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Diese Anmeldung erhebt Anspruch auf den Nutzen aus der Vorläufigen US-Patentanmeldung Serien-Nr. 62/208.093, angemeldet am 21. August 2015, welche in ihrem vollen Umfang in diese Anmeldung durch Literaturhinweis eingearbeitet ist.
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Querverweis auf verwandte Anwendungen
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Diese Anmeldung bezieht sich auf die US-Patentanmeldung Serien-Nr. 15/012.361, angemeldet am 01. Februar 2016, welche in ihrem vollen Umfang in diese Anmeldung durch Literaturhinweis eingearbeitet ist.
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Technischer Bereich
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Diese Technologie betrifft ganz allgemein optische Profilmessvorrichtungen und - verfahren und ganz besonders Profilmessvorrichtungen mit hoher Geschwindigkeit und hoher Genauigkeit und auf die Verfahren zu ihrer Verwendung.
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Stand der Technik
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Nahezu alle gefertigten Gegenstände bedürfen, nachdem sie hergestellt worden sind, einer Kontrolle. Um die für Inspektionszwecke erforderlichen Kontrolle n durchzuführen, werden häufig taktile Abtastvorrichtungen eingesetzt. Taktile Abtastvorrichtungen können jedoch gewisse Einschränkungen in ihrer Fähigkeit aufweisen, komplexe Objekte genau zu vermessen, insbesondere solche Objekte, welche eine größere Anzahl von Präzisionsoberflächen aufweisen.
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Ein exemplarisches Beispiel für ein taktiles Flächenprofilometer 10 ist in 1 dargestellt. Das taktile Flächenprofilometer 10 enthält einen Taststift 11 mit einer aus Diamant bestehenden Kontaktsonde 12, welche mit der Prüffläche (TS) eines Prüfobjekts (TO), welches eine Drehachse(A) aufweist, in Kontakt kommt. Der Taststift 11 ist an einen Arm 14 angekoppelt, welcher seinerseits an eine (nicht dargestellte) elektromechanische Positionsgebervorrichtung wie beispielsweise einen LVDT (Linearer veränderlicher Verschiebungsaufnehmer) angekoppelt ist. Das vom LVDT abgegebene elektronische Signal gibt die Erhebung der Prüffläche (TS) am Kontaktpunkt der diamantbestückten Kontaktsonde 12 an. Während sich das Prüfobjekt (TO) um die Drehachse(A) dreht, ändert sich das Ausgangssignal in Abhängigkeit vom Profil der Prüffläche (TS). Insbesondere kann das Prüfobjekt (TO) eine Nockenwelle sein, welche eine Nockenerhebung (CL) aufweist, und das Messprofil enthält man aus der Messung der Oberfläche der Nockenerhebung (CL).
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Das taktile Flächenprofilometer 10 leidet an einer Reihe von Mängeln. Da man auf den Kontakt mit der Prüffläche (TS) angewiesen ist, kann beispielsweise die diamantbestückte Kontaktsonde 14 auf der Prüffläche (TS) unerwünschte Kratzer hinterlassen. Außerdem verläuft der Vorgang der Messung relativ langsam. Die Messzeit kann zwar verkürzt werden, aber es steigt im entsprechenden Maß die Gefahr von unerwünschten Kratzern oder Fehlstellen des Taststifts 11, wodurch in den Profildaten Leerstellen verursacht werden.
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Folglich sind kontaktlose Messvorrichtungen vorgeschlagen worden. Als Beispiel sind vielfältige optische Geräte des Standes der Technik für Kontrollen während und nach der Fertigung entwickelt worden. Viele dieser optischen Geräte des Standes der Technik tasten die Oberfläche des Teils ab und sind imstande, die Oberflächenprofile des Teils über einen begrenzten Abstand oder Flächenbereich des Teils zu ermitteln. Der begrenzte Abstand und der begrenzte Flächenbereich, die mit diesen optischen Geräten des Standes der Technik vermessen werden können, ist auf die begrenzte Geschwindigkeit der Abtastapparatur und/oder den begrenzten dynamischen Bereichs der Abtastung zurückzuführen. Die beschränkte Abtastgenauigkeit in allen drei Achsen mit diesen optischen Geräten stellt eine zusätzliche Begrenzung dar wie auch die beschränkte Fähigkeit, wegen der körperlichen Größe der Abtastvorrichtung und seines begrenzten Messbereichs in Vertiefungen des Teils hinein abzutasten. Diese Begrenzungen treten insbesondere dann zu Tage, wenn der Versuch unternommen wird, die Oberflächenkonturen eines komplexen Fertigungsgegenstandes zu vermessen wie beispielsweise einer Kurbelwelle oder einer Nockenwelle, bei welchen große Abstände oder Profile auf wenige Mikrometer genau vermessen werden müssen. Außerdem erhöht die Notwendigkeit, mit diesen optischen Geräten des Standes der Technik um den Umfang eines Teils herum abzutasten, die Kosten und die Komplexität der in dem optischen Kontrollgerät untergebrachten Optik.
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Darstellung der Erfindung
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Ein optisches Profilometer enthält eine Lichtquelle, welche dergestalt ausgelegt ist, dass sie auf einer Oberfläche eines interessierenden Gegenstandes einen Lichtfleck liefert. Ein Lichtempfänger, welcher eine Linse und einen Fotosensor enthält, ist dergestalt ausgelegt, dass er von der Oberfläche des interessierenden Gegenstandes Licht aufnimmt und abbildet. An den Fotosensor ist eine Vorrichtung zur Profilmessung und -berechnung angeschlossen. Diese Vorrichtung zur Profilmessung und -berechnung enthält einen Prozessor und einen an diesen Prozessor angekoppelten Speicher, welcher dergestalt konfiguriert ist, dass er imstande ist, im Speicher enthaltene und gespeicherte programmierte Befehle auszuführen, um eine Vielzahl von Ortswerten für den Lichtfleck auf der Oberfläche des interessierenden Gegenstandes auf der Grundlage des abgebildeten Lichts von der Oberfläche des interessierenden Gegenstandes zu berechnen, wobei jeder einzelne Wert aus der Vielzahl der Ortswerte mit einem Wert der Winkeldrehung verknüpft wird, und dies auf der Grundlage einer Drehung des interessierenden Gegenstandes um eine Drehachse. Auf der Grundlage der berechneten Vielzahl an Ortswerten wird ein Profilbild des interessierenden Gegenstandes erzeugt.
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Ein Verfahren zur Erzeugung eines Profilbildes eines interessierenden Gegenstandes enthält die Positionierung eines optischen Profilometers in Bezug auf den interessierenden Gegenstand. Das optische Profilometer enthält eine Lichtquelle, welche dergestalt ausgelegt ist, dass sie auf einer Oberfläche des interessierenden Gegenstandes einen Lichtfleck liefert. Ein Lichtempfänger, welcher mindestens eine Linse und einen Fotosensor enthält, ist dergestalt ausgelegt, dass er das Licht von der Oberfläche des interessierenden Gegenstandes empfängt und abbildet. Eine Vorrichtung zur Profilmessung und -berechnung ist an den Fotosensor angeschlossen. Eine große Anzahl von Ortswerten für den Lichtfleck auf der Oberfläche des interessierenden Gegenstandes wird auf der Grundlage des von der Oberfläche des interessierenden Gegenstandes empfangenen Lichtstrahls mittels der Vorrichtung zur Profilmessung und -berechnung berechnet, wobei jeder einzelne Wert aus der großen Anzahl der Ortswerte mit einem Wert der Winkeldrehung verknüpft wird, und dies auf Grundlage der Drehung des interessierenden Gegenstandes um eine Drehachse. Auf der Grundlage der berechneten Vielzahl an Ortswerten wird ein Profilbild für eine Scheibe des interessierenden Gegenstandes erzeugt.
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Ein Verfahren zur Fertigung eines optischen Profilometers beinhaltet die Bereitstellung einer Lichtquelle, welche dergestalt ausgelegt ist, dass ein Lichtfleck auf einer Oberfläche eines interessierenden Gegenstandes gebildet wird. Ein Lichtempfänger wird bereitgestellt, welcher eine Linse und einen Fotosensor enthält, wobei der Lichtempfänger dergestalt ausgelegt ist, dass er einen Lichtstrahl von der Oberfläche des interessierenden Gegenstandes aufnimmt. Eine Vorrichtung zur Profilmessung und -berechnung ist an den Fotosensor angeschlossen, wobei die Vorrichtung zur Profilmessung und -berechnung einen Prozessor und einen an den Prozessor angekoppelten Speicher umfasst, welcher dergestalt ausgelegt ist, dass er imstande ist, im Speicher vorhandene und gespeicherte programmierte Befehle auszuführen, um eine große Anzahl von Ortswerten für den Lichtfleck auf der Oberfläche des interessierenden Gegenstandes auf der Grundlage des von der Oberfläche des interessierenden Gegenstandes empfangenen Lichts zu berechnen, wobei jeder einzelne Wert aus der großen Anzahl der Ortswerte mit einem Wert der Winkeldrehung verknüpft wird, und dies auf Grundlage der Drehung des interessierenden Gegenstandes um eine Drehachse. Auf der Grundlage der berechneten Vielzahl an Ortswerten erzeugt wird ein Profilbild für eine Scheibe des interessierenden Gegenstandes erzeugt.
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Die Technologie, auf die Anspruch erhoben wird, bietet eine Reihe von Vorteilen, darunter die Bereitstellung eines kompakten berührungslosen optischen Profilometers, welches auf die genaue Messung des Umfangsprofils einer Oberfläche eines interessierenden Gegenstandes ausgelegt ist. Das optische Profilometer enthält eine Lichtquelle, welche Prüflicht auf die interessierende Fläche richtet. Ein Teil des Prüflichts wird von der interessierenden Fläche in eine Abbildungslinse reflektiert oder gestreut, welche auf einem Bildsensor ein Bild vom Prüflicht der Prüffläche erzeugt. Der Bildsensor wird dann von einer Vorrichtung zur Profilmessung und -berechnung ausgelesen beispielsweise unter Verwendung eines Triangulationsalgorithmus, um die Höhe oder den Radius des Prüfobjekts am Ort des Auftreffens des Prüflichts auf dem Prüfobjekt zu ermitteln. Das Prüfobjekt ist auf ein Drehgestell montiert, welches das Drehen des Prüfobjekts um eine Achse ermöglicht. Eine Reihe von Radiusmessungen wird während der Drehung des Prüfobjektes durchgeführt, um ein Profil des betreffenden Teils zu ermitteln. Zusätzlich können Translationsgestelle vorhanden sein, welche die Linearbewegung des optischen Profilometers in Bezug auf das Prüfobjekt ermöglichen, was für die Messung von komplizierteren Prüfobjekten dienlich ist wie beispielsweise Nockenwellen, Gleitwellen und deren wendelförmige Kurvennut oder gar von noch komplexeren Formen wie beispielsweise Flugzeugpropellern.
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Figurenliste
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- 1 ist eine Seitenansicht einer taktilen Oberflächenabtastvorrichtung des Standes der Technik unter Verwendung einer Abtastsonde;
- 2 ist ein Blockdiagramm eines exemplarischen optischen Profilometers;
- 3 ist eine Seitenansicht einer Lichtquellenanordnung und einer Lichtempfängeranordnung des exemplarischen optischen Profilometers von 2;
- 4 ist eine isometrische Darstellung der Lichtquellenanordnung und der Lichtempfängeranordnung des exemplarischen optischen Profilometers von 2;
- 5 ist eine Seitenansicht eines Prüfobjektes, das gemäß einem Beispiel für die beanspruchte Technologie in ein Drehgestell eingebaut ist;
- 6 ist eine exemplarische Auftragung der Ausgabewerte eines Radiusprofils, welches unter Verwendung des in 2 - 4 dargestellten optischen Profilometers erhalten wurde;
- 7 ist eine isometrische Darstellung eines exemplarischen Gleitnockens als Prüfobjekt, welche in ein optisches Profilometer eingebaut ist;
- 8 ist eine Seitenansicht einer exemplarischen Gleitwelle als Prüfobjekt, die in das optische Profilometer eingebaut ist;
- 9 ist eine Rückansicht des optischen Profilometers;
- 10 ist ein Blockdiagramm des optischen Profilometers und
- 11 ist ein Flussdiagramme eines exemplarischen Messverfahrens unter Verwendung des in den 7 - 10 dargestellten optischen Profilometers.
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Ausführliche Beschreibung
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Ein Beispiel für ein optisches Profilometer 100 ist in den 2 - 4 veranschaulicht. In diesem besonderen Beispiel enthält das optische Profilometer 100 eine Lichtquellenanordnung 102, eine Lichtempfängeranordnung 104, eine Vorrichtung zur Profilmessung und - berechnung wie beispielsweise einen digitalen Prozessor 106 oder eine andere Rechenapparatur und ein optisches Drehgestell 107, auch wenn das optische Profilometer 100 andere Typen oder eine andere Anzahl von weiteren Systemen, Geräten, Bauteilen und/oder weitere Elemente wie beispielsweise zusätzliche optische Vorrichtungen, Tragevorrichtungen und/oder einen digitalen Prozessor enthalten kann. Auch wenn in den 3 und 4 die Lichtquellenanordnung 102 und die Lichtempfängeranordnung 104 als getrennte Anordnungen veranschaulicht sind 4, so ist das so zu verstehen, dass die Lichtquellenanordnung 102 und die Lichtempfängeranordnung 104 in eine einzige Anordnung integriert sein können, um die Fertigung der Anordnung zu erleichtern oder ihre Bewegung innerhalb einer größeren Messapparatur zu erleichtern.
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Diese exemplarische Technologie bietet eine Reihe von Vorteilen, darunter die Bereitstellung eines optischen Profilometers, welches eingesetzt werden kann, um ein Profil eines komplexen Gegenstandes wie beispielsweise einer Nockenwelle oder einer Kurbelwelle zu erzeugen, wo die weiten Entfernungen oder tiefen oder komplexen Profile auf eine Genauigkeit von wenigen Mikrometern gemessen werden müssen. Diese Technologie misst diese komplexen Profile unter Verwendung einer nicht abtastenden Lichtquellenanordnung, d. h. ohne dass die Lichtquelle die Oberfläche überstreicht, was die Kosten und die Komplexität des optischen Profilometers senkt. Außerdem kann das optische Profilometer mit Drehgestellen benutzt werden, die bereits in den Standardvorrichtungen zur Messung von Nockenwellen oder Kurbelwellen eingesetzt werden, wie weiter unten noch ausführlicher beschrieben wird. Das optisches Profilometer der beanspruchten Technologie kann vorteilhafterweise benutzt werden, um verschiedenartige Fehlermessungen in Bezug auf die Profile von Gegenständen wie beispielsweise Nockenwellen und Kurbelwellen durchzuführen, die lediglich als Beispiel angeführt sind.
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Es soll nun insbesondere auf die 2 - 4 Bezug genommen werden. In diesem besonderen Beispiel enthalten die Bauteile und/oder weiteren Elemente, die sich in der Lichtquellenvorrichtung 102 des optischen Profilometers 100 befinden, eine Lichtquelle 108, eine Lichtquellenoptik 110 und einen elektronischen Lichtquellentreiber 112, auch wenn die Lichtquellenvorrichtung 102 weitere Typen und/oder eine andere Anzahl von anderen Systemen, Geräten, Bestandteilen und/oder Elementen in anderen Konfigurationen umfassen kann.
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In diesem besonderen Beispiel ist die Lichtquelle 108 eine Laserdiode (auf dem Fachgebiet auch als Diodenlaser bekannt), wie lediglich als Beispiel angeführt ist, auch wenn andere Lichtquellen wie beispielsweise eine lichtemittierende Diode (LED) benutzt werden kann. Die Lichtquelle 108 ist in der Lichtquellenvorrichtung 102 dergestalt sicher positioniert, dass diese Lichtquelle 108 stationär bleibt und somit einen bekannten Ursprungsort für das von der Lichtquelle 108 erzeugte Licht liefert. In einem weiteren Beispiel befindet sich die Lichtquelle 108 wie beispielsweise ein Diodenlaser oder eine LED entfernt von der Lichtquellenanordnung 102 und das Licht gelangt in die Lichtquellenanordnung 102 über eine optische Faser, wobei diese optische Faser in der Lichtquellenanordnung 102 sicher positioniert ist, um einen bekannten Ursprungsort des von der optischen Faser gelieferten Lichtstrahls zu liefern.
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In diesem Beispiel sendet die Lichtquelle 108 sichtbares Licht aus wie beispielsweise rotes Licht im Bereich von 635 nm bis 670 nm oder grünes Licht im Bereich von 500 nm bis 555 nm (für welches monochrome Bildsensoren besonders empfindlich sind) oder blaues Licht im Bereich von 400 bis 470 nm, welches weniger zu Beugungseffekten neigt als andere Wellenlängen, auch wenn die Lichtquelle 108 andere Typen an Licht aussenden kann wie beispielsweise Licht im nahen Infrarot oder Licht, welches im Bereich von 1310 - 1550 nm Eigensicherheit für das Auge aufweist, um lediglich Beispiele zu nennen. In einem Beispiel liefert die Lichtquelle 108 dergestalt einen Lichtstrahl, dass das optische Profilometer 100 die Klasse II nach CDRH aufweist oder noch sicherer der Klasse IIA oder Klasse I.
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In diesem Beispiel ist das von der Lichtquelle 108 ausgesandte Licht ein kontinuierlicher Wellenstrahl, auch wenn andere Typen und/oder eine andere Anzahl von Lichtstrahlen benutzt werden können. Beispielsweise kann das von der Lichtquelle 108 ausgesandte Licht gepulst sein und das gepulste Licht kann von einem Bildsensor, wie er weiter unten noch beschrieben wird, benutzt werden, um das Licht, das gemessen werden soll, von dem Hintergrundlicht zu unterscheiden. Die Leistung des von der Lichtquelle 108 ausgesandten Lichts kann auch einstellbar sein je nach dem Reflexionsvermögen und dem Gefüge der Prüffläche (TS) des Prüfobjekts (TO), auch wenn andere Merkmale der Lichtquelle 108 einstellbar sein können, die auf anderen Faktoren beruhen, die sich auf das Prüfobjekt (TO) beziehen, von dem das Profil ermittelt werden soll.
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In diesem besonderen Beispiel enthält die Lichtquellenanordnung 102 eine Lichtquellenoptik 110 zur Konditionierung des von der Lichtquelle 108 ausgesandten Lichts. In einem Beispiel enthält die Lichtquellenoptik 110 eine Linse, welche imstande ist, einen Lichtstrahl 114, der von der Lichtquelle 108 gebildet wird und in Bezug auf die Lichtquelle 108 dergestalt positioniert ist, dass der Lichtstrahl 114 fokussiert wird, um an einem Messort 116 auf einer Prüffläche (TS) eines Prüfobjekts (TO) wie beispielsweise eines Nockenwellennockens (CL) ein Bild zu erzeugen, wie in 3 dargestellt ist, um nur ein Beispiel zu nennen.
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Zusätzlich kann die Lichtquellenoptik 110 ein Retikel oder eine Maske mit einem oder mehreren im Wesentlichen transparenten Aperturen enthalten, welche die Form des Lichtmusters festlegen, so wie es am Messort 116 auf der Prüffläche (TS) des Prüfobjekts (TO) fokussiert wird. In einem Beispiel weist das Retikel eine transparente Aperturform auf, die rund, elliptisch, kreuzförmig oder X-förmig ist oder die Form einer Linie oder mehrerer Linien oder eines Liniengitters hat. Die Fokussierlinse der Lichtquellenoptik 110 in der Lichtquellenanordnung 102 konditioniert das Licht dergestalt, dass das ausgesandte und am Messort 116 fokussierte Licht eine Breite der Merkmalsgröße zwischen 1 µm und 1000 µm hat oder vorzugsweise zwischen 10 µm und 299 µm hat, auch wenn die Lichtquellenanordnung 102 zusätzliche Typen und/oder eine andere Anzahl von weiteren optischen Geräten und/oder weiteren Elementen aufweisen kann, um einen Lichtstrahl mit zusätzlichen Merkmalen oder anderen Durchmessern zu liefern.
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In diesem besonderen Beispiel ist die Lichtquelle 108 wie beispielsweise ein Diodenlaser oder eine LED an den Digitalprozessor 106 oder eine andere Vorrichtung zur Profilmessung und -berechnung über den elektronischen Lichtquellentreiber 112 angekoppelt. Dieser elektronische Lichtquellentreiber 112 akzeptiert digitale Befehle vom digitalen Prozessor 106 oder einer anderen Vorrichtung zur Profilmessung und -berechnung wie beispielsweise das Ein- und Ausschalten der Lichtquelle 108, um nur ein Beispiel zu nennen, auch wenn der Lichtquellentreiber 112 andere Typen und/oder eine andere Anzahl von Befehlen liefern kann wie beispielsweise das Einstellen der Leistung des von der Lichtquelle 108 ausgesandten Lichtstrahls. In diesem Beispiel werden die Befehlssignale vom Lichtquellentreiber 112 als ein Analogsignal geliefert, auch wenn digitale Signale benutzt werden könnten. In diesem besonderen Beispiel ist der Lichtquellentreiber 112 eine Einzelchiplösung wie beispielsweise der iC-HT CW Laser Diode Driver, der von ic-Haus gefertigt wird, auch wenn andere Typen und/oder eine andere Anzahl von anderen Lasertreibern benutzt werden können.
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In diesem Beispiel ist der Lichtquellentreiber 112 eine elektronische Schaltung, welche eine programmierbare Logik enthalten kann, die elektronische Signale vom Digitalprozessor 106 empfängt und sie in elektronische Signale mit genauen Strom- und Spannungswerten und möglicherweise Wellenform umwandelt, welche für das geeignete Ansteuern der Lichtquelle 108 geeignet sind, auch wenn andere Typen von Treibern benutzt werden können. Der Lichtquellentreiber 112 kann auch eine (nicht dargestellte) Rückkopplungsschleife von der Lichtquelle 108 aufweisen, so dass die von der optischen Lichtquelle 108 abgegebene Leistung auf einem im Wesentlichen konstanten Wert gehalten wird selbst bei Änderung der Umgebungsbedingungen wie beispielsweise bei Änderungen der Lufttemperatur oder bei Änderungen der Temperatur der Lichtquelle 108 selbst.
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Es soll nun wieder auf die 2 - 4 Bezug genommen werden. In diesem besonderen Beispiel enthält die Lichtempfängeranordnung 104 ein Gehäuse 118, welches die Abbildungsoptik 120, einen Bildsensor 133 und eine Bildsensor-Computer-Schnittstelle 124 enthält, auch wenn die Lichtempfängeranordnung 104 andere Typen und/oder eine andere Anzahl von anderen optischen Bauteilen enthalten kann.
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Das Gehäuse 118 der Lichtempfängeranordnung 104 ist aus einem beliebigen und geeigneten Metall oder Kunststoff gebaut, auch wenn für das Gehäuse 118 andere Materialien eingesetzt werden können. In diesem Beispiel ist das Gehäuse 118 abgedichtet, beispielsweise hermetisch, um zu verhindern, dass Verunreinigungen die Optik und andere im Innern des Gehäuses 118 befindliche Bauteile beeinträchtigen.
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Die Abbildungsoptik 120 der Lichtempfängeranordnung 104 fokussiert das aufgenommene Licht wie beispielsweise den von der Prüffläche (TS) des Prüfobjekts (TO) kommenden Lichtstrahl 117 auf dem Bildsensor 122. Die Abbildungsoptik 120 der Lichtempfängeranordnung 104 sollte im Objektraum telezentrisch sein, so dass sich die Vergrößerung der Abbildungsoptik 120 nicht mit Änderungen im Abstand zwischen dem Messort 116 auf der Prüffläche (TS) und dem Prüfobjekt (TO) ändert. In einem Beispiel liefern die optischen Elemente der Lichtempfängeranordnung 104 ein Bild auf dem Bildsensor 122 mit einem Wert der Vergrößerung von annähernd -0,6, auch wenn andere Vergrößerungen wie beispielsweise zwischen -0,2 und -3,0 vorgesehen werden können.
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Die Abbildungsoptik 120 in der Lichtempfängeranordnung 104 weist sehr niedrige optische Störungen auf. Optische Störungen wie beispielsweise die tonnenförmige Verzeichnung oder die Kissenverzeichnung stellen Änderungen der Linsenverstärkung als Funktion des radialen Abstandes von der optischen Achse in der Bildebene dar und werden gewöhnlich in Prozent angegeben. Optische Störungen können bewirken, dass der Bildfleck sich auf dem Bildsensor 122 an der falschen Stelle befindet, und sie können zu fehlerbehafteten Messungen der Prüffläche (TS) des Prüfobjekts (TO) führen. Während die optischen Störungen erkannt werden können und anschließend in einem Kalibrierungsverfahren aus der Messung eliminiert werden können, ist es dennoch vorzuziehen, die Störungen bereits während der Vorgangs des Linsenentwurfs dergestalt zu minimieren, dass sie geringer als 0,1 % oder vorzugsweise geringer als 0,02 % sind.
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In einem Beispiel, wie das in den 3 und 4 dargestellt ist, enthält die Abbildungsoptik 120 der Lichtempfängeranordnung 104 beispielsweise ein erstes Linsenelement 126, eine Aperturblende 128, ein zweites Linsenelement 130 und einen optischen Filter 132, auch wenn die Lichtempfängeranordnung 104 andere Typen und eine andere Anzahl von optischen Bauteilen als Teil der Abbildungsoptik 120 enthalten kann.
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Das erste Linsenelement 126 ist so positioniert, dass es Licht empfängt, welches vom Messort 116 auf der Prüffläche (TS) des Prüfobjekts (TO) in die Lichtempfängeranordnung 104 eintritt. In diesem Beispiel ist das erste Linsenelement 126 eine asphärische Linse, bei welcher eine oder zwei Flächen asphärisch sind, auch wenn andere Typen und/oder eine andere Anzahl von anderen Linsen mit anderen Merkmalen oder einer anderen Anzahl von sphärischen und asphärischen Flächen für die erste Linse benutzt werden können. Das erste Linsenelement 126 fokussiert Licht, das vom Messort 116 auf der Prüffläche (TS) des Prüfobjekts (TO) aufgenommen wird, in Richtung auf die Aperturblende 128. In diesem Beispiel ist das erste Linsenelement 126 eine Glaslinse, auch wenn andere Typen und/oder eine andere Anzahl von Materialien für das erste Linsenelement 126 benutzt werden können wie beispielsweise ein Polymer wie Acryl, Polykarbonat, Polystyrol oder ein Polymer, welches eine geringe Feuchtigkeitsabsorption und Expansion aufweist wie beispielsweise die Cyclo Olefin Polymere von Zeonex wie beispielsweise Zeonex E48R.
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Die Aperturblende128 ist im Gehäuse 118 zwischen dem ersten Linsenelement 126 und dem zweiten Linsenelement 130 angeordnet. Die Aperturblende 124 begrenzt die Menge an Licht, das in das zweite Linsenelement 130 eintritt, und begrenzt somit die Menge an Licht, welches die Brennebene des Bildsensors 122 erreicht. Wichtiger ist, dass die Aperturblende 124 so konfiguriert und positioniert ist, dass sie alle nichttelezentrischen Strahlen hindert, durch das zweite Linsenelement 130 zu treten. Der Durchmesser der Aperturblende kann zwischen 0,1 mm und 5,0 mm liegen.
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Das zweite Linsenelement 130 ist im Gehäuse 118 so positioniert, dass es Licht aufnimmt, welches durch die Aperturblende 128 hindurch emittiert wird. In diesem Beispiel ist das zweite Linsenelement 130 eine asphärische Linse, auch wenn andere Typen und/oder eine andere Anzahl von anderen Linsen mit anderen Konfigurationen oder andere Typen und/oder einer anderen Anzahl von asphärischen oder sphärischen Flächen für das zweite Linsenelement 130 benutzt werden können. Das zweite Linsenelement 130 ist dergestalt konfiguriert, dass es ein Bild des Flecks liefert, der sich am Messort 116 auf der Prüffläche (TS) des Prüfobjekts (TO) befindet. In diesem Beispiel ist das zweite Linsenelement 130 eine Glaslinse, auch wenn andere Typen und/oder eine andere Anzahl von Materialien für das zweite Linsenelement 130 benutzt werden können wie beispielsweise ein Polymer wie Acryl, Polykarbonat, Polystyrol oder ein Polymer, welches eine geringe Feuchtigkeitsabsorption und Expansion aufweist wie beispielsweise die Cyclo Olefin Polymere von Zeonex wie beispielsweise Zeonex E48R, um nur ein Beispiel zu nennen.
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Der optische Filter 132 ist im Gehäuse 118 dergestalt positioniert, dass er Licht vom zweiten Linsenelement 130 aufnimmt. Der optische Filter ist dergestalt konfiguriert, dass er imstande ist, auf selektive Weise Licht mit Wellenlängen durchzulassen, für die der Bildsensor 122 oder ein anderer Detektor empfindlich ist. Insbesondere lässt der optische Filter 132 nur diejenigen Wellenlängen durch, die in dem von der Lichtquelle 108 der Lichtquellenanordnung 102 ausgesandten Lichtstrahl 114 enthalten sind. In diesem Beispiel weist der optische Filter 132 einen Durchmesser der Eintrittsfläche von annähernd 10 mm auf, auch wenn der optische Filter 132 eine Eintrittsfläche mit anderen Abmessungen aufweisen kann wie beispielsweise solchen zwischen 5 mm und 40 mm. Außerdem kann der optische Filter 132 einen zwischen seine beiden Flächen eingefügten Keil aufweisen, damit im optischen Filter 132 Mehrfachreflexionen von Licht verringert oder eliminiert werden, welche bewirken können, dass auf dem Bildsensor 122 Geisterbilder erscheinen. Zusätzlich kann der optische Filter 132 im Gehäuse 118 geneigt angeordnet sein, d. h. auf eine solche Weise, dass keine Seite des optischen Filters 132 parallel zur optischen Achse verläuft, was zusätzlich das Auftreten von Geisterbildern verringert. Der optische Filter 132 kann ein Bandpassfilter sein mit einem Durchlassband von weniger als 50 nm Breite und das Durchlassband kann eine Wellenlängenmitte aufweisen, die im Wesentlichen gleich der Emissionswellenlänge der Lichtquelle 108 ist.
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Der Bildsensor 122 oder eine andere Lichtnachweisvorrichtung ist dergestalt positioniert, dass Licht auf der Brennebene der in der Lichtempfängeranordnung 104 befindlichen Abbildungsoptik 120 aufgenommen wird. Der Bildsensor 122 oder eine andere Nachweisvorrichtung kann auf die im Lichtstrahl 114 enthaltenen Wellenlängen eingestellt sein, so dass sie erfasst werden können, auch wenn ganz allgemein der Bildsensor 122 oder eine andere Nachweisvorrichtung aus Silizium besteht und einen breiten spektralen Empfindlichkeitsbereich von annähernd 400 nm bis 1100 nm aufweist. Der Bildsensor kann ein CCD- oder CMOS-Bildsensor sein, auch wenn andere Typen und/oder eine andere Anzahl von Detektoren wie beispielsweise Quadrantensensoren (wie beispielsweise der SXUVPS4 von der Opto Diode Corp., Camarillo, CA) oder Positionsmessvorrichtungen (wie beispielsweise die 2L4SP von der On-Trak Photonics Inc., Irvine, CA) benutzt werden können.
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In diesem besonderen Beispiel bietet der Bildsensor 122 eine 4 mm x 4 mm große aktive Fläche mit mindestens 480 × 512 Pixel, auch wenn Bildsensoren mit anderen Abmessungen der aktiven Fläche benutzt werden können. In diesem Beispiel ist der Bildsensor 122 monochrom und ist für grünes Licht im Bereich von 500 nm bis 555 nm besonders empfindlich, auch wenn der Bildsensor 122 auch in anderen Wellenlängenbereichen empfindlich sein kann. In einem Beispiel ist der Bildsensor 122 dergestalt ausgelegt, dass der Bereich, der von Interesse ist, frei wählbar ist. Es soll lediglich als Beispiel angeführt werden, dass der Bildsensor 122 das Modell Nr. LUX330 sein kann, das von Luxima gefertigt wird, oder das Modell Nr. VITA 1300 NOIV1SN1300A von ON Semiconductor (Phoenix, AZ, USA) sein kann, auch wenn andere Bildsensoren benutzt werden können.
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In einem anderen Beispiel kann der Bildsensor 122 an Stelle eines 2D-Bildsensors ein Sensor mit linearer Anordnung sein, bei dem die Pixelzeile in einer Anordnung von beispielsweise 1 × 2048 vorliegt, auch wenn andere Anordnungen von 1 × 64 Pixel bis hoch zu 1 × 65.536 Pixel benutzt werden können. In diesem Beispiel ist die Pixelzeile in der Richtung der X-Achse ausgerichtet, so dass Änderungen in der Erhebung der Prüffläche (TS) - welche am Bildsensor 122 als Änderungen im Bildort in der X-Richtung erscheinen - unterschieden werden können. Ein Beispiel für einen geeigneten 1D- oder Linien-Bildsensor ist der KLI-2113 von ON Semiconductor (Phoenix, AZ, USA).
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In diesem Beispiel ist der Digitalprozessor 106 an den Lichtquellentreiber 112 und an die Bildsensor-Computer-Schnittstelle 124 angekoppelt, auch wenn der Digitalprozessor an andere Typen und eine andere Anzahl von Geräten oder Schnittstellen angekoppelt sein kann wie beispielsweise einen Drehgestelltreiber 134, wie das weiter unten noch ausführlich beschrieben wird. In diesem Beispiel ist der Digitalprozessor 106 ein hochintegriertes Mikrocontrollergerät mit einer Vielfalt an integrierten Hardwarefunktionen wie beispielsweise Analog-Digital-Wandler, Digital-Analog-Wandler, seriellen Bussen, Eingabe-Ausgabe-Stiften für allgemeine Aufgaben, RAM, ROM und Zeitgeber. Der Digitalprozessor 106 kann mindesten einen Prozessor und einen Speicher, die zusammengeschaltet sind, enthalten, wobei der Prozessor dergestalt konfiguriert ist, dass er ein Programm von im Speicher gespeicherten Anweisungen für einen oder mehrere Aspekte der beanspruchten Technologie ausführt, wie dies anhand von Beispielen in dieser Beschreibung beschrieben und veranschaulicht ist, auch wenn andere Typen und/oder eine andere Anzahl von Verarbeitungsgeräten und -logik eingesetzt werden könnte und der Digitalprozessor 106 oder eine andere Vorrichtung zur Profilmessung und -berechnung auch eine andere Anzahl und andere Typen von programmierten Befehlen ausführen könnte, die an anderen Stellen gespeichert sind und aus anderen Stellen erhalten werden.
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In einer anderen Ausführungsform kann der Digitalprozessor 106 getrennt vom optischen Profilometer 100 angeordnet sein wie beispielsweise in einem getrennten Maschinenprozessor oder einer anderen Vorrichtung zur Profilmessung und -berechnung. Der Digitalprozessor 106 kann außerdem mit anderen Vorrichtungen zur Profilmessung und -berechnung über einen seriellen Datenbus kommunizieren, auch wenn der Digitalprozessor 106 über andere Typen und eine andere Anzahl von Kommunikationsnetzen kommunizieren kann. Außerdem kann, um nur einige Beispiele zu nennen, die Kommunikation zwischen dem Digitalprozessor 106 und dem Lichtquellentreiber 112, der Bildsensor-Computer-Schnittstelle 124 oder dem Drehgestelltreiber 134 über serielle Busse erfolgen wie beispielsweise einen SPI-Bus oder einen CAN-Bus.
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Es soll nun auf 5 Bezug genommen werden, wo in einem Beispiel das optionale Drehgestell 107 dazu benutzt wird, um die Drehung des Prüfobjekts (TO) zu bewirken, auch wenn Drehgestelle, die Teil der Standardausrüstungen zur Vermessung von Prüfobjekten sind, benutzt werden können. Das Drehgestell 107 ist dergestalt ausgelegt, dass es das Prüfobjekt (TO) aufnimmt und dieses Prüfobjekt (TO) um seine Drehachse (A) dreht. In diesem Beispiel enthält das Drehgestell 107 eine Grundplatte 136, einen Motor 138 und einen Reitstock 140, auch wenn das Drehgestell 107 andere Typen und eine andere Anzahl von Elementen oder Vorrichtungen in anderen Kombinationen enthalten kann. Das Drehgestell 107 ist dergestalt ausgelegt, dass es das Prüfobjekt (TO) aufnimmt, welches zwischen dem Motor 138 und dem Reitstock 140 dergestalt montiert ist, dass die Drehachse (A) des Prüfobjekts (TO) im Wesentlichen mit der Achse des Motors 138 und der Achse des Reitstocke 140 zusammenfällt. Der Ort einer als Beispiel dienenden Scheibe (X) des Prüfobjekts (TO) ist auch angegeben, welche den Nocken (CL) und die Prüffläche (TS) schneidet und durch sie hindurchführt. In diesem Beispiel ist die exemplarische Scheibe (X) rechtwinklig zur Drehachse (A) angeordnet und alle Punkte der Scheibe (X) liegen im Wesentlichen in einer Ebene.
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Der Motor 138 des Drehgestells 107 ist elektronisch an den Drehgestelltreiber 134 angekoppelt und empfängt von diesem Drehgestelltreiber 134 elektronische Signale in dem Maße, wie dies zum Ansteuern seiner Drehposition erforderlich ist. Der Motor 138 kann ein Schrittmotor, ein Gleichstrommotor oder ein bürstenloser Gleichstrommotor sein, auch wenn andere Motortypen benutzt werden können. Der Motor 138 kann auch ein Getriebe enthalten, welches den Betrag an Drehung des Prüfobjekts (TO) für einen gegebenen Betrag der Drehung des Motors 138 vermindert oder erhöht.
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In einem Beispiel sorgt das Drehgestell 107 während des Vorgangs der Profilmessung für eine kontinuierliche Drehung des Prüfobjekts (TO), auch wenn das Drehgestell für eine diskrete Winkelverschiebung um die Drehachse (A) des Prüfobjekts (TO) während des Messvorgangs sorgen kann.
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In einem besonderen Beispiel kann, wie dies in 2 dargestellt ist, kann ein Drehgestell-Lagesensor 142, wie beispielsweise ein Winkelsensor, welcher die Winkelstellung erfasst oder misst, dazu benutzt werden, um die Winkelstellung des Drehgestells 107 zu messen. Der Drehgestell-Lagesensor ist elektrisch an den Digitalprozessor 106 angeschlossen und ist dergestalt ausgelegt, dass er imstande ist, Informationen, welche die Winkelstellung des Drehgestells 107 betreffen, elektronisch zu messen und an den Digitalprozessor 106 als Teil der Rückkopplungsschleife zu übertragen zum Zweck einer präzisen Steuerung der Winkelstellung des Drehgestells 107. Der Drehgestell-Lagesensor 142 kann zusammen mit dem Drehgestellmotor 138 am selben Ort angeordnet sein oder er kann auch in den Reitstock 140 eingebaut sein.
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Mit Bezug auf die 2 - 4 soll nun ein exemplarischer Betrieb des optischen Profilometers 100 beschrieben werden. Dabei ist die Definition der Achsen X, Y und Z in der isometrischen Darstellung des optischen Profilometers 100 in 4 und in der Rückansicht von 9 zu beachten. Darin ist die Z-Achse so festgelegt ist, dass sie parallel zum Prüfobjekt (TO) (oder parallel zur Drehachse (A) des Prüfobjekts (TO)) verläuft, die Y-Achse verläuft in der vertikalen Richtung und parallel zur Lichtempfängeranordnung 104 und die X-Achse liegt in der Richtung von einer Seite zur anderen rechtwinklig sowohl zur Y-Achse als auch zur Z-Achse, auch wenn andere Festlegungen konstruiert und vorgenommen werden könnten.
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In 3 und 4 ist auch ein solches Prüfobjekt (TO) dargestellt, welches eine Drehachse (A), eine Drehrichtung (R) und eine Prüffläche (TS), die vermessen werden soll, sowie eine Nockenerhebung (CL) aufweist, die nicht in der nominell zylindrischen Oberfläche der Welle (S) des Prüfobjekts (TO) liegt. Die beanspruchte Technologie kann beispielsweise ein Scheibenprofil des Prüfobjekts (TO) vermessen, bei welchem die Ebene der Scheibe im Wesentlichen rechtwinklig zur Drehachse (A) verläuft, auch wenn andere Scheiben oder andere Profilkonfigurationen, planare oder nichtplanare, möglich sind, wie das in dem Beispiel, das weiter unten noch ausführlich diskutiert wird, der Fall ist. In einem Beispiel ist das Prüfobjekt (TO) beispielsweise eine Nockenwelle, bei welcher die Höhe der Nockenerhebung (CL) zwischen 0,50 mm und 25,0 mm und der Durchmesser der Welle (S) zwischen 5 mm und 100 mm liegen können, auch wenn das optische Profilometer 100 benutzt werden kann, um andere Gegenstände einschließlich Nockenwellen mit anderen Abmessungen zu vermessen.
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Beim Betrieb wird zuerst die Lichtquellenanordnung 102 in Bezug auf das Prüfobjekt (TO) positioniert. Als Nächstes wird die Lichtquelle 108 in der Lichtquellenanordnung 102 unter Benutzung beispielsweise des Lichtquellentreibers 112 aktiviert und der Lichtstrahl 114 wird von der Lichtquellenanordnung 102 ausgesandt. Die Lichtquellenoptik 110 liefert am Messort 116 auf der Prüffläche (TS) des Prüfobjekts (TO) ein fokussiertes Bild der Aperturblende des Retikels. Der Ausgang der Lichtquellenanordnung 102 ist der Lichtstrahl 114, der durch die in der Lichtquellenanordnung 102 befindliche Lichtquellenoptik 110 im Wesentlichen auf einen am Messort 116 auf der Prüffläche (TS) des Prüfobjekts (TO) befindlichen Brennpunkt gerichtet wird. Das am Messort 116 fokussierte Prüflicht bewahrt die Gestalt der transparenten Aperturblende des Retikels in der Lichtquellenanordnung 102. In einem Beispiel, wo der Bildfleck am Messort 116 auf der Prüffläche (TS) exzentrisch ist, wird die Lichtquellenanordnung 102 dergestalt positioniert, dass die Hauptachse des Flecks parallel zur Drehachse des Prüfobjekts (TO) verläuft.
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Die Lichtempfängeranordnung 104 wird so positioniert, dass sie den Lichtstrahl 117, der von der Prüffläche (TS) reflektiert oder gestreut wird, aufnimmt. Licht aus dem Lichtstrahl 114, welches vom Prüfobjekt (TO) am Messort 116 reflektiert oder gestreut wird, wird je nach der Oberflächenbeschaffenheit des Prüfobjekts (TO) sowohl mit spiegelnden als auch mit diffusen Bestandteilen reflektiert. Ein Teil des diffus reflektierten Lichts 117 wird von der Abbildungslinse 122 gesammelt, auch wenn in einigen Konfigurationen das reflektierte Licht 117 genauso gut auch spiegelnde Reflexionen enthalten kann. Das diffus reflektierte Licht 117 tritt in die Abbildungsoptik 120 ein, welche in diesem Beispiel das erste Linsenelement 126, die Aperturblende 128, das zweite Linsenelement 130 und den optischen Filter 132 enthält, welche Teile der Lichtempfängeranordnung 104 sind.
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In diesem besonderen Beispiel ist die Abbildungsoptik 120 dergestalt ausgelegt, dass sie im Objektraum telezentrisch ist und auch im Bildraum telezentrisch ist, also doppelt telezentrisch ist. Telezentrisches Verhalten bedeutet, dass der bildgebende Lichtkegel oder das bildgebende Lichtbündel im Wesentlichen parallel zur optischen Achse der Abbildungsoptik 120 im Objektraum oder Bildraum verläuft. Dies ist für messtechnische Linsen deswegen vorteilhaft, weil, die Position des Bildflecks auf dem Bildsensor 122 sich nicht ändern wird (auch wenn seine Fokussierqualität sich ändern wird), während sich eine Entfernung ändert, insbesondere der Abstand zwischen dem Prüfobjekt (TO) und dem ersten Linsenelement 126. Somit werden Änderungen in der Objektentfernung (d. h. der Abstand zwischen dem Prüfobjekt (TO) und dem ersten Linsenelement 126) die Vermessung des Profils des Prüfobjekts (TO) nicht nachteilig beeinflussen. Wenn man die Abbildungsoptik 120 dergestalt konstruiert, dass sie im Bildraum auch telezentrisch ist, dann wird dadurch ermöglicht, dass zwar Änderungen im Abstand zwischen dem zweiten Linsenelement 130 und dem Bildsensor 122 auftreten können (beispielsweise durch Temperaturschwankungen oder mechanische Toleranzen), diese sich aber nicht auf den Bildort auf dem Bildsensor 122 und die Vermessung des Profils des Prüfobjekts (TO) auswirken.
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Wie das bei allen guten messtechnischen Linsen der Fall ist, sollte die Abbildungsoptik 120 der beanspruchten Technologie sehr geringe optische Störungen und eine hohe Telezentrizität aufweisen, wie bereits weiter oben erwähnt worden ist. Eine Störung kann man als Änderung der Vergrößerung über das Gesichtsfeld betrachten, während man sich die Nichttelekonzentrizität als eine Änderung der Vergrößerung als Funktion des sich ändernden Abstands von vorderer oder hinterer Brennweite vorstellen kann. Während optische Störungen und Nicht-Telekonzentrizität konstruktiv minimiert werden können, werden dennoch stets einige Reststörungen sowie eine gewisse Nicht-Telekonzentrizität verbleiben, welche in Kalibrierprozessen erkannt und beseitigt werden können. Ein solcher Kalibriervorgang zieht den Einsatz eines Mikrodisplays nach sich, das im Objektraum an Stelle eines Prüfobjekts (TO) angeordnet wird. Insbesondere wird das Mikrodisplay auf der optischen Achse der Abbildungsoptik 120 zentriert und in drei verschiedenen bekannten Abständen von der Linse wie beispielsweise bei 9,0 mm, 11,0 mm und 13,0 mm angeordnet. Für jede Y-Anordnung des Mikrodisplays wird ein bekanntes Muster von Pixeln beleuchtet und auf den Bildsensor 122 abgebildet. Das abgebildete Muster wird dann durch den Digitalprozessor 106 hinsichtlich der Fehlanordnung von Bildpixeln analysiert (d. h. sich mit dem Abstand des Gegenstandes oder über das Feld hinweg ergebende Änderungen der Vergrößerung), woraus die Störungen der Abbildungsoptik 120 und ihre Nicht-Telekonzentrizität berechnet werden können. Ein geeignetes Mikrodisplay kann jedes beliebige aus der Erzeugnisreihe der Ruby SVGA Micromodules von Kopin sein, welche 100 × 800 Pixel und eine Bildfläche von 9 mm × 12 mm aufweisen.
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Mindestens ein Teil des von der Prüffläche (TS) des Prüfobjekts (TO) reflektierten Lichts 117 wird in die Lichtempfängeranordnung 104 hinein gestreut oder anderweitig reflektiert, nachdem es die Abbildungsoptik 120 durchlaufen hat, wie weiter oben beschrieben ist, und es wird anschließend auf den Bildsensor 122 abgebildet. Um die Bildverarbeitung zu vereinfachen, wird in einem Beispiel die Lichtempfängeranordnung 104 dergestalt positioniert, dass die optische Achse der Lichtempfängeranordnung 104 die Drehachse (A) des Prüfobjekts (TO) schneidet.
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Die Abbildungsoptik 120 bewirkt, dass aus dem reflektierten Licht 117 auf dem Bildsensor 122 ein Bild von dem Fleck oder Muster gebildet wird, welches auf das Prüfobjekt (TO) am Messort 116 projiziert wird. Der Bildsensor 122, unabhängig davon, ob pixeliert oder nichtpixeliert, wandelt das darauf erzeugte Bild in ein elektronisches Signal um, welches dann der Bildsensor-Kamera-Schnittstelle 124 zugeführt wird. Die Bildsensor-Kamera-Schnittstelle 124 enthält in diesem Beispiel einen oder mehrere A/D (Analog/Digital) Wandler, welche/r das vom Bildsensor 122 ausgegeben analoge Signal bzw. die ausgegebenen Signale in ein Digitalformat umwandelt/n, welches von der Bildsensor-Kamera-Schnittstelle 124 an den Digitalprozessor 106 ausgegeben wird und für die Verarbeitung durch den Digitalprozessor 106 geeignet ist, auch wenn andere Typen von Schnittstellen eingesetzt werden können.
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Die Position des Zentrums des Bildes auf dem Bildsensor 122 ist eine Funktion des Radius des Prüfobjekts (TO), wobei der genannte Radius der radiale Abstand vom Messort 116 zur Drehachse (A) längs einer Linie ist, die rechtwinklig zur Drehachse (A) verläuft. Das Bild auf dem Bildsensor 122 wird anschließend durch den Digitalprozessor 106 ausgelesen und analysiert und das Zentrum des Bildes wird mathematisch berechnet, auch wenn andere Merkmale des Bildes wie beispielsweise nicht das Zentrum sondern eine Ecke mathematisch lokalisiert und unter Verwendung eines Triangulationsalgorithmus für die Radiusberechnung benutzt werden könnten.
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Das Drehgestell 107 kann dazu benutzt werden, um das Prüfobjekt (TO) um die Drehachse (A) zu drehen. Während das Prüfobjekt (TO) sich um die Drehachse (A) dreht, wird eine Reihe von Punkten erzeugt, die Koordinaten aufweisen (Grad der Drehung, Radius), welche die Prüffläche (TS) an einer Scheibe (X) oder einem Schnitt durch das Prüfobjekt (TO) geometrische beschreiben. Die Informationen der Ausgangsdaten der Scheibe können graphisch dargestellt werden, wie das in 6 dargestellt ist, in welcher auf der Horizontalachse der graphischen Darstellung die Gradwerte der Drehung (um die Drehachse (A)) liegen und die Vertikalachse der graphischen Darstellung den Radius des Prüfobjekts (TO) wiedergibt.
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Eine weitere exemplarische Ausführungsform einer Anwendung des optischen Profilometers 100 ist in den 7 - 10 veranschaulicht, in denen das optische Profilometer 100 so angepasst worden ist, dass es Scheiben eines Prüfobjekt wie beispielsweise einer Nockenwelle (CAM) misst, wo die Punkte der Scheibe nicht in einer Ebene liegen, wie das der Fall ist, wenn das Profil einer wendelförmigen Kurvennut (HCG) eines Gleitnockens aufzunehmen ist. In diesem Beispiel enthält die Nockenwelle (CAM) auch Nockenerhebungen (CL1) und (CL2). Der Aufbau und der Betrieb des optischen Profilometers 100 sind im Wesentlichen dieselben, wie das weiter oben beschrieben ist, jedoch mit Ausnahme dessen, was hier in Bezug auf das folgende Beispiel veranschaulicht und beschrieben wird. Auch wenn die Vermessung der Nockenwelle (CAM) beschrieben wird, so ist dies so zu verstehen, dass das optische Profilometer 100 dazu benutzt werden kann, um andere Gegenstände von Interesse mit anderen Konfigurationen wie beispielsweise Nockenwellen und Propeller zu vermessen.
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In diesem Beispiel ist die Gleitwelle (SC) auf der Nockenwelle (CAM) an das Drehgestell 107 montiert, wie das weiter oben beschrieben ist. In diesem Beispiel sind die Lichtquellenanordnung 102 und die Lichtempfängeranordnung 104 auf eine optische Montagepatte 150 montiert, welche ihrerseits an ein vertikales Translationsgestell 152 und ein horizontales Translationsgestell 154 montiert ist. Das horizontale Translationsgestell 154 ist an eine Schiene 156 montiert, welche an einer Stützplatte 158 befestigt ist, die auf die Grundplatte 136 des Drehgestells 107 montiert ist, auch wenn die Lichtquellenanordnung 102 und die Lichtempfängeranordnung 104 an anderen Typen und an einer anderen Anzahl von Elementen oder Vorrichtungen mit anderen Konfigurationen angebracht ein können. Diese exemplarische Konfiguration gewährleistet auf vorteilhafte Weise das Vermessen von Scheiben der Nockenwelle (CAM), bei welcher die Punkte der Scheibe nicht in einer Ebene liegen, wie das beispielsweise bei einer wendelförmigen Nockennut (HCG) eines Gleitnockens (SC) der Fall ist, wie das in 7 dargestellt ist.
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Es soll nun erneut auf die 7 - 9 Bezug genommen werden. Hier ist die optische Montageplatte 150 dergestalt ausgelegt, dass sie die Lichtquellenanordnung 102 und die Lichtempfängeranordnung 104 in einer festen Stellung zueinander hält, und zwar in einer Winkelausrichtung von im Wesentlichen 45°, auch wenn andere Winkelausrichtungen akzeptabel sind. Alternativ könnten eine von beiden, der Lichtquellenanordnung 102 und Lichtempfängeranordnung 104, oder beide auf ein zusätzliches Drehgestell montiert sein, um die Vielfalt und die Leistungsfähigkeit des optischen Profilometers 100 der beanspruchten Technologie zu verbessern. Wenn zum Beispiel gewünscht wird, das Profil der Bodenfläche einer wendelförmigen Nockennut (HCG) eines Gleitnockens zu vermessen und die wendelförmige Nockennut (HCG) im Vergleich zu ihrer Breite außerordentlich tief ist, dann sollte der Winkel zwischen der optischen Achse der Lichtquellenanordnung 102 und der Lichtempfängeranordnung 104 kleiner als 45 Grad sein, nämlich beispielsweise zwischen 10 Grad und 40 Grad, liegen so dass der von der Lichtquellenanordnung 102 ausgesandte Lichtstrahl 114 nicht von einer Seite der wendelförmigen Nockennut (HCG) abgeschnitten wird.
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Die optische Montageplatte 150 ist auf ein vertikales Translationsgestell 152 montiert, welches dergestalt ausgelegt ist, dass sich die Lichtquellenanordnung 102 und die Lichtempfängeranordnung 104 vertikal in der Y-Richtung bewegen, wie das erforderlich ist, um unterschiedliche Durchmesser des Prüfobjekts Nockenwelle (CAM) oder des Prüfobjekts Gleitnocken (SC) anzupassen. Das horizontale Translationsgestell 154 gleitet längs der Schiene 156 und bewegt die Lichtquellenanordnung 102 und die Lichtempfängeranordnung 104 in der Z-Richtung, um unterschiedliche nichtplanare Scheibenmessprofile oder planare Scheibenprofile, die nicht zur Drehachse (A) rechtwinklig sind, anzupassen.
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Es soll nun auf 10 Bezug genommen werden. In diesem Beispiel sind das vertikale Translationsgestell 152 und das horizontale Translationsgestell 154 auf bedienbare Weise gekoppelt und kommunizieren mit den Digitalprozessor 106 über einen vertikalen Translationsgestelltreiber 158 bzw. einen horizontalen Translationsgestelltreiber 160. Der Digitalprozessor 106 ist an den vertikalen Translationsgestelltreiber 158 und den horizontalen Translationsgestelltreiber 160 elektronisch angekoppelt und kommuniziert mit diesen sowie den zusätzlichen Treibern und Schnittstellen, wie weiter oben beschrieben ist.
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Der vertikale Translationsgestelltreiber 158 und der horizontale Translationsgestelltreiber 160 sind elektronische Schaltungen, welche eine programmierbare Logik enthalten können oder auch nicht und welche vom Digitalprozessor 106 Translationsbefehle aufnehmen, diese Befehle in elektronische Signale mit präzisen Werten für Strom, Spannung und Wellenform umwandeln, die an den jeweiligen Motor des vertikalen Translationsgestells 152 bzw. des horizontalen Translationsgestells 154 ausgegeben werden, welcher seinerseits die Positionierung und die Bewegung der jeweiligen Motoren der Translationsgestelle 152 und 154 steuert und daher die lineare Position der Translationsgestelle 152 und 154.
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Von den beiden Vorrichtungen, vertikales Translationsgestell 152 und horizontales Translationsgestell 154, enthält jede von ihnen einen (nicht dargestellten) Motor und einen (nicht dargestellten) inneren Mechanismus, welcher die Drehbewegung des Motors in eine lineare Translationsbewegung umwandelt, oder alternativ können die Motoren für die Translationsgestelle 152 und 154 Linearmotoren sein, die geräteeigen eine lineare Translationsbewegung erzeugen. Die Motoren der Translationsgestelle 152 und 154 sind elektronisch an den vertikalen Translationsgestelltreiber 158 bzw. den horizontalen Translationsgestelltreiber 160 angekoppelt und empfangen von diesen Treibern 158 und 160 elektronische Signale, wie dies erforderlich ist, um die Linearposition der Gestelle 150 und 152 zu steuern. Die Motoren können Schrittmotoren, Gleichstrommotoren oder bürstenlose Gleichstrommotoren sein, auch wenn andere Typen von Motoren benutzt werden können. Die Motoren können auch ein Getriebe enthalten, welches den Betrag der Linearbewegung der Translationsgestelle 152 und 154 für einen gegebenen Betrag der Bewegung der Motoren herabsetzt oder erhöht.
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Der Digitalprozessor 106 ist auch elektrisch an einen vertikalen Translationsgestell-Lagesensor 162 und einen horizontalen Translationsgestell-Lagesensor 164 angeschlossen wie beispielsweise einen Linearkodierer, welcher die lineare Position eines linearen Gestells erfasst oder misst und diese Information elektronisch an den Digitalprozessor 106 als Teil einer Rückkopplungsschleife überträgt zum Zweck einer präzisen Steuerung der linearen Position des vertikalen Translationsgestells 152 bzw. des horizontalen Translationsgestells 154. Die Lagesensoren 162 und 164 können in die Translationsgestelle 152 bzw. 154 integriert sein. Alternativ können die Lagesensoren 162 und 164 auch auf der Grundlage eines interferometrischen Verfahrens arbeiten, bei welchem Änderungen in den linearen Entfernungen in der Weise gemessen werden, dass ganze und bruchteilhafte Veränderungen in den Interferometerstreifen gezählt werden, wie das durch die ZMI-Serie der Displacement Measuring Interferometers geschieht, die von der Zygo Corp. Middlefield, CT, UStA gefertigt werden.
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Mit Bezug auf die 7 - 11 soll nun exemplarisch die Arbeitsweise des optischen Profilometers 100 für den Einsatz zur Vermessung der Bodenfläche einer wendelförmigen Nockennut (HCG) eines Gleitnockens (SC) lediglich als Beispiel beschrieben werden. Um beispielsweise die Bodenfläche der wendelförmigen Nockennut HCG zu vermessen, wird das Prüfobjekt Nockenwelle (CAM) auf das Drehgestell 107 zwischen den Motor 138 und den Reitstock 140 montiert und beispielsweise am Anfang so positioniert, dass der erste Messort nach oben zeigt (beispielsweise in Richtung der Y-Achse zeigt und auf der optischen Achse der Lichtempfängeranordnung 104 liegt, wenn sie sich in ihrer Ausgangsstellung oder Home-Stellung befindet).
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Als Nächstes wird das vertikale Translationsgestell 152 so eingestellt, dass die Lichtquellenanordnung 102 und die Lichtempfängeranordnung 104 sich an der korrekten Erhebung über dem Prüfobjekt Nockenwelle (CAM) befinden, so dass der Lichtstrahl 114 auf dem Boden der wendelförmigen Nockennut (HCG) ein Bild erzeugt und dass dieses Bild sich auch im Brennpunkt des Bildsensors 122 der Lichtempfängeranordnung 104 befindet. Das horizontale Translationsgestell 154 wird dann so positioniert, dass die Lichtempfängeranordnung 104 über der wendelförmigen Nockennut (HCG) in ihrer Ausgangsposition zentriert wird. In diesem Beispiel ist der Digitalprozessor 106 vorprogrammiert, um das horizontale Translationsgestell 154 so anzusteuern, dass es sich in horizontaler Richtung verschiebt, während der Motor 138 sich während eines Profilmessvorgangs dreht, so dass die optische Achse der Lichtempfängeranordnung 104 in der wendelförmigen Nockennut (HCG) im Wesentlichen zentriert bleibt.
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Als Nächstes beginnt der eigentliche Vorgang der Profilmessung, und während dieses Messvorgangs laufen die folgenden Schritte ab: 1.) Die Lichtquellenanordnung 102 wird aktiviert und der Lichtstrahl 114 wird auf den Boden der wendelförmigen Nockennut (HCG) gerichtet; 2.) der Motor 138 des Drehgestells 107 dreht sich und die Nockenwelle (CAM) dreht sich dergestalt, dass ein unterschiedlicher Teil der wendelförmigen Nockennut (HCG) dem Prüfstrahl 114 und der Lichtempfängeranordnung 104 ausgesetzt wird; 3.) das horizontale Translationsgestell 154 bewirkt, dass die Lichtquellenanordnung 102 und die Lichtempfängeranordnung 104 sich in der Z-Richtung translatorisch dergestalt bewegen, dass der Brennpunkt des Lichtstrahls 114 und die optische Achse der Lichtempfängeranordnung 104 in der wendelförmigen Nockennut (HCG) zentriert bleiben; und 4.) ein Bild des Prüflichts am Boden der wendelförmigen Nockennut (HCG) wird auf dem Bildsensor 122 erzeugt, welches dann vom Digitalprozessor 106 ausgelesen und verarbeitet wird, um die Erhebung oder den Radius des Prüfobjekts Nockenwelle (CAM) am Ort der wendelförmigen Nockennut (HCG) zu berechnen, welcher durch die Winkelstellung des Motors 138 des Drehgestells 107 bestimmt wird.
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In einem Beispiel liegt die Gesamtzeit, die erforderlich ist, um ein Profil der Nockenwelle oder eines anderen Prüfobjekts zu vermessen, zwischen 0,1 Sekunde und 100 Sekunden je nach der Dichte der Messpunkte, der Anzahl der Messpunkte, der Geschwindigkeit der Gestellbewegung und der Geschwindigkeit des Bildsensors 122 und des Digitalprozessors 106.
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Das vertikale Translationsgestell 152 in Verbindung mit dem vertikalen Translationsgestell-Lagesensor 162, dem Drehgestell-Lagesensor 146, dem Digitalprozessor 106 und einer A-prior-Kenntnis über das Prüfobjekt wie beispielsweise eine Nockenwelle (CAM), welche in den Digitalprozessor 106 hinein programmiert worden ist, kann in einer solchen Weise benutzt werden, dass die Lichtempfängeranordnung 104 das Profil der Nockenwelle (CAM) verfolgen kann (d. h. einen im Wesentlichen konstanten Abstand zwischen dem Prüfmessort 116 und dem ersten Linsenelement 122beibehalten kann, wie das in 3 dargestellt ist), während die Nockenwelle (CAM) um ihre Achse gedreht wird (und beispielsweise erhöhte Merkmale wie beispielsweise eine Nockenerhebung durch das Abtastfeld der Abbildungsoptik 120 treten), um die Tiefe der Feldanforderungen für die Abbildungsoptik zu verringern und auch um Kollisionen zwischen der Nockenerhebung und der Lichtempfängeranordnung 104 zu vermeiden.
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Eine exemplarische Abfolge von Verfahrensschritten beim Vermessen einer Nockenwelle (CAM) ist im Flussdiagramm der 11 veranschaulicht, welches nachfolgend unter Bezug auf die 1 - 11 veranschaulicht wird. In Schritt 300 wird das Prüfobjekt wie beispielsweise eine Nockenwelle (CAM) in das Drehgestell 107 eingebaut. Als Nächstes wird in Schritt 301 die Profilmessung eingeleitet. Als Beispiel kann die Profilmessung durch eine Bedieneranweisung eingeleitet werden, die über den Digitalprozessor 106 bereitgestellt wird.
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In Schritt 302 liefert der Digitalprozessor 106 Steueranweisungen für ein oder mehrere oder alle Gestelle, darunter das Drehgestell 107, das vertikale Translationsgestell 152 und das horizontale Translationsgestell 154, damit sie über ihren jeweiligen Treiber 134, 158 und 160 in ihre Home-Positionen oder Ausgangsstellungen zurückkehren. Auf diese Weise erfährt der Digitalprozessor 106 über die jeweiligen Lagesensoren (142, 162 und 164) der Gestelle die genauen Orte und die Nockenwelle (CAM) befindet sich in einer Nennposition für die Messung. Als Nächstes liefert der Digitalprozessor 106 in Schritt 304 über den Lichtquellentreiber 112 Steueranweisungen für die Lichtquelle 108 für das Einschalten. Sobald die Lichtquelle 108 eingeschaltet ist, sollte auf dem Bildsensor 122 ein Bild vorhanden sein.
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Als Nächstes erhält im Schritt 306 der Digitalprozessor 106 ein Bild vom Bildsensor 122. In diesem Beispiel liefert der Digitalprozessor 106 Steueranweisungen für die Bildsensor-Computer-Schnittstelle 124, um den Bildsensor 122 zu lesen und die Daten in ein Digitalformat umzuwandeln, welches dann vom Digitalprozessor 206 gelesen werden kann. In Schritt 308 verarbeitet der Digitalprozessor 106 das durch die Bildsensor-Computer-Schnittstelle 124 in den Digitalprozessor eingelesene Bild und berechnet einen präzisen Ort des Bildes in der X-Richtung, auch wenn andere Ortsinformationen vom Digitalprozessor verarbeitet werden können. Man beachte, dass der Ort definiert werden kann als Wellenlängenschwerpunkt des Bildflecks, also des Ortes, wo die zwei Arme eines fadenkreuzförmigen Flecks sich kreuzen, oder gewisse andere geometrische Merkmale des Bildes, deren Ort genau und zuverlässig gemessen werden kann.
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In Schritt 310 benutzt der Digitalprozessor 106 die X-Koordinate des in Schritt 308 ermittelten Bildes, um die Y-Koordinate der Erhebung des Prüfobjekts wie beispielsweise der Nockenwelle (CAM) am Messort 116 unter Verwendung eines Triangulationsalgorithmus zu bestimmen. In diesem Beispiel benutzt der Digitalprozessor 106, wenn er den Triangulationsalgorithmus anwendet, nicht nur die Informationen der Bild-X-Koordinate, sondern auch die Kenntnis über den Einfallswinkel des Lichtstrahls 114 (nominell 45 Grad) und die Vergrößerung der Abbildungsoptik 120, um die Erhebung oder Y-Koordinate für den Messort 116 auf der Nockenwelle (CAM) zu berechnen.
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Zusätzlich zur Schwerpunktfindung oder Berechnung der X-Koordinate, wie dies in den Schritten 308 und 310 beschrieben ist, werden im Zug der Bildverarbeitung normalerweise mehrere weitere Bildverarbeitungsfunktionen vom Digitalprozessor 106 benutzt wie beispielsweise die Filterung und Rauschunterdrückung, die Schwellwertbehandlung, das Erkennen von Kanten, das Erkennen von Spitzen, das Erkennen und Beseitigen von Streulicht, das Erkennen von Streulichtflecken und deren Beseitigung und/oder das Anwenden von Eichparametern, um einige Beispiele zu nennen. Diese Bildverarbeitungsfunktionen eignen sich für parallele Verarbeitungsmethoden, in denen multiple Mikrocontroller/Mikroprozessoren wiederverwendet werden, um die Bildverarbeitungsberechnungen zu beschleunigen und die Leistung zu verbessern. In diesem Beispiel kann ein FPGA wie beispielsweise solche von Xilinx, die mehrere Dutzend chipintegrierte Prozessoren aufweisen können und die recht kostengünstig sind, benutzt werden, um die Bildverarbeitungsfunktionen durchzuführen, und kann auch einen Teil oder die gesamte programmierbare digitale Logikhardware des Digitalprozessors 106 bilden.
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Nachdem in Schritt 310 die Erhebung der Y-Koordinate berechnet worden ist, prüft in Schritt 312 der Digitalprozessor 106, ob diese besondere Berechnung der Erhebung die letzte erforderliche Erhebungsberechnung ist. Falls in Schritt 312 der Digitalprozessor 106 ermittelt, dass die letzte Messung erhalten worden ist, wie das beispielsweise der Fall sein würde, wenn eine volle 360-Grad-Drehung des Prüfobjekts wie beispielsweise der Nockenwelle (CAM) gemessen worden ist, dann erfolgt die Ja-Meldung an Schritt 314, wo der Digitalprozessor 106 über den Lichtquellentreiber 112 Anweisungen an die Lichtquelle 108 liefert, um die Lichtquelle 108 abzuschalten. In Schritt 316 ist die Profilmessung vollständig und wird beendet. Es soll darauf geachtet werden, dass als Teil des Verfahrensschritts 316, sobald die Profilmessung vollständig ist, die Punkte der Erhebungsdaten für das Prüfobjekt wie beispielsweise die Nockenwelle (CAM) oder Punkte der Radiusdaten in tabellarischer Form als Funktion der Position des Drehgestells 107, der Position des horizontalen Translationsgestells 154 angeordnet werden können und die Radiusdaten oder die Fehlradiusdaten aufgetragen werden können, wie das beispielsweise in 6 dargestellt ist.
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Falls jedoch in Schritt 312 der Digitalprozessor 106 ermittelt, dass der Messvorgang nicht vollständig ist, weil mehr Umfangsdatenpunkte über das Prüfobjekt wie beispielsweise die Nockenwelle (CAM) erforderlich sind, dann liefert der Digitalprozessor 106 in diesem Beispiel über den Drehgestelltreiber 134 eine oder mehrere Steueranweisungen an das Drehgestell 107, damit dieses sich in Schritt 318 in eine nächste Position dreht. In einem Beispiel kann der Digitalprozessor 106 durch Ausgabe von Drehanweisungen an den Drehgestelltreiber 134 eine Anweisung für das Drehgestell 107 liefern, damit dieses sich um 1,0 Grad dreht (auch wenn andere Inkremente der Drehung akzeptabel sind, die im Bereich zwischen 0,001 und 180 Grad liegen). Es ist zu beachten, dass für eine einzelne Umdrehung des Prüfobjekts wie beispielsweise einer Nockenwelle (CAM) um 360 Grad die Anzahl der Messungen der Umfangsdatenpunkte zwischen eins und 1.048.576 liegen kann.
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Falls die Daten der Umfangspunkte nicht in einer Ebene liegen oder in einer Ebene, die nicht zur Achse des Prüfobjekts wie beispielsweise der Nockenwelle (CAM) rechtwinklig verläuft, dann liefert als Nächstes in Schritt 320 der Digitalprozessor 106 eine oder mehrere Anweisungen an den horizontalen Translationsgestelltreiber 160, um zu bewirken, dass das horizontale Translationsgestell 154 die Nockenwelle (CAM) in der horizontalen Richtung verlagert. Falls vom nächsten Umfangsdatenpunkt a priori bekannt ist, dass er an einem Erhebungspunkt liegt, der von dem derzeitigen deutlich verschieden ist, dann kann der Digitalprozessor 106 auch Befehle an den vertikalen Translationsgestelltreiber 158 geben, um zu bewirken, dass das vertikale Translationsgestell 152 sich in einer abtastenden Weise bewegt, wie das weiter oben beschrieben ist.
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Nachdem die Bewegungen der Gestelle vollständig sind und der Digitalprozessor 106 die Bestätigung ihrer Bewegungen über ihre jeweiligen Lagesensoren (142, 162 und 164) erhalten hat, kehrt der Vorgang zu Schritt 306 zurück, in welchem vom Bildsensor 122 durch den Digitalprozessor 106 abermals ein Bild erhalten wird. Der Vorgang wiederholt sich dann, bis alle umfänglichen Erhebungsmessungen durchgeführt worden sind, wie das in Verfahrensschritt 312 festgelegt ist.
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Wie bereits weiter oben erwähnt worden ist, wird sich über den Verlauf einer Drehung des Prüfobjekts wie beispielsweise einer Nockenwelle (CAM) die Position des Bildes auf dem Bildsensor 122 ändern auf der Grundlage des Drehwinkels und des Höhenprofils des Prüfobjekts (TO). Es kann jedoch vom Digitalprozessor 106 ein Längsprofil längs der Längserstreckung des Prüfobjekts (TO) wie beispielsweise einer Nockenwelle (CAM) zusammengesetzt werden auf der Grundlage der besonderen (und sich nicht ändernden) Drehwinkel und dadurch, dass die Position des horizontalen Translationsgestells 154 dergestalt geändert wird, dass das optische Profilometer 100 über einen wesentlichen Teil der Länge des Prüfobjekts translatorisch verschoben wird. In diesem besonderen Fall kann eine komplette Profilmessung für eine Längsscheibe des Prüfobjekts innerhalb von 100 ms bis 100 Sekunden vollständig ausgeführt werden.
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Längs der Länge des Prüfobjekts können zusätzliche Scheiben dadurch vermessen werden, dass man das Prüfobjekt wie beispielsweise eine Nockenwelle (CAM) längs der Drehachse (A) umpositioniert. Alternativ kann das optische Profilometer 100 längs der Längsachse des Prüfobjekts umpositioniert werden, um Daten an einer anderen Scheibe des Prüfobjekts zu erhalten. Das Profil der Nockenwellenoberflächen, sowohl der Erhebungen als auch der Zapfen, kann unter Anwendung der beschriebenen Messtechniken ermittelt werden, um dreidimensionale Kenngrößen der Oberflächen durch Umpositionierung entweder der Nockenwelle selbst oder des optischen Profilometers 100 zu berechnen. In einem Beispiel kann das optische Profilometer 100 längs der Achse der Nockenwelle während der Drehung der Welle translatorisch verschoben werden, um Daten für mehr als eine Querschnittsscheibe der Nockenwelle auf einmal zu erhalten.
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In einem anderen Beispiel können mehr als ein optisches Profilometer 100 auf einer Messanordnung an verschiedenen längs ausgerichteten Stelle installiert und parallel betrieben werden, um die Messleistung zu verbessern, d. h. mehrere Scheiben gleichzeitig zu vermessen. Alternativ können optische Mehrfach-Profilometer an derselben Längsposition am Prüfobjekt angebracht werden, um zusätzliche Datenpunkte zwecks Mittelwertbildung zu erhalten, um die Genauigkeit zu erhöhen oder die Zeit zu verkürzen, die für die Vermessung eines vollständigen Scheibenprofils erforderlich ist.
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In einem anderen Beispiel kann während einer Scheibenmessung das Prüfobjekt um mehr als 360 Grad um seine Drehachse (A) gedreht werden. Falls die Punkte des sich ergebenden Profils im Wesentlichen coplanar sind, können von den sich überlappenden Messpunkten Mittelwerte gebildet werden, um die Messgenauigkeit zu erhöhen oder die Wiederholbarkeit zu verbessern.
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Der Vorgang der Profilmessung kann auf Nockenwellen angewendet werden, um Fehlermessungen durchzuführen hinsichtlich beispielsweise des Anstiegs, der Rundheit, des Flatterns, der Parallelität und der Geradheit beim Nocken und beispielsweise hinsichtlich des Radius, des Durchmessers, der Rundheit und der Geradheit beim Zapfen. In einem anderen Beispiel kann eine Nockenwelle vermessen werden hinsichtlich Wölbung, Konizität, Konkavheit, Konvexität und Breite, indem die Nockenwelle oder das optische Profilometer längs der Axialrichtung für die Breite der Erhebung oder des Zapfens bewegt werden, während die beschriebenen Messtechniken eingesetzt werden.
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Dementsprechend kann mit dieser Technologie ein Profil eines komplexen Gegenstandes wie beispielsweise einer Nockenwelle oder Kurbelwelle, wo große Entfernungen oder tiefe oder komplexe Profile auf wenige Mikrometer Genauigkeit gemessen werden müssen, erhalten werden. Die exemplarische Technologie misst diese komplexen Profile unter Verwendung einer nichttastenden Lichtquellenanordnung, welche die Kosten und die Komplexität der optischen Profilmessvorrichtung senkt. Außerdem kann die optische Profilmessvorrichtung mit Drehgestellen verwendet werden, die in den Standard-Messanordnungen zur Vermessung von Nockenwellen und Kurbelwellen bereits im Einsatz sind.
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Nachdem nun das Grundkonzept der Erfindung beschrieben worden ist, werden die Fachleute auf diesem Gebiet erkennen, dass mit der vorausgehenden ausführlichen Offenlegung die Absicht verfolgt wird, diese lediglich als Beispiel vorzulegen, und dass diese keine den Erfindungsgedanken einschränkende Wirkung hat. Jegliche Änderungen, Verbesserungen und Abwandlungen sind möglich und sind an die Fachleute auf diesem Gebiet gerichtet, auch wenn dies in dieser Beschreibung nicht ausdrücklich erwähnt wird. Diese Änderungen, Verbesserungen und Abwandlungen liegen im Rahmen des Geistes und des Schutzumfangs dieser Erfindung. Daher erfährt die Erfindung eine Einschränkung lediglich durch die folgenden Ansprüche und ihre Äquivalente.
