DE3315576A1

DE3315576A1 - Einrichtung zur optischen abstandsmessung, insbesondere zur messung von profilen von werkstuecken oder schneidkanten von werkzeugen

Info

Publication number: DE3315576A1
Application number: DE19833315576
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dipl.-Phys.. Dr. 7730 Schwenningen Breitmeier
Original assignee: Hommelwerke GmbH
Current assignee: Jenoptik Industrial Metrology Germany GmbH
Priority date: 1983-04-29
Filing date: 1983-04-29
Publication date: 1984-10-31

Description

Einrichtung zur optischen Abstandsmessung,
insbesondere zur Messung von Profilen von Werkstücken oder Schneidkanten von Werkzeugen Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur optischen Abstandsmessung von Oberflächen zu einem Bezugspunkt, insbesondere zur Messung von Profilen von Werkstücken oder Schneidkanten von Werkzeugen, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.
Durch die DE-OS 30 16 361 ist eine Einrichtung der betreffenden Art zur optischen Abstandsmessung bekannt. Diese bekannte Einrichtung arbeitet berührungsfrei und eignet sich auch zur Bestimmung von Profilen, beispielsweise von Schneidkanten von Werkzeugen. Die Messung solcher Schneidkanten ist in der Praxis von großer Bedeutung, weil davon nicht nur die Lebensdauer der Schneidkanten, beispielsweise bei der spanabhebenden Bearbeitung, abhängt, sondern auch die Formgenauigkeit und Oberflächenbeschaffenheit des bearbeiteten Werkzeugs, da der Anpreßdruck von dem Radius der Schneidkanten abhängt.
Außerdem ist es üblich, für verschiedene Bearbeitungsverfahren und Schnittgeschwindigkeiten Schneidkanten mit unterschiedlichen Radien zu verwenden.
Die Messung solcher Radien mit einer Einrichtung der betreffenden Art ist zwar üblich, indem die Schneidkante an der Einrichtung vorbeibewegt und in Abhängigkeit von der Bewegung der jeweils gemessenen Abstand gespeichert, beispielsweise in Form einer Meßkurve aufgezeichnet wird. Dieses ist sehr zeitaufwendig, insbesondere dann, wenn viele Messungen über die Länge der Schneidkante durchzuführen sind.
Es ist auch bekannt, Schnittkanten mit einem Lichtschnittmikroskop zu prüfen. Dies ist jedoch ebenfalls sehr zeitaufwendig und darüber hinaus nicht sehr genau.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur optischen Abstandsmessung von Oberflächen zu einem Bezugspunkt zu schaffen, mit der einfach, schnell und genau Profile von Werkstücken oder Schneidkanten von Werkzeugen Meßbar sind.
Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebene Lehre gelöst.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, nicht das zu messende Werkstück oder Werkzeug gegenüber der Meßeinrichtung zu bewegen, was eine langsame Arbeitsgeschwindigkeit, großen Aufwand und wegen der mechanischen Führung Ungenauigkeiten zur Folge hat, auch nicht die optische Meßeinrichtung gegenüber dem Werkstück oder Werkzeug, sondern statt dessen den Meßort durch optische Mittel im wesentlichen entlang einer Linie zu bewegen, um dann in Abhängigkeit von dieser Bewegung den Abstand zu messen, zu speichern oder aufzutragen, so daß dadurch das wahre Profil festgestellt wird.
Die optische Auslenkung des Meßpunktes läßt sich in einfacher Weise durchführen, beispielsweise mittels Spiegeln, die jeweils in dem Strahlengang des Lichts vom Laser zum Werkstück und vom Werkstück zur optoelektronischen Empfangseinrichtung angeordnet sind. Statt Spiegel können natürlich auch andere passende optische Mittel verwendet werden, die jedem optischen Fachmann bekannt sind und eine Auslenkung des zur Messung auf der Oberfläche erzeugten Lichtflecks bzw. ein Verfolgen desselben mittels einer feststehenden optoelektronischen Empfangseinrichtung ermöglicht.
Der in dem Strahlengang des Lasers zu der Oberfläche des Werkstücks liegende Spiegel hat die Aufgabe, den zur Messung erforderlichen Lichtfleck auf der Werkstückoberfläche quer zu dem zu messenden Profil der Oberfläche zu bewegen. Der in dem Strahlengang zu dem Lichtfleck zur optoelektronischen Empfangseinrichtung liegende Spiegel hat nicht nur die Aufgabe, diesen Fleck zu verfolgen, sondern auch gleichzeitig sicherzustellen, daß das der Messung zugrundeliegende Meßprinzip, das meist als Triangulation bezeichnet wird, unangetastet zu lassen. Gleichzeitig hat dieser Spiegel dafür zu sorgen, daß der Ort des Lichtflecks auf der optoelektronischen Empfangseinrichtung bei dem Åblenkungs- oder Verfolgungsvorgang nicht von der optoelektronischen Empfangseinrichtung herunterwandert, die zwar im Prinzip auch flächig sein kann, in der Regel aber nur zeilenförmig ist entsprechend der zeilenförmigen Abtastung des Profils. Die Drehbewegung des zweiten Spiegels im Strahlengang von dem Lichtfleck zu der optoelektronischen Empfangseinrichtung kann daher in verschiedener Weise erfolgen, um dieses Ziel zu erreichen.
Eine Möglichkeit besteht gemäß der Lehre des Anspruchs 2 darin, daß die Kipp- bzw. Drehachsen beider Spiegel parallel verlaufen, wobei natürlich die Eintrittsachse der abbildenden Optik in einer Ebene senkrecht zur Ablenkebene des Lichtflecks liegt, damit das Triangulationsprinzip trotz der Ablenkung unberührt bleibt.
Eine andere Lösung dieses Prinzips besteht darin, daß der zweite Spiegel um die Austrittsachse der Abbildeoptik drehbar ist, wobei wiederum die Eintrittsachse der abbildenden Optik in der Ebene senkrecht zur Ebene des Lichtflecks liegt.
Wegen des Schwenkens dieses zweiten Spiegels um die Austrittsachse der abbildenden Optik bleibt der Austrittsstrahl aus der abbildenden Optik durch die Drehbewegung des zweiten Spiegels unbeeinflußt, so daß dieser ohne Beeinträchtigung des Triangulationsprinzips den Lichtfleck verfolgt.
Die Kipp- oder Drehbewegung der Spiegel kann in verschiedener Weise erfolgen. Natürlich ist es möglich, sie mechanisch zu koppeln, um so Gleichförmigkeit und Gleichzeitigkeit von Ablenk- und Verfolgungsbewegung zu erzielen. Zur Bewegung selbst kann ein Antrieb von Hand vorgesehen sein, jedoch liegt ein besonderer Vorteil des Prinzips der Erfindung darin, daß der Antrieb entweder sinusförmig oder sägezahnförmig oder in anderer Form schwingend erfolgt, so daß ohne weiteres eine Darstellung des abgetasteten Profils auf Kathodenstrahlröhren möglich ist. Wegen dieser schnellen Abtastung kann das gemessene Profil, z.B. eine Schneidenkante,in Längsrichtung der Schneidenkante verschoben und dabei durch Sicht- oder auch elektronische Auswertemittel die Schneidkante über ihre gesamte Länge geprüft werden.
Zum Antrieb der Spiegel können beliebige, jedem Fachmann bekannte Mittel, verwendet werden, beispielsweise elektrodynamische oder elektromagnetische Antriebsmittel. Besonders zweckmäßig ist jedoch die Verwendung von Piezokristallen, die ein weitgehend verzögerungsfreies Arbeiten ermöglichen.
Anhand der Zeichnung soll die Erfindung an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 gelangt von einem Laser 1 ein Lichtstrahl 2 über eine Pockelzelle3zur Konstanthaltung des später noch erläuterten Ausgangssignals, eine Linse 4, einen Ablenkspiegel 5 und eine Linse 6 auf Oberfläche 7 eines Werkstücks 8, das in einer V-förmigen Rille 9 eines Blocks 10 sicher ruht.
Der Lichtstrahl 2 ist durch die ein Objektiv bildenden Linsen 4 und 6 fokussiert, so daß auf der Oberfläche 7 ein Lichtfleck 11 gebildet wird, der mittels Linsen 12 und 13 auf eine optoelektronische Empfangseinrichtung abgelenkt wird, wobei eine Umlenkung durch einen Spiegel 15 erfolgt.
Der Spiegel 5 ist um eine Kippachse 16 kippbar gehalten, die im wesentlichen in der Spiegelfläche oder parallel dazu und insbesondere senkrecht zur gewünschten Ablenkebene liegt, die durch zwei abgelenkte Strahlen 17 und 18 erkennbar gemacht ist. Die Kippbewegung wird durch eine Antriebseinrichtung 19 gesteuert und bewirkt, die gleichzeitig entsprechend gleichartig und synchron auch den Spiegel 15 bewegt. Die unmittelbaren Antriebsverbindungen sind jeweils schematisch durch Linien 20 und 21 symbolisiert.
Die aus den Linsen 12 und 13 gebildete Abbildungsoptik liegt zusammen mit dem Spiegel 15 und der optoelektronischen Empfangseinrichtung 14 nicht wie aus Gründen der besseren Darstellung gezeigt, in der Zeichnungsebene, also der Ablenkebene, definiert durch die Strahlen 2, 17, 18, sondern quer dazu hinter diesen Strahlen, so daß eine Eintrittsachse 22 der Linse 12 schräg von hinten auf den Lichtfleck 11 trifft.
Bei dieser Anordnung aller Elemente arbeitet die Einrichtung wie folgt: Wird der Spiegel 5 um die Achse 16, wie durch gestrichelte Linien 23 angedeutet, entgegen dem Uhrzeigersinn gekippt, gesteuert durch die Antriebseinrichtung 19, so wird der Strahl 2 abgelenkt und ist jetzt Strahl 17. Auf der Oberfläche 7 entsteht so an einer abgelenkten Stelle auf der ein Profil bildenden Oberfläche 7 ein Lichtfleck 24. Durch die gleichzeitige Drehung des Spiegels 15 um eine Achse 29 in eine durch gestrichelte Lnien 25 angedeutete Lage folgt die Blickrichtung der Linse 12 dem abgelenkten Strahl 17, ohne daß allein durch diese Ablenkung eine Veränderung der Abbildung des Lichtflecks 24 auf der optoelektronischen Empfangseinrichtung erfolgt. Durch die Drehbewegung des Spiegels 15 wird lediglich bewirkt, daß die Abbildung des Lichtflecks 24 nicht von der optoelektronischen Empfangseinrichtung 14 herunterwandert. Da jedoch der Lichtfleck 24 weiter entfernt von der Linse 6 und insbesondere der Linse 12 liegt, ändert sich die Richtung des Lichts von dem Lichtfleck 24 über die abbildende Optik mit den Linsen 12 und 13 und damit auch die Lage der Abbildung des Lichtflecks 24 auf der optoelektronischen Empfangseinrichtung 14. Diese Veränderung wird durch eine an die optoelektronische Empfangseinrichtung 14 angeschlossene Auswerteeinrichtung 26 festgestellt und in ein entsprechendes elektrisches Abstands- oder Längensignal umgewandelt, das in beliebiger Weise weiterverarbeitet werden kann.
Da die Oberfläche 7 nicht eben, sondern ein Profil ist, treffen abgelenkte Strahlen, z.B. Strahl 17, auf einen schrägen Teil der Oberfläche 7 im Bereich des Lichtflecks 24, so daß die von diesem auf die optoelektronische Empfangseinrichtung 14 fallende Lichtmenge geringer ist, als wenn der Lichtfleck von dem Strahl 2 herrührt. Um der optoelektronischenEmpfangseinrichtung 14 immer die gleiche Lichtenergie anzubieten und damit die Auswertung zu erleichtern, ist die Pockelzelle 3 in Abhängigkeit von der auf die optoelektronische Empfangseinrichtung 14 fallenden Lichtmenge so gesteuert, daß ein Regelkreis gebildet ist, der die genannte Lichtmenge im wesentlichen konstant hält.
Fig. 2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, das jedoch in vielen Teilen mit dem gemäß Fig. 1 übereinstimmt. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugsziffern versehen. Ein wesentlicher Unterschied besteht jedoch zunächst darin, daß die Darstellung in Fig. 2 senkrecht zu der gemäß Fig. 1 ist, so daß die Anordnung der Linsen 12 und 13 sowie des Spiegels 15 und der optoelektronischen Empfangseinrichtung 14 richtig senkrecht zu der Ablenkebene dargestellt ist, die in Fig. 2 senkrecht zur Zeichnungsebene liegt und den Strahl 2 einschließt. Der sachliche Unterschied der Ausführungsform gemäß Fig. 2 besteht darin, daß der Spiegel 15 nicht um eine Achse gekippt wird, die in der Spiegelebene und parallel zur Ablenkebene liegt, sondern um eine Schwenkachse 27, die zu der Austrittsachse 28 der Linse 13 koaxial ist. Die Schwenkachse 27 des Spiegels 15 und die Kippachse 16 des Spiegels 5 sind parallel, und es ist zu ersehen, daß auf diese Weise der Strahl 2 und die Eintrittsachse 22 der Linse 12 sich im Lichtfleck 11 schneiden. Stellt man sich vor, daß die Oberfläche 7 des Werkstücks 8 eben ist, so ändert sich der Winkel des von dem Lichtfleck 11 über die Linsen 12 und 13 und den Spiegel 15 auf die Empfangseinrichtung 14 fallenden Lichts nicht, so daß das Signal der Empfangseinrichtung 14 unverändert bleibt und in richtiger Weise eine ebene Oberfläche anzeigt. Ist die Oberfläche nicht eben und profilartig, so ändert sich der Winkel des Lichts durch die Linsen 12 und 13 und damit auch die Lage der Abbildung des Lichts auf die Empfangseinrichtung 14, so daß entsprechend ein anderes Abstandssignal angezeigt wird.
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Claims

Anspriiche: Einrichtung zur optischen Abstandsmessung von Oberflächen zu einem Bezugspunkt, insbesondere zur Messung von Profilen von Werkstücken oder Schneidkanten von Werkzeugen, mit einer Fokussiereinrichtung zur Fokussierung des von dem Laser ausgesandten Lichts auf die zu bestimmende Oberfläche und mit einer Abbildungsoptik zur Abbildung des von dem fokussierten Licht auf der Oberfläche erzeugten Lichtflecks auf eine optoelektronische Empfangseinrichtung, an die eine elektronische Auswerteeinrichtung zur Erzeugung eines von dem Ort des Lichtflecks auf der optoelektronischen Empfangs einrichtung abhängigen Abstandssignals angeschlossen ist, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß in dem Strahlengang des von dem Laser (1) ausgesandten Lichts ein erster Ablenkspiegel (5) angeordnet ist, der zur seitlichen Ablenkung des Lichtflecks quer zu dem zu messenden Profil um eine Achse senkrecht zur Ablenkebene kippbar gehalten ist, daß die Eintrittsachse (22) der Abbildeoptik (12, 13) im wesentlichen in einer Ebene senkrecht zur Ablenkebene des Lichts von dem Laser (1) verläuft, daß die Abbildeoptik (12 13) einen drehbar gehaltenen Ablenkspiegel (5) aufweist, und daß Mittel (19) zu einer derartig gleichartigen und synchronen Bewegung des zweiten (15) mit dem ersten Spiegel (5) vorgesehen sind, daß der Ort des Lichtflecks auf einer optoelektronischen Empfangseinrichtung (14) in allen Ablenkstellungen des ersten Spiegels (5) immer auf der optoelektronischen Empfangseinrichtung (14) liegt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die,Kippp- bzw. Drehachsen (16, 24) der Spiegel (5, 15) parallel zur Spiegelfläche verlaufen.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß der zweite Spiegel (15) um die Austrittsachse (28) der Abbildeoptik (13) drehbar ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Mittel (19) zur Bewegung der Spiegel (5, 15) diese sinusförmig oder sägezahnförmig bewegen.
5. Einrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Mittel (19) zur Bewegung der Spiegel (5, 15) Piezokristalle aufweisen, die durch elektrische Gleich-oder synchroe Wechselspannungen , insbesondere sinusförmige oder sägezahnförmige Wechselspannungen, gespeist sind.
6. Einrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß in dem Strahlengang des Lasers (1) eine Pockelzelle (3) zur Konstanthaltung der auf die optoelektronische Empfangseinrichtung (14) fallenden Lichtenergie angeordnet ist.