DE1962515A1 - Optische Messsonde - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE OLP 838 E . DR. I. MAAS

DR. W. PFEIFFER
DR. F. VOITHENLEITNER

8 MÜNCHEN 23
UNGESERSTR. 25 - TEL. 39 02 36

Optomechanisms, Ine., Plainview, New York,

V.St.A. ' "

Optische Meßsonde

Die Erfindung betrifft optische Meßsonden und insbesondere Meßsonden, die mit einem Lichtstrahl arbeiten, so daß keine mechanische Berührung der Oberfläche, eines zu vermessenden Gegenstandes erforderlich ist. · '. _y

Meßsonden werden in Werkzeugmaschinen zur Streckenmessung verwendet, z.B., um die Tiefe des Profils einer Oberfläche eines Gegenstandes zu messen,Bekannte Sonden erfordern entweder eine mechanische Berührung der zu vermessenden Oberfläche oder die Messungen erfolgen, indem die Änderungen der elektrischen Kapazität zwischen der Sonde und der Oberfläche gemessen werden. .

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Der Nachteil der elektromechanischen Sonden besteht darin, daß sie die Oberfläche berühren müssen und dadurch eine Unbestimmtheit der mechanischen Verschiebung erzeugen.. Dies wiederum hat eine Krafteinwirkung auf die Oberfläche zur Folge, was zu einer Beschädigung dieser Oberfläche durch diesen.Kraftaufwand· oder zu einer Beschädigung der Oberfläche infolge falscher.Behandlung führen kann. 'In vielen Fällen ist es infolge·räumlicher Begrenzungen oder infolge einer Kollision des Gegenstandes mit der Befestigung, die die Sonde hält, unzweckmäßig oder unpraktisch,die Sondenspitze auf den Gegenstand aufzusetzen. Weiter beeinflußt die Kugelspitze eines mechanischen Meßgerätes die Genauigkeit der Vermessung einer dreidimensionalen Oberfläche, da der Kugeldurchmesser der Spitze beträchtlich groß sein muß.

Die Erfindung beseitigt die§e Nachteile von Sonden nach dem Stande der Technik mit. einer berührungslosen Meßsonde, die eine einen Lichtstrahl aussendende Lichtquelle, eine Lochblende vor dieser Lichtquelle und optische Einrichtungen mit einer Linse zum Fokusieren des Lichtes in einem vorbestimmten Abstand von der Sondenspitze auf einer Oberfläche, deren Abstand von der Sondenspitze gemessen werden-soll, aufweist; Diese Meßsonde hat gemäß der Erfindung einen Detektor, der relativ zu der Linse so angeordnet ist, daß er Licht, das von dieser Oberfläche durch die optischen Einrichtungen zurückreflektiert wird, bei einer dem vorbestimmten Abstand entsprochenden Brennweite empfängt, und Einrich.tungen₄ die mit einem Ausgang des Detektors gekoppelt .sind und auf die Unterschiede der Bezugsbrennweite von dem vorbestimmten Abstand ansprechen. .

Anhand .der Figuren wird die Erfindung beispielsweise erläutert.

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Figur 1 zeigt eine Draufsicht auf eine Ausführungsform nach der Erfindung.

Figur IA zeigt eine Seitenansicht der Anordnung nach Figur 1.

Figur IB veranschaulicht in einem Blockschaltschema die Betriebsweise des Gerätes nach der Erfindung*

Die Figuren IC und ID veranschaulichen anhand von Diagrammen die der Ausführungsform nach Figur 1 zugrundeliegende Theorie.

Figur 2 .zeigt eine Draufsicht auf eine weitere Ausfuhrungsform nach der Erfindung. ·

Figur 2A zeigt ein schematisches Blockschaltschema der Ausführungsform nach Figur 2 und .

die Figuren 2B, 2C_S 2D und 2E zeigen anhand von Wellenformen die Betriebswelse der Ausführungsform nach Figur 2.

Es ist bekannt, daß, wenn mechanische Berührungspunkte verwendet werden, Abweichungen der Messungen in den Y- und Z-Achsen auftreten, wohingegen die Messung in der X-Achse nicht von der ' ι Neigung der Modelloberfläche, die vermessen werden soll, unabhängig ist. Ein'mechanischer Kontaktpunkt hat unter diesen Umständen Abweichungen in der Y- und Z-Achse zur Folge, die proportional der Größe des Kontaktpunktes auf der schrägen Oberfläche sind. Um daher eine Genauigkeit höherer Ordnung für die Tiefenmessung oder Messung in der Z-Richtung zu erhalten, muß eine berührungslose Sonde verwendet werden.

Messungen mit bekannten Sonden mit optischen Einrichtungen sind gewöhnlich von der Neigung der Oberfläche und dem Reflexions- ·

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Große ."■"-.

winkel abhängig./Abweichungen treten infolge der Ungleichförmigkeit der Oberfläche und des Neigungswinkels auf. Dar-» über hinaus erfordern diese Art von Sonden, daß sie in unmittelbarer Nähe der Oberfläche gebracht werden, so daß es möglich ist, daß die Sonden mit der zu vermessenden Oberfläche kollidieren.

Die Erfindung vermeidet diese Schwierigkeiten» Wie in den Figuren 1 und IA dargestellt ist, erzeugt eine Hochleistungsniederspannungsfadenlampe 1 einen weißen Lichtstrahl, der durch eine Lochblende Al und eine Objektivlinse Ll unter Zwischenschaltung eines Strahlenteilers DS 1, eines Spiegels Ml, eines Spiegels M2 und einer Parbdispersionsplatte *J auf die Oberfläche des Modells fällt. Die Größe des Lichtpunktes auf dem Modell beträgt etwa 0,002 inch. Das Licht wird teilweise zerstreut und teilweise zu der gleichen Objektivlinse zurückreflektiert..

Die Objektivlinse Ll fokusiert das Licht in einem vorbestimmten Abstand, z.B. 6 inches von dem Ende der Sonde, der durch den Punkt a angedeutet wird. Die langwelligen Komponenten, z.B. rotes Licht, werden in einem größeren Abstand und die kurzwelligen Komponenten z.B. violettes Licht in einem kürzeren Abstand fokusiert.

Alle Lichtkomponenten werden von dem Gegenstand 0 reflektiert und durch die Linse Ll zu dem Spiegel M2, dem Spiegel Ml, den Strahlenteiler BSI und von hier zu dem Strahlenteiler BS2 geleitet, der den Strahl auf die Detektoren Dl taid D2 aufteilt. Dem Detektor Dl ist ein Filter Fl mit kurzwelligem Durchlaß und dem Detektor D2 ein Filter F2 mit langwelligem Durchlaß vorgeschaltet.

Jeder Detektor ist auf eine etwas unterschiedliche Brennweite von der- Objektivlinse als der andere Detektor eingestellt. Z.B.

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ist der Detektor Dl auf eine Brennweite von 6,000 inch von dem Objektiv,eingestellt, während der Detektor D2 auf eine Brennweite von 6,004 inch von dem Objektiv eingestellt ist.

Um einen optimalen Kontrast und eine hohe Bewegungsempfindlichkeit zu erhalten, wird das Licht in zwei Farben blau und rot aufgespalten, die dann bei 6,000 inch bzw. 6,00¹I inch fokusiert werden. Die Filter werden dann vor jeden Detektor gebracht, so daß der Detektor Dl nur blaues Licht ' ä und der Detektor D2 nur rotes Licht empfängt. Wenn daher die Modelloberfläche einen Abstand von 6,000 inch hat, wird der blaue. Punkt genau mit dieser Brennweite fokus iert, während der rote Bildpunkt nicht genau gebündelt ist. Der blauempfindliche Detektor erzeugt deshalb das Spitzensignal, während der rotempfindliche Detektor nur einen kleinen Anteil des defokusierten Lichtes empfängt und ein sehr schwaches Signal erzeugt. Das Entgegengesetzte wird erreicht, wenn der Abstand 6,004 inch beträgt. "

Figur IC zeigt die Detektorausgänge in ,«Abhängigkeit- von der Entfernung. Angenommen, die mittlere Wellenlänge wird auf der Oberfläche des Gegenstandes 0 in einem Abstand von 6,002 ' inch fokusiert, dann ergibt die Differenz der Ausgänge der Detektoren Dl und D2 die Wellenform X.

Die Signaldifferenz wird zu einer sehr genauen Null-Messung verwendet. Die Differenz erreicht den Wert Null in einem Bereich von 6,002 inch (in der Mitte zwischen den optimalen Fokusierungen der zwei Detektoren). Wenn die Strecke oder Distanz abnimmt, ist das Abweichsignal positiv, wenn die Strecke zunimmt, ist das Abweichsignal negativ. Das NuIl-

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Signal und die Abweichsignale werden auf dem Meßinstrument M angezeigt, das in einem Streckenmaß geeicht sein kann. Die Sonde ist so konstruiert, daß sie äußerst, empfindlich auf eine Verschiebung anspricht, um die Zuverlässigkeit der Messungen zu gewährleisten. Die Detektoren können auch verwendet werden, um einen Servomotor anzutreiben, der die berührungslose Sonde in dem optimalen Abstand von 6,002 inch hält.

Figur IB :zeigt das Blockschaltschema eines typischen Servosystems. Die Signale von den Detektoren Dl und D2 werden von dem Differentialverstärker 11 verstärkt und zu einem Servoverstärker 12 geleitet, der seinerseits einen Servomotor in einem Servosystem S betätigt, welcher wiederum die Stellung der Sonde steuert. Die Signale werden von der Servoeinrichtung auf Null gehalten und/oder können auf dem Meßinstrument M angezeigt werden. Der Differentialverstärker enthält Einrichtungen, die eine Null-Einstellung 11* für die Null-Signale bewirken.

Die Elemente der Sonde sind in einem Gehäuse C angeordnet, , das einen Befestigungsstutzen 10 hat, mit dem das Gehäuse "mit üblichen Befestigungsmitteln verbunden werden kann. Die Sonde ist auch mit einem schwenkbar angeordneten Spiegel M3 ausgerüstet, der mit dem Knopf K eingestellt werden kann, um eine Einstellung der Lichtstrahlen, die von der Sonde in einem Winkel von 45° zu ,beiden. Seiten der Horizontalen austreten, zu ermöglichen. * >

Die S.onde nach der "Erfindung hat folgende Vorteile:

1) Die Genauigkeit der Messung.list unabhängig von der Linearität der Detektoren, da die Signaldifferenz auf Null eingestellt wird* ... ■ .

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2) Große Änderungen des Lichtreflexionsvermögens und der LichtZerstreuung auf,der Oberfläche des Gegenstandes, der vermessen werden soll,-können toleriert werden. Eine gestrichene Oberfläche ist für ein gutes Funktionieren ausreichend.

3) Kleine Änderungen der Lichtintensität können toleriert werden, da die Differenz zwischen den Detektoren gemessen wird· und jede Zunahme oder Abnahme des'Signals beide Detektoren in gleicher Weise beeinflußt. . -

4) Die Genauigkeit der Messungen ist unabhängig von der Orientierung der Oberfläche zwischen den Grenzen von +_ 90 , wie in Figur ID demonstriert wird. Wie in Figur ID dargestellt, arbeitet die Sonde zuverlässig, bei jedem der drei dargestellten Zustände, wenn sie z.B. über einen Zahnradzahn von 1 nach 2 bis 3 verschoben wird. Selbst bei sehr starker Neigung (Stellung 1) oder einer nahezu vertikalen Oberfläche (Stellung 3) ergibt die Sonde genaue Messungen. In der Stellung 3 wird nur die Hälfte des Lichtes I wahrgenommen, was jedoch keine Auswirkung hat, da beide Detektoren in gleicher Weise beeinflußt werden. Wenn der verwendete Servomechanismus die Sonde mit einer Geschwindigkeit von bei- ( spielsweise 0,5i inch/sec. oder 30 inch/min. einstellt, kann die Sonde nicht in der Lage sein, extrem scharfen Konturen ohne Verlust an Genauigkeit zu folgen, wenn die Geschwindigkeit der Abtastung nicht verlangsamt wird. E^in wahlweises Merkmal besteht deshalb darin, daß, wenn die Neigung zu steil ist und die Sonde von dem Servomechanismus nicht auf ihre Null-Stellung eingestellt wird, daraus ein Abweiehsignal re- ] sultiert, das proportional zunimmt und ein Relais triggert, ^! so daß die Geschwindigkeit des Servomechanismus automatisch

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verlangsamt wird. Wenn der Servomechanismus noch nicht in : der Lage ist, den scharfen Konturen zu folgen, kann ein sichtbarer und hörbarer Alarm ausgelöst werden.

5) Die Objektivlinsen können mit solchen größerer Brennweite ausgetauscht werden, so daß die Arbeitsstrecke 12 inch oder l8 inch beträgt. Ein Genauigkeitsverlust kann jedoch damit verbunden sein. Andererseits ermöglichen Linsen mit kürzeren Brennvreiten die Abnahme der Lichtpunkt größe, so daß eine, höhere Empfindlichkeit bei Inkaufnahme des Nachteils kürzerer Arbeitsstrecken realisiert werden kann.

6) Die Sondenbestandteile befinden sich in einem Gehäuse, so daß sie für Werkzeugmaschinen unter Verwendung üblicher Haltearmaturen für übliche Sonden verwendet werden können.

7) Die Sonde hat eine Größe und Form, die bekannten Sonden entspricht, so daß sie leicht mit diesen ausgewechselt werden kann.

Eine zweite· in Figur 2 dargestellte Ausführungsform nach der Erfindung hat eine oscillierende Lochblende, mit der die Brennweite kontinuierlich variiert wird. Der Strahl wird von dem Objektiv reflektiert und der reflektierte Strahl wird abgetastet. Die Detektorleistung ist bei der mittleren Brennweite ein Maximum. Der Detektorausgang eilt bei einem Abstand größer als der mittleren Brennweite in der Phase der oscillierenden Spannung voran und bei einem"geringeren Ab-. stand als der mittleren Brennweite ist die Phase nach hinten verschoben.

Die Ausführungsform weist eine Lichtquelle L auf, vor der eine Lochblende 15 angeordnet ist. Diese Lochblende schwingt

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auf einem piezoelektrischen Schwinger 16 synchron mit der Spannung vor und zurück, die an dem Schwinger 16 liegt, wie in Figur 2B dargestellt ist. Das optische System fokusiert den durch die Lochblende fallenden Lichtstrahl durch die Objektivlinse Ll, den Spiegel Ml und den Spiegel M2 auf die Stelle A. Wenn nun Spannung an dem piezoelektrischen Schwinger liegt, bewegt sich die Lochblende 15 und verschiebt den Punkt der optimalen Fokusierung mit einer vorbestimmten Frequenz» Das .reflektierte Licht fällt durch die Spiegel Ml und M2, sowie durch den Strahlenteiler BS5 und den Spiegel M4 auf den Detektor 3 zurück.

Figur 2A zeigt das Blockschaltschema des Systems. Der piezoelektrische Vibrator oder Schwinger 16 wird von dem Oscilla-' tor 20 angetrieben, dessen Frequenz in der Größenordnung von 200 Hertz beträgt, um die Lochblende zu bewegen. Der Detektor tastet den nicht fokusierten Zustand entsprechend den Diagrammen der Figuren 2D und 2E ab. Es wird festgestellt, daß, wenn die zu vermessende Oberfläche in der optimalen Stellung liegt, eine harmonische Frequenz, wie in Figur 2C dargestellt, erzeugt wird, ohne irgendeine Signalkomponente in Phase mit der erregenden Frequenz. Wenn andererseits die Oberfläche auf die Sonde zu und von dieser weg bewegt wird, wird eine Signalkomponente, wie in Figur 2D oder 2E dargestellt ist, erzeugt, die der Basisfrequenz überlagert wird. Die Phase bestimmt die Richtung, während die Amplitude den Betrag der Verschiebung wiedergibt. " >

Ein Phasendemodulator 21 wird verwendet, um die Abweichung vom optimalen Wert festzustellen. Der Oscillator 20 ist mit dem Demodulator 21 verbunden und der Detektor 3 ist ebenfalls mit dem Demodulator über einen Bandpass 22 gekoppelt. Der Ausgang des Demodulators 21 liegt an dem Niederpass 23V dar mit einem Null-Meßgerät 2k oder einem Servogerät 25 verbunden ist.

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Ein wahlweises, zusätzliches Merkmal- kann vorgesehen sein, wenn das Signal des Demodulators 21 verwendet wird, um eine Gleichspannung an den piezoelektrischen Kristall zu legen, um diesen anzutreiben, bis das Licht durch die Lochblende auf der Oberfläche fokusiert ist. Die Spannung, die an den Kristall gelegt wird^v, kann deshalb verwendet werden, um den genauen Betrag der Verschiebung festzustellen.

Die piezoelektrische Einrichtung kann durch eine magnetisch betätigte Vorrichtung ersetzt werden. In diesem Fall bewegen die elektrischen Signale die Lochblende unter dem Einfluß eines magnetischen Feldes hin und her, das zu einer Verschiebung der·.Lochblende führt, die der Verschiebung mit dem piezoelektrischen Element identisch ist. Andere Einrichtungen, um der Lochblende eine wirksame Bewegung zu erteilen, modulieren einen elektrooptischen Kristall zwischen der Lochblende und der Objektivlinse mit einem oscillierenden elektrischen Signal. Eine Spannung, die an den Kristall gelegt wird, beeinflußt dessen Brechungsindex, was praktisch zu einer Änderung der optischen Weglänge führt.

Die Lichtquelle, die für die Ausführungsform nach Figur 2 verwendet wird, kann eine Laserquelle, wie z.B. von Gallium-Arsenid sein. Diese Lichtquelle hat den Vorteil einer konstanten optischen Frequenz, so daß ein Filter vor den Detektor gesetzt werden kann, das nur diese Frequenz durchläßt, die von dem Laser ausgesandt wird. Einer Beleuchtung aus der Umgebung kommt deshalb nur geringe Bedeutung zu.

Eine andere Möglichkeit ist, die Lichtquelle mit einer konstanten Frequenz zu pulsieren. Ein elektronisches Filter kann dann verwendet werden, so daß nur die Signale ausgefiltert werden, die eine ähnliche Wellenform wie die pulsierende Lichtquelle haben. Diese Filtertechnik wird verwendet, um das Verhältnis von Signal zu Geräusch zu verringern.

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Claims (7)

1. -U-Patentah sprüche

   Berührungslose Meßsonde mit einer einen Lichtstrahl erzeugenden Lichtquelle, einer Lochblende vor dieser Lichtquelle und optischen Einrichtungen, die eine Linse zum -Fokusieren des. Lichtes in einem vorbestimmten Abstand von der Sondenspitze auf eine Oberfläche, deren Abstand von dieser Sonden- ^ spitze gemessen werden soll, aufweisen, gekennzeichnet durch Detektoren (Dl, D2 oder D3), die relativ zu der Linse (Ll) so angeordnet sind, daß sie das von der Oberfläche (0) reflektierte Licht durch die optischen Einrichtungen bei einer dem vorbestimmten Abstand entsprechenden Brennweite empfangen, und durch Einrichtungen, die mit einem Ausgang der Detektoren verbunden sind und auf diesen in Abhängigkeit von den Unterschieden der Bezugsbrennweite von dem vorbestimmten Abstand ansprechen.
2. 2. Sonde nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Farbdispersionseinrichtungen (BSI), die zwischen der Lochblende (Al, 15) und der Linse angeordnet ist, um kurz-· und langwellige Kompo- ( nenten der Lichtquelle zu trennen, wobei die Detektoren aus einem ersten Detektor (Dl), der auf die kurzwellige Komponente und einem zweiten Detektor (D2), der auf die langwellige Komponente anspricht, bestehen. >
3. 3. Sonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Meßgerät (M) vorgesehen ist, das die Differenz zwischen den Ausgängen des ersten und des zweiten Detektors mißt.

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4. 4. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein. einziger Detektor" (D3) vorgesehen ist, dessen Ausgang überwacht wird, während die Lochblende (15) niit einer Bezugsfrequenz schwingt, und daß Einrichtungen (24 oder 25) auf den Detektorausgang und die Bezugsfrequenz ansprechen, um den Abstand der Oberfläche von der Sonde zu messen.
5. 5. Sonde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schwingantrieb (20) mit einer piezoelektrischen Einrichtung (1β) verbunden ist, auf deren Vorderseite die Loch-, blende 15 angeordnet ist.
6. 6. Sonde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochblende von einer magnetischen Einrichtung angetrieben wird.
7. 7. Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spiegel (M-3) schwenkbar vor der Linse angeordnet ist, um den Lichtstrahl abzulenken.

   8v Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch • gekennzeichnet, daß die Einrichtungen> die mit dem Detektor gekoppelt sind, einen Servomechanismus aufweisen, der das Licht in·Abhängigkeit von dem Unterschied der Bezugsbrennweite von dem vorbestimmten Abstand in dem vorbestimmten Abstand fokusiert.

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