DE19506642C1 - Verfahren und Vorrichtung zum optischen Ausmessen der Oberflächenkontur eines Werkstückes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum optischen Aus­ messen der Oberflächenkontur eines Werkstückes sowie eine Vorrichtung zu dessen Durchführung.

In der DE 40 34 007 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zur optischen Erfassung von Oberflächenstrukturen an Zähnen beschrieben. Da das Material der Zähne an sich transluzent ist, wird vorgeschlagen, die auszumes­ sende Zahnoberfläche mit Fluoreszenzfarbe zu beschichten, z. B. Fluorescein. Bei Bestrahlung mit aktinischem Licht emittiert eine derartige Fluoreszenzfarbe längerwelliges Licht, im Falle von Fluorescein gelb-grünes Licht. Das von der Zahnoberfläche reflektierte Licht wird von einer 3 D-Kamera aufgefangen, welche einen CCD-Sensor umfassen kann. Von der Farbschicht gestreutes Anregungslicht wird durch ein vor der Kameralinse angeordnetes Farb­ filter entfernt.

Ein weiteres Verfahren zum optischen Ausmessen der Ober­ flächenkontur eines Werkstückes sowie eine Vorrichtung zu seiner Durchführung ist in der DE 37 20 079 C2 be­ schrieben.

Bei diesem Verfahren wird ein Lichtstrahl nicht nur durch die Kontur der Werkstückoberfläche sondern auch durch deren Reflexionseigenschaften modifiziert. Dies kann die Qualität des Ergebnisses beeinflussen. Mit diesem Verfahren ergeben sich auch dann Schwierigkeiten, wenn die Werkstückoberfläche aus transparentem Kunst­ stoff besteht, da hier der Lichtstrahl in die Objekt­ oberfläche eindringen kann. Dies schließt z. B. bei solchen Werkstückoberflächen die Verwendung der Ober­ flächenausmessung nach dem Triangulationsverfahren aus. Werden Verfahren verwendet, bei welchen eine Optik so nachgestellt wird, daß der Brennpunkt immer in dem gerade ausgemessenen Punkt der Oberfläche des Werkstückes gelegt wird, so ergeben sich ferner Intensitätsschwankungen im reflektierten Licht, welche auf die Neigung der Werk­ stückoberfläche im gerade ausgemessenen Punkt zurückzu­ führen sind.

Durch die vorliegende Erfindung soll daher ein Verfahren zum optischen Ausmessen der Oberflächenkontur eines Werkstückes geschaffen werden, welches unabhängig von den jeweiligen Reflexions- und Streueigenschaften im gerade ausgemessenen Punkt der Werkstückoberfläche und unabhängig von Schwankungen in der Lichtbeugung eine genaue optische Ausmessung der Oberflächenkontur ge­ währleistet.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch ein Ver­ fahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen bzw. durch eine Vorrichtung mit den im Anspruch 8 angegebenen Merkmalen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren gibt man der Ober­ fläche des Werkstückes vorübergehend durchgehend iden­ tische Eigenschaften, was die Reflexion, Streuung und Beugung von Licht betrifft. Dies erfolgt dadurch, daß man auf die Werkstückoberfläche für die Dauer der Messung einen Überzug aus lichtreflektierenden bzw. streuenden feinen Flüssigkeitströpfchen anbringt. Diese überdecken die nicht gleichbleibenden, ortsabhängigen Eigenschaften der eigentlichen Werkstückoberfläche bezüglich der Re­ flexion und der Streuung von Licht, wobei die Tröpfchen­ schicht zugleich der Werkstückoberfläche exakt folgt.

Die Flüssigkeitströpfchen können entweder durch Nieder­ schlagen eines sie enthaltenden Nebels oder durch Aus­ kondensieren von Flüssigkeitsdampf an der Werkstückober­ fläche erhalten werden. Wichtig ist, daß die niederge­ schlagene Schicht eine gleichförmige Aufeinanderfolge individueller Flüssigkeitströpfchen darstellt, jedoch keinen Flüssigkeitsfilm. In der Praxis haben die Flüssig­ keitströpfchen einen Durchmesser im sub-µm-Bereich, und als Flüssigkeit für das Erzeugen einer solchen homo­ genen Tröpfchenschicht haben sich insbesondere Wasser und Wasser-Alkoholgemische bewährt.

Das Erzeugen eines Tröpfchennebels kann unter Zuhilfe­ nahme von hochfrequenten mechanischen Zerstäubungshilfen erfolgen, z. B. ähnlich wie dies bei der Tröpfchenbildung in auf dem Piezoeffekt basierenden Druckköpfen von Tinten­ strahldruckern erfolgt. Alternativ kann man die Zerstäu­ bungshilfe durch thermisch arbeitende Bubble-Jet-Düsen erhalten, wie sie ebenfalls in Tintenstrahldruckern verwendet werden.

Wiederum alternativ kann man auch einen gesättigten Dampf der die Tröpfchen bildenden Flüssigkeit gegen die Werk­ stückoberfläche richten, der dann auf der Werkstückober­ fläche zu kleinen Tröpfchen kondensiert.

Verwendet man zur Bildung der Tröpfchenschicht nieder­ siedende Flüssigkeiten, so verdampft die Tröpfchenschicht nach erfolgtem Ausmessen eines Oberflächenbereiches von selbst. Wünscht man im Hinblick auf besonders lange Meßzeiten oder bestimmte optische Eigenschaften der Tröpfchenschicht die Verwendung einer höhersiedenden Flüssigkeit, so kann man diese nach Beendigung des Meß­ programmes durch Erwärmen des Werkstückes oder Anblasen mit warmer Luft entfernen.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungs­ beispieles näher unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beschrieben. In dieser zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum optischen Ausmessen der Oberflächenkontur eines Werk­ stückes.

In der Zeichnung ist mit 10 die auszumessende Oberfläche eines Werkstückes bezeichnet. Über der Werkstückober­ fläche ist ein insgesamt mit 12 bezeichneter Meßkopf durch einen Support 14 in zwei zu einander senkrechten Koordinatenrichtungen verfahrbar, welche durch einen Doppelpfeil 16 sowie ein Kreuz 18 veranschaulicht sind.

Der Meßkopf 12, der z. B. einen Aufbau haben kann, wie er in der DE 37 20 079 C2 beschrieben ist, umfaßt eine Lichtquelle 20, die einen sehr feinen Laser-Meßlicht­ strahl 22 bereitstellt. Dessen Querschnitt kann in der Praxis einige µm betragen.

Der Meßlichtstrahl 22 wird über einen halbdurchlässigen Spiegel 24 und eine Linse 26 auf die Werkstückoberfläche 10 abgebildet, und das von der Werkstückoberfläche re­ flektierte Licht gelangt über die Linse 26 und den halb­ durchlässigen Spiegel 24 auf einen Sensor 28. Dieser hat zwei zu beiden Seiten der optischen Achse liegende licht­ empfindliche Sensorelemente, die bei Brennpunktablage des Meßpunktes ungleich, bei Brennpunktlage des Meßpunktes symmetrisch bestrahlt werden. Die Differenz ihrer Aus­ gangssignale ist so ein Maß für den Abstand zwischen dem gerade ausgemessenen Punkt der Werkstückoberfläche (Meß­ punkt) und dem Brennpunkt der Linse 26. Die Summe ihrer Ausgangssignale gibt das Reflexions- und Streuverhalten sowie Beugungseffekte am Meßpunkt wieder.

Das Differenzsignal des Sensors 28 wird dazu verwendet, um ständig Brennpunktbedingungen einzuregeln. Damit folgt die Linse 26 der Werkstückoberfläche, und das Ausgangs­ signal eines auf ihre Axialstellung ansprechenden Stel­ lungsgebers 30 ist direkt ein Maß für den lokalen Abstand der Werkstückoberfläche von einer Referenzfläche. Bezüglich Einzelheiten eines derart arbeitenden Meßkopfes wird nochmals auf die DE 37 20 079 C2 verwiesen.

An den Meßkopf 12 ist ein Fluidabgabekopf 32 angeschraubt. Dieser enthält einen Vorratsbehälter 34 für eine nieder­ siedende Flüssigkeit, insbesondere Wasser oder ein Wasser- Äthylalkoholgemisch. Der Vorratsbehälter 34 ist mit einem Zerstäuber 36 verbunden, der die aus dem Vor­ ratsbehälter 34 zugeführte Flüssigkeit in Tröpfchen überführt, deren Durchmesser im sub-µm-Bereich liegt.

Der Tröpfchennebel wird von einem nur kleine Leistung aufweisenden und mit geringer Strömungsgeschwindigkeit arbeitenden Gebläse 38 übernommen, welches zusätzliche Luft über eine Leitung 40 ansaugt und den Tröpfchennebel in einen Abgabestutzen 42 drückt, der bis in die Nähe der auszumessenden Werkstückoberfläche 10 führt und dessen Achse so angestellt ist, daß sie unter Normal­ bedingungen (Linse 26 in ihrer Ruhelage; Brennpunkt der Linse auf der Werkstückoberfläche) die optische Achse des Meßkopfes 12 schneidet.

Der Zerstäuber 36 und das Gebläse 38 werden durch einen Steuerkreis 44 gesteuert, der in Abhängigkeit vom addier­ ten Gesamt-Ausgangssignal der beiden lichtempfindlichen Teilbereiche des Sensors 28 arbeitet. Auf diese Weise kann man die Abgabe von Flüssigkeitströpfchen durch den Fluidabgabekopf 32 dann unterbinden, wenn die Werk­ stückoberfläche schon von Hause aus ausreichend gute und konstante Reflexionseigenschaften hat.

In der Zeichnung sind auf der Werkstückoberfläche nieder­ geschlagene kleine Flüssigkeitströpfchen bei 46 gezeigt. Man erkennt, daß die so erhaltenen lokalen Reflexions­ eigenschaften nur vom Brechungsvermögen und der Geometrie der kleinen Flüssigkeitströpfchen abhängen, nicht dagegen von der Neigung und dem Reflexionsvermögen der Werkstück­ oberfläche selbst.

Der Durchmesser der Tröpfchen ist mit der Wellenlänge des Meßlichtes vergleichbar (oder kleiner) und damit auch klein verglichen mit dem Durchmesser des Meßlichtstrahles 22, so daß dieser jeweils eine Mehrzahl von Tröpfchen gleich­ zeitig beleuchtet. In der Praxis bedeutet dies einen Durch­ messer der Tröpfchen von unter 10 µm.

Um ein Niederschlagen von Flüssigkeitströpfchen auf der Linse 26 zu vermeiden, ist diese thermisch mit einer Heizeinrichtung 48 gekoppelt, wie in der Zeichnung schema­ tisch angedeutet. Diese ist vorzugsweise eine lichtdurch­ lässige auf die Frontseite der Linse aufgedampfte Wider­ standsschicht, die mit einer Spannungsquelle verbunden ist.

Der Durchmesser des Meßlichtstrahles 22 ist klein ver­ glichen mit der Ausdehnung noch getrennt aufzulösender Konturen der Werkstückoberfläche.

Claims (10)

1. Verfahren zum optischen Ausmessen der Oberflächen­ kontur eines Werkstückes, bei welchem Licht (22), gegen die Werkstückoberfläche (10) gerichtet wird und aus Änderungen im von einem lokal begrenzten Bereich der Werkstückoberfläche (10) reflektierten Licht (22) ein der lokalen Oberflächenkontur zugeordnetes Abstandssignal abgeleitet wird, mit den weiteren Merkmalen, daß die Werkstückoberfläche (10) in dem gerade auszumessenden Oberflächenbereich für mindestens die Dauer der dortigen Messung mit einem homogenen Überzug aus individuellen Flüssigkeitströpfchen (46) versehen wird, deren Durchmesser vergleichbar mit der Lichtwellen­ länge ist oder kleiner als diese ist und die nach der Messung verdampft werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitströpfchen (46) aus einer bei Raumtemperatur verdunstenden Flüssigkeit bestehen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitströpfchen aus Wasser, Äthylalko­ hol oder einer Mischung aus Wasser und Alkohol bestehen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit zu einem feinen Nebel zerstäubt wird und der feine Nebel gegen die Werk­ stückoberfläche gerichtet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Zerstäuben der Flüssigkeit unter zusätzli­ cher Einwirkung von Ultraschall erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß gesättigter Dampf der Flüssig­ keit gegen die Werkstückoberfläche gerichtet wird und dort zu der Tröpfchenschicht kondensiert.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstückoberfläche (10) vor und gegebenenfalls während der Messung gekühlt wird.

8. Vorrichtung zum optischen Ausmessen der Oberflächenkontur eines Werkstücks, welche einen Meßkopf (10) mit einer Lichtquelle (20), die einen Lichtstrahl (22) bereitstellt, und mit einer Optik (26) zum Abbilden des Lichtstrahles (22) auf die Werkstückoberfläche (10) und zum Abbilden von der Werkstückoberfläche (10) reflek­ tierten Lichtes auf einen Sensor (28), der aus Änderungen des empfangenen reflektierten Lichtstrahles ein der lokalen Oberflächenkontur des Werkstückes entsprechendes Abstandssignal erzeugt, aufweist, mit den weiteren Merkmalen, daß in unmittelbarer Nachbarschaft des Meßkopfes (12) ein Fluidabgabekopf (32) angeordnet ist, welcher einen Fluid­ strahl gegen die Werkstückoberfläche (10) richtet, der aus feinen Flüssigkeitströpfchen oder einem zu feinen Flüssigkeitströpfchen kondensierbaren Dampf besteht und auf dem gerade auszumessenden Oberflächen­ bereich für mindestens die Dauer der dortigen Messung einen homogenen Überzug am individuellen Flüssigkeitströpfchen erzeugt, deren Durchmesser vergleichbar mit der Lichtwellenlänge oder kleiner als diese ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen dem Fluidabgabekopf (32) zugeordneten Steuer­ kreis (44), welcher den Fluidabgabekopf (32) in Abhängig­ keit von einem die Intensität des von der Werkstückober­ fläche reflektierten Lichtes wiedergebenden Ausgangssignal des Sensors (28) aktiviert bzw. desaktiviert.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch eine einem Eintrittsfenster des Meßkopfes (12) zugeordnete Heizeinrichtung (48), vorzugs­ weise eine lichtdurchlässige frontseitige Widerstands­ schicht, die mit einer Spannungsquelle verbunden ist.