Messrichtung zu bestimmen, und gibt die mindestens erste Abstandmessung an ein externes System, wie etwa eine CMM, aus, das konfiguriert ist, um das geometrische Merkmal des Lochs mindestens teilweise basierend auf der mindestens ersten Abstandmessung zu bestimmen; und
c) der Signalprozessor des Elektronikabschnitts 160 gibt das spektrale Intensitätsprofil an ein externes System, wie etwa eine CMM, aus, das konfiguriert ist, um das geometrische Merkmal des Lochs mindestens teilweise basierend auf Signalverarbeitungsvorgängen zu bestimmen, die das Analysieren des spektralen Intensitätsprofils umfassen, um mindestens eine erste Abstandmessung von dem optischen Stift zu der Innenfläche in mindestens einer ersten Messrichtung zu bestimmen.

Bei diversen Ausführungsformen weist das zu messende Loch einen Radius r auf, und das Verfahren der Erfindung kann das Konfigurieren oder Auswählen des optischen Stifts 120 umfassen, so dass sich sein Messbereich R in jeder der mindestens drei Messrichtungen mindestens in einer Entfernung RMAX' von seiner mittleren Z-Achse erstreckt, wobei RMAX' > r. Dies trägt dazu bei sicherzustellen, dass die Innenfläche des zu inspizierenden Lochs in den Messbereich R des optischen Stifts 120 in allen Messrichtungen passt. Dann kann der erste Schritt des Positionierens des optischen Stifts 120 in einer Position innerhalb eines Lochs (Block 220) das ungefähr zentrierte Positionieren des optischen Stifts 120 in dem Loch umfassen, so dass alle spektralen Spitzenkomponenten in dem spektralen Intensitätsprofil im Wesentlichen zusammenfallen, um eine kombinierte spektrale Spitze zu bilden, die einen durchschnittlichen Radius der Innenfläche in den mindestens drei Messrichtungen angibt. Beispielsweise kann der erste Schritt das Positionieren des optischen Stifts 120 in einer Position umfassen, welche die höchste oder schmalste kombinierte spektrale Spitze von denjenigen bereitstellt, die von dem optischen Stift 120 erzielt werden, der in eine Vielzahl von Positionen in dem Loch gesetzt wird. Dieses Ergebnis ist mit dem zuvor beschriebenen pyramidenförmigen reflektierenden optischen Element 201 oder mit dem kegelförmigen reflektierenden optischen Element, das nachstehend mit Bezug auf 15 bis 17 beschrieben wird, erreichbar. Wenn der optische Stift 120 mit einer CMM gekoppelt ist, kann die CMM verwendet werden, um den optischen Stift 120 ungefähr in der Mitte des Lochs zu positionieren. Beispielsweise definiert ein Teileprogramm zum Inspizieren eines bestimmten Werkstücks, das Werkstückmerkmale umfasst, wie etwa zu inspizierende Löcher, die Größe und Position jedes der Löcher auf dem Werkstück, und somit kann eine CMM den optischen Stift 120 mit Bezug auf das Loch in dem CMM-Koordinatensystem mit Bezug auf das Teileprogramm positionieren und orientieren. Die Lage des Mittelpunkts des Lochs kann basierend auf den CMM-Koordinaten, die der Position des optischen Stifts 120 entsprechen, wie er von der CMM gesteuert wird, bestimmt werden.
Da eine CMM den optischen Stift 120 mit Bezug auf ein zu inspizierendes Loch in dem CMM-Koordinatensystem positionieren und orientieren kann, kann bei diversen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung der erste Schritt des Positionierens des optischen Stifts 120 in einer Position innerhalb eines Lochs (Block 220) das dezentrierte Positionieren des optischen Stifts 120 in dem Loch umfassen, so dass mindestens drei spektrale Spitzenkomponenten in dem spektralen Intensitätsprofil als isolierte spektrale Spitzenkomponenten erzielt werden, die jeweils den Entfernungen von dem optischen Stift 120 zur Innenfläche in den mindestens drei Messrichtungen entsprechen. Wenn der optische Stift 120 beispielsweise mit einer CMM gekoppelt ist, die ein Teileprogramm ausführt, können Position und Orientierung des Messbereichs R des optischen Stifts 120 in jeder der mindestens drei Messrichtungen der CMM bekannt sein und/oder von dieser kalibriert werden. Somit kann die CMM den optischen Stift 120 innerhalb des Lochs genau positionieren und orientieren, so dass sich die mindestens drei Messrichtungen in Richtung auf mindestens drei gewünschte (vorbestimmte) Punkte auf der Innenfläche des Lochs erstrecken, und dabei sicherstellen, dass diese mindestens drei zu inspizierenden Punkte jeweils in den Messbereich R des Lichts in den mindestens drei Messrichtungen fallen. Dann bildet das Messlicht, das aus den mindestens drei Messrichtungen reflektiert wird, jeweils mindestens drei spektrale Spitzenkomponenten, die voneinander in einem einzigen Intensitätsprofil isoliert sind. Die mindestens drei spektralen Spitzenkomponenten können verwendet werden, um mindestens drei Abstandmessungen von dem optischen Stift 120 zur Innenfläche jeweils in den mindestens drei Messrichtungen zu bestimmen.
Bei anderen Ausführungsformen und Anwendungen sind nicht alle drei spektralen Spitzenkomponenten oder mehrere davon voneinander in einem einzigen spektralen Intensitätsprofil isoliert. Wenn beispielsweise ein Loch (oder Lochdurchmesser) mit Bezug auf den Messbereich R des optischen Stifts zu groß ist, kann in einem spektralen Intensitätsprofil nur eine spektrale Spitzenkomponente in einer Messrichtung bestimmt werden. Insbesondere wenn das Loch einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Radius r aufweist, kann sich der Messbereich R des optischen Stifts in jeder der mindestens drei Messrichtungen höchstens über eine Entfernung RMAX' von seiner mittleren Z-Achse erstrecken, wobei RMAX' < r. Als anderes Beispiel können einige Anwendungen das Bestimmen einer spektralen Spitzenkomponente zu einem Zeitpunkt in einem einzigen spektralen Intensitätsprofil erfordern, wie etwa wenn die Lage einer Seite eines quadratischen Lochs bestimmt wird. Bei diesen Ausführungsformen und Anwendungen kann der erste Schritt des Positionierens des optischen Stifts 120 in einer Position innerhalb eines Lochs (Block 220) das Positionieren des optischen Stifts 120 in einer ersten dezentrierten Position in dem Loch umfassen, so dass mindestens eine erste spektrale Spitzenkomponente in dem spektralen Intensitätsprofil eine isolierte spektrale Spitzenkomponente ist, die einer einzigartigen Entfernung von dem optischen Stift 120 zur Innenfläche in einer entsprechenden einzigartigen Messrichtung in der ersten dezentrierten Position entspricht. Die Winkelrichtung eines Punktes auf der Innenfläche, welche die erste spektrale Spitzenkomponente mit Bezug auf den optischen Stift 120 generiert hat, kann aus der Richtung der ersten dezentrierten Position gegenüber dem Nennmittelpunkt des Lochs 301 abgeleitet werden, die typischerweise basierend auf der anfänglichen Einrichtung des CPS-Systems und/oder einem Teileprogramm, das zum Inspizieren des Lochs 301 verwendet wird, bekannt ist.
Wenn dann der optische Stift 120 mit einer CMM gekoppelt ist und die CMM verwendet wird, um den optischen Stift 120 in dem Loch zu positionieren, können die Schritte des Positionierens des optischen Stifts 120 (Block 220), des Empfangens des Messlichts (Block 222) und des Betätigens des CPS-Systems, um ein spektrales Intensitätsprofil zu erzielen (Block 224) jeweils den zweiten und dritten dezentrierten Positionen des optischen Stifts 120 entsprechend wiederholt werden. Daraufhin werden mindestens zweite und dritte isolierte spektrale Spitzenkomponenten jeweils in zweiten und dritten spektralen Intensitätsprofilen erzielt, wobei es sich um isolierte spektrale Spitzenkomponenten handelt, die einzigartigen Entfernungen von dem optischen Stift zu der Innenfläche in entsprechenden einzigartigen Messrichtungen jeweils an den zweiten und dritten dezentrierten Positionen entsprechen. Der Schritt des Bestimmens des geometrischen Merkmals des Lochs (Block 226) umfasst: (a) das Analysieren mindestens der ersten, zweiten und dritten spektralen Intensitätsprofile, um mindestens erste, zweite und dritte Abstandmessungen von dem optischen Stift zu der Innenfläche in den entsprechenden einzigartigen Messrichtungen an den ersten, zweiten und dritten dezentrierten Positionen zu bestimmen, und (b) das Bestimmen des geometrischen Merkmals des Lochs basierend auf mindestens den ersten, zweiten und dritten Abstandmessungen und von CMM-Koordinaten, die jeweils den ersten, zweiten und dritten dezentrierten Positionen entsprechen.
10 und 11 bilden ein Verfahren ab zum Isolieren einer spektralen Spitzenkomponente auf einmal, d. h. in einem einzigen spektralen Intensitätsprofil, und zum mindestens dreimaligen Wiederholen des Prozesses, um mindestens drei isolierte spektrale Spitzenkomponenten zu erzielen. Mit Bezug insbesondere auf 10A geht man bei dieser Ausführungsform davon aus, dass ein Durchmesser D eines Lochs 301 mit Bezug auf den Messbereich R' des optischen Stifts groß ist, um die folgende Beziehung zu erfüllen: s + d/2 + R'/2 < D/2 Gl. (2) wobei s ein Arbeitsabstand des optischen Stifts 120 ist, der sich im Innern des Lochs 301 befindet (siehe 1), d ein Durchmesser des optischen Stifts 120 ist, der darin passend das strahlenteilende Ablenkelement 200 aufnimmt, und R' der Messbereich des optischen Stifts ist.
Zusätzlich mit Bezug auf 11, die ein Ablaufschema ist, das ein beispielhaftes Verfahren abbildet, wird in Block 330 der optische Stift 120, der das strahlenteilende Ablenkelement 200 umfasst, in das Innere des Lochs 301 gesetzt. Wie zuvor mit Bezug auf 7 beschrieben, weist der optische Stift 120 eine konfokale Apertur 195 auf und projiziert die Messlichtstrahlen 196A, 196B und 196C jeweils in mindestens drei Messrichtungen MD1, MD2 und MD3. Nachdem der optische Stift 120 in das Innere des Lochs 301 gesetzt wurde, wird eine anfängliches Z-Abtastung ausgeführt, um eine Reihe von Koordinaten (X0, Y0) des Mittelpunkts des optischen Stifts 120 entlang der Z-Achse zu erzielen, indem der optische Stift 120 entlang der Z-Achse bewegt wird, was insgesamt als anfängliche Z-Abtastung bezeichnet wird. Die anfängliche Z-Abtastung wird erzielt, um Referenzkoordinaten (X0, Y0) des optischen Stifts 120 für jeden Wert entlang der Z-Achse zu generieren. Da man davon ausgeht, dass das Loch 301 mit Bezug auf den Messbereich des optischen Stifts groß ist, geht man während der anfänglichen Z-Abtastung davon aus, dass die Innenfläche des Lochs 301 außerhalb des Messbereichs R (oder „RMAX'” aus 7) jedes der Messstrahlen 196A, 196B und 196C liegt. Somit wird erwartet, dass die spektralen Daten, die an diesem Punkt erzielt werden, schwach sind und keine getrennte Spitzenkomponente umfassen.
In Block 332 in 11 mit Bezug auf 10B wird die CMM gesteuert, um den optischen Stift 120 in einer der drei Messrichtungen zu bewegen. Bei der abgebildeten Ausführungsform wird der optische Stift 120 in der zweiten Messrichtung MD2 bewegt, wie durch einen Pfeil 333 angegeben, so dass die Innenfläche des Lochs 301, auf welche das zweite Messlicht 196B trifft, in den Messbereich R des zweiten Messlichts 196B fällt. Somit würde das zweite Messlicht 196B eine spektrale Spitzenkomponente 321B erzeugen, die zusammen mit den anfänglichen Z-Abtastungsdaten und den Koordinaten des Mittelpunkts des optischen Stifts 120 an diesem Punkt verwendet werden kann (wie in 10B gezeigt), um die Koordinaten (X1, Y1) des Punktes zu erzielen, an dem das zweite Messlicht 196B auf die Innenfläche des Lochs 301 trifft. Dann wird der optische Stift 120, der mit Bezug auf das Loch 301 positioniert wurde, um die erste spektrale Spitzenkomponente 321B zu erzielen, entlang der Z-Achse in dem Loch 301 bewegt, um eine Reihe von Koordinaten (X1, Y1) als Funktion von Z zu erzielen. Die Z-Abtastung an diesem Punkt wird als erste Z-Abtastung bezeichnet, welche die erste von drei ähnlichen auszuführenden Z-Abtastungen ist, wie es nachstehend beschrieben wird.
In Block 334 in 11 mit Bezug auf 10C wird die CMM gesteuert, um den optischen Stift 120 in einer anderen der drei Messrichtungen zu bewegen. Bei der abgebildeten Ausführungsform wird der optische Stift 120 in der dritten Messrichtung MD3 bewegt, wie durch einen Pfeil 335 angegeben, so dass die Innenfläche des Lochs 301, auf die das dritte Messlicht 196C trifft, in den Messbereich R des dritten Messlichts 196C fällt. Somit würde das dritte Messlicht 196C eine spektrale Spitzenkomponente 321C erzeugen, die zusammen mit den anfänglichen Z-Abtastungsdaten und den Koordinaten des Mittelpunkts des optischen Stifts 120 an diesem Punkt verwendet werden kann (wie in 10C gezeigt), um die Koordinaten (X2, Y2) des Punktes, an dem das dritte Messlicht 196C auf die Innenfläche des Lochs 301 trifft, zu erzielen. Dann wird der optische Stift 120, der mit Bezug auf das Loch 301 positioniert wurde, um die zweite spektrale Spitzenkomponente 321C zu erzielen, entlang der Z-Achse in dem Loch 301 bewegt, um eine Reihe von Koordinaten (X2, Y2) als Funktion von Z zu erzielen. Die Z-Abtastung an diesem Punkt wird als zweite Z-Abtastung bezeichnet, welche die zweite von drei ähnlichen auszuführenden Z-Abtastungen ist.
In Block 336 in 11 mit Bezug auf 10D wird die CMM gesteuert, um den optischen Stift 120 in der letzten der drei Messrichtungen zu bewegen. Bei der abgebildeten Ausführungsform wird der optische Stift 120 in der ersten Messrichtung MD1 bewegt, wie durch einen Pfeil 337 angegeben, so dass die Innenfläche des Lochs 301, auf die das erste Messlicht 196A trifft, in den Messbereich R des ersten Messlichts 196A fällt. Somit würde das erste Messlicht 196A eine spektrale Spitzenkomponente 321C erzeugen, die zusammen mit den anfänglichen Z-Abtastungsdaten und den Koordinaten des Mittelpunkts des optischen Stifts 120 an diesem Punkt verwendet werden kann (wie in 10D gezeigt), um die Koordinaten (X3, Y3) des Punktes, an dem das erste Messlicht 196A auf die Innenfläche des Lochs 301 trifft, zu erzielen. Dann wird der optische Stift 120, der mit Bezug auf das Loch 301 positioniert wurde, um die erste spektrale Spitzenkomponente 321A zu erzielen, entlang der Z-Achse in dem Loch 301 bewegt, um eine Reihe von Koordinaten (X3, Y3) als Funktion von Z zu erzielen. Die Z-Abtastung an diesem Punkt wird als dritte Z-Abtastung bezeichnet, welche die letzte von drei ähnlichen auszuführenden Z-Abtastungen ist.
Die ersten, zweiten und dritten Z-Abtastungen können bei einigen Ausführungsformen in der gleichen Richtung entlang der Z-Achse ausgeführt werden, während bei anderen Ausführungsformen, je nach Anwendung und Betätigung, eine dieser Abtastungen in der entgegengesetzten Richtung entlang der Z-Achse ausgeführt werden kann.
An diesem Punkt wurden drei Koordinatensätze erzielt: eine Reihe von Koordinaten (X1, Y1), die eine erste Position angeben, an der das zweite Messlicht 196B auf die Innenfläche des Lochs 301 trifft, als Funktion von Z; eine Reihe von Koordinaten (X2, Y2), die eine zweite Position angeben, an der das dritte Messlicht 196C auf die Innenfläche des Lochs 301 trifft, als Funktion von Z; und eine Reihe von Koordinaten (X3, Y3), die eine dritte Position angeben, an der das erste Messlicht 196A auf die Innenfläche des Lochs 301 trifft, als Funktion von Z. Dann kann in Block 338 aus 11 ein geometrisches Merkmal des Lochs 301, wie etwa der Lochdurchmesser und dergleichen, basierend auf diesen drei Koordinatensätzen bestimmt werden, die drei Positionen auf einer X-Y-Ebene als Funktion von Z (d. h. entlang der Z-Achse) angeben.
Bei diversen Anwendungen können verschiedene optische Stifte 120, die verschiedene physische Konfigurationen (z. B. Durchmesser) und optische Merkmale (z. B. verschiedene Messbereiche R) aufweisen, bereitgestellt werden, und ein geeigneter Stift kann je nach der relativen Größe eines zu messenden Lochs ausgewählt werden.
Bei einigen beispielhaften Anwendungen der Erfindung umfasst die Innenfläche des Lochs ein Schraubengewinde, und der optische Stift 120 ist mit einer CMM gekoppelt, die verwendet wird, um den optischen Stift 120 zu positionieren. Der Schritt des Positionierens des optischen Stifts 120 in einer Position in dem Loch (Block 220 in 9B) umfasst das Positionieren des optischen Stifts 120 an einer aktuellen Position, die einer axialen Position in einer Richtung, die zu einer mittleren Achse des Lochs (d. h. der Z-Richtung) parallel ist, und einer aktuellen dezentrierten Position quer zur zentralen Achse des Lochs entspricht, so dass mindestens eine erste spektrale Spitzenkomponente in dem entsprechenden spektralen Intensitätsprofil als isolierte spektrale Spitzenkomponente erzielt wird, die einer einzigartigen Entfernung von dem optischen Stift 120 zur Innenfläche in einer entsprechenden einzigartigen Messrichtung in der aktuellen Position entspricht. Das Verfahren umfasst ferner das Wiederholen der Schritte des Positionierens des optischen Stifts 120 (Block 220 in 9B), des Empfangens des Messlichts (Block 222 in 9B) und des Betätigens des CPS-Systems, um ein spektrales Intensitätsprofil (Block 224 in 9B) an einer Vielzahl von verschiedenen aktuellen Positionen zu erzielen, die einer Vielzahl von verschiedenen axialen Positionen (in Z-Richtung) entspricht. Ein geometrisches Merkmal des Lochs, welches das Schraubengewinde umfasst, wie etwa die Gewindehöhe und dergleichen, wird bestimmt durch: (a) das Analysieren einer Vielzahl von spektralen Intensitätsprofilen, die jeweils der Vielzahl von verschiedenen aktuellen Positionen entspricht, die der Vielzahl von verschiedenen axialen Positionen entspricht, um eine Vielzahl von Abstandmessungen von dem optischen Stift 120 zu dem Schraubengewinde in einer entsprechenden einzigartigen Messrichtung in der Vielzahl von verschiedenen aktuellen Positionen zu bestimmen, die der Vielzahl von verschiedenen axialen Positionen entspricht, und (b) das Bestimmen des geometrischen Merkmals des Schraubengewindes basierend auf mindestens einigen von der Vielzahl von Abstandmessungen an der Vielzahl von verschiedenen aktuellen Positionen, die der Vielzahl von verschiedenen axialen Positionen entspricht. Die CMM-Koordinaten können verwendet werden, um mindestens einige von der Vielzahl von verschiedenen aktuellen Positionen zu kennzeichnen.
12 und 13 beschreiben ein anderes Verfahren des Betätigens eines CPS-Systems, um ein geometrisches Merkmal eines Lochs zu inspizieren, wobei das Loch mit Bezug auf den Messbereich R des optischen Stifts 120 eher klein ist, anders als bei dem Fall, der zuvor mit Bezug auf 10 und 11 beschrieben wurde, wo das Loch relativ groß ist. Insbesondere mit Bezug auf 12A geht man bei dieser Ausführungsform davon aus, dass ein Loch 300 einen Durchmesser D aufweist, der mit Bezug auf den Messbereich des optischen Stifts R' relativ klein ist, um die folgende Beziehung zu erfüllen: s + d/2 + R'/2 > D/2 Gl. (3) wobei s ein Arbeitsabstand des optischen Stifts 120 ist, der sich im Innern des Lochs 300 befindet (siehe 1), d ein Durchmesser des optischen Stifts 120 ist, der darin passend das strahlenteilende Ablenkelement 200 aufnimmt, und R' ein Messbereich des optischen Stifts 120 ist.
Zusätzlich mit Bezug auf 13, die ein Ablaufschema ist, das ein beispielhaftes Verfahren abbildet, wird in Block 320 der optische Stift 120, der das strahlenteilende Ablenkelement 200 umfasst, in das Loch 300 gesetzt. Wie zuvor mit Bezug auf 7 beschrieben, weist der optische Stift 120 eine konfokale Apertur 195 auf und projiziert mindestens drei Messlichtstrahlen 196A, 196B und 196C in jeweils mindestens drei Messrichtungen MD1, MD2 und MD3. Wenn der optische Stift 120 in das Loch 300 gesetzt wird, werden die Koordinaten (X0, Y0) des Mittelpunkts des optischen Stifts 120 von einer CMM erzielt, mit welcher der optische Stift 120 gekoppelt sein kann. Der optische Stift 120 wird in Z-Richtung geschwenkt (bewegt), um eine Reihe von Koordinaten (X0, Y0) entlang der Z-Achse zu erzielen (anfängliche Z-Abtastung). Die anfängliche Z-Abtastung wird erzielt, um Referenzkoordinaten (X0, Y0) des optischen Stifts 120 für jeden Wert entlang der Z-Achse zu generieren. Während der anfänglichen Z-Abtastung wird erwartet, dass sich die drei Messlichtstrahlen 196A, 196B und 196C ungefähr über gleiche oder ähnliche Entfernungen zur Innenfläche des Lochs 300 bewegen, um dadurch drei spektrale Spitzenkomponenten 321 zu erzeugen, die im Allgemeinen zusammenfallen. Bei dieser Hinsicht ist der Elektronikabschnitt 160 des CPS 100 (und/oder die Schaltung zum Verarbeiten und Steuern von CPS-Stiftsignalen 207 in 9A) konfiguriert, um spektrale Daten zu verarbeiten, die drei unterschiedliche Spitzenkomponenten enthalten, d. h. um die Verarbeitung des Generierens der spektralen Spitzenkomponente, wie in 2 abgebildet, für jede der drei unterschiedlichen Spitzenkomponenten auszuführen.
In Block 322 in 13 wird mit Bezug auf 12B die CMM gesteuert, um den optischen Stift 120 in einer der drei Messrichtungen zu bewegen. Bei der abgebildeten Ausführungsform wird der optische Stift 120 in der zweiten Messrichtung MD2 bewegt, wie durch einen Pfeil 323 angegeben, so dass die Entfernung, über die sich das zweite Messlicht 196B zur Innenfläche des Lochs 300 bewegt, länger wird als die Entfernung, über die sich die beiden anderen Messlichtstrahlen (196A und 196C) zur Innenfläche des Lochs 300 bewegen. Dies führt dazu, dass sich eine spektrale Spitzenkomponente 321B, die auf dem zweiten Messlicht 196B basiert, mit Bezug auf die spektralen Spitzenkomponenten 321A und 321C, die jeweils auf den ersten und dritten Messlichtstrahlen 196A und 196C basieren und sich auf kürzere Wellenlängen verschieben, auf längere Wellenlängen verschiebt. In der Tat kann die spektrale Spitzenkomponente 321B vom Rest der spektralen Spitzenkomponenten 321A und 321C isoliert werden, wie in 12B gezeigt.
In Block 324 in 13 mit Bezug auf 12C wird die CMM gesteuert, um den optischen Stift 120 in einer der drei Messrichtungen zu bewegen, wie etwa in der ersten Messrichtung MD1, wie durch einen Pfeil 325 angegeben. Somit wird die Entfernung, über die sich das erste Messlicht 196A zur Innenfläche des Lochs 300 bewegt, kürzer als die Entfernung, über die sich das dritte Messlicht 196C zur Innenfläche des Lochs 300 bewegt. Dies führt dazu, dass sich eine spektrale Spitzenkomponente 321A, die auf dem ersten Messlicht 196A basiert, mit Bezug auf die spektrale Spitzenkomponente 321C, die auf dem dritten Messlicht 196C basiert und sich auf längere Wellenlängen verschiebt, auf kürzere Wellenlängen verschiebt. In der Tat kann die spektrale Spitzenkomponente 321A von der spektralen Spitzenkomponente 321C isoliert werden, die beide von der spektralen Spitzenkomponente 321B, die auf dem zweiten Messlicht 196B basiert, in der obigen 12B isoliert wurden. Somit wird an diesem Punkt jede der drei spektralen Spitzenkomponenten 321A, 321B und 321C voneinander isoliert, wenn der optische Stift 120 mit Bezug auf das Loch 300 positioniert wird, wie in 12C abgebildet.
In Block 326 in 13 wird der optische Stift 120, der derart angeordnet wurde, dass er die drei spektralen Spitzenkomponenten 321A, 321B und 321C aufweist, die deutlich voneinander isoliert sind, entlang der Z-Achse in dem Loch 300 bewegt, um dadurch geometrische Messungen (z. B. Durchmesser) des Lochs 300 als Funktion von Z zu erzielen. Die Z-Abtastung an diesem Punkt wird im Vergleich zu der anfänglichen Z-Abtastung, die in dem obigen Schritt 320 ausgeführt wird (siehe 12A), um eine Reihe von Referenzkoordinaten (X0, Y0) zu erzielen, als endgültige Z-Abtastung bezeichnet. Bei einigen Ausführungsformen werden sowohl die anfängliche Z-Abtastung als auch die endgültige Z-Abtastung in derselben Richtung ausgeführt, während bei anderen Ausführungsformen die beiden Abtastungen in entgegengesetzten Richtungen entlang der Z-Achse ausgeführt werden können. Diverse geometrische Merkmale eines Lochs, wie etwa Durchmesser und Gewindeprofilmessungen (z. B. Gewindehöhen), können basierend auf der anfänglichen Z-Abtastung bestimmt werden, d. h. der Sammlung von Referenzkoordinaten (X0, Y0) entlang der Z-Achse, den Koordinaten des Mittelpunkts des optischen Stifts 120, nachdem der optische Stift 120 in dem Loch 300 bewegt wurde, um drei unterschiedliche spektrale Spitzenkomponenten zu erreichen, und den Ablesungen der drei unterschiedlichen spektralen Spitzenkomponenten 321A, 321B und 321C.
Beispielsweise werden für jeden Wert von Z entlang der Z-Achse drei Messpunkte auf der X-Y-Ebene, wo die drei Messlichtstrahlen 196A, 196B und 196C das Loch 300 schneiden, erzielt basierend auf: (i) der anfänglichen Z-Abtastung, (ii) den Koordinaten des Mittelpunkts des optischen Stifts 120, nachdem er bewegt wurde, um drei unterschiedliche spektrale Spitzenkomponenten zu erfassen, und (iii) den Ablesungen der drei unterschiedlichen spektralen Spitzenkomponenten 321A, 321B und 321C. Dann kann basierend auf den erzielten drei Messpunkten der Durchmesser D des Lochs 300 (das bei dem abgebildeten Beispiel einen kreisförmigen Querschnitt aufweist) unter Verwendung des Grundsatzes erzielt werden, der in 4 abgebildet ist. Als andere Beispiele können die Gewindehöhen (siehe (3) in 3) durch Berechnen eines Unterschieds zwischen einer Entfernung zum unteren Teil eines Gewindes und einer Entfernung zum oberen Teil des Gewindes erzielt werden.
Es sei zu beachten, dass das strahlenteilende Ablenkelement 200 durch ein optisches Element bereitgestellt werden kann, das konfiguriert ist, um das Messlicht ML zu empfangen und in vier oder mehr Messlichtstrahlen zu unterteilen, wie etwa eine rechtwinklige Pyramide mit einer quadratischen Grundfläche, die vier ebene, reflektierende Facetten umfasst, die vier Messrichtungen entsprechen, die durch 90 Grad getrennt sind. Zusätzliche Messlichtstrahlen sind jedoch zum Zweck des Messens eines geometrischen Merkmals eines Lochs nicht notwendig, und reduzieren die NA jedes der Messlichtstrahlen weiter, was wiederum eine Verlängerung des Belichtungs-/Abtastungszeitraums erfordert, um den Messdurchsatz zu verringern. Auch wäre eine derartige Konfiguration schwieriger herzustellen und in den optischen Stift 120 einzubauen als das zuvor beschriebene pyramidenförmige reflektierende optische Element 201. Somit ist gemäß den diversen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung das strahlenteilende Ablenkelement 200 ein pyramidenförmiges reflektierendes optisches Element, das höchstens vier ebene reflektierende Facetten aufweist, die höchstens vier Messrichtungen entsprechen.
Mit Bezug auf 14 und wieder mit Bezug auf 12A wird ein anderes spezifisches Verfahren des Betätigens eines CPS-Systems beschrieben, um einen Radius oder einen Durchmesser eines Lochs zu bestimmen, das einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Wie in 12A gezeigt, geht man bei dieser Ausführungsform davon aus, dass ein Loch 300 einen Durchmesser D aufweist, der mit Bezug auf den Messbereich des optischen Stifts R klein ist, um die obige Gleichung (3) zu erfüllen, so dass bei dem optischen Stift 120, der ungefähr in der Mitte des Lochs 300 positioniert ist, die Innenfläche des Lochs 300 innerhalb des Messbereichs R jedes der Messlichtstrahlen 196A, 196B und 196C liegt.
In Block 330 aus 14 wird der optische Stift 120 in dem Loch 300 ungefähr in die Mitte des Lochs gesetzt. Wenn die Innenfläche in den Messbereich R jedes der Messlichtstrahlen fällt, wird zu diesem Zeitpunkt erwartet, dass drei spektrale Spitzenkomponenten 321, die auf den drei Messlichtstrahlen 196A, 196B und 196C basieren, im Allgemeinen zusammenfallen, wie in 12A gezeigt.
In Block 332 aus 14 wird die CMM gesteuert, um die Position des optischen Stifts 120 auf der X-Y-Ebene anzupassen, bis der Mittelpunkt des optischen Stifts 120 im Wesentlichen mit dem Mittelpunkt des Lochs 301 zusammenfällt, an welchem Punkt sich die drei spektralen Spitzenkomponenten 321A, 321B und 321C nominell genau aufeinander ausrichten, um eine einzige hohe und/oder schmale Spitze zu erzeugen. Das Erzeugen einer einzigen hohen und/oder schmalen Spitze gibt an, dass die Entfernung, über die sich die ersten, zweiten und dritten Messlichtstrahlen 196A, 196B und 196C bewegen, bevor sie auf die Innenfläche des Lochs 300 treffen, im Wesentlichen die gleiche ist, und somit kann die Entfernung als der Radius des Lochs 300 angesehen werden. Daher können die sich knapp überlappenden spektralen Spitzenkomponenten 321A, 321B und 321C an diesem Punkt verwendet werden, um den Radius des Lochs 300 anzugeben. Die Höhe und/oder Enge der sich überlappenden spektralen Spitzenkomponenten, die einen Radius angeben soll, kann je nach Anwendung angepasst werden.
In Block 334 aus 14 kann der optische Stift 120, dessen X-Y-Position derart angepasst wurde, dass eine einzige hohe und/oder schmale Spitze, die durch die drei Messlichtstrahlen 196A, 196B und 196C erzeugt wird, den Radius des Lochs 300 angibt, entlang der Z-Achse in dem Loch 300 bewegt werden, um eine Reihe von Radien als Funktion von Z zu erzielen.
Als nächstes wird mit Bezug auf 15 bis 17 noch ein weiteres Verfahren des Betätigens eines CPS-Systems zum Messen eines geometrischen Merkmals eines Lochs beschrieben, insbesondere eines Radius oder eines Durchmessers eines Lochs gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 15A und 15B gezeigt, verwendet die vorliegende Ausführungsform ein strahlenteilendes Ablenkelement 200 in der Form eines kegelförmigen optischen Elements 340. Wie in 7 gezeigt, kann das pyramidenförmige reflektierende optische Element 201 der zuvor beschriebenen Ausführungsformen durch das kegelförmige optische Element 340 ersetzt werden, und das kegelförmige optische Element 340 kann an dem distalen Endabschnitt des optischen Stifts 120 angebracht werden, wobei sein Scheitelpunkt 340A dem Messlicht ML zugewandt ist, das von der konfokalen Apertur 195 des optischen Stifts 120 ausgegeben wird. Wie in 15B schematisch abgebildet, reflektiert das kegelförmige optische Element 340 beim Empfangen des Messlichts ML das Messlicht ML, um eine konische Scheibe des Messlichts 342 zu erzeugen, die radial in Richtung auf die Innenfläche eines zu messenden Lochs projiziert wird. Das kegelförmige optische Element 340 kann ein kegelförmiges Prisma sein, auf dessen konischer Oberfläche eine Spiegelbeschichtung aufgetragen ist. In diesem Zusammenhang ist der Elektronikabschnitt 160 des chromatischen konfokalen Punktsensors 100 (und/oder die Schaltung zum Verarbeiten und Steuern von CPS-Stiftsignalen 207 in 9A) konfiguriert, um die spektralen Daten zu verarbeiten, die sich aus dem Kombinieren von spektralen Signalen ergeben, die auf mehreren radialen Strahlen basieren, die zusammen die konische Scheibe des Messlichts 342 bilden.
In Block 350 aus 17 und zusätzlich mit Bezug auf 16A geht man bei dieser Ausführungsform davon aus, dass ein Loch 300, das einen Durchmesser D aufweist, mit Bezug auf den optischen Stift 120 klein ist, um die obige Gleichung (3) zu erfüllen. Somit liegt bei dem optischen Stift 120, der ungefähr in der Mitte des Lochs 300 positioniert ist, die Innenfläche des Lochs 300 in dem Messbereich R der konischen Scheibe des Messlichts 342. Wenn der optische Stift 120 in das Loch 300 gesetzt wird, falls die Mitte des optischen Stifts 120 nicht mit der Mitte des Lochs 300 zusammenfällt, wird erwartet, dass die spektralen Daten eine breite schwache Spitze aufweisen, die auf mehreren radialen Strahlen basiert, die zusammen die konische Scheibe des Messlichts 342 bilden.
In Block 352 aus 17 und mit Bezug auf 16B wird die CMM gesteuert, um die Position des optischen Stifts 120 auf der X-Y-Ebene anzupassen, bis die Mitte des optischen Stifts 120 im Wesentlichen mit der Mitte des Lochs 300 zusammenfällt, an welchem Punkt sich die mehreren spektralen Spitzenkomponenten, die auf mehreren radialen Strahlen basieren, die zusammen die konische Scheibe des Messlichts 342 bilden, nominell genau überlappen, um eine stärkere schmale Spitze 360 zu erzeugen. Das Erzeugen einer einzigen schmalen Spitze 360 gibt an, dass die Entfernung, über die sich jeder der mehreren radialen Strahlen, die zusammen die konische Scheibe des Messlichts 342 bilden, bewegt, bevor er auf die Innenfläche des Lochs 300 trifft, im Wesentlichen die gleiche ist, und somit kann die Entfernung als der Radius des Lochs 300 angesehen werden. Daher kann die sich knapp überlappende spektrale Spitzenkomponente 360 an diesem Punkt verwendet werden, um den Radius des Lochs 300 anzugeben. Die Enge der sich überlappenden spektralen Spitzenkomponente, die einen Radius angeben soll, kann je nach Anwendung angepasst werden.
In Block 354 aus 17 kann der optische Stift 120, dessen X-Y-Position derart angepasst wurde, dass die einzigartig überlappende schmale spektrale Spitzenkomponente 340, die auf der konischen Scheibe des Messlichts 342 basiert, den Radius des Lochs 300 angibt, entlang der Z-Achse in dem Loch 300 bewegt werden, um eine Reihe von Radien als Funktion von Z zu erzielen.
Diverse Ausführungsformen der Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung wurden zuvor beschrieben. Diverse Merkmale von verschiedenen Ausführungsformen können selektiv kombiniert oder ersetzt werden, um noch weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu erstellen. Im Allgemeinen sind in den nachstehenden Ansprüchen die verwendeten Begriffe nicht als die Ansprüche auf die spezifischen Ausführungsformen, die in der Beschreibung und den Ansprüchen offenbart werden, einschränkend anzusehen, sondern sind dazu gedacht, alle möglichen Ausführungsform zusammen mit allen Äquivalenten, zu denen diese Ansprüche berechtigt sind, zu umfassen. Entsprechend sind die Ansprüche nicht durch die Offenbarung eingeschränkt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7477401 [0003]
US 7626705 [0005]
US 8194251 [0007, 0039]
US 7876456 [0039]
US 7990522 [0039]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Pseudocolor Effects of Longitudinal Chromatic Aberration”, G. Molesini und S. Quercioli, J. Optics (Paris), 1986, Band 17, Nr. 6, S. 279–282 [0002]

Claims

Verfahren zum Verwenden eines Systems mit einem chromatischen Punktsensor (CPS), um ein geometrisches Merkmal eines Lochs zu inspizieren, das mindestens teilweise von einer Innenfläche umgeben ist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Bereitstellen eines CPS-Systems, das Folgendes umfasst: einen Elektronikabschnitt, der einen Ausgangslicht-Generierungsabschnitt, ein Spektrometer und einen Signalprozessor umfasst; und einen optischen Stift, der ein Gehäuse, das sich entlang einer mittleren Z-Achse des optischen Stifts erstreckt, eine konfokale Apertur, die Ausgangslicht ausgibt, einen Abschnitt mit einer axialen chromatischen Aberration, der eingerichtet ist, um das Ausgangslicht einzugeben und Messlicht auszugeben, das mit der axialen chromatischen Aberration fokussiert wird, und ein strahlenteilendes Ablenkelement, das eingerichtet ist, um das Messlicht gleichzeitig in mindestens drei Messrichtungen quer zur mittleren Z-Achse zu verteilen, umfasst; Positionieren des optischen Stifts in einer Position im Innern des Lochs, so dass das Messlicht auf die Innenfläche in den mindestens drei Messrichtungen einfällt; Empfangen des Messlichts, das aus den mindestens drei Messrichtungen zurück durch die konfokale Apertur des optischen Stifts in der Position reflektiert wird; Betätigen des CPS-Systems, um ein spektrales Intensitätsprofil des Messlichts zu erzielen, wobei das spektrale Intensitätsprofil spektrale Spitzenkomponenten umfasst, die Entfernungen zur Innenfläche entsprechen, die innerhalb des Messbereichs des optischen Stifts in den mindestens drei Messrichtungen liegen; und Bestimmen des geometrischen Merkmals, mindestens teilweise auf Signalverarbeitungsvorgängen basierend, die das Analysieren des spektralen Intensitätsprofils, um mindestens eine erste Abstandmessung von dem optischen Stift zu der Innenfläche entlang mindestens einer ersten Messrichtung zu bestimmen, umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Loch einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, der einen Radius r aufweist, und das Verfahren das Konfigurieren oder Auswählen des optischen Stifts umfasst, so dass sich sein Messbereich in jeder der mindestens drei Messrichtungen mindestens über eine Entfernung RMAX' von seiner mittleren Z-Achse erstreckt, wobei RMAX' > r.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schritt des Positionierens des optischen Stifts in der Position das ungefähr zentrierte Positionieren des optischen Stifts in dem Loch umfasst, so dass alle spektralen Spitzenkomponenten in dem spektralen Intensitätsprofil im Wesentlichen zusammenfallen, um eine kombinierte spektrale Spitze zu bilden, die einen durchschnittlichen Radius der Innenfläche in den mindestens drei Messrichtungen angibt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der optische Stift mit einer Koordinatenmessmaschine (CMM) gekoppelt ist, und die CMM verwendet wird, um den optischen Stift zu positionieren, und das Verfahren ferner das Bestimmen der Lage des Mittelpunkts des Lochs basierend auf CMM-Koordinaten, die der Position entsprechen, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schritt des Positionierens des optischen Stifts in der Position das dezentrierte Positionieren des optischen Stift in dem Loch umfasst, so dass mindestens drei spektrale Spitzenkomponenten in dem spektralen Intensitätsprofil isolierte spektrale Spitzenkomponenten sind, die jeweils den Entfernungen von dem optischen Stift zu der Innenfläche in den mindestens drei Messrichtungen entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: der Schritt des Positionierens des optischen Stifts in der Position das Positionieren des optischen Stifts an einer ersten dezentrierten Position in dem Loch umfasst, so dass mindestens eine erste spektrale Spitzenkomponente in dem spektralen Intensitätsprofil eine isolierte spektrale Spitzenkomponente ist, die einer einzigartigen Entfernung von dem optischen Stift zu der Innenfläche in einer entsprechenden einzigartigen Messrichtung in der ersten dezentrierten Position entspricht; der optische Stift mit einer Koordinatenmessmaschine (CMM) gekoppelt ist, und die CMM verwendet wird, um den optischen Stift zu positionieren; das Verfahren das Wiederholen der Schritte des Positionierens, Empfangens und Betätigens umfasst, die den zweiten und dritten dezentrierten Positionen entsprechen, so dass mindestens zweite und dritte isolierte spektrale Spitzenkomponenten in zweiten und dritten spektralen Intensitätsprofilen jeweils isolierte spektrale Spitzenkomponenten sind, die einzigartigen Entfernungen von dem optischen Stift zu der Innenfläche in entsprechenden einzigartigen Messrichtungen in den zweiten und dritten dezentrierten Positionen entsprechen; und in dem Schritt des Bestimmens des geometrischen Merkmals die Signalverarbeitungsvorgänge folgende Schritte umfassen: a) Analysieren mindestens der ersten, zweiten und dritten spektralen Intensitätsprofile, um mindestens erste, zweite und dritte Abstandmessungen von dem optischen Stift zu der Innenfläche in den entsprechenden einzigartigen Messrichtungen an den ersten, zweiten und dritten dezentrierten Positionen zu bestimmen, und b) Bestimmen des geometrischen Merkmals des Lochs basierend auf mindestens den ersten, zweiten und dritten Abstandmessungen und CMM-Koordinaten, die jeweils den ersten, zweiten und dritten dezentrierten Positionen entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: die Innenfläche des Lochs Schraubengewinde umfasst; der optische Stift mit einer Koordinatenmessmaschine (CMM) gekoppelt ist, und die CMM verwendet wird, um den optischen Stift zu positionieren; der Schritt des Positionierens des optischen Stifts in der Position das Positionieren des optischen Stifts an einer aktuellen Position, die einer axialen Position in einer Richtung, die zu einer mittleren Achse des Lochs parallel ist, und einer aktuellen dezentrierten Position quer zur mittleren Achse des Lochs entspricht, umfasst, so dass mindestens eine erste spektrale Spitzenkomponente in dem entsprechenden spektralen Intensitätsprofil eine isolierte spektrale Spitzenkomponente ist, die einer einzigartigen Entfernung von dem optischen Stift zu der Innenfläche in einer entsprechenden einzigartigen Messrichtung an der aktuellen Position entspricht; das Verfahren das Wiederholen der Schritte des Positionierens, Empfangens und Betätigens an einer Vielzahl von verschiedenen aktuellen Positionen, die einer Vielzahl von verschiedenen axialen Positionen entspricht, umfasst; und in dem Schritt des Bestimmens des geometrischen Merkmals die Signalverarbeitungsvorgänge folgende Schritte umfassen: a) Analysieren einer Vielzahl von spektralen Intensitätsprofilen, die jeweils der Vielzahl von verschiedenen Positionen entspricht, die der Vielzahl von verschiedenen axialen Positionen entspricht, um eine Vielzahl von Abstandmessungen von dem optischen Stift zu den Schraubengewinden in einer entsprechenden einzigartigen Messrichtung an der Vielzahl von verschiedenen aktuellen Positionen, die der Vielzahl von verschiedenen axialen Positionen entspricht, zu bestimmen, und b) Bestimmen des geometrischen Merkmals der Schraubengewinde, basierend auf mindestens einigen von der Vielzahl von Abstandmessungen an der Vielzahl von verschiedenen aktuellen Positionen, die der Vielzahl von verschiedenen axialen Positionen entspricht.
System mit einem chromatischen konfokalen Punktsensor (CPS) zum Inspizieren eines geometrischen Merkmals eines Lochs, das mindestens teilweise von einer Innenfläche umgeben ist, wobei das CPS-System Folgendes umfasst: einen optischen Stift, der ein Gehäuse, das sich entlang einer mittleren Z-Achse des optischen Stifts erstreckt, eine konfokale Apertur, die Ausgangslicht ausgibt, einen Abschnitt mit einer axialen chromatischen Aberration, der eingerichtet ist, um das Ausgangslicht einzugeben und Messlicht auszugeben, das mit der axialen chromatischen Aberration fokussiert wird, und ein strahlenteilendes Ablenkelement, das eingerichtet ist, um das Messlicht gleichzeitig in mindestens drei Messrichtungen quer zur mittleren Z-Achse zu verteilen, umfasst; einen Elektronikabschnitt, der einen Ausgangslicht-Generierungsabschnitt, ein Spektrometer und einen Signalprozessor umfasst, wobei der Elektronikabschnitt derart konfiguriert ist, dass: wenn der optische Stift in einer Position im Innern des Lochs positioniert ist, der Elektronikabschnitt derart funktioniert, dass das Messlicht auf die Innenfläche in den mindestens drei Messrichtungen einfällt, und das Spektrometer das Messlicht empfängt, das aus den mindestens drei Messrichtungen zurück durch die konfokale Apertur des optischen Stifts in der Position reflektiert wird; der Signalprozessor zusammen mit dem Spektrometer funktioniert, um ein spektrales Intensitätsprofil des Messlichts zu erzielen, wobei das spektrale Intensitätsprofil spektrale Spitzenkomponenten umfasst, die den Entfernungen zur Innenfläche, die innerhalb des Messbereichs des optischen Stifts in den mindestens drei Messrichtungen liegen, entsprechen; und der Signalprozessor die Vorgänge ausführt, die mindestens jeweils einen von a), b) und c) umfassen: a) Bestimmen des geometrischen Merkmals des Lochs, mindestens teilweise auf Signalverarbeitungsvorgängen basierend, die das Analysieren des spektralen Intensitätsprofils umfassen, um mindestens eine erste Abstandmessung von dem optischen Stift zu der Innenfläche in mindestens einer ersten Messrichtung zu bestimmen; b) Analysieren des spektralen Intensitätsprofils, um mindestens eine erste Abstandmessung von dem optischen Stift zu der Innenfläche in mindestens einer ersten Messrichtung zu bestimmen, und Ausgeben der mindestens ersten Abstandmessung an ein externes System, das konfiguriert ist, um das geometrische Merkmal des Lochs mindestens teilweise auf der mindestens ersten Abstandmessung basierend zu bestimmen; und c) Ausgeben des spektralen Intensitätsprofils an ein externes System, das konfiguriert ist, um das geometrische Merkmal des Lochs mindestens teilweise auf Signalverarbeitungsvorgängen basierend zu bestimmen, die das Analysieren des spektralen Intensitätsprofils umfassen, um mindestens eine erste Abstandmessung von dem optischen Stift zu der Innenfläche in mindestens einer ersten Messrichtung zu bestimmen.
System mit einem chromatischen konfokalen Punktsensor nach Anspruch 8, wobei das strahlenteilende Ablenkelement eines von einem pyramidenförmigen reflektierenden optischen Element, das mindestens drei ebene reflektierende Facetten umfasst, die den mindestens drei Messrichtungen entsprechen, oder einem kegelförmigen reflektierenden optischen Element umfasst.
System mit einem chromatischen konfokalen Punktsensor nach Anspruch 8, wobei das externe System eine Koordinatenmessmaschine (CMM) umfasst, mit welcher der optische Stift gekoppelt ist, wobei die CMM konfiguriert ist zum: Steuern von Position und Bewegung des optischen Stifts, und automatisches Steuern des optischen Stifts in der Position im Innern eines Lochs, das sich auf einem Werkstück befindet, das von der CMM zu inspizieren ist, wobei die Position eine vorbestimmte Position ist, die in einem Teileprogramm definiert wird, das von der CMM ausgeführt wird; und Bestimmen des geometrischen Merkmals des Lochs, mindestens teilweise basierend auf der mindestens ersten Abstandmessung kombiniert mit CMM-Koordinaten, die der vorbestimmten Position entsprechen.