DE202017006886U1

DE202017006886U1 - contour measurer

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Publication number: DE202017006886U1
Application number: DE202017006886.9U
Authority: DE
Original assignee: Jenoptik Industrial Metrology Germany GmbH
Current assignee: Jenoptik Industrial Metrology Germany GmbH
Priority date: 2017-04-26
Filing date: 2017-04-26
Publication date: 2018-10-17
Anticipated expiration: 2027-04-27
Also published as: DE102017108960B3

Abstract

Konturmessgerät (2) zur Vermessung einer Oberflächenkontur eines Werkstücks (4) durch Messung des Abstandes zwischen einer Referenzstelle des Konturmessgeräts (2) und einer Messstelle der zu vermessenden Oberfläche,
mit einer Einrichtung (6) zum Beschleunigen von Partikeln (36) auf eine Fluggeschwindigkeit und zum Richten der Partikel auf die Messstelle und
mit einer Messeinrichtung (14), die derart ausgebildet ist, dass die Flugstrecke wenigstens eines Partikels (36) zwischen der Referenzstelle und der Messstelle ermittelbar ist oder ermittelt wird zur Messung des Abstandes zwischen der Referenzstelle und der Messstelle.

Contour measuring device (2) for measuring a surface contour of a workpiece (4) by measuring the distance between a reference point of the contour measuring device (2) and a measuring point of the surface to be measured,
with a device (6) for accelerating particles (36) to an airspeed and for directing the particles to the measuring point and
with a measuring device (14), which is designed such that the flight path of at least one particle (36) between the reference point and the measuring point can be determined or determined to measure the distance between the reference point and the measuring point.

Description

Die Erfindung betrifft ein Konturmessgerät zur Vermessung der Oberflächenkontur eines Werkstücks.The invention relates to a contour measuring device for measuring the surface contour of a workpiece.

In der Fertigungsmesstechnik ist es häufig erforderlich, Bauteile schnell, zuverlässig und schonend zu vermessen, wobei die Messung selbst die Funktionstüchtigkeit der Bauteile nicht beeinträchtigen darf. Dementsprechend ist es im Rahmen der zu lösenden Messaufgabe nicht zulässig, zur geometrischen Vermessung von schlecht zugänglichen Stellen die Bauteile zerstörend zu untersuchen.In production metrology, it is often necessary to measure components quickly, reliably and gently, the measurement itself must not interfere with the functionality of the components. Accordingly, in the context of the measurement task to be solved, it is not permissible to destructively inspect the components for geometric measurement of locations which are difficult to access.

Es sind Konturmessgeräte zur Vermessung einer Oberflächenkontur eines Werkstücks bekannt, die auf optischen Messverfahren, beispielsweise einer Tastschnittmessung mit optischen Abstandssensoren, beruhen. Hierzu werden beispielsweise Sensoren verwendet, die auf dem Prinzip der chromatischen Längsaberration (Chromatic Longitudinal Aberration - CLA) beruhen. Entsprechende Messgeräte eignen sich wegen ihrer hohen möglichen Taktrate durchaus für schnelle Messungen. Außerdem ist die Abtastung mit Licht in jedem Falle schonend für das Werkstück. Die Antastung mit einer elektromagnetischen Welle auf eine mechanische Oberfläche ist jedoch aufgrund diverser physikalischer Effekte mit Abstandsungenauigkeiten behaftet, die das Mehrfache der typischen Oberflächenrauheit der betreffenden Werkstücke betragen können. Außerdem werden in der Regel am Werkstück anhaftende Verschmutzungen in die Messung einbezogen und verfälschen das Messergebnis.Contour measuring devices for measuring a surface contour of a workpiece are known, which are based on optical measuring methods, for example a stylus measurement with optical distance sensors. For this purpose, for example, sensors are used which are based on the principle of Chromatic Longitudinal Aberration (CLA). Corresponding measuring devices are suitable for fast measurements because of their high possible clock rate. In addition, the scanning with light is gentle on the workpiece in any case. However, the probing with an electromagnetic wave on a mechanical surface is subject to pitch inaccuracies due to various physical effects, which may be several times the typical surface roughness of the workpieces concerned. In addition, usually adhering to the workpiece contaminants are included in the measurement and distort the measurement result.

Darüber hinaus sind Konturmessgeräte bekannt, die zur Vermessung der Oberflächenkontur eines Werkstücks einen mechanischen Tastschnitt verwenden. Entsprechende Messungen sind für viele Anwendungen hinreichend genau. Nachteilig ist jedoch, dass entsprechende Messverfahren relativ langsam sind. Die Messgeschwindigkeit hängt auch von der nur relativ niedrigen Resonanzfrequenz der verwendeten Tastarme ab, was ein langsames Verfahren der Messeinrichtung erfordert. Die mechanische Abtastung der Oberfläche wird normalerweise durch flüssige oder leicht bewegliche Anhaftungen am Werkstück nicht signifikant gestört.In addition, contour measuring devices are known which use a mechanical stylus to measure the surface contour of a workpiece. Corresponding measurements are sufficiently accurate for many applications. The disadvantage, however, is that corresponding measurement methods are relatively slow. The measurement speed also depends on the only relatively low resonance frequency of the used Tastarme, which requires a slow process of the measuring device. The mechanical scanning of the surface is usually not significantly disturbed by liquid or slightly agile attachments on the workpiece.

Es sind ferner Konturmessgeräte zur Vermessung einer Oberflächenkontur eines Werkstücks bekannt, bei denen die Oberflächenkontur durch Messung des Abstandes zwischen einer Referenzstelle des Konturmessgerätes und einer Messstelle der zu vermessenden Oberfläche vermessen wird. Beispielsweise kombinieren pneumatische Konturmessgeräte die Eigenschaften der berührungslosen und taktilen Messtechnik. Die maximal erzielbare Ortsauflösung, der Messbereich und der relativ geringe Arbeitsabstand verhindern jedoch in vielen Fällen eine erfolgreiche Anwendung eines entsprechenden Verfahrens.There are also known contour measuring devices for measuring a surface contour of a workpiece, in which the surface contour is measured by measuring the distance between a reference point of the contour measuring device and a measuring point of the surface to be measured. For example, pneumatic contour measuring instruments combine the features of non-contact and tactile measuring technology. However, the maximum achievable spatial resolution, the measuring range and the relatively short working distance prevent successful application of a corresponding method in many cases.

Allen vorgenannten Messverfahren bzw. Messgeräten ist gemeinsam, dass beispielsweise tiefliegende oder steile Messstellen entweder problematisch zu erreichen sind bzw. an diesen Stellen nur eine deutliche geringere Messgenauigkeit erreicht werden kann.All of the aforementioned measuring methods or measuring devices have in common that, for example, low-lying or steep measuring points are either problematic to achieve or at these points only a significantly lower accuracy can be achieved.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Konturmessgerät zur Vermessung einer Oberflächenkontur eines Werkstücks durch Messung des Abstandes zwischen einer Referenzstelle des Konturmessgerätes und einer Messstelle der zu vermessenden Oberfläche anzugeben, das eine schnelle, zuverlässige und schonende Messung ermöglicht.The invention has for its object to provide a contour measuring device for measuring a surface contour of a workpiece by measuring the distance between a reference point of the contour measuring device and a measuring point of the surface to be measured, which allows a fast, reliable and gentle measurement.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.This object is achieved by the invention defined in claim 1.

Das erfindungsgemäße Konturmessgerät weist eine Einrichtung zum Beschleunigen von Partikeln auf eine Fluggeschwindigkeit und zum Richten der Partikel auf die Messstelle und eine Messeinrichtung auf, die derart ausgebildet ist, dass die Flugstrecke wenigstens eines Partikels zwischen der Referenzstelle und der Messstelle ermittelbar ist oder ermittelt wird zur Messung des Abstandes zwischen der Referenzstelle und der Messstelle.The contour measuring device according to the invention has a device for accelerating particles to an airspeed and for directing the particles to the measuring point and a measuring device which is designed such that the flight path of at least one particle between the reference point and the measuring point can be determined or determined for measurement the distance between the reference point and the measuring point.

Erfindungsgemäß erfolgt die Antastung des Werkstücks also mit Hilfe von Partikeln, die auf eine Fluggeschwindigkeit beschleunigt und auf die Messstelle gerichtet werden. Durch Messung der Flugstrecke wenigstens eines Partikels zwischen der Referenzstelle und der Messstelle kann erfindungsgemäß der Abstand zwischen der Referenzstelle und der Messstelle ermittelt werden, so dass auf diese Weise das Werkstück vermessen werden kann. Um das Werkstück entlang seiner Oberfläche räumlich aufgelöst zu vermessen, kann beispielsweise ein Partikelstrahl über das Werkstück geführt werden, so dass zeitlich aufeinanderfolgend unterschiedliche Messstellen des Werkstücks angetastet werden. Durch räumlich aufgelöste Erfassung des Abstandes zwischen der Referenzstelle und der jeweiligen Messstelle kann dann damit die Oberflächenkontur des Werkstücks rekonstruiert werden.According to the invention, the probing of the workpiece is thus carried out with the aid of particles which are accelerated to an airspeed and directed to the measuring point. By measuring the flight path of at least one particle between the reference point and the measuring point, according to the invention, the distance between the reference point and the measuring point can be determined, so that the workpiece can be measured in this way. In order to measure the workpiece spatially resolved along its surface, for example, a particle beam can be guided over the workpiece, so that temporally sequentially different measuring points of the workpiece are touched. By spatially resolved detection of the distance between the reference point and the respective measuring point can then be used to reconstruct the surface contour of the workpiece.

Das erfindungsgemäße Konturmessgerät ermöglicht damit eine zerstörungsfreie und schonende Messung mit einem großen Messbereich und Arbeitsabstand.The contour measuring device according to the invention thus enables a nondestructive and gentle measurement with a large measuring range and working distance.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Konturmessgerätes, das nachfolgend auch kurz als Messgerät bezeichnet wird, besteht darin, dass eine Abstandsmessung mit hoher Genauigkeit ausgeführt werden kann. Weiterhin ist vorteilhaft, dass eine hohe laterale Auflösung erzielbar ist und die Messung schnell durchgeführt werden kann.Another advantage of the contour measuring device according to the invention, which is also referred to below as a measuring device, is that a distance measurement is carried out with high accuracy can be. Furthermore, it is advantageous that a high lateral resolution can be achieved and the measurement can be carried out quickly.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Konturmessgerätes besteht darin, dass die Gefahr einer Kollision des Messgerätes mit dem zu vermessenden Werkstück gering ist, weil eine Partikelquelle des Messgerätes relativ weit von dem Werkstück entfernt sein kann.Another advantage of the contour measuring device according to the invention is that the risk of a collision of the measuring device with the workpiece to be measured is low because a particle source of the measuring device can be relatively far away from the workpiece.

Erfindungsgemäß kann die Flugstrecke auf beliebige geeignete Weise gemessen werden. Eine außerordentlich vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht insoweit vor, dass die Messeinrichtung zur Messung der Flugdauer wenigstens eines Partikel ausgebildet und eingerichtet ist und mit einer Auswertungseinrichtung in Datenübertragung steht, die aus der gemessenen Flugdauer und der bekannten Fluggeschwindigkeit die Flugstrecke ermitteln. Bei dieser Ausführungsform wird die Flugdauer wenigstens eines Partikels gemessen und ausgehend von der Flugdauer und der bekannten Fluggeschwindigkeit die Flugstrecke und damit mittelbar oder unmittelbar der Abstand zwischen der Referenzstelle und der Messstelle ermittelt.According to the invention, the route can be measured in any suitable manner. An extraordinarily advantageous development of the invention provides insofar as the measuring device is designed and set up to measure the duration of flight of at least one particle and is in data transmission with an evaluation device which determines the flight path from the measured duration of flight and the known flight speed. In this embodiment, the duration of flight of at least one particle is measured and, based on the flight duration and the known airspeed, the flight path and thus indirectly or directly the distance between the reference point and the measuring point is determined.

Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Messeinrichtung eine Detektoreinrichtung zum Erfassen eines Auftreffzeitpunktes, zu dem das Partikel auf die Oberfläche des Werkstücks auftrifft, aufweist. Anhand des Auftreffzeitpunktes und eines Zeitpunktes, zu dem sich das Partikel entlang seiner Flugbahn an der Referenzstelle befindet, kann damit auf einfache Weise die Flugdauer ermittelt werden. Erfindungsgemäß kann es sich bei der Referenzstelle um eine Stelle an dem Messgerät handeln, an dem das Partikel aus dem Messgerät austritt. Bei der Referenzstelle kann es sich jedoch auch um eine Stelle handeln, an der sich das Partikel entlang seiner Flugbahn zu einem bekannten oder ermittelbaren Zeitpunkt befindet.Another advantageous development of the invention provides that the measuring device has a detector device for detecting an impact time at which the particle impinges on the surface of the workpiece. On the basis of the time of impact and a time at which the particle is located along its trajectory at the reference point, so that the duration of flight can be determined easily. According to the invention, the reference point may be a point on the measuring device at which the particle exits the measuring device. However, the reference point may also be a point at which the particle travels along its trajectory at a known or determinable time.

Eine außerordentlich vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Partikel Flüssigkeitstropfen sind. Entsprechend den jeweiligen Anforderungen können die Partikel jedoch auch feste Partikel sein, wie es eine andere Weiterbildung der Erfindung vorsieht.An extraordinarily advantageous development of the invention provides that the particles are liquid drops. However, according to the respective requirements, the particles may also be solid particles, as provided by another development of the invention.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform sieht vor, dass die Partikel aus einer gefrorenen Flüssigkeit bestehen.An advantageous development of the aforementioned embodiment provides that the particles consist of a frozen liquid.

Eine außerordentlich vorteilhafte Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsformen sieht vor, dass die Flüssigkeit Wasser ist. Insbesondere bei Verwendung von flüssigem Wasser in Tropfenform ist vorteilhaft, dass die Partikel nach dem Aufschlag auf die Messstelle spurlos verdampfen. Das relativ hohe spezifische Gewicht von Wasser ergibt gleichzeitig eine große Reichweite. Weiterhin kann ein Wasserreservoir eines entsprechenden Messgerätes gegebenenfalls kontinuierlich aus der Luftfeuchtigkeit aufgefüllt werden. Ein weiter Vorteil der Verwendung von Wasser besteht darin, dass es ungiftig ist und damit keine Entsorgungsprobleme entstehen.An extremely advantageous development of the aforementioned embodiments provides that the liquid is water. In particular, when using liquid water in droplet form is advantageous that the particles evaporate without a trace after impact on the measuring point. The relatively high specific gravity of water simultaneously gives a long range. Furthermore, a water reservoir of a corresponding measuring device can optionally be filled continuously from the humidity. Another advantage of using water is that it is non-toxic and therefore does not create any disposal problems.

Grundsätzlich treten bei der Verwendung von Wasser wegen der äußerst geringen eingesetzten Mengen und bei Bereitstellung einer ausreichend trockenen Umgebungsluft keine Probleme durch Korrosion des Werkstücks auf.Basically, there are no problems due to corrosion of the workpiece when using water because of the extremely small amounts used and providing a sufficiently dry ambient air.

Bei besonders korrosionsempfindlichen Werkstücken können jedoch auch andere Flüssigkeiten für die Partikel verwendet werden. In diesem Zusammenhang sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Ausführungsform, bei der die Partikel aus einer Flüssigkeit bestehen, vor, dass die Flüssigkeit Öl enthält oder ist. Auf metallischen Oberflächen ist Öl in vielen Fällen als Korrosionsschutz ohnehin vorhanden, so dass ein weiterer Öl-Eintrag bei der Durchführung einer Messung nicht störend ist.In the case of particularly corrosion-sensitive workpieces, however, other liquids can also be used for the particles. In this connection, an advantageous development of the embodiment, in which the particles consist of a liquid, provides that the liquid contains or is oil. In many cases, oil is already present on metal surfaces as corrosion protection, so that a further oil entry is not troublesome when carrying out a measurement.

Anstelle von flüssigem Wasser in Tropfenform können die Partikel auch aus Eis bestehen. Vorteilhaft ist hierbei eine unter Umständen besser definierte Geometrie der Partikel.Instead of liquid water in droplet form, the particles can also consist of ice. An advantage here is a possibly better defined geometry of the particles.

Es ist erfindungsgemäß auch möglich, das zur Erzeugung der Partikel verwendete Wasser gezielt beispielsweise mit einem Fluoreszenzstoff anzureichern, sofern die Flugstrecke der Partikel auf optischen Wege ermittelt wird. In diesem Fall kann beispielsweise eine stark verdünnte Fluoreszenzfarbstoff-Tinte verwendet werden, wobei ein Fluoreszenzfarbstoff eingesetzt wird, der selektiv von der Wellenlänge, für die ein verwendeter optischer Photodetektor empfindlich ist, angeregt wird.It is also possible according to the invention to enrich the water used to produce the particles specifically with, for example, a fluorescent substance, provided that the distance traveled by the particles is determined by optical means. In this case, for example, a highly diluted fluorescent dye ink can be used, using a fluorescent dye which is selectively excited by the wavelength to which a used optical photodetector is sensitive.

Anstelle von Flüssigkeitstropfen können beispielsweise alternativ auch CO₂-Eispartikel verwendet werden. Vorteilhaft ist hierbei eine gewisse Reinigungskraft, die entsprechende Partikel beim Aufschlag auf kontaminierte Werkstückoberflächen haben sowie ihre spurlose Verdampfung.Instead of liquid drops, for example, CO ₂ ice particles may alternatively be used. The advantage here is a certain cleaning power, the corresponding particles have the impact on contaminated workpiece surfaces and their traceless evaporation.

Anstelle von Flüssigkeiten oder gefrorenen Flüssigkeiten können auch feste Partikel, beispielsweise in Form von Kugeln bzw. Kügelchen, insbesondere aus Glas, verwendet werden. Entsprechende Kugeln sind beispielsweise als Strahlmittel zur schonenden Oberflächenreinigung üblich und bekannt. Auch kleinere oder präzisere Kugeln aus unterschiedlichen Materialien sind ebenfalls leicht verfügbar, beispielsweise Kugeln aus TiO₂ mit einem Durchmesser von einem µm. Der Vorteil bei der Verwendung derartiger geometrisch wohldefinierter Kugeln besteht zum einen in einer definierten morphologischen Antastgeometrie der Kugeln beim Auftreffen auf die Werkstückoberfläche. Außerdem ist die Reichweite durch die Möglichkeit der Verwendung von Materialien mit größerer Dichte größer als bei Verwendung von Wasser. Dies resultiert in einem vergrößerten Messbereich. Außerdem lässt sich bei Verwendung entsprechender Kugeln die Abstandsdetektion beispielsweise in Form einer Detektion eines Aufprallgeräusches realisieren.Instead of liquids or frozen liquids, it is also possible to use solid particles, for example in the form of spheres or globules, in particular of glass. Corresponding balls are customary and known, for example, as blasting agents for gentle surface cleaning. Smaller or more precise balls made of different materials are also readily available, for example balls of TiO ₂ with a diameter of one micron. The advantage of using such geometrically well-defined balls on the one hand in a defined morphological probing geometry of the balls when hitting the workpiece surface. In addition, the range is greater due to the possibility of using materials with higher density than when using water. This results in an increased measuring range. In addition, the distance detection can be realized, for example in the form of a detection of an impact noise using appropriate balls.

Partikel in Tropfenform können mit Technologien bereitgestellt werden, wie sie von Tintenstrahldruckern bekannt sind. Universell und präzise sind Verfahren unter Verwendung von Piezo-Aktoren. Dabei wird Flüssigkeit in einer Kammer impulsartig durch die piezoelektrische Ausdehnung eines Aktors unter Druck gesetzt. Durch eine Düse wird in Folge ein Flüssigkeitstropfen ausgestoßen, der bei einem Tintenstrahldrucker mit relativ hoher Geschwindigkeit durch die freie Luft fliegt, bis er auf das zu bedruckende Medium trifft.Droplet particles can be provided with technologies known from inkjet printers. Universal and precise are methods using piezo actuators. In this case, liquid in a chamber is pulsed by the piezoelectric expansion of an actuator under pressure. As a result, a drop of liquid is ejected through a nozzle, which in the case of an inkjet printer flies through the open air at a relatively high speed until it encounters the medium to be printed.

Für eine hohe Ortsauflösung ist die Verwendung von kleinen Tropfen vorteilhaft. Beispielsweise bei Fotodruckern ist die Produktion von Tropfen mit einem Tropfenvolumen von 2 pL möglich, was einem Tropfendurchmesser von etwa 15 µm entspricht. Die Größe und Ausstoßgeschwindigkeit der Tropfen lassen sich innerhalb weiter Grenzen durch die Steuerspannung am Piezo-Aktor beeinflussen.For a high spatial resolution, the use of small drops is advantageous. For example, in photo printers, the production of drops with a drop volume of 2 pL is possible, which corresponds to a drop diameter of about 15 microns. The size and ejection speed of the drops can be influenced within wide limits by the control voltage at the piezo actuator.

Als Alternative ist das thermische Blasenverfahren bekannt, das auch als „Bubblejet“-Verfahren bezeichnet wird und in vielen Tintenstrahldruckern realisiert ist. Dabei wird der Druckimpuls durch kurzes Heizen der Kammer und eine resultierende Verdampfungsblasenbildung hervorgerufen. Diese Variante der Tropfenerzeugung lässt sich besonders platzsparend und kostengünstig aufbauen und kommt in Druckköpfen mit Hunderten von nebeneinander liegenden Düseneinheiten zum Einsatz.As an alternative, the thermal bubble method is known, also referred to as "bubblejet" method, which is implemented in many inkjet printers. The pressure pulse is caused by short heating of the chamber and a resulting evaporation bubble formation. This variant of drop generation can be built in a particularly space-saving and cost-effective manner and is used in printheads with hundreds of adjacent nozzle units.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sehen vor, dass die Partikel aus Glas bestehen und/oder dass die Partikel kugelförmig ausgebildet sind.Other advantageous developments of the invention provide that the particles are made of glass and / or that the particles are spherical.

Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Einrichtung zum Beschleunigen von Partikeln auf eine Fluggeschwindigkeit und zum Richten der Partikel auf eine Messstelle der zu vermessenden Oberfläche die Partikel in Form eines Partikelstrahles auf die Messstelle richtet.Another advantageous development of the invention provides that the device for accelerating particles to an airspeed and for directing the particles to a measuring point of the surface to be measured directs the particles in the form of a particle beam onto the measuring point.

Um die Oberfläche des Werkstücks räumlich aufgelöst zu vermessen, sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass zur Abtastung der Oberfläche des zu vermessenden Werkstücks das Konturmessgerät mittels einer Vorschubeinrichtung relativ zu dem zu vermessenden Werkstück beweglich ist.In order to measure the surface of the workpiece spatially resolved, an advantageous development of the invention provides that for scanning the surface of the workpiece to be measured, the contour measuring device is movable relative to the workpiece to be measured by means of a feed device.

Die Messung bzw. Ermittlung der Flugstrecke der Partikel kann auf beliebige geeignete Weise erfolgen. Besonders vorteilhaft ist eine optische Vermessung bzw. Ermittlung der Flugstrecke. In diesem Sinne sieht eine außerordentlich vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass die Detektoreinrichtung wenigstens eine optische Detektoreinrichtung aufweist, die gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung vorzugsweise für eine interferometrische Längenmessung ausgebildet und eingerichtet sein kann.The measurement or determination of the travel distance of the particles can take place in any suitable manner. Particularly advantageous is an optical measurement or determination of the route. In this sense, an extraordinarily advantageous development of the invention provides that the detector device has at least one optical detector device which, according to another advantageous development, can preferably be designed and set up for an interferometric length measurement.

Um die Flugdauer bzw. Flugstrecke der Partikel auf besonders einfache Weise optisch zu messen bzw. zu ermitteln, sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass die optische Detektoreinrichtung eine Messfelderzeugungseinrichtung aufweist, zur Erzeugung eines Messfeldes aus stehenden optischen Wellen ausgebildet und eingerichtet ist, derart, dass ein das Feld durchfliegendes Partikel einer periodischen Beleuchtungsmodulation unterworfen ist, wobei von dem Partikel gestreutes Licht mittels einer Photodetektoranordnung mit wenigstens einem Photodetektor erfassbar ist oder erfasst wird und ein Ausgang der Photodetektoranordnung mit einer Auswertungseinrichtung verbunden ist. Bei dieser Ausführungsform wird ein das Messfeld aus stehenden optischen Wellen durchfliegendes Partikel periodisch beleuchtet, wobei die entsprechende Beleuchtungsmodulation über wenigstens einen Photodetektor erfasst wird. In der Auswertungseinrichtung wird hiervon ausgehend ermittelt, wie lang die Flugdauer des Partikels durch das Messfeld bzw. seine Flugstrecke durch das Messfeld war. Auf diese Weise kann bei bekanntem Abstand des in Flugrichtung vorderen Endes des Messfeldes von der Referenzstelle des Messgerätes der Abstand der Referenzstelle von der Messstelle an dem Werkstück ermittelt werden. Bei der Referenzstelle kann es sich um eine Stelle des Messfeldes entlang der Flugbahn des Partikels oder der Partikel handeln, deren Lage relativ zu dem Messgerät bekannt ist. Beispielsweise und insbesondere kann es sich bei der Referenzstelle um diejenige Stelle bzw. denjenigen Ort entlang der Flugbahn des Partikels handeln, an dem das Partikel in das Messfeld eintritt. Da die räumliche Lage des Messfeldes relativ zu dem Messgerät aufgrund der räumlichen Ausgestaltung und Anordnung der Messfelderzeugungseinrichtung bekannt ist, kann das Werkstück vermessen werden, indem der Abstand zwischen der Referenzstelle und der jeweils angetasteten Messstelle ermittelt wird.In order to optically measure or determine the flight duration or flight distance of the particles in a particularly simple manner, an advantageous development of the invention provides that the optical detector device has a measuring field generating device designed and arranged for generating a measuring field of stationary optical waves in that a particle passing through the field is subjected to a periodic illumination modulation, wherein light scattered by the particle can be detected or detected by means of a photodetector arrangement with at least one photodetector and an output of the photodetector arrangement is connected to an evaluation device. In this embodiment, a particle passing through the measurement field of standing optical waves is periodically illuminated, wherein the corresponding illumination modulation is detected via at least one photodetector. On the basis of this, it is determined in the evaluation device how long the flight duration of the particle through the measuring field or its flight path through the measuring field was. In this way, with a known distance of the front end of the measuring field in the direction of flight from the reference point of the measuring device, the distance of the reference point from the measuring point on the workpiece can be determined. The reference location may be a location of the measurement field along the trajectory of the particle or particles whose location relative to the measurement device is known. By way of example and in particular, the reference point may be the point or the location along the trajectory of the particle at which the particle enters the measuring field. Since the spatial position of the measuring field relative to the measuring device is known due to the spatial configuration and arrangement of the measuring field generating device, the workpiece can be measured by determining the distance between the reference point and the respectively touched measuring point.

Um auf besonders einfache Weise bei der vorgenannten Ausführungsform ein Messfeld aus stehenden optischen Wellen zu erzeugen, sieht eine vorteilhafte Weiterbildung vor, dass die Messfelderzeugungseinrichtung zur Erzeugung von zwei Parallelstrahlenbündeln monochromatischen Lichts ausgebildet ist, deren Strahlachsen zueinander und zur Flugrichtung der Partikel geneigt sind und deren Parallelstrahlen miteinander interferieren zur Erzeugung eines Messfeldes stehender optischer Wellen.In order to produce in a particularly simple manner in the aforementioned embodiment, a measuring field of standing optical waves, provides an advantageous development that the Measuring field generating means for generating two parallel beams of monochromatic light is formed whose beam axes are inclined to each other and to the direction of flight of the particles and their parallel beams interfere with each other for generating a measuring field standing optical waves.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform sieht vor, dass die Auswertungseinrichtung derart ausgebildet und programmiert ist, dass der Abstand zwischen der Referenzstelle und der Messstelle durch Auswertung eines die Beleuchtungsmodulation, der das Partikel beim Durchfliegen des Messfeldes unterworfen ist, repräsentierenden Ausgangssignales der Photodetektoranordnung ausgebildet und eingerichtet ist. Auf diese Weise ist die Auswertung des Ausgangssignales der Photodetektoranordnung besonders einfach gestaltet.An advantageous development of the aforementioned embodiment provides that the evaluation device is designed and programmed in such a way that the distance between the reference point and the measuring point is formed and set up by evaluating an output signal of the photodetector arrangement representing the illumination modulation, which is subjected to the particle passing through the measuring field is. In this way, the evaluation of the output signal of the photodetector arrangement is designed particularly simple.

Eine Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform sieht vor, dass das Ausgangssignal der Photodetektoranordnung ein entsprechend der Beleuchtungsmodulation moduliertes periodisches Signal ist und die Auswertungseinrichtung eine Zähleinrichtung zum Zählen der Oszillationen zwischen dem Eintreten des Partikels in das Messfeld und dem Auftreffen des Partikels auf die Messstelle aufweist. Da bei einer entsprechenden Ausführungsform desto mehr Oszillationen auftreten, je länger bzw. weiter das Partikel durch das Messfeld fliegt und je weiter dementsprechend die Referenzstelle von der Messstelle beabstandet ist, kann durch Zählen der Oszillationen der Abstand von der Referenzstelle von der Messstelle bei bekannter Fluggeschwindigkeit der Partikel ermittelt werden.A development of the aforementioned embodiment provides that the output signal of the photodetector arrangement is a periodic signal modulated according to the illumination modulation and the evaluation device has a counter for counting the oscillations between the entry of the particle into the measuring field and the impact of the particle on the measuring point. Since, in a corresponding embodiment, the more oscillations occur, the longer or further the particle flies through the measuring field and the farther the reference point is spaced from the measuring point, by counting the oscillations, the distance from the reference point from the measuring point at known airspeed Particles are determined.

Erfindungsgemäß ist es ausreichend, wenn die Photodetektoranordnung einen einzelnen Photodetektor aufweist, der an dem Partikel gestreutes Licht detektiert, während dasselbe das Messfeld durchfliegt. Um eine eineindeutige Detektion des Streulichts auch dann zu ermöglichen, wenn sich gleichzeitig mehrere Partikel in dem Messfeld bewegen, sieht eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass die Photodetektoranordnung für eine entlang der Flugbahn des Partikels oder der Partikel durch das Messfeld räumlich aufgelöste Erfassung von Streulicht, das an dem Partikel oder den Partikeln gestreut wird, ausgebildet und eingerichtet ist. Auf diese Weise kann die Messrate des Messgeräts erhöht werden.According to the invention, it is sufficient if the photodetector arrangement comprises a single photodetector which detects light scattered on the particle while it is passing through the measuring field. In order to enable a one-to-one detection of the scattered light even if several particles move in the measuring field at the same time, another advantageous development of the invention provides that the photodetector arrangement detects a spatially resolved detection of the trajectory of the particle or of the particles through the measuring field Scattered light scattered, formed and arranged on the particle or particles. In this way, the measuring rate of the measuring device can be increased.

Eine Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform sieht vor, dass die Photodetektoranordnung eine Mehrzahl von linienartig entlang der Flugbahn des Partikels oder der Partikel angeordneten Photodetektoren aufweist, die derart ausgebildet und relativ zueinander und zu dem Messfeld angeordnet sind, dass jedem Photodetektor ein Detektionsbereich entlang der Flugbahn des Partikels durch das Messfeld zugeordnet ist und die Detektionsbereiche voneinander getrennt sind, derart, dass von einem das Messfeld durchfliegenden Partikel gestreutes Licht von den einzelnen Photodetektoren zeitlich aufeinanderfolgend detektiert wird.A development of the aforementioned embodiment provides that the photodetector arrangement comprises a plurality of linearly arranged along the trajectory of the particle or the particles photodetectors, which are designed and arranged relative to each other and to the measuring field, that each photodetector a detection area along the trajectory of the particle is assigned by the measuring field and the detection areas are separated from each other, such that from a field passing through the measuring field scattered light from the individual photodetectors is sequentially detected in time.

Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Referenzstelle durch einen Ort definiert ist, an dem das Partikel das Konturmessgerät verlässt. Die Referenzstelle kann jedoch erfindungsgemäß beispielsweise auch durch einen in der Flugbahn des Partikels liegenden Ort des Messfeldes definiert sein, wie oben ausgeführt.Another advantageous development of the invention provides that the reference point is defined by a location at which the particle leaves the contour measuring device. However, according to the invention, the reference point can also be defined, for example, by a location of the measuring field lying in the trajectory of the particle, as stated above.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte stark schematisierte Zeichnung näher erläutert. Dabei bilden alle beschriebenen, in der Zeichnung dargestellten und in den Patentansprüchen beanspruchten Merkmale für sich genommen sowie in beliebiger geeigneter Kombination miteinander den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen und deren Rückbezügen sowie unabhängig von ihrer Beschreibung bzw. Darstellung in der Zeichnung.The invention will be explained in more detail below with reference to an embodiment with reference to the accompanying highly schematic drawing. All described, illustrated in the drawings and claimed in the claims features taken alone and in any suitable combination with each other the subject of the invention, regardless of their summary in the claims and their back references and regardless of their description or representation in the drawing ,

Es zeigt:

1 in einer blockschaltbildartigen Prinzipskizze ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Konturmessgeräts,
2 in einer Prinzpskizze ein Messfeldes des Konturmessgerätes gemäß 1 und
3 in gleicher Darstellung wie 2 das Messfeld gemäß 2 zusammen mit einem Diagramm, das ein Ausgangssignal einer Photodetektoreinrichtung repräsentiert.

It shows:

1 in a block diagram-like schematic diagram of an embodiment of a contour measuring device according to the invention,
2 in a Prinzpskizze a measuring field of the contour measuring device according to 1 and
3 in the same representation as 2 the measuring field according to 2 together with a diagram representing an output signal of a photodetector device.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 1 bis 3 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Konturmessgerätes 2 näher erläutert.The following is with reference to 1 to 3 An embodiment of a contour measuring device according to the invention 2 explained in more detail.

In 1 ist in einer blockschaltbildartigen Prinzipskizze ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Konturmessgerätes 2 zur Vermessung einer Oberflächenkontur eines Werkstücks 4 durch Messung des Abstandes zwischen einer Referenzstelle des Konturmessgerätes 2 und einer Messstelle der zur vermessenden Oberfläche dargestellt, das eine Einrichtung 6 zum Beschleunigen von Partikeln auf eine Fluggeschwindigkeit und zum Richten der Partikel auf die Messstelle aufweist.In 1 is an exemplary embodiment of a contour measuring device according to the invention in a block diagram-like schematic diagram 2 for measuring a surface contour of a workpiece 4 by measuring the distance between a reference point of the contour measuring device 2 and a measuring point of the surface to be measured, which is a device 6 for accelerating particles at an airspeed and for directing the particles at the measuring point.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Partikel Flüssigkeitstropfen. Die Flüssigkeit wird in einem Flüssigkeitsreservoir vorgehalten und einem Partikelgenerator 10 zugeführt, der Partikel generiert, die durch die Einrichtung 6 in Richtung auf die zu vermessende Oberfläche beschleunigt wird. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Flüssigkeit, aus der die Partikel gebildet werden, Wasser, dem entsprechend den jeweiligen Anforderungen Zusatzstoffe beigemischt werden können, beispielsweise ein Fluoreszenzfarbstoff. Anstelle des Flüssigkeitsreservoirs 8, das Wasser enthält, oder zusätzlich zu desselben kann auch ein Flüssigkeitsreservoir 12 vorgesehen sein, das eine andere Flüssigkeit, beispielsweise Öl, enthält.In the illustrated embodiment, the particles are liquid drops. The liquid is kept in a liquid reservoir and a particle generator 10 fed, the particles generated by the device 6 in the direction is accelerated to the surface to be measured. In the illustrated embodiment, the liquid from which the particles are formed, water to which additives can be added according to the respective requirements, for example, a fluorescent dye. Instead of the liquid reservoir 8th , which contains water, or in addition to the same can also be a liquid reservoir 12 be provided, which contains another liquid, such as oil.

Das erfindungsgemäße Konturmessgerät 2 weist ferner eine Messeinrichtung 14 auf, die derart ausgebildet ist, dass die Flugstrecke wenigstens eines Partikels zwischen der Referenzstelle des Konturmessgerätes 2 und der Messstelle ermittelt wird zur Messung des Abstandes zwischen der Referenzstelle und der Messstelle.The contour measuring device according to the invention 2 also has a measuring device 14 on, which is designed such that the flight path of at least one particle between the reference point of the contour measuring device 2 and the measuring point is determined to measure the distance between the reference point and the measuring point.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Messeinrichtung 14 zur Messung der Flugdauer der Partikel ausgebildet und eingerichtet und steht mit einer Auswertungseinrichtung 16 in Datenübertragungsverbindung, die aus der gemessenen Flugdauer und der bekannten Fluggeschwindigkeit der Partikel die Flugstrecke ermittelt.In the illustrated embodiment, the measuring device 14 designed and set up to measure the duration of flight of the particles and is connected to an evaluation device 16 in data transmission connection, which determines the flight path from the measured duration of flight and the known airspeed of the particles.

Die Messeinrichtung 14 weist ferner eine Detektoreinrichtung zum Erfassen eines Auftreffzeitpunktes, zu dem das Partikel auf die Oberfläche des Werkstücks 4 auftrifft, auf. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Detektoreinrichtung eine optische Detektoreinrichtung 18 mit einer Messfelderzeugungseinrichtung 20 auf, die weiter unten näher erläutert wird.The measuring device 14 further comprises a detector means for detecting an impact time at which the particle is impacted onto the surface of the workpiece 4 hits, on. In the illustrated embodiment, the detector device comprises an optical detector device 18 with a measuring field generating device 20 on, which will be explained in more detail below.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden die mittels des Partikelgenerators 10 erzeugten und mittels der Einrichtung 6 beschleunigten Partikel in Form eines Partikelstrahles auf die Oberfläche des zu vermessenden Werkstücks 4 gerichtet.In the illustrated embodiment, the means of the particle generator 10 generated and by means of the device 6 accelerated particles in the form of a particle beam on the surface of the workpiece to be measured 4 directed.

Zur Abtastung der Oberfläche des zu vermessenden Werkstücks 4 ist das Konturmessgerät 2 mittels einer Vorschubeinrichtung 22 relativ zu dem zu vermessenden Werkstück 4 beweglich.For scanning the surface of the workpiece to be measured 4 is the contour measuring device 2 by means of a feed device 22 relative to the workpiece to be measured 4 movable.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Messfelderzeugungseinrichtung 20 zur Erzeugung eines Messfeldes aus stehenden optischen Wellen ausgebildet und eingerichtet, derart, dass ein das Messfeld durchfliegendes Partikel einer periodischen Beleuchtungsmodulation unterworfen ist, wobei von dem Partikel gestreutes Licht mittels einer Photodetektoranordnung 23 (vgl. 1 und 2) mit wenigstens einem Photodetektor, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine optische Detektoreinrichtung bildet, erfasst wird und der Ausgang der Photodetektoranordnung 23 mit der Auswertungseinrichtung 16 verbunden ist (vgl. 1).In the illustrated embodiment, the measuring field generating device 20 designed and configured for generating a measuring field of standing optical waves, such that a particle passing through the measuring field is subjected to a periodic illumination modulation, light scattered by the particle being detected by means of a photodetector arrangement 23 (see. 1 and 2 ) is detected with at least one photodetector, which forms an optical detector means in the illustrated embodiment, and the output of the photodetector array 23 with the evaluation device 16 is connected (see. 1 ).

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Messfelderzeugungseinrichtung 20 zur Erzeugung von zwei Parallelstrahlenbündeln monochromatischem Licht ausgebildet und eingerichtet, deren Strahlachsen zueinander und zur Flugrichtung der Partikel geneigt sind und deren Parallelstrahlen miteinander interferieren zur Erzeugung eines Messfeldes stehender optischer Wellen. Die Messfelderzeugungseinrichtung 20 weist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen Laser 24 auf, aus dessen Laserstrahlung mittels zweier geeigneter optischer Vorrichtungen 26, 28 zwei Parallelstrahlenbündel 30, 32 (vgl. 2) erzeugt werden, deren Strahlachsen zueinander und zur in 2 durch einen Pfeil 34 angedeuteten Flugrichtung der Partikel geneigt sind. Exemplarisch ist in 2 ein Partikel mit dem Bezugszeichen 36 bezeichnet. Die Flugbahn der Partikel 36 ist in 2 als lineare Achse angenommen, die durch eine strichpunktierte Linie 38 symbolisiert ist.In the illustrated embodiment, the measuring field generating device 20 designed and set up to produce two parallel beams of monochromatic light whose beam axes are inclined relative to one another and to the direction of flight of the particles and whose parallel beams interfere with one another to produce a measuring field of stationary optical waves. The measuring field generating device 20 has a laser in the illustrated embodiment 24 from, from the laser radiation by means of two suitable optical devices 26, 28 two parallel beams 30 . 32 (see. 2 ) are generated, the beam axes to each other and to in 2 through an arrow 34 indicated direction of flight of the particles are inclined. Exemplary is in 2 a particle with the reference numeral 36 designated. The trajectory of the particles 36 is in 2 assumed as a linear axis, indicated by a dot-dash line 38 is symbolized.

Das durch die Überlagerung der Strahlen der Parallelstrahlenbündel 30, 32 entstehende Feld aus stehenden optischen Wellen bildet ein Messfeld 40.This is due to the superposition of the beams of the parallel beams 30 . 32 resulting field of standing optical waves forms a measuring field 40 ,

Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Konturmessgerätes 2 ist wie folgt:The operation of the contour measuring device according to the invention 2 is as follows:

Die Partikel 36 werden in dem Partikelgenerator 10 in Form von Wassertropfen generiert und mittels der Einrichtung 6 auf ihre Fluggeschwindigkeit 6 in Richtung auf das vermessende Werkstück 4 beschleunigt, wobei sie sich entlang der Achse 38 von dem Partikelgenerator 10 zu der Oberfläche des Werkstücks 4 bewegen. Auf dem letzten Teil ihres Weges zum Werkstück 4 durchfliegen die Partikel das Messfeld 40.The particles 36 be in the particle generator 10 generated in the form of drops of water and by means of the device 6 on their airspeed 6 in the direction of the measuring workpiece 4 accelerates, moving along the axis 38 from the particle generator 10 to the surface of the workpiece 4 move. On the last part of her way to the workpiece 4 the particles fly through the measuring field 40 ,

Auf ihrer weitgehend geraden Flugbahn (Achse 38) sind die Partikel einer periodischen Beleuchtungsmodulation ausgesetzt. Die Partikel 36 streuen das Beleuchtungslicht weitgehend gleichmäßig in alle Richtungen. Im einfachsten Fall weist die Photodetektoreinrichtung einen einzelnen Photodetektor auf, der das entstehende Streulicht der Partikel 36 detektiert. In 3 unten ist der Streulichtintensitäts-Weg-Verlauf als Ausgangssignal des Photodetektors dargestellt. Verschiedenen Positionen 1, 2 und 3 in 3 oben sind dabei entsprechende Positionen 1, 2 und 3 entlang der z-Achse zugeordnet.On its largely straight trajectory (axis 38 ) the particles are exposed to a periodic illumination modulation. The particles 36 Scatter the illumination light largely uniformly in all directions. In the simplest case, the photodetector device has a single photodetector which detects the resulting scattered light of the particles 36 detected. In 3 below, the scattered light intensity path is shown as the output of the photodetector. Different positions 1 . 2 and 3 in 3 above are corresponding positions 1 . 2 and 3 assigned along the z-axis.

Nach Eintritt des Partikels 36 in das Messfeld 40 bei Position 2 (vgl. 3 oben) liefert der Photodetektor als Ausgangssignal ein periodisch moduliertes Signal nahezu konstanter Frequenz, bis das Partikel 36 an Position 3 auf der Werkstückoberfläche gestoppt wird. Beginnend ab einer Referenzstelle werden alle Hell-Dunkelmodulationen gezählt, die vom fliegenden Partikel 36 bis zu seinem Auftreffen auf die Oberfläche des Werkstücks 4 ausgelöst werden. Der Abstand der Werkstückoberfläche von der Referenzstelle des Konturmessgerätes 2 ergibt sich aus den gezählten Oszillationen und dem bekannten Abstand der auf die Flugrichtung projizierten optischen Wellenfeldebenen.After entry of the particle 36 into the measuring field 40 at position 2 (see. 3 above) the photodetector provides as output a periodically modulated signal of nearly constant frequency until the particle 36 at position 3 is stopped on the workpiece surface. Starting from a reference point, all light-dark modulations are counted, those of the flying particle 36 until it strikes the surface of the workpiece 4 to be triggered. The distance of the workpiece surface from the Reference point of the contour measuring device 2 results from the counted oscillations and the known distance of the optical wave field planes projected on the flight direction.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird damit über die Messeinrichtung 14 die Flugstrecke des Partikels bis zum Auftreffen auf die Oberfläche des Werkstücks 4 gemessen, so dass auf diese Weise der Abstand von der Referenzstelle des Konturmessgerätes 2 zu der Oberfläche des Werkstücks 4 ermittelt werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, das Werkstück 4 zu vermessen, wobei zur räumlich aufgelösten Vermessung das Konturmessgerät 2 mittels der Vorschubeinrichtung 22 relativ zu dem Werkstück 4 entlang dessen Oberfläche bewegt werden kann.In the illustrated embodiment is thus on the measuring device 14 the distance traveled by the particle until it hits the surface of the workpiece 4 measured so that in this way the distance from the reference point of the contour measuring device 2 to the surface of the workpiece 4 can be determined. In this way it is possible to work the workpiece 4 to measure, with the spatially resolved survey the contour measuring device 2 by means of the feed device 22 relative to the workpiece 4 can be moved along the surface.

Grundsätzlich ist es ausreichend, wenn die Photodetektoranordnung einen einzelnen Photodetektor aufweist. Dann wird der zeitliche Abstand, mit dem der Partikelgenerator 10 zeitlich aufeinanderfolgend Partikel generiert, so gewählt, dass sich jeweils nur ein Partikel in dem Messfeld 40 befindet.In principle, it is sufficient if the photodetector arrangement has a single photodetector. Then the time interval with which the particle generator 10 Time-sequentially generated particles, so chosen that in each case only one particle in the measuring field 40 located.

Um die Messrate zu erhöhen, kann die Photodetektoranordnung für eine entlang der Flugbahn des Partikels 36 oder der Partikel durch das Messfeld 40 räumlich aufgelöste Erfassung an dem Partikel oder den Partikeln gestreuten Lichts ausgebildet und eingerichtet sein. Hierzu kann die Photodetektoranordnung eine Mehrzahl von linienartig entlang der Flugbahn der Partikel angeordneten Photodetektoren aufweisen, die derart ausgebildet und relativ zueinander und zu dem Messfeld 40 angeordnet sind, dass jedem Photodetektor ein Detektionsbereich entlang der Flugbahn des Partikels 36 oder der Partikel durch das Messfeld 40 zugeordnet ist, wobei die Detektionsbereiche voneinander getrennt sind, derart, dass von einem das Messfeld 40 durchfliegenden Partikel 36 gestreutes Licht von den Photodetektoren zeitlich aufeinanderfolgend detektiert wird.In order to increase the measurement rate, the photodetector array may travel along the trajectory of the particle 36 or the particle through the measuring field 40 spatially resolved detection on the particle or the particles of scattered light be formed and set up. For this purpose, the photodetector arrangement can have a plurality of photodetectors arranged line-like along the trajectory of the particles, which are designed in such a way and relative to one another and to the measuring field 40 are arranged, that each photodetector a detection area along the trajectory of the particle 36 or the particle through the measuring field 40 is assigned, wherein the detection areas are separated from each other, such that of a the measuring field 40 flying particles 36 scattered light from the photodetectors is detected sequentially in time.

In 2 ist schematisch eine linienartige bzw. zeilenartige Anordnung von vier Photodetektoren 24, 44, 46, 48 dargestellt, denen jeweils ein streifenförmiger Detektionsbereich 50, 52, 54, 56 zugeordnet ist. Auf diese Weise ist eine eindeutige räumlich aufgelöste Detektion des von einem Partikel 36 gestreuten Lichts auch dann möglich, wenn sich gleichzeitig maximal vier Partikel durch das Messfeld 40 bewegen. Es ist ersichtlich, dass ein sich entlang der Achse 38 bewegendes Partikel 36 zeitlich aufeinanderfolgend die Detektionsbereiche 50, 52, 54, 56 durchfliegt, was in entsprechenden Ausgangssignalen der Photodetektoren 42, 44, 46, 48 resultiert. Durch Verwendung einer Mehrzahl von Photodetektoren kann somit die Messrate des Konturmessgerätes 2 erhöht werden. Es ist ersichtlich, dass sich die Messrate entsprechend der vergrößerten Anzahl von Photodetektoren entsprechend den jeweiligen Anforderungen innerhalb weiter Grenzen erhöhen lässt.In 2 is schematically a line-like or line-like arrangement of four photodetectors 24 . 44 . 46 . 48 shown, each having a strip-shaped detection area 50 . 52 . 54 . 56 assigned. In this way, there is a clear spatially resolved detection of the particle 36 scattered light is possible even if at the same time a maximum of four particles through the measuring field 40 move. It can be seen that one is along the axis 38 moving particle 36 temporally successive the detection areas 50 . 52 . 54 . 56 flies through, resulting in corresponding output signals from the photodetectors 42 . 44 . 46 . 48 results. By using a plurality of photodetectors thus the measuring rate of the contour measuring device 2 increase. It can be seen that the measurement rate corresponding to the increased number of photodetectors can be increased within wide limits according to the respective requirements.

Im Hinblick auf die Auslegung der Bestandteile des Konturmessgerätes 2 gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel gelten folgende grundsätzliche Überlegungen:With regard to the design of the components of the contour measuring device 2 According to the illustrated embodiment, the following basic considerations apply:

Der Zeitpunkt bzw. Ort der Flugbahn des Partikels 36, bei dem sich dieses durch Aufprall auflöst, wird als Ort der Oberfläche des Werkstücks 4 angesehen. Da sich das Partikel 36 auf seinem letzten Weg zur Oberfläche des Werkstücks 4 stets im Messfeld 40 (Stehende-Wellen-Feld) bewegt, gibt das Partikel 36 bis zu seinem Aufprall auf dem Werkstück 4 ein periodisch moduliertes Streulicht ab. Im Freiflug des Tropfens (Partikel 36) im Stehende-Wellen-Feld (Messfeld 40) ist das gestreute Licht nahezu sinusförmig moduliert. Die Modulationsfrequenz ergibt sich aus der Fluggeschwindigkeit und dem Abstand der Flächen gleicher Intensität im Messfeld 40 projiziert auf der Flugbahn. Der Abstand d der Flächen gleicher Intensität im Stehende-Wellen-Feld (Messfeld 40) kann in weiten Grenzen nach Bedarf angestellt werden. Er ergibt sich aus der Wellenlänge λ des verwendeten Lichts und dem Neigungswinkel 9 zwischen den Lichtstrahlen der Parallelstrahlenbündel 30, 32 gemäß 2 zu $d = \frac{λ}{2 * sin (θ)}$

The time or location of the trajectory of the particle 36 in which this dissolves by impact is called the location of the surface of the workpiece 4 considered. Because the particle 36 on its last way to the surface of the workpiece 4 always in the measuring field 40 (Standing wave field) moves, gives the particle 36 until it hits the workpiece 4 a periodically modulated scattered light. In the free flight of the drop (particle 36 ) in the standing wave field (measuring field 40 ), the scattered light is nearly sinusoidally modulated. The modulation frequency results from the airspeed and the distance of the surfaces of equal intensity in the measuring field 40 projected on the trajectory. The distance d of the surfaces of equal intensity in the standing wave field (measuring field 40 ) can be made within wide limits as needed. It results from the wavelength λ of the light used and the angle of inclination 9 between the light beams of the parallel beams 30 . 32 according to 2 to

d = \frac{λ}{2 * sin (θ)}

Mit d >> D, also der Forderung, dass der Abstand der Lichtflächen des Messfeldes groß gegenüber dem Tropfendurchmesser sein soll, kommt d = 75 µm in Frage, wenn nämlich der Abstand mindestens fünfmal größer als der Tropfendurchmesser sein soll. Wird für das Messfeld monochromatisches Licht der Wellenlänge λ = 600 nm verwendet, so muss der Winkel zwischen den Strahlen der Parallelstrahlenbündel 30, 32 θ = 0,23° betragen.With d >> D, so the requirement that the distance of the light surfaces of the measuring field should be large compared to the droplet diameter, d = 75 microns in question, if the distance should be at least five times larger than the droplet diameter. If monochromatic light of wavelength λ = 600 nm is used for the measuring field, then the angle between the beams of the parallel beams must be 30 . 32 θ = 0.23 °.

Der Winkel α zwischen der Winkelhalbierenden der Teilstrahlen für das Messfeld 40 einerseits und der Flugbahn der Partikel 36 andererseits kann innerhalb weiter Grenzen beliebig gewählt werden. Der auf die Flugbahn projizierte Abstand der Lichtflächen des Stehende-Wellen-Feldes (Messfeldes 40) dp ergibt sich zu $d p = \frac{d}{cos (90 ° - α)}$

The angle α between the angle bisector of the partial beams for the measuring field 40 on the one hand and the trajectory of the particles 36 On the other hand, you can freely choose within wide limits. The projected onto the trajectory distance of the light surfaces of the standing wave field (measuring field 40 ) dp is added to

d p = \frac{d}{cos (90 ° - α)}

Mit willkürlich angenommenem α = 30° ergibt sich für den projizierten Abstand der Lichtflächen des Messfeldes eine Verdopplung des Wertes auf dp = 150 µm.With arbitrarily assumed α = 30 ° the result for the projected distance of the light surfaces of the measuring field is a doubling of the value to dp = 150 μm.

Bei dem dargestellten Auführungsbeispiel ergibt sich damit eine Modulationsfrequenz f = 133 kHz, die von üblichen Photodetektoren leicht erfasst werden kann. Da nur Lichtsignale dieser Frequenz ausgewertet werden müssen, ist eine Abtrennung des Gleichlichtanteils von Fremdlichtquellen oder aus der eigenen Lichtquelle leicht möglich. In the illustrated Auführungsbeispiel thus results in a modulation frequency f = 133 kHz, which can be easily detected by conventional photodetectors. Since only light signals of this frequency must be evaluated, a separation of the DC component of extraneous light sources or from the own light source is easily possible.

Wie oben ausgeführt, lässt sich durch eine Erhöhung der Anzahl der Photodetektoren die Messrate erhöhen.As stated above, by increasing the number of photodetectors, the measuring rate can be increased.

Zur Steigerung der Messgenauigkeit der Abstandsmessung kann alternativ auch eine Mittelung der Messwerte mehrerer Einzeltropfen (Partikel 36) vorgenommen werden. Möglich ist in diesem Fall die Aussendung der Tropfen in einer typisch zeitlich modulierten Reihenfolge, beispielsweise analog einem Baker-Code , auf welchen die Auswertungseinrichtung, die die Ausgangssignale des Photodetektors empfängt, quasi resonant abgestimmt ist.To increase the measurement accuracy of the distance measurement, an averaging of the measured values of a plurality of individual drops (particles 36 ). It is possible in this case, the emission of the drops in a typical time-modulated sequence, for example analog Baker code on which the evaluation device that receives the output signals of the photodetector is quasi resonant tuned.

Hinsichtlich der Flugbahn der Partikel 36 gelten folgende grundsätzliche Überlegungen:Regarding the trajectory of the particles 36 the following basic considerations apply:

Die Flugbahn der Tropfen (Partikel 36) lässt sich in unabhängige Bewegungen parallel zur Schwerkraft und senkrecht dazu aufteilen. Für die folgenden Überlegungen wird angenommen, dass die Abgabe bzw. der Abschuss der Tropfen (Partikel 36) parallel zur Erdoberfläche erfolgt.The trajectory of drops (particles 36 ) can be divided into independent movements parallel to gravity and perpendicular to it. For the following considerations it is assumed that the delivery or the drop of the drops (particles 36 ) takes place parallel to the earth's surface.

Die Bewegung parallel zur Schwerkraft bzw. senkrecht zur Erdoberfläche besteht aus einer in diesem Beispiel vernachlässigbaren Anfangsgeschwindigkeitskomponente aus dem Abschuss des Tropfens und einer konstanten Beschleunigung aufgrund der Erdanziehungskraft. Die konstant wirkende Erdanziehungskraft bewirkt, dass sich ein Gleichgewicht aus der Luftreibungskraft und der Schwerkraft einstellen wird. Der Tropfen (Partikel 36) fällt dann mit konstanter Geschwindigkeit weiter.The motion parallel to gravity or perpendicular to the earth's surface consists of an initial velocity component negligible in this example, from the drop of the drop and a constant acceleration due to gravity. The constant gravitational force causes a balance between the air frictional force and gravity will set. The drop (particle 36 ) then continues at a constant speed.

Die Bewegung parallel zur Erdoberfläche besteht aus der Abschussgeschwindigkeitskomponente in dieser Richtung, die weitgehend mit der Abschussgeschwindigkeit gleichgesetzt werden kann. Nach Abschuss des Tropfens wirkt auf den Tropfen keinerlei weitere antreibende Kraft, sondern nur die Bremskraft des Luftwiderstandes ein. Die Geschwindigkeit des Tropfens nimmt dementsprechend kontinuierlich ab. Nach einer bestimmten Strecke x_e ist die anfängliche kinetische Energie komplett verbraucht, und die Bewegung des Tropfens in dieser Richtung kommt zum Stillstand.The movement parallel to the Earth's surface consists of the launching velocity component in this direction, which can be equated with the launching speed to a large extent. After the drop of the drop acts on the drop no further driving force, but only the braking force of the air resistance. The velocity of the drop accordingly decreases continuously. After a certain distance x _e , the initial kinetic energy is completely consumed, and the movement of the drop in that direction comes to a standstill.

Die Kombination der beiden Bewegungen führt zu einer zur Erdoberfläche hin gekrümmten ballistischen Flugbahn des Tropfens (Partikel 36). Sinnvoll nutzbar ist nur der erste Teil der Flugbahn, auf dem die Horizontalgeschwindigkeit noch nicht wesentlich abgenommen hat.The combination of the two movements leads to a ballistic trajectory of the droplet (particles 36 ). Useful is only the first part of the trajectory on which the horizontal speed has not decreased significantly.

Die Abnahme der Horizontalgeschwindigkeit nach Formeln von Stokes abgeschätzt werden. Demnach nimmt die Horizontalkomponente der Geschwindigkeit exponentiell ab: $v (t) = V_{0} * e x p (- \frac{α}{m} * t)$

The decrease in horizontal velocity can be estimated by formulas of Stokes. Thus, the horizontal component of velocity decreases exponentially:

v (t) = V_{0} * e x p (- \frac{α}{m} * t)

Dabei ist m die Masse des kugelförmigen Tropfens mit $m = \frac{4}{3} * π * ρ * r^{3}$

wobei r der Radius des Tropfens und p die spezifische Dichte des Materials ist.Here, m is the mass of the spherical drop with

m = \frac{4}{3} * π * ρ * r^{3}

where r is the radius of the drop and p is the specific gravity of the material.

Die Konstante α ist definiert zu $α = 6 * π * η * r$

The constant α is defined to

α = 6 * π * η * r

Die Reichweite berechnet sich damit zu $x_{e} = m * \frac{V_{0}}{α}$

The range is calculated to

x_{e} = m * \frac{V_{0}}{α}

Für normale Umgebungsverhältnisse kann für Luft eine Viskosität η = 17,1 µPas angesetzt werden.For normal ambient conditions, a viscosity η = 17.1 μPas can be used for air.

Mit den Zahlenwerten des Beispiels ergibt sich damit eine Reichweite xe = 15 mm. Der tatsächlich nutzbare Messbereich darf davon allerdings nur einen Bruchteil betragen, da auch am Ende des Messbereiches noch einen signifikanten Anteil der Anfangsgeschwindigkeit vorhanden sein muss. Größere Tropfen ergeben eine höhere Reichweite, reduzieren aber die Auflösung.The numerical values of the example result in a range xe = 15 mm. However, the actually usable measuring range may only be a fraction of this, since even at the end of the measuring range, a significant proportion of the initial speed must still be present. Larger drops give a longer range, but reduce the resolution.

Optional lassen sich die Reichweite und damit der Rechtmessbereich beliebig steigern, wenn die Viskosität reduziert wird. Dies kann beispielsweise durch eine Verringerung des Luftdrucks geschehen. Ein zusätzlicher Vorteil beim Arbeiten unter reduziertem Luftdruck besteht in der schnelleren Verdampfung des Wassers. Nachteilig sind die jeweils erforderliche Wartezeit nach dem Einführen des Werkstücks in die Messstation bis zum Erreichen des Enddrucks und der erforderliche apparative Aufwand.Optionally, the range and thus the right measuring range can be increased as desired, if the viscosity is reduced. This can be done, for example, by reducing the air pressure. An additional advantage of working under reduced air pressure is the faster evaporation of the water. Disadvantages are the respectively required waiting time after insertion of the workpiece into the measuring station until reaching the final pressure and the required apparatus expenditure.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Flugdauer bzw. Flugstrecke der Partikel 36 auf optischem Wege gemessen. Eine Alternative besteht in der Abtastung der Werkstückoberfläche mit starken Laserimpulsen. Beim Auftreffen auf die Werkstückoberfläche lösen die Impulse Schall aus, dessen Laufzeit zurück zu einem Mikrofon gemessen wird.In the illustrated embodiment, the flight duration or flight distance of the particles 36 measured by optical means. An alternative is to scan the workpiece surface with strong laser pulses. When impinging on the workpiece surface, the pulses trigger sound whose transit time is measured back to a microphone.

Auch bei der Verwendung von Partikeln in Tropfenform wird beim Auftreffen des Partikels auf die Werkstückoberfläche eine Schallwelle ausgelöst, die sich mit der üblichen Schallgeschwindigkeit im Raum ausbreitet. Der Schallimpuls kann mit einem Mikrofon erfasst werden. Zur Steigerung der Messgenauigkeit bzw. der Reichweite kann als Mikrofon ein Richtmikrofon verwendet werden.Even when particles are used in the form of drops, when the particle strikes the workpiece surface, a sound wave is triggered which propagates in the room at the usual speed of sound. The sound impulse can be detected with a microphone. To increase the measurement accuracy or the range can be used as a microphone directional microphone.

Alternativ zu einer entsprechenden Erfassung des Luftschalls kann auch der Körperschall erfasst werden, den ein am Werkstück angebrachtes Mikrofon detektiert. Hierbei ist der vergleichsweise höhere Schallpegel vorteilhaft.As an alternative to a corresponding detection of the airborne sound, the structure-borne noise detected by a microphone attached to the workpiece can also be detected. Here, the comparatively higher sound level is advantageous.

Claims

Contour measuring device after Claim 1 in which the measuring device (14) is designed and set up to measure the duration of flight of at least one particle (36) and is in data transmission connection with an evaluation device (16) which determines the flight path from the measured flight time of the particle or particles and the known airspeed ,

Contour measuring device after Claim 1 or 2 in which the measuring device (14) has a detector device (18) for detecting a point of impact, to which at least one particle (36) impinges on the surface of the workpiece (4).

Contour measuring device after Claim 1 . 2 or 3 in which the particles (36) are liquid drops.

Contour measuring device after Claim 1 . 2 or 3 in which the particles are solid particles.

Contour measuring device after Claim 5 in which the particles consist of a frozen liquid

Contour measuring device according to one of Claims 4 to 6 in which the liquid contains or is water.

Contour measuring device according to one of Claims 4 to 7 in which the fluid contains or is oil.

Contour measuring device after Claim 5 in which the particles are made of glass.

Contour measuring device according to one of Claims 5 to 7 in which the particles are spherical.

Contour measuring device according to one of the preceding claims, wherein the means (6) for accelerating particles (36) to an airspeed and for directing the particles (36) to a measuring point of the surface to be measured, the particles (36) in the form of a particle beam on the Point of measurement.

Contour measuring device according to one of the preceding claims, in which, for scanning the surface of the workpiece (4) to be measured, the contour measuring device (2) is movable relative to the workpiece (4) to be measured by means of a feed device (22).

Contour measuring device according to one of the preceding claims, in which the detector device (18) has at least one optical detector device.

Contour measuring device after Claim 13 in which the optical detector device (18) is designed and set up for an interferometric length measurement.

Contour measuring device after Claim 13 or 14 in which the optical detector device has a measuring field generating device (20) which is designed and arranged to generate a measuring field (40) of standing optical waves, such that a particle (36) passing through the measuring field (40) is subjected to a periodic illumination modulation, wherein light scattered by the particle (36) is detectable or detected by means of a photodetector arrangement (23) with at least one photodetector and an output of the photodetector arrangement (23) is connected to the evaluation device (16).

Contour measuring device after Claim 15 wherein the measuring field generating device (20) is designed and set up for producing two parallel beams (30, 32) of monochromatic light whose beam axes are inclined to one another and to the direction of flight (34) of the particles (36) and whose parallel beams interfere with one another to produce a measuring field ( 40) standing optical waves.

Contour measuring device after Claim 15 or 16 in which the evaluation device (16) is designed and programmed in such a way that the distance between the reference point and the measuring point is formed by evaluating an output signal of the photodetector arrangement representing the illumination modulation which subjects the particle (36) when passing through the measuring field (40) and is set up.

Contour measuring device after Claim 15 . 16 or 17 in which the output signal of the photodetector arrangement is a periodic signal modulated according to the illumination modulation and the evaluation device (16) has a counter for counting the oscillations between the entry of a particle (36) into the measuring field (40) and the impact of the particle on the measuring point ,

Contour measuring device according to one of Claims 15 to 18 in which the photodetector arrangement (23) is designed and set up for detection of scattered light spatially dispersed along the trajectory of the particle (36) or of the particles by the measuring field (40) and scattered on the particle (36) or the particles ,

Contour measuring device according to one of Claims 15 to 19 in that the photodetector arrangement (23) has a plurality of linearly arranged photodetectors (42, 44, 46, 48) which are designed and arranged relative to each other and to the measuring field (40), such that each photodetector (42, 44, 46 , 48) is associated with a detection area (50, 52, 54, 56) along the trajectory of the particle (36) through the measuring field (40) and the detection areas (50, 52, 54, 56) are separated from each other such that A light scattered by the measuring field (40) through particles (36) is detected by the individual photodetectors (42, 44, 46, 48) in chronological succession.

Contour measuring device according to one of the preceding claims, wherein the reference point is defined by a location at which the particle (36) leaves the contour measuring device (2).

Contour measuring device according to one of the preceding claims, wherein the reference point is defined by a lying in the trajectory of the particle (36) location of the measuring field (40).