DE3326264A1 - Rundheitsmesseinrichtung - Google Patents

Rundheitsmesseinrichtung

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DE3326264A1
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DE
Germany
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measuring device
interferometer
roundness
axis
probe
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Withdrawn
Application number
DE19833326264
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English (en)
Inventor
Reinhard Ing. Ludewig (grad.), 7920 Heidenheim
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Carl Zeiss SMT GmbH
Carl Zeiss AG
Original Assignee
Carl Zeiss SMT GmbH
Carl Zeiss AG
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/2408Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures for measuring roundness

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Description

  • Rundheitsmeßeinrichtung
  • Die Erfindung betrifft eine Rundheitsmeßeinrichtung mit einem an der zu messenden Fläche des Prüflings gleitenden Taster. Mit derartigen Meßeinrichtungen werden beispielsweise die Innen- bzw. Außendurchmesser von Rohren überprüft und Abweichungen des Rohrprofils von der Sollform festgestellt. In der Regel bestehen diese Meßeinrichtungen aus zwei Teilen, einen am Prüfling zu fixierenden Teil und einem dagegen verdrehbaren Kopfteil, das den Taster trägt, von dem der Prüfling abgetostet wird. Meßgeräte dieser Bauart zur Prüfung des Rohrinnenprofils sind beispielsweise in der EP-A2-76144, in der DE-A1-302 43 34 oder der DE-C2-28 13 842 beschrieben.
  • Die Auslenkung der Taster wird bei diesen bekannten Meßgeräten über induktive oder resistive Meßfühler bzw. nach dem Gitterabtastprinzip arbeitende photoelektrische Meßfühler ermittelt, die in das verdrehbare Kopfteil eingebaut sind. Neben der Meßungenauigkeit aufgrund der mangelnden Auflösung der verwendeten Meßfühler geht bei diesen Geräten der Ablauffehler des Drehlagers des Kopfteils in den Meßwert ein, so daß die Genouigkeit, mit der diese Geräte arbeiten, beschränkt ist.
  • Zwar ist es an sich bekannt für hochauflösende Längenmessungen Interferometer einzusetzen, aber selbst wenn man anstelle der z.B. induktiven Meßfühler in den bekannten Rundheitsmeßeinrichtungen Taster einsetzen würde, deren Verschiebeweg interferometrisch ermittelt wird, bleibt doch der Einfluß der Laufgenauigkeit des Drehlagers auf das Meßergebnis bestehen.
  • Aus der DE-OS 24 29 130 ist ein interferometrisches LängenmeBsystem bekannt, bei dem der Reflektor aus einer transparenten Kugel mit einem Brechungsindex von n=2 besteht. Über die Verwendung eines solchen Interferometers in einer Rundheitsmeßeinrichtung sind der genannten Schrift jedoch keine Angaben zu entnehmen. Außerdem dürfte die Herstellung einer transparenten Kugel aus Material mit n=2 in dem für interferometrische Längenmessungen bevorzugten Spektralbereich mit Schwierigkeiten verbunden sein.
  • Es ist nun die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Rundheitsmeßeinrichtung mit möglichst hoher Auflösung zu schaffen, deren Meßgenauigkeit von der zwischen Prüfling und Meßgerät durchzuführenden Drehbewegung möglichst unbeeinflußt bleibt.
  • Diese Aufgobe wird gemäß dem Kennzeichen des Hauptanspruchs dadurch gelöst, daß eine interferometrische Längenmeßeinrichtung vorgesehen ist, die den Abstand des Tasters zu einer konzentrisch zur Drehachse der Meßeinrichtung bzw. des Prüflings angeordneten, relativ zum Prüfling feststehenden, konvexen, rotationssymmetrischen Spiegelfläche () mißt.
  • Bei einer gemäß der Erfindung aufgebauten Meßeinrichtung wird also der Abstand zwischen dem Prüfling und einem relativ zum Prüfling fixierten Referenzkörper gemessen, so daß das Lager für die Drehbewegung des Tasters bzw. Prüflings nicht in die Meßgenauigkeit eingeht. Zwar gehen Abweichungen der rotationssymmetrischen Spiegelfläche von der Ideal form in das Meßergebnis ein, derartige Abweichungen können jedoch durch eine möglichst genaue Bearbeitung der Fläche sehr klein gehalten werden, beispielsweise lassen sich Kugeln oder Zylinder mit hoher Genauigkeit rund polieren. Verbleibende Abweichungen des angemessenen Meridians des Referenzkörpers lassen sich im übrigen feststellen und, da diese Abweichungen im Gegensatz zu den kurzperiodischen und verschleißabhongigen Ablauffehlern eines Lagers unveränderlich sind, speichern und bei der Meßwertbildung berücksichtigen. Auf diese Weise läßt sich mit der Meßeinrichtung gemäß der Erfindung eine Meßgenauigkeit weiter unter O,1m erzielen.
  • Zweckmäßigerweise wird der Meßstrahlengang von einem Objektiv auf die Spiegelfläche fokussiert, das in einem Abstand zur Symmetrieachse der Spiegelfläche angeordnet ist, der seiner Brennweite entspricht. Handelt es sich bei der Spiegel fläche um eine Kugel oder einen meridianen Kugelabschnitt, so besteht das Objektiv im wesentlichen aus sphärischer Optik.
  • Es ist jedoch auch möglich eine Spiegelfläche in Form eines mit der Drehochse der Meßeinrichtung konzentrischen Zylindermantels zu verwen- den. In diesem Falle besteht das Objektiv aus Zylinderlinsen.
  • Eine besonders große Arbeitsgeschwindigkeit läßt sich mit der Meßeinrichtung dann erzielen, wenn der am Prüfling entlanggeführte Taster eine möglichst geringe Masse besitzt. Es ist daher vorteilhaft, wenn nicht der gesamte Interferometerkopf, mit dem die Spiegelfläche angemessen wird, am auslenkbaren Taststiftträger befestigt ist, sondern wenn der vom Interferometerkopf ausgehende Meßstrahlengang lediglich über ein am Taststiftträger befestigtes Spiegelprisma geführt wird.
  • Dieser Meßstrahlengang kann beispielsweise einer der beiden Teilstrahlen eines handelsüblichen sogenannten Doppelstrahl-Planspiegel-Interferometers sein, wie es in der DE-PS 23 48 272 beschrieben ist.
  • Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn das Teil der Meßeinrichtung, an der der Taststiftträger auslenkbar befestigt ist, in Bezug auf die Symmetrieachse der Einrichtung, radial verstellbar gehaltert ist, um eine Einstellung der Meßeinrichtung auf die Durchmesser unterschiedlich großer Prüflinge zu ermöglichen. An diesem Teil der Einrichtung ist auch der Meßkopf des Doppelstrahl-Planspiegel-Interferometers angebracht.
  • Zur Versorgung des Interferometerkopfes dient ein Laserstrahl, der dem rotierenden Teil der Meßeinrichtung zweckmäßig durch die hohle Drehachse zugeführt wird.
  • Die Rundheitsmeßeinrichtung kann als separate Meßeinrichtung ausgeführt werden. Es ist jedoch auch möglich die Meßeinrichtung an der Pinole einer Mehrkoordinaten-Meßmaschine zu befestigen. Dabei dienen die waagerechten Verschiebeachsen der Meßmaschine dazu die Meßeinrichtung zu einem oder mehreren auf dem Tisch der Meßmaschine aufgespannten Prüflingen rechnergesteuert zu verfahren und anschließend auch zu zentrieren, während der Antrieb der Pinole dazu benutzt werden kann die Meßeinrichtung entlang der Prüflingsachse zu bewegen.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachstehenden Beschreibung der Figuren 1-5 der beigefügten Zeichnungen entnehmbar, die Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen.
  • Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer Rundheitsmeßeinrichtung in einer die Drehachse enthaltenden Ebene; Fig. 2 zeigt den optischen Teil der Einrichtung aus Fig. 1 in gesndertem Maßstab; Fig. 3 zeigt den interferometrischen Meßzweig der Optik aus Fig. 2 in Aufsicht; Fig. 4 zeigt eine weitere Ansicht des interferometrischen Meßzweiges der Optik aus Fig. 2; Fig. 5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer interferometrischen Rundheitsmeßeinrichtung.
  • Die in Fig. 1 dargestellte Rundheitsmeßeinrichtung besitzt eine Grundplatte 1, auf deren Aufnahme der Prüfling 3 aufgesetzt ist. In der Mitte trägt die Grundplotte 1 ein Radiallager bestehend aus einem feststehenden, hohlen Zapfen 4 und einem darumgelegten Lagerring 5. Dieser Lagerring 5 trägt den beweglichen Teil der Meßeinrichtung und stützt sich über ein Achsiallager 2 auf dem tellerförmigen Fuß des Zapfens 4 ab.
  • Der drehbore Teil der Meßeinrichtung besteht aus einem an dem Lagerring 5 befestigten Träger 6, auf den eine mittels Klemmhebeln 9 und 10 arretierbare Schiene 7 radial verschiebbar aufgesetzt ist. Die Schiene 7 trägt den Tastkopf der Meßeinrichtung.
  • Der Tastkopf besitzt einen über Federparallelogramme 12 und 13 radial nachgiebig an dem mit der Schiene 7 verbundenen Halter aufgehängten Tastkörper 11, der an der Innenwand des Prüflings 3 anliegt. Außerdem enthält der Tastkopf einen noppelstrahl-Interferometerkopf 15, der von einem neben der Grundplatte 1 stehenden Lesergerät 19 versorgt wird.
  • [er Strahl des Lasers wird dazu durch eine Bohrung 24 in der Grundplatte 1 und nach Unlenkung über einen ersten Spiegel 20 durch die zentrische Bohrung des Zapfens 1 geführt, darnach mit Hilfe eines Prisma 21 in eine Nut 25 in der Schiene 7 eingespiegelt und schließlich von einem weiteren Prisma 22 in Richtung auf den Interferometerkopf abgelenkt.
  • Mit 23 ist eine ebenfalls auf der Schiene 7 befestigte Detektoreinheit bezeichnet, die dem Ausgang des Interferometerkopfes 15 zugeordnet ist.
  • Auf den Zapfen 4 ist eine aus transparentem Material bestehende Kugel 18 aufgesetzt. Diese Kugel 18 ist auf der Auflageseite und gegenüber abgeplattet. Die verbleibende merdionale Fläche M ist vollständig verspiegelt und dient dem Interferometerkopf 15 als Referenzfläche, gegen die radiale Auslenkungen des Tastkörpers 1 1 gemessen werden.
  • Vor der feststehenden Kugel 18 ist am Träger 6 ein Objektiv 13 in einem Abstand vom Kugelmittelpunkt angeordnet, der der Brennweite des Objektivs 13 entspricht. Alit Hilfe dieses Objektivs wird erreicht, daß die vom Interferometerkopf 15 ausgehenden, parallelen Mrßstrahlenbündel nach Reflexion an der Kugel 18 nicht divergieren sondern wieder als parallele Strahlenbündel in den Interferometerkopf 15 zurückreflektiert werden.
  • Wie aus der detaillierten Darstellung der Interferometeroptik in den Fig. 2,3 und 4 hervorgeht, tritt der eine Meßstrahl b des Zweistrahl-Interferometers 15 direkt und ohne weitere Umlenkung in das Objektiv 16 ein, während der zweite Meßstrahl a von einem am feststehenden Teil 8 des Tastkopfes befestigenden Tripelprisma 17 reflektiert wird und erst nach nachmaliger Ablenkung über ein am beweglichen Tastkörper 11 befestigtes, zweites Tripelprisma 14 zum Objektiv 16 gelangt. Mit dieser Anordnung wird jede radiale Verlagerung des Tastkörpers 11 in eine um den Faktor 4 verstärkte Längenänderung des Interferometerarms umgesetzt, unabhängig davon ob die Verlagerung durch eine Auslenkung des Tastkörpers 11 relativ zu seiner Aufhängung 8 oder durch eine Rodialverschiebung des gesamten Tastkopfes, beispielsweise infolge einer thermischen Ausdehnung der Schiene 7 oder Spiel im Radiallager 4/5 bewirkt wird.
  • Bei dem in Fig. 5 dargestellten, zweiten Ausführunysbeispiel ist die Rundheitsmeßeinrichtung an die vertikal verfahrbare Pinole 105 einer Mehrkoordinaten-"eßmeschine angesetzt. die aus einem gegenüber dem Tisch 101 verfahrbaren Portal 102 besteht, das den Querschlitten 104 trägt, in dem ihrerseits die Pinole 105 geführt ist.
  • Auf den Tisch 101 ist der Prüfling 103 aufgesetzt. Bei diesem Prüfling handelt es sich um den konischen Ringspiegel eines Röntgenteleskops, der hochgenau, d.h. in der Größenordnung eines Bruchteils der Wn.llenlänge des interessierenden Spektralbereiches vermessen werden muß.
  • Die eigentliche Rundheitsmeßeinrichtung besitzt im wesentlichen den gleichen Aufbau wie das in Fig. 1-4 dargestellte Ausführungsbeispiel.
  • Es ist ein Lager 109 vorgesehen, mit dem der Träger 106 für eine radial verstellbare Schiene 107 drehbar an der Pinole 105 befestigt ist. Die Schiene trägt den Tastkopf 108, dessen beweglicher Tastkörper 111 an der Innenseite des Prüflings 103 anliegt und der den nicht dargestellten Interferometerkopf enthält.
  • Im Träger 106 ist das Objektiv 116 befestigt, das den vom Tastkopf ausgehenden interferometrische Meßstrohl c auf den Mittelpunkt einer mit der Pinole 105 festverbundenen Kugel 118 fokussiert. Versorgt wird der Interferometerkopf von einem auf die Pinole 105 aufgesetzten Lasergenerator 119. der Laserstrahl ist dabei durch das Innere der Pinole 105 geführt.
  • - Leerseite -

Claims (8)

  1. Patentansprüche: 10Rundheitsmeßeinrichtung mit einem an der zu messenden Fläche des Prüflings (3) gleitenden Taster (11), dadurch gekennzeichnet, daß eine interferometrische Längenmeßeinrichtung (14-18) vorgesehen ist, die den Abstand des Tasters (11) zu einer konzentrisch zur Drehachse der Meßeinrichtung bzw. des Prüflings (3) angeordneten, relativ zum Prüfling feststehenden, konvexen, rototionssymmetrischen Spiegelfläche (M) mißt.
  2. 2. Rundheitsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Meßstrahlengang des Interferometers (15) ein Objektiv (16) so angeordnet ist, daß die Symmetrieachse der Spiegelfläche (M) in der Brennebene des Objektivs liegt.
  3. 3. Rundheitsmeßeinrichtung nach Anspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Spiegelfläche (M) um die Oberfläche einer Kugel bzw. einen meridianen Kugelabschnitt handelt.
  4. 4. Rundheitsmeßeinrichtung nach Anspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Spiegelfläche um einen Zylindermantel handelt.
  5. 5. Rundheitsmeßeinrichtung nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil (8) der Meßeinrichtung, an dem der Taststift (11) auslenkbar befestigt ist, in Bezug auf die Symmetrieachse radial verstellbar gehaltert ist und den Meßkopf (15) eines Doppelstrahl-Planspiegel-Interferometers trägt.
  6. 6. Rundheitsmeßeinrichtung nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der auslenkbare Teil (11) des Tasters ein im Meßstrahlengang des einen Teilstrahls (a) eines Doppelstrahl-Planspiegel-Interferometers -(15) angeordnetes Spiegelprisma (14) trägt.
  7. 7. Rundheitsmeßeinrichtung nach Anspruch 5-6, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Versorgung des Interferometerkopfes dienende Lasfzrstra durch die hohle Drehachse (4) der Meßeinrichtung geführt ist.
  8. 8. Rundheitsmeßeinrichtung nach Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß sie an der Pinole einer Mehrkoordinatenmeßmaschine befestigt ist.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3644537A1 (de) * 1986-12-24 1988-07-14 Truetzschler & Co Vorrichtung zur pruefung der zentrizitaet von kannen fuer spinnereimaschinen, z.b. fuer karden oder strecken
DE3801889A1 (de) * 1988-01-23 1989-08-03 Rodenstock Optik G Verfahren zur vermessung von brillenglaesern

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE3644537A1 (de) * 1986-12-24 1988-07-14 Truetzschler & Co Vorrichtung zur pruefung der zentrizitaet von kannen fuer spinnereimaschinen, z.b. fuer karden oder strecken
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