DE102017131466B4

DE102017131466B4 - Etalon step wave and method for calibrating optical measuring devices

Info

Publication number: DE102017131466B4
Application number: DE102017131466.0A
Authority: DE
Inventors: Lutz Jacob; Nora Kratsch
Original assignee: Jenoptik Industrial Metrology Germany GmbH
Current assignee: Jenoptik Industrial Metrology Germany GmbH
Priority date: 2017-12-29
Filing date: 2017-12-29
Publication date: 2020-12-31
Anticipated expiration: 2037-12-30
Also published as: DE102017131466A1

Abstract

Etalon-Stufenwelle zur Kalibrierung einer optischen Messeinrichtung, insbesondere einer Präzisionsmessmaschine für rotierbare Objekte, mit abgestuften radialen Stirnflächen, aufweisend- ein erstes und ein zweites zylinderförmiges Ende (11, 12) mit einem Durchmesser d und kegelförmige Vertiefungen (14) zum Einspannen der Etalon-Stufenwelle entlang einer Rotationsachse (13) in der Messeinrichtung (3),- eine Mehrzahl axial unmittelbar benachbart und koaxial angeordneter Zylinderabschnitte (15, 16) mit verschiedenen vorgewählten Durchmessern (Di) und vorgewählten Höhen Hi, die eine Stufenwelle (1) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass- ein mittlerer Zylinderabschnitt (15) zwischen dem ersten und zweiten Ende (11, 12) der Stufenwelle (1) angeordnet ist, der einen größten Durchmesser DAaufweist,- weitere Zylinderabschnitte (16) mit stufenweise kleiner werdenden Durchmessern Djzu beiden Seiten des mittleren Zylinderabschnitts (15) die treppenförmig nach außen abfallende Stufenwelle (1) bilden, und- ein separater Zylinderabschnitt als zylinderförmiger Bund (2) mit wenigstens einer freistehenden Referenzstirnflächen (21) am ersten oder zweiten Ende (11, 12) der Stufenwelle (1) angeordnet ist, der einen Durchmesser DBaufweist, der mit einem Durchmesser DNeines der entlang der Rotationsachse (13) außen liegenden weiteren Zylinderabschnitte (16) der treppenförmig nach außen abfallenden Stufenwelle (1) übereinstimmt.Etalon stepped shaft for calibrating an optical measuring device, in particular a precision measuring machine for rotatable objects, with stepped radial end faces, having a first and a second cylindrical end (11, 12) with a diameter d and conical recesses (14) for clamping the etalon Stepped shaft along an axis of rotation (13) in the measuring device (3), - a plurality of axially immediately adjacent and coaxially arranged cylinder sections (15, 16) with different preselected diameters (Di) and preselected heights Hi, which form a stepped shaft (1) characterized in that - a central cylinder section (15) is arranged between the first and second ends (11, 12) of the stepped shaft (1), which has a largest diameter DA, - further cylinder sections (16) with gradually decreasing diameters Dj on both sides of the middle cylinder section (15) form the stepped wave (1) sloping outwards, and - a separate cylinder section is arranged as a cylindrical collar (2) with at least one free-standing reference end face (21) at the first or second end (11, 12) of the stepped shaft (1), which has a diameter DB which corresponds to a diameter DN one of the Axis of rotation (13) outside further cylinder sections (16) of the stepped shaft (1) sloping outwards.

Description

Die Erfindung betrifft eine Etalon-Stufenwelle mit radial abgestuften Stirnflächen und ein Verfahren zum Kalibrieren optischer Messeinrichtungen zum Messen rotierbarer Werkstücke, insbesondere für optische Präzisionsmessmaschinen.The invention relates to an etalon stepped shaft with radially stepped end faces and a method for calibrating optical measuring devices for measuring rotatable workpieces, in particular for optical precision measuring machines.

Messeinrichtungen, mit denen rotierbare Werkstücke vermessen werden können, werden häufig auch unter den Bezeichnungen Wellenmessmaschine oder Wellenmessgerät geführt. Im Wesentlichen verwenden diese Präzisionsmessmaschinen ein mechanisches und/oder ein optisches Konturmessprinzip. Das optische Messprinzip basiert zumeist auf der Messung von Schatten des Werkstücks, die mittels einer geeigneten Beleuchtung erzeugt und mittels eines geeigneten Sensors erfasst werden.Measuring devices with which rotatable workpieces can be measured are often referred to as shaft measuring machines or shaft measuring devices. These precision measuring machines essentially use a mechanical and / or an optical contour measuring principle. The optical measuring principle is mostly based on the measurement of shadows on the workpiece, which are generated by means of suitable lighting and recorded by means of a suitable sensor.

Wie bei jedem anderen Messprinzip, ist auch die optische Präzisionsmessung von den Zuständen in der Messumgebung abhängig. Je nach erforderlicher Messgenauigkeit können z. B. unterschiedliche Temperaturen, Lichtverhältnisse oder Unterschiede in der Abbildungsqualität der Optik einen mehr oder weniger starken Einfluss auf das Messergebnis haben. Hinzu kommen Einflüsse, die spezifisch für das Schattenmessprinzip an rotierbaren Werkstücken sind.As with any other measuring principle, the optical precision measurement also depends on the conditions in the measuring environment. Depending on the required measurement accuracy, z. B. different temperatures, lighting conditions or differences in the image quality of the optics have a more or less strong influence on the measurement result. In addition, there are influences that are specific to the shadow measurement principle on rotatable workpieces.

Im Stand der Technik wurden dafür spezielle Kalibrierkörper entwickelt, die zur Feststellung und Justage der Messabweichungen und/oder zur Ermittlung von Korrekturdaten für eine rechentechnische Nachbereitung der Messdaten Verwendung finden. So ist beispielsweise in der DE 10 2011 050 036 B4 ein Konturnormal beschrieben, das mehrere nichtzylindrische Axialabschnitte, die konkav, konvex, unter Bildung eines definierten Winkels als Radialvorsprung oder -vertiefung ausgebildet sind, und dazwischen jeweils Zylinderabschnitte aufweisen, die zusammen den Kalibrierabschnitt darstellen. Dieses aufwändig anzufertigende Konturnormal eignet sich aufgrund seiner vielfältig gestalteten Axialabschnitte sowohl für taktile als auch optische Messgeräte.In the prior art, special calibration bodies were developed for this purpose, which are used to determine and adjust the measurement deviations and / or to determine correction data for computational postprocessing of the measurement data. For example, in the DE 10 2011 050 036 B4 Describes a contour standard which has several non-cylindrical axial sections that are concave, convex, formed as a radial projection or recess with the formation of a defined angle, and in between each cylinder sections have, which together represent the calibration section. This contour standard, which is complex to manufacture, is suitable for both tactile and optical measuring devices due to its diverse axial sections.

Beim Schattenmessprinzip gibt es einen grundlegenden Unterschied zwischen dem Messen an zylindrischen Mantelflächen, wie z. B. Durchmessern von Zylindern, und dem Messen von Zylinderhöhen an radialen Planflächen, wie z. B. axialen Abständen zwischen Stirnflächen von Zylindern.With the shadow measuring principle there is a fundamental difference between measuring on cylindrical outer surfaces, such as B. diameters of cylinders, and the measurement of cylinder heights on radial plane surfaces, such as. B. axial distances between the end faces of cylinders.

Zur Lösung dieses Problems ist in der DE 10 2012 104 008 B3 eine Messvorrichtung offenbart worden, bei der zusätzlich zur optischen Messeinheit, die mit Beleuchtungsmodul und gegenüber liegendem Kameramodul ein Schattenbild von rotationssymmetrischen Maschinenelementen aufnimmt, eine mechanischen Messeinheit mit taktilem Messtaster zum Aufnehmen von axialen Messdaten aufweist und direkt an der optischen Messeinheit befestigt ist. Die Kalibrierung der gesamten Messeinheit erfolgt dann mittels der mechanischen Messeinheit, die an zwei axial gegenüberliegende Referenzflächen am Reitstock der rotierbaren Halterung des Maschinenelements die Ortsbezüge auch für die optische Messeinheit erfasst. Dadurch wird jedoch noch keine optische Messung von radial ausgerichteten Oberflächen an Rotationskörpern ermöglicht.To solve this problem is in the DE 10 2012 104 008 B3 A measuring device has been disclosed in which, in addition to the optical measuring unit, which records a shadow image of rotationally symmetrical machine elements with the lighting module and opposite camera module, has a mechanical measuring unit with a tactile probe for recording axial measurement data and is attached directly to the optical measuring unit. The entire measuring unit is then calibrated by means of the mechanical measuring unit, which also records the spatial references for the optical measuring unit on two axially opposite reference surfaces on the tailstock of the rotatable holder of the machine element. However, this does not yet allow optical measurement of radially aligned surfaces on bodies of revolution.

Eine weitere Druckschrift DE10 2015 106 920 A1 beschreibt einen Kalibrierkörper, der für die Anwendung des Schattenprojektionsverfahrens in einer Wellenmessmaschine, die wenigstens drei Kameras aufweist, vorgesehen ist. Dabei ist der Kalibrierkörper als ein scheibenförmiger Grundkörper ausgebildet mit einer Achse, die mit der Rotationssymmetrie einer zu vermessenden Welle zusammenfällt, und wenigstens eine radial ausgerichtete Stufe und einen axialen Antastvorsprung zur Bildung von mindestens je einer radialen und einer axialen Antastkante aufweist, um die relative Position der mindestens drei Kameras zueinander zu kalibrieren. Dabei bleibt die Problematik der begrenzen Schärfentiefe der Kameras für Kantenantastung außerhalb der Axialebene des Kalibrierkörpers ohne Erwähnung.Another publication DE10 2015 106 920 A1 describes a calibration body which is provided for the use of the shadow projection method in a wave measuring machine which has at least three cameras. The calibration body is designed as a disk-shaped base body with an axis which coincides with the rotational symmetry of a shaft to be measured, and has at least one radially aligned step and an axial contact projection to form at least one radial and one axial contact edge each around the relative position calibrate the at least three cameras to each other. The problem of the limited depth of field of the cameras for edge detection outside the axial plane of the calibration body remains without mention.

Die anzutastende Oberfläche von zylindrischen Mantelflächen befindet sich, zumindest bei rotationssymmetrischen Werkstücken, stets in einer Ebene mit der Rotationsachse des rotierbaren Werkstücks. In diese Ebene ist vorteilhaft auch die Messebene, bzw. ein die Messebene umgebender Telezentriebereich der Messeinrichtung gelegt, da in der Messebene die genaueste optische Abbildung erreicht werden kann. Innerhalb des Telezentriebereichs garantiert ein konstanter Abbildungsmaßstab der Messeinrichtung, dass bei einer nicht direkt in der Messebene befindlichen anzutastenden Oberfläche oder Kante keine weiteren Messabweichungen auftreten. Zu korrigierende Messabweichungen treten aber an zylindrischen Körpern häufig im Randbereich der Abbildung auf, wobei diese nicht per se vom Durchmesser des Werkstücks, sondern von der Verzeichnung des Objektivs, d. h. von der Lage einer Kante im Bild abhängig sind.The surface of cylindrical jacket surfaces to be touched is, at least in the case of rotationally symmetrical workpieces, always in a plane with the axis of rotation of the rotatable workpiece. The measuring plane or a telecentric area of the measuring device surrounding the measuring plane is also advantageously placed in this plane, since the most precise optical imaging can be achieved in the measuring plane. Within the telecentric range, a constant image scale of the measuring device guarantees that no further measuring deviations occur if the surface or edge to be touched is not located directly in the measuring plane. Measurement deviations to be corrected often occur on cylindrical bodies in the edge area of the image, whereby these do not depend on the diameter of the workpiece per se, but on the distortion of the lens, i.e. H. depend on the position of an edge in the image.

Das optische Antasten von axialen Planflächen kann bei Stirnflächen von Zylindern grundsätzlich nicht in der Messebene erfolgen, da die in der Messebene liegende Kante der axialen Planfläche, aus der Sicht der Messeinrichtung, stets von einer Außenkante am Umfang der Stirnfläche verdeckt ist. Das Antasten muss deshalb an der Außenkante der Stirnflächen erfolgen, wobei der Abstand des dortigen Antastpunktes zur Messebene vom Durchmesser des Zylinders und von der in die Messebene projizierten Entfernung zur Rotationsachse des Werkstücks abhängig ist. Der Abstand zur Messebene entspricht der halben Sehnenlänge der Stirnfläche am Antastpunkt und kann weit außerhalb des Telezentriebereichs liegen.The optical probing of axial flat surfaces in the case of the end faces of cylinders cannot be carried out in the measuring plane, since the edge of the axial plane surface lying in the measuring plane is always covered by an outer edge on the circumference of the end face from the point of view of the measuring device. The probing must therefore be carried out on the outer edge of the end faces, whereby the distance between the local probing point and the measuring plane depends on the diameter of the cylinder and the distance projected into the measuring plane to the axis of rotation of the Depends on the workpiece. The distance to the measuring plane corresponds to half the chord length of the face at the contact point and can be far outside the telecentric range.

Beim Blick über eine axiale Stirnfläche des Prüfkörpers (z. B. eine Zylinderdeckfläche) wird die Außenkante am Antastpunkt anders abgebildet als die angetastete Seitenlinie der Mantelfläche an einem Zylinder. In Abhängigkeit von der Länge der Sehne, entlang der die optische Achse der Messeinrichtung (Visierlinie des Antastpunktes) die Stirnfläche überstreicht, entstehen an der angetasteten Kante optische Verschiebungen. Je größer der Durchmesser der Stirnfläche und je kleiner die Entfernung des in die Messebene projizierten Antastpunktes zur Rotationsachse ist, desto mehr kann die angetastete Kante von der tatsächlichen Kante in der Messebene abweichen. Gegenüber der Messung an Mantelflächen erfordert die Messung an Stirnflächen daher eine Kompensation dieses Fehlers.When looking over an axial end face of the test object (e.g. a cylinder top surface), the outer edge at the contact point is depicted differently than the touched side line of the lateral surface on a cylinder. Depending on the length of the chord along which the optical axis of the measuring device (line of sight of the contact point) sweeps over the face, optical shifts occur at the edge that is touched. The larger the diameter of the end face and the smaller the distance between the touch point projected into the measuring plane and the axis of rotation, the more the touched edge can deviate from the actual edge in the measuring plane. Compared to measurement on lateral surfaces, measurement on end faces therefore requires compensation for this error.

Die Kompensation kann durch Kalibrierung der Messeinrichtung mittels einer aus dem Stand der Technik bekannten Prüf-Normale bzw. spezieller Maßverkörperungen erfolgen. Für die rotierbaren Werkstücke eignen sich insbesondere Stufenwellen, die eine Mehrzahl von Zylinderabschnitten unterschiedlicher Durchmesser aufweisen. Beginnend an einem Ende der Stufenwelle nehmen die Durchmesser der Zylinderabschnitte in der ersten Hälfte bis zur Mitte der Stufenwelle treppenartig zu und in der zweiten Hälfte, ab dem größten Zylinderabschnitt in der Mitte, symmetrisch zur ersten Hälfte wieder ab. Die genauen Durchmesser der Zylinderabschnitte und die Abstandsmaße zwischen deren Stirnflächen sind bekannt, sodass aus einem Vergleich der bekannten Durchmesser und Abstandsmaße mit den gemessenen Durchmessern und Abstandsmaßen Korrekturwerte ermittelt werden können. Die verschiedenen Durchmesser der Zylinderabschnitte der Stufenwelle decken den gesamten Messbereich der Messeinrichtung ab. Durch den symmetrischen Aufbau der Stufenwelle können die Stirnflächen jedes Durchmessers stets aus beiden Richtungen axial angetastet werden. Mittels der Stufenwelle können für jeden möglichen Antastpunkt Korrekturwerte für die zuvor beschriebenen Messfehler ermittelt werden. Dadurch, dass die beiden Stirnflächen bei ansonsten identischen Bedingungen aus beiden Richtungen angetastet werden, unterscheidet sich der gemessene Abstand der Stirnflächen um die Summe der Antastfehler in beiden Antastrichtungen vom bekannten wahren Wert des Abstandes.The compensation can take place by calibrating the measuring device by means of a test standard known from the prior art or special material measures. Stepped shafts which have a plurality of cylinder sections of different diameters are particularly suitable for the rotatable workpieces. Starting at one end of the stepped shaft, the diameter of the cylinder sections in the first half up to the middle of the stepped shaft increases in a step-like manner and in the second half, from the largest cylinder section in the middle, decreases symmetrically to the first half. The exact diameter of the cylinder sections and the distance between their end faces are known, so that correction values can be determined from a comparison of the known diameter and distance with the measured diameters and distance. The different diameters of the cylinder sections of the stepped shaft cover the entire measuring range of the measuring device. Due to the symmetrical structure of the stepped shaft, the end faces of each diameter can always be touched axially from both directions. Correction values for the measurement errors described above can be determined for each possible touch point by means of the step wave. Because the two end faces are probed from both directions under otherwise identical conditions, the measured distance between the end faces differs from the known true value of the distance by the sum of the probing errors in both probing directions.

Mit dem hier beschriebenen Stand der Technik zur Ermittlung von Korrekturwerten für axiale Antastflächen besteht keine Möglichkeit, die Antastfehler der beiden Richtungen zu trennen. Sie können nur als identische Beiträge angenommen und hälftig für jede Seite in Ansatz gebracht werden.With the prior art described here for determining correction values for axial contact surfaces, there is no possibility of separating the contact errors of the two directions. They can only be accepted as identical contributions and halved for each side.

Ein weiterer Nachteil der Kalibrierung (Korrekturwertermittlung) mit dieser kommerziellen Art der Stufenwelle ist, dass sich die Antastpositionen der Zylinderabschnitte, aufgrund des symmetrischen Aufbaus, an voneinander beabstandeten Positionen befinden. Insbesondere zwischen den axialen Antastpositionen an den Stirnflächen der Zylinderstufen mit den kleineren Durchmessern ist ein relativ großer axialer Abstand vorhanden. Durch diesen Abstand ist das Messergebnis zusätzlich von der Temperatur bzw. der thermischen Längenänderung der Stufenwelle abhängig. Eine nicht ausreichende oder ungleichmäßige Temperierung der Stufenwelle führt zu einem zusätzlichen systematischen und durchmesserabhängigen Fehler bei der Korrektur der bisher genannten Fehler.Another disadvantage of the calibration (correction value determination) with this commercial type of stepped wave is that the contact positions of the cylinder sections are located at positions spaced apart from one another due to the symmetrical structure. In particular, there is a relatively large axial distance between the axial contact positions on the end faces of the cylinder steps with the smaller diameters. Due to this distance, the measurement result is also dependent on the temperature or the thermal change in length of the stepped wave. Insufficient or uneven temperature control of the stepped shaft leads to an additional systematic and diameter-dependent error when correcting the errors mentioned above.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit zur Kalibrierung einer optischen Messeinrichtung zu finden, die es gestattet, einen thermisch bedingten Fehleranteil des systematischen Fehlers der für axiale Abstandsmessungen üblichen Sehnenkorrektur bei Abständen zwischen Radialflächen (Stirnflächen) von Zylinderabschnitten zu bestimmen und weitestgehend zu eliminieren.The invention is based on the object of finding a new way of calibrating an optical measuring device that allows a thermally induced error component of the systematic error of the chord correction usual for axial distance measurements to be determined and largely eliminated at distances between radial surfaces (end surfaces) of cylinder sections .

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Etalon-Stufenwelle mit abgestuften radialen Stirnflächen zur Kalibrierung einer optischen Messeinrichtung, insbesondere einer Präzisionsmessmaschine für rotierbare Objekte, aufweisend ein erstes und ein zweites zylinderförmiges Ende mit einem Durchmesser d und kegelförmige Vertiefungen zum Einspannen der Etalon-Stufenwelle entlang einer Rotationsachse in der Messeinrichtung, eine Mehrzahl axial unmittelbar benachbart und koaxial angeordneter Zylinderabschnitte mit verschiedenen vorgewählten Durchmessern D_j und vorgewählten Höhen H_i , die eine Stufenwelle bilden, dadurch gelöst, dass

- ein mittlerer Zylinderabschnitt zwischen dem ersten und zweiten Ende der Stufenwelle angeordnet ist, der einen größten Durchmesser D_A aufweist,
- weitere Zylinderabschnitte mit stufenweise kleiner werdenden Durchmessern D_j zu beiden Seiten des mittleren Zylinderabschnitts die treppenförmig nach außen abfallende Stufenwelle bilden, und
- ein separater Zylinderabschnitt als zylinderförmiger Bund mit wenigstens einer freistehenden Referenzstirnflächen am ersten oder zweiten Ende der Stufenwelle angeordnet ist, der einen Durchmesser D_B aufweist, der mit einem Durchmesser D_N eines der entlang der Rotationsachse außen liegenden weiteren Zylinderabschnitte der treppenförmig nach außen abfallenden Stufenwelle übereinstimmt.

According to the invention, the object is achieved by an etalon stepped shaft with stepped radial end faces for calibrating an optical measuring device, in particular a precision measuring machine for rotatable objects, having a first and a second cylindrical end with a diameter d and conical recesses for clamping the etalon stepped shaft along an axis of rotation in the measuring device, a plurality of axially immediately adjacent and coaxially arranged cylinder sections with different preselected diameters D _j and preselected heights H _i , which form a stepped wave, solved in that

- A central cylinder section is arranged between the first and second ends of the stepped shaft, which has a largest diameter D _A having,
- Further cylinder sections with gradually decreasing diameters D _j on both sides of the central cylinder section form the stepped wave sloping outwards in steps, and
- A separate cylinder section is arranged as a cylindrical collar with at least one free-standing reference face on the first or second end of the stepped shaft, which has a diameter D _B has that with a diameter D _N one of the further cylinder sections lying on the outside along the axis of rotation corresponds to the stepped wave sloping outwards in a stepped manner.

Vorteilhaft weisen alle Zylinderabschnitte der Stufenwelle unterschiedliche Höhen H_i auf, um verschiedene Kalibrieraufgaben mit derselben Stufenwelle zu erfüllen. Dabei ist es zweckmäßig, dass der mittlere Zylinderabschnitt eine definierte Höhe H_A und alle weiteren Zylinderabschnitte eine davon verschiedene Höhe H_i aufweisen. Es kann aber auch vorteilhaft sein, wenn alle Zylinderabschnitte gleiche Höhen H_i aufweisen.All the cylinder sections of the stepped shaft advantageously have different heights H _i in order to fulfill different calibration tasks with the same step wave. It is useful here that the central cylinder section has a defined height H _A and all other cylinder sections have a different height H _i exhibit. But it can also be advantageous if all cylinder sections have the same heights H _i exhibit.

In einer ersten vorteilhaften Ausführung der Stufenwelle haben alle Zylinderabschnitte unterschiedliche Durchmesser D_A bzw. D_i . In einer besonders bevorzugten zweite Variante weisen die weiteren Zylinderabschnitte ausgehend von einem mittleren Zylinderabschnitt paarweise unterschiedliche Durchmesser D_j auf.In a first advantageous embodiment of the stepped shaft, all cylinder sections have different diameters D _A or. D _i . In a particularly preferred second variant, the further cylinder sections, starting from a central cylinder section, have different diameters in pairs D _j on.

Des Weiteren wird die Aufgabe bei einem Verfahren zum Kalibrieren eines thermisch induzierten Fehleranteils beim optischen Messen an axialen Planflächen rotierbarerer Werkstücke gelöst durch die folgende Schrittfolge:

- Einstellen und Halten konstanter Bedingungen für die Temperatur in der Messumgebung und die Reproduzierbarkeit der optischen Antastung,
- Fixieren der Stufenwelle in einer optischen Messeinrichtung,
- optisches Antasten einer an einem zylinderförmigen Bund ausgebildeten Referenzstirnfläche an einem ersten Ende der Stufenwelle,
- optisches Antasten einer an einem weiteren Zylinderabschnitt vorhandenen Messstirnfläche mit gleicher Antastrichtung mit gleichem Durchmesser D_N wie der zylinderförmige Bund,
- Ermitteln des Abstandes L zwischen der Referenzstirnfläche und der Messstirnfläche,
- Bestimmen der Abweichung ΔL zwischen dem ermittelten Abstand L und einem bekannten Zertifikatswert der Stufenwelle für den Abstand L,
- Berechnen eines auf jede axiale Position der Messeinrichtung normierten thermischen Korrekturfaktors aus der ermittelten Abweichung ΔL,
- Anwendung des errechneten positionsabhängigen thermischen Korrekturfaktors zur Bestimmung einer positionsabhängigen Gesamtkorrektur, mit dem die sich aus der Messung außerhalb eines Telezentriebereichs der Messeinrichtung und der Antastung aus entgegengesetzter Antastrichtung ergebenden Fehleranteile korrigiert werden.

Furthermore, the object is achieved with a method for calibrating a thermally induced error component during optical measurement on axial flat surfaces of rotatable workpieces by the following sequence of steps:

- Setting and maintaining constant conditions for the temperature in the measuring environment and the reproducibility of the optical probing,
- Fixing the stepped wave in an optical measuring device,
- Optical probing of a reference face formed on a cylindrical collar at a first end of the stepped shaft,
- Optical probing of a measuring face on another cylinder section with the same probing direction with the same diameter D _N like the cylindrical collar,
- Determining the distance L. between the reference face and the measuring face,
- Determining the deviation ΔL between the determined distance L. and a known certificate value of the step wave for the distance L. ,
- Calculation of a normalized thermal correction factor for each axial position of the measuring device from the determined deviation ΔL,
- Application of the calculated position-dependent thermal correction factor to determine a position-dependent overall correction with which the error components resulting from the measurement outside a telecentric range of the measuring device and the probing from the opposite probing direction are corrected.

Vorteilhaft erfolgt das Fixieren der Stufenwelle in der optischen Messeinrichtung drehbar in einer rotierbaren Werkstückhalterung, um die Kalibrierung durch Mehrfachmessung zu verbessern.The stepped shaft is advantageously fixed in the optical measuring device in a rotatable manner in a rotatable workpiece holder in order to improve the calibration by multiple measurements.

Mit der Erfindung ist es möglich, die Kalibrierung einer optischen Messeinrichtung zu realisieren, mit der ein thermisch bedingter Fehleranteil des systematischen Fehlers der für axiale Abstandsmessungen üblichen Sehnenkorrektur bei Abständen zwischen Radialflächen (axialen Stirnflächen) von Zylinderabschnitten bestimmt und weitestgehend eliminiert werden kann.With the invention it is possible to calibrate an optical measuring device with which a thermally caused error component of the systematic error of the chord correction usual for axial distance measurements at distances between radial surfaces (axial end faces) of cylinder sections can be determined and largely eliminated.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

1 den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Etalon-Stufenwelle als Stufenwelle aus definiert gestuften Zylinderabschnitten mit axialen Stirnflächen,
2 den prinzipiellen Aufbau einer Messeinrichtung für die Anwendung der Stufenwelle und Ermittlung der Korrekturwerte mittels des Kalibrierverfahrens.

The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment. In the accompanying drawings show:

1 the basic structure of an etalon stepped shaft according to the invention as a stepped shaft from defined stepped cylinder sections with axial end faces,
2 the basic structure of a measuring device for the application of the step wave and determination of the correction values by means of the calibration method.

Die Etalon-Stufenwelle, nachfolgend kurz: Stufenwelle 1, weist prinzipiell, wie in 1 gezeigt, ein zylinderförmiges erstes Ende 11 und ein zylinderförmiges zweites Ende 12 gleichen Durchmessers d auf, die entlang einer Rotationsachse 13 die Stufenwelle 1 in ihrer Länge (Höhe) begrenzen. Das erste und das zweite Ende 11 und 12 weisen jeweils in den Endflächen eine kegelförmige Zentrierbohrung 14 auf, in die Spannelemente einer Messeinrichtung 3 (nur in 2 gezeigt) zur Halterung der Stufenwelle 1 eingreifen können. Die Prüfwelle kann, aber muss nicht rotiert werden. Sie muss sich aber exakt in der Rotationsachse befinden, die zugleich auch die Messebene des Systems repräsentiert.The Etalon step wave, hereinafter referred to as: step wave 1 , basically shows how in 1 shown a cylindrical first end 11 and a cylindrical second end 12 same diameter d on that along an axis of rotation 13th the step wave 1 limit their length (height). The first and the second end 11 and 12 each have a conical centering hole in the end faces 14th on, in the clamping elements of a measuring device 3 (only in 2 shown) for holding the stepped shaft 1 can intervene. The test shaft can but does not have to be rotated. However, it must be located exactly in the axis of rotation, which also represents the measuring plane of the system.

Zwischen dem ersten und zweiten Ende 11 und 12 sind eine Mehrzahl von Zylinderabschnitten 15, 16 mit unterschiedlichen Durchmessern unmittelbar benachbart und koaxial zur Rotationsachse 13 angeordnet. Dabei weisen die Zylinderabschnitte 15, 16 axial abgestufte Positionen von radialen kreisringförmigen Messstirnflächen 17 auf, die bis zu einem mittleren Bereich der Stufenwelle 1 mit ihren Flächennormalen kollinear in Richtung des ersten Endes 11 orientiert sind, und werden ab einem mittleren Zylinderabschnitt 15 abgeschlossen mit Positionen von entgegengesetzt abgestuften kreisringförmigen Messstirnflächen 18, die nach dem mittleren Bereich der Stufenwelle 1 mit ihren Flächennormalen kollinear in Richtung des zweiten Endes 12 orientiert sind. Der im mittleren Bereich der Stufenwelle 1 zwischen dem ersten und zweiten Ende 11 bzw. 12 befindliche mittlere Zylinderabschnitt 15 weist den größten Außendurchmesser auf. Alle weiteren Zylinderabschnitte 16 sind zu beiden Seiten des mittleren Zylinderabschnitts 15 vorzugsweise symmetrisch und mit stufenweise zu den Enden 11 und 12 hin abnehmenden Durchmessern angeordnet. Am ersten Ende 11 ist zusätzlich ein zylinderförmiger Bund 2 mit mindestens einer zu den Zylinderabschnitten 15 und 16 der Stufenwelle 1 weisenden Referenzstirnfläche 21 angeordnet. Der Bund 2 weist einen Durchmesser D_B auf, der gleich dem Durchmesser D_N eines unmittelbar an das erste und zweite Ende angrenzenden weiteren Zylinderabschnitts 16 ist.Between the first and second ends 11 and 12 are a plurality of cylinder sections 15th , 16 with different diameters immediately adjacent and coaxial to the axis of rotation 13th arranged. The cylinder sections 15th , 16 axially graded positions of radial circular ring-shaped measuring faces 17th on that up to a mean Area of the step wave 1 with their surface normals collinear in the direction of the first end 11 are oriented, and are from a central cylinder section 15th finished with positions of oppositely graduated circular measuring faces 18th that after the middle area of the step wave 1 with their surface normals collinear in the direction of the second end 12 are oriented. The one in the middle of the step wave 1 between the first and second ends 11 or. 12 located middle cylinder section 15th has the largest outside diameter. All other cylinder sections 16 are on both sides of the central cylinder section 15th preferably symmetrical and with gradual to the ends 11 and 12 arranged towards decreasing diameters. At the first end 11 is also a cylindrical collar 2 with at least one to the cylinder sections 15th and 16 the step wave 1 pointing reference face 21st arranged. The Bund 2 has a diameter D _B on that is equal to the diameter D _N a further cylinder section directly adjoining the first and second ends 16 is.

Das zylinderförmige erste und zweite Ende 11 und 12 der in 1 dargestellten Stufenwelle 1 weist einen Durchmesser von 8 mm auf und ist jeweils 20 mm lang, wobei alle hier beschriebenen Abmessungen der Stufenwelle 1 nur die Größenverhältnisse verdeutlichen sollen und nicht erfindungswesentlich sind, da die Größe der Stufenwelle 1 stets an die Dimension einer zu kalibrierenden Messeinrichtung 3 bzw. an die Größe der zu prüfenden Messobjekte anzupassen ist. The cylindrical first and second ends 11 and 12 the in 1 stepped wave shown 1 has a diameter of 8 mm and is each 20 mm long, with all dimensions of the stepped shaft described here 1 should only clarify the size relationships and are not essential to the invention, since the size of the step wave 1 always to the dimension of a measuring device to be calibrated 3 or to be adapted to the size of the test objects to be tested.

Die Rotationsachse 13 verläuft durch das erste und das zweite Ende 11 und 12 der Stufenwelle 1, sodass die Stufenwelle 1 in der Messeinrichtung 3 (nur in 2 gezeigt), z. B. zwischen Zentrierspitzen einer Spannvorrichtung, drehbar fixiert werden kann. Die Aufnahme der Stufenwelle zwischen den Zentrierspitzen der Messeinrichtung 3 erfolgt in den Zentrierbohrungen 14.The axis of rotation 13th runs through the first and second ends 11 and 12 the step wave 1 so that the step wave 1 in the measuring device 3 (only in 2 shown), e.g. B. can be rotatably fixed between the centers of a clamping device. The mounting of the stepped shaft between the centering points of the measuring device 3 takes place in the centering holes 14th .

Die Aufnahme der Stufenwelle 1 in der Messeinrichtung 3 erfolgt vorteilhaft mit senkrecht orientierter Rotationsachse 13, wie in 2 schematisch gezeigt. Zur Vereinfachung wird in der weiteren Beschreibung (o.B.d.A.) davon ausgegangen, dass bei einer in der Messeinrichtung 3 aufgenommenen Stufenwelle 1 das erste Ende 11 nach unten und das zweite Ende 12 nach oben zeigt und in einer Werkstückhalterung 32 zwischen Zentrierspitzen 321 zentriert, und falls möglich rotierbar, eingespannt ist. Die Messeinrichtung 3 enthält entlang einer Linearführung 31 eine hier u-förmig gestaltete Messeinheit 33 mit links- und rechtsseitigen Armen, die einerseits eine Beleuchtungs- und andererseits eine Kameraeinheit (nicht dargestellt) aufweisen. Eine optische Achse 34 der Messeinheit 33 ist mittels der Linearführung 31 vertikal verfahrbar und kreuzt die Rotationsachse 13. Die dazu horizontal zeilenförmig ausgedehnte Beleuchtungs- und Kameraeinheit ermöglicht die Antastung der Zylindermantelflächen 151 und 161.The inclusion of the step wave 1 in the measuring device 3 takes place advantageously with a vertically oriented axis of rotation 13th , as in 2 shown schematically. For the sake of simplicity, it is assumed in the further description (oBdA) that one in the measuring device 3 recorded step wave 1 the first ending 11 down and the second end 12 pointing upwards and in a workpiece holder 32 between centers 321 centered, and if possible rotatable, clamped. The measuring device 3 contains along a linear guide 31 a U-shaped measuring unit here 33 with left and right-hand arms, which on the one hand have an illumination unit and on the other hand a camera unit (not shown). An optical axis 34 the measuring unit 33 is by means of the linear guide 31 can be moved vertically and crosses the axis of rotation 13th . The lighting and camera unit, which is extended horizontally in lines, enables the cylinder surface to be probed 151 and 161 .

In der Mitte der Stufenwelle 1 befindet sich koaxial zur Rotationsachse 13 der mittlere Zylinderabschnitt 15. Der mittlere Zylinderabschnitt 15 hat vorzugsweise einen Durchmesser D_A von 140 mm und eine axiale Höhe H_A von 15 mm. Eine in 1 rechts zu sehende Vertiefung 152 dient zur Erkennung, ob die Stufenwelle 1 in der korrekten Position in die Messeinrichtung 3 eingesetzt wurde. Auf diese Winkelposition beziehen sich dann die Angaben eines Kalibrierzertifikats der Stufenwelle 1.In the middle of the step wave 1 is located coaxial to the axis of rotation 13th the middle cylinder section 15th . The middle section of the cylinder 15th preferably has a diameter D _A of 140 mm and an axial height H _A of 15 mm. One in 1 The recess 152 on the right is used to detect whether the step wave 1 in the correct position in the measuring device 3 was used. The details of a calibration certificate for the stepped shaft then relate to this angular position 1 .

Zu beiden Seiten des mittleren Zylinderabschnitts 15 sind - ebenfalls koaxial - die weiteren Zylinderabschnitte 16 symmetrisch abgestuft angeordnet. Die weiteren Zylinderabschnitte 16 können - wie in 1 durch gestrichelte Linien angedeutet - als „ineinander geschachtelte“ Zylinder aufgefasst werden, sodass sich, beginnend am mittleren Zylinderabschnitt 15 und fortgeführt bis zu den Enden 11 und 12, treppenförmig abgestufte weitere Zylinderabschnitte 16 mit paarweise gleichen Durchmessern beiderseits vom Zylinderabschnitt 15 anschließen. Dabei verkleinert sich der Durchmesser der weiteren Zylinderabschnitte 16 bei den oben gewählten Größenverhältnissen im Durchschnitt um jeweils 10 mm. Die axiale Höhe jedes der weiteren Zylinderabschnitte 16 nimmt vorzugsweise beidseitig symmetrisch um 4 mm zu, sodass bei Betrachtung der „ineinander geschachtelten Zylinder“ jeder „durchgehende Zylinder“ mit (um ca. 10 mm) verringertem Durchmesser um jeweils 8 mm weiter entfernte Messstirnflächen 17 und 18 aufweist.On both sides of the central cylinder section 15th are - also coaxial - the other cylinder sections 16 arranged symmetrically stepped. The other cylinder sections 16 can - as in 1 indicated by dashed lines - can be understood as "nested" cylinders so that, starting at the middle cylinder section 15th and continued to the ends 11 and 12 , further stepped cylinder sections 16 with the same diameter in pairs on both sides of the cylinder section 15th connect. This reduces the diameter of the other cylinder sections 16 with the size ratios selected above by an average of 10 mm each. The axial height of each of the further cylinder sections 16 preferably increases symmetrically on both sides by 4 mm, so that when looking at the "nested cylinders" each "continuous cylinder" with (by approx. 10 mm) reduced diameter by 8 mm more distant measuring faces 17th and 18th having.

Der weitere Zylinderabschnitt 16 mit dem kleinsten Durchmesser grenzt an das erste und zweite Ende 11 und 12 an und hat beispielweise einen Durchmesser von 12 mm. Am ersten Ende 11 der Stufenwelle 1 ist koaxial der zylinderförmige Bund 2 mit zwei gegenüberliegenden Referenzstirnflächen 21 und 22 ausgebildet. Der Durchmesser D_B des Bundes 2 entspricht vorzugsweise dem Durchmesser D₁ bzw. D_N des am ersten Ende 11 und am zweiten Ende 12 angrenzenden weiteren Zylinderabschnitts 16, die beide denselben Durchmesser wie der Bund 2 aufweisen. Sinnvoll kann aber auch der übernächste Zylinderabschnitt 16 als Vorgabe für den maßgleich auszubildenden Bund 2 verwendet werden. In jedem Fall besitzt dabei der Bund 2 einen mit zwei weiteren Zylinderabschnitten 16 übereinstimmenden Durchmesser D_B sowie eine frei zugängliche Referenzstirnfläche 21, deren Messstirnfläche 17 wie die eines nahe dem zweiten Ende 12 angeordneten weiteren Zylinderabschnitts 16 orientiert ist, und vorteilhaft eine Referenzstirnfläche 22, deren Orientierung mit der Messstirnfläche 18 eines nahe dem ersten Ende 11 angeordneten weiteren Zylinderabschnitts 16 übereinstimmt. Für die Erfindung wesentlich ist, dass der Durchmesser des in der Zeichnung unten befindlichen Bundes 2 identisch ist mit einem Durchmesser D_i einer Stufe (d.h. eines weiteren Zylinderabschnitts 16) in der oberen Hälfte der Stufenwelle 1. Vorteilhaft wird am zweiten Ende 2 der kleinste Zylinderabschnitt 16 mit identischem Durchmesser zum Bund 2 ausgebildet, wodurch der längenabhängige Fehler am genauesten bestimmt werden kann. Für die mit der Erfindung beabsichtigte Korrektur des Temperatureinflusses werden die axialen Stirnflächen 17 und 21 verwendet.The further cylinder section 16 with the smallest diameter adjoining the first and second ends 11 and 12 and has a diameter of 12 mm, for example. At the first end 11 the step wave 1 the cylindrical collar is coaxial 2 with two opposing reference faces 21st and 22nd educated. The diameter D _B of the federal government 2 preferably corresponds to the diameter D ₁ or D _N des at the first end 11 and at the second end 12 adjacent further cylinder section 16 that are both the same diameter as the collar 2 exhibit. The cylinder section but one can also make sense 16 as a specification for the covenant to be formed in the same size 2 be used. In any case, the federal government owns 2 one with two further cylinder sections 16 matching diameter D _B as well as a freely accessible reference face 21st , whose measuring face 17th like the one near the second end 12 arranged further cylinder section 16 is oriented, and advantageously a reference face 22nd , their orientation with the measuring face 18th one near the first end 11 arranged further cylinder section 16 matches. It is essential for the invention that the diameter of the collar located below in the drawing 2 is identical to a diameter D _i one level ( d .H. another cylinder section 16 ) in the upper half of the step wave 1 . Becomes beneficial at the second end 2 the smallest cylinder section 16 with the same diameter as the collar 2 formed, whereby the length-dependent error can be determined most accurately. For the correction of the temperature influence intended with the invention, the axial end faces 17th and 21st used.

Die Stufenwelle 1 ist vorzugsweise aus Edelstahl hergestellt, kann aber auch aus anderen harten widerstandsfähigen Materialien mit geringer Wärmeausdehnung bestehen. Die aus Edelstahl gefertigte Stufenwelle wird einer Wärmebehandlung unterzogen, die eine hohe Formstabilität und eine geringe Korrosionsneigung sichert. Alle Oberflächen (Zylindermantelflächen 151 und 161 sowie Messstirnflächen 17 und 18) und die der Stufenwelle 1 sind geschliffen und geläppt und besitzen eine entsprechend hohe Oberflächengüte, wie sie bei optischen Oberflächen üblich ist.The step wave 1 is preferably made of stainless steel, but can also consist of other hard, resistant materials with low thermal expansion. The stepped shaft made of stainless steel is subjected to a heat treatment that ensures high dimensional stability and a low tendency to corrosion. All surfaces (cylinder jacket surfaces 151 and 161 as well as measuring faces 17th and 18th ) and that of the step wave 1 are ground and lapped and have a correspondingly high surface quality, as is usual for optical surfaces.

Bei dem Verfahren zum Kalibrieren eines thermisch induzierten Fehleranteils beim optischen Messen an axialen Planflächen rotierbarerer Werkstücke werden in einem ersten Verfahrensschritt zunächst konstante Bedingungen in der Messumgebung eingestellt. Die Messumgebung beinhaltet vor allem die Stufenwelle 1 (Etalon-Stufenwelle) und die zu kalibrierende Messeinrichtung 3 selbst. Zu den Bedingungen gehören vor allem konstante Temperaturverhältnisse. Die Temperaturverhältnisse sind vorteilhaft entsprechend den Bedingungen, unter denen ein Prüflabor die Stufenwelle 1 zertifiziert hat, einzustellen.In the method for calibrating a thermally induced error component during optical measurement on axial planar surfaces of rotatable workpieces, constant conditions are initially set in the measuring environment in a first method step. The measurement environment mainly includes the step wave 1 (Etalon step wave) and the measuring device to be calibrated 3 itself. The conditions include above all constant temperature conditions. The temperature conditions are advantageous according to the conditions under which a test laboratory operates the step wave 1 has certified to discontinue.

Nach dem Einstellen der konstanten Bedingungen kann die Messeinrichtung 3 entsprechend diesen Bedingungen kalibriert werden. Dazu wird im nächsten Verfahrensschritt die Stufenwelle 1, wie in 2 gezeigt, in der optischen Messeinrichtung 3 aufgenommen und fixiert. Im Normalfall genügt das zentrierte Einspannen der Stufenwelle 1 mit den Vertiefungen 14 zwischen den Zentrierspitzen 321 der Messeinrichtung 3, wobei eine Drehbarkeit vorteilhaft ist, um Mehrfachmessungen zur Verbesserung der Zuverlässigkeit der ermittelten Korrekturwerte zu ermöglichen. In der Standardvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Drehung nicht erforderlich.After setting the constant conditions, the measuring device 3 be calibrated according to these conditions. The step wave is used for this in the next process step 1 , as in 2 shown in the optical measuring device 3 recorded and fixed. Normally, the centered clamping of the stepped shaft is sufficient 1 with the wells 14th between the centers 321 the measuring device 3 Rotatability is advantageous in order to enable multiple measurements to improve the reliability of the correction values determined. In the standard variant of the method according to the invention, rotation is not required.

In den folgenden Verfahrensschritten wird die durch die temperaturabhängige thermische Ausdehnung entstandene Längenänderung der Stufenwelle 1 unter den eingestellten Bedingungen ermittelt. Dazu wird zunächst die Referenzstirnfläche 21 am ersten Ende 11 der Stufenwelle 1 optisch angetastet. Das Antasten erfolgt von oben.In the following process steps, the change in length of the step wave caused by the temperature-dependent thermal expansion 1 determined under the set conditions. To do this, the reference face is first used 21st at the first end 11 the step wave 1 optically touched. The probing takes place from above.

Anschließend wird die Messstirnfläche 17 des weiteren Zylinderabschnitts 16 optisch angetastet, der an das zweite Ende 12 der Stufenwelle 1 angrenzt und den gleichen Durchmesser wie der Bund 2 aufweist. Das Antasten des Zylinderabschnitts 16 erfolgt ebenfalls von oben an der Messstirnfläche 17. Aufgrund der gleichgroßen und gleich orientierten Messstirnflächen 17 und 21, erfolgt das Antasten unter gleichen Bedingungen, sodass die beim Antasten auftretenden Fehler gleich groß sind und sich deshalb nicht auf den Messwert auswirken. Das heißt, dass die aus dem Antasten der Stirnfläche bei einer bestimmten Sehnenlänge resultierenden Fehleranteile identisch groß und gleich gerichtet sind und sich deshalb nicht auf den Messwert auswirken.Then the measuring face 17th of the further cylinder section 16 visually touched the one at the second end 12 the step wave 1 adjoins and the same diameter as the collar 2 having. Touching the cylinder section 16 is also done from above on the measuring face 17th . Due to the equally sized and equally oriented measuring faces 17th and 21st , the probing takes place under the same conditions, so that the errors that occur during probing are the same and therefore do not affect the measured value. This means that the error components resulting from probing the end face at a certain chord length are identical in size and in the same direction and therefore do not affect the measured value.

Bei den Stufenwellen des Standes der Technik (d.h. ohne die Stirnfläche 21) konnte die thermische Ausdehnung nicht ermittelt werden und wurde fehlerhaft den zu korrigierenden, von der Sehnenlänge abhängigen Antastfehlern zugerechnet.With the stepped shafts of the prior art (ie without the end face 21st ) the thermal expansion could not be determined and was incorrectly assigned to the probing errors to be corrected, which depend on the chord length.

Bei der erfindungsgemäßen Stufenwelle 1 wird aus den zwei angetasteten Messwerten der Abstand L zwischen der Referenzstirnfläche 21 und der Messstirnfläche 17 ermittelt und eine Abweichung des ermittelten Abstandes L zu einem bekannten Zertifikatswert der Stufenwelle 1 für den Abstand L festgestellt und an jeder axialen Position der Messstirnflächen 17 und 18 der Zylinderabschnitte 15 und 16 für die Messeinrichtung 3 normierte thermische Korrekturfaktoren berechnet und gespeichert.In the step wave according to the invention 1 the distance is derived from the two measured values L. between the reference face 21st and the measuring face 17th determined and a deviation of the determined distance L. to a known certificate value of the step wave 1 for the distance L. determined and at every axial position of the measuring face 17th and 18th of the cylinder sections 15th and 16 for the measuring device 3 normalized thermal correction factors calculated and saved.

Für die Positionen aller Messstirnflächen (nicht nur für die ausgewählt bezeichnete obere und untere Messstirnfläche 17 bzw. 18) werden proportional zu ihrem Abstand gegenüber der als Referenzstirnfläche dienenden oberen Messstirnfläche 17 Korrekturwerte aus der Abweichung des Abstandes L zu seinem Kalibrierwert abgeleitet. Die Messstirnfläche 17 bezeichnet insofern nur eine konkrete Planfläche, die hier stellvertretend für alle Planflächen (als Messstirnflächen) steht, bei denen eine Korrektur abgeleitet aus dem Abstand L gegenüber der oberen Referenzstirnfläche 21 des Bundes 2 berechnet wird.For the positions of all measuring faces (not only for the selected, designated upper and lower measuring face 17th or. 18th ) are proportional to their distance from the upper measuring face serving as the reference face 17th Correction values from the deviation in the distance L. derived from its calibration value. The measuring face 17th In this respect, only designates a specific plane surface, which is representative of all plane surfaces (as measuring front surfaces) for which a correction is derived from the distance L. with respect to the upper reference face 21st of the federal government 2 is calculated.

Ein mit der Messeinrichtung 3 ermittelter Abstand L zwischen den beiden Stirnflächen, Referenzstirnfläche 21 und Messstirnfläche 17, wird mit einem von einem Prüflabor ermittelten Zertifikatswert L_Z der Stufenwelle 1 verglichen. Eine sich zwischen den beiden Werten von L und L_Z ergebende Differenz stellt die thermische Längenänderung der Stufenwelle 1 über den Abstand L entlang der gesamten Stufenwelle 1 dar. Daraus wird anschließend ein Korrekturwert bezügliche der Messstirnfläche 17 und der Referenzstirnfläche 21 ermittelt und dieser Korrekturfaktor wird dann auf alle Längenmaße H_i zwischen korrespondierenden Messstirnflächen für die nachfolgenden Kalibriermessungen umgerechnet (normiert).One with the measuring device 3 determined distance L. between the two end faces, reference face 21st and measuring face 17th , is based on a certificate value L _{Z of} the step wave determined by a test laboratory 1 compared. One is between the two values of L. and the difference resulting from L _Z represents the thermal change in length of the step wave 1 about the distance L. along the entire step wave 1 A correction value relating to the measuring face is then derived from this 17th and the reference face 21st determined and this correction factor is then applied to all linear dimensions H _i converted (normalized) between corresponding measuring faces for the subsequent calibration measurements.

Die mit dem ermittelten Korrekturfaktor hinsichtlich der thermisch bedingten Ausdehnung korrigierten Längenmaße zwischen korrespondierenden Messstirnflächen 17, 18, ... werden mit den aus dem Kalibrierzertifikat der Stufenwelle 1 bekannten wahren Längenmaßen H_i verglichen. Die Abweichung wird als Korrekturwert für die Antastabweichung im System hinterlegt und bei Messungen angewendet.The length dimensions between the corresponding measuring faces corrected with the determined correction factor with regard to the thermally caused expansion 17th , 18th , ... are used with the calibration certificate for the step shaft 1 known true length measures H _i compared. The deviation is stored in the system as a correction value for the probing deviation and used for measurements.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11: StufenwelleStep wave
1111: erstes Ende (der Stufenwelle 1)first end (of the step wave 1 )
1212th: zweites Ende (der Stufenwelle 1)second end (of the step wave 1 )
1313: RotationsachseAxis of rotation
1414th: kegelförmige Vertiefungconical recess
1515th: mittlerer Zylinderabschnittmiddle cylinder section
151151: Zylindermantelfläche (des mittleren Zylinderabschnitts)Cylinder surface (of the middle cylinder section)
1616: weiterer Zylinderabschnittfurther cylinder section
161161: Zylindermantelfläche (weitererCylinder surface (further
1717th: obere Messstirnflächeupper measuring face
1818th: untere Messstirnfläche lower measuring face
22: BundFederation
2121st: (obere) Referenzstirnfläche (des Bundes 2)(upper) reference face (of the collar 2 )
2222nd: (untere) Referenzstirnfläche (des Bundes 2) (lower) reference face (of the collar 2 )
33: MesseinrichtungMeasuring device
3131: LinearführungLinear guide
3232: WerkstückhalterungWorkpiece holder
321321: ZentrierspitzeCenter point
3333: optische Messeinheitoptical measuring unit
3434: optische Achse (der optischen Messeinheit) optical axis (of the optical measuring unit)
dd: Durchmesser (des ersten und zweiten Endes 11, 12)Diameter (of the first and second end 11 , 12 )
D_A D _A: Durchmesser (des mittleren Zylinderabschnitts 15)Diameter (of the middle section of the cylinder 15th )
D_i D _i: Durchmesser (verschiedener Zylinderabschnitte)Diameter (different cylinder sections)
D_B D _B: Durchmesser (des zylinderförmigen Bundes 2)Diameter (of the cylindrical collar 2 )
D_N D _N: Durchmesser (eines mit D_B übereinstimmenden weiteren Zylinderabschnitts 16)Diameter (one with D _B matching further cylinder section 16 )
H_A H _A: Höhe (des mittleren Zylinderabschnitts 15)Height (of the middle section of the cylinder 15th )
H_i H _i: Höhen (unterschiedlicher Zylinderabschnitte)Heights (different cylinder sections)
LL.: Abstand (von Referenz- und Messstirnfläche 21 und 17)Distance (from reference and measuring face 21st and 17th )

Claims

Etalon stepped shaft for calibrating an optical measuring device, in particular a precision measuring machine for rotatable objects, with stepped radial end faces, comprising - a first and a second cylindrical end (11, 12) with a diameter d and conical recesses (14) for clamping the etalon Stepped shaft along an axis of rotation (13) in the measuring device (3), - a plurality of axially immediately adjacent and coaxially arranged cylinder sections (15, 16) with different preselected diameters (D _i ) and preselected heights H _i , which form a stepped shaft (1) , characterized in that - a central cylinder section (15) is arranged between the first and second ends (11, 12) of the stepped shaft (1), which has a largest diameter D _A , - further cylinder sections (16) with gradually decreasing diameters D _j on both sides of the central cylinder section (15) the stepped wave sloping outwards e (1), and - a separate cylinder section is arranged as a cylindrical collar (2) with at least one free-standing reference end face (21) on the first or second end (11, 12) of the stepped shaft (1), which has a diameter D _B , which coincides with a diameter D _{N of} one of the further cylinder sections (16) of the stepped shaft (1), which slopes outwards in a stepped manner, lying outside along the axis of rotation (13).

Etalon step wave after Claim 1 , characterized in that all cylinder sections (15, 16) have different heights H _i in order to fulfill different calibration tasks with the same stepped shaft.

Etalon step wave after Claim 1 , characterized in that the central cylinder section (15) has a defined height H _A and all further cylinder sections (16) have a different height H _i .

Etalon step wave after Claim 1 , characterized in that all cylinder sections (15, 16) have the same heights H _i

Etalon step wave after Claim 1 , characterized in that all cylinder sections (15, 16) have different diameters D _A and D _j .

Etalon step wave after Claim 1 , characterized in that the further cylinder sections (16) have different diameters D _j in pairs.

Method for calibrating a thermally induced error component during optical measurements on axial planar surfaces of rotatable workpieces with the following steps: a) Setting and maintaining constant conditions for the temperature in the measuring environment and the reproducibility of the optical probing, b) Fixing the stepped shaft (1) in an optical one Measuring device (3), c) optical probing of a reference face (21) formed on a cylindrical collar (2) at a first end (11) of the stepped shaft (1), d) optical probing of a measuring face (16) present on a further cylinder section (16) ( 17) with the same probing direction with the same diameter D _N as the cylindrical collar (2), e) determining the distance L between the reference face (21) and the measuring face (17), f) determining the deviation ΔL between the determined distance L and a known certificate value of the stepped shaft (1) for the distance L, g) Calculate one for each axial position of the measuring device (3) standardized thermal correction factor from the determined deviation ΔL, h) application of the calculated position-dependent thermal correction factor to determine a position-dependent overall correction with which the error components resulting from the measurement outside a telecentric range of the measuring device (3) and the probing from the opposite probing direction Getting corrected.

Procedure according to Claim 7 , characterized in that in step b) the stepped shaft (1) is rotatably fixed in the optical measuring device (3) in order to improve the calibration by multiple measurements.