DE3800427A1 - Geraet zum genauen ermitteln des abstandes eines auf einer pruefflaeche liegenden pruefpunktes von einer referenzflaeche - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät zum Ermitteln des lokalen Abstandes einer Prüffläche von einer Referenzfläche gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein derartiges Gerät ist in der DE-OS 35 36 700 beschrie­ ben. Mit ihm können Oberflächen eines Prüflinges auch auf sehr kleine Oberflächenkonturen hochgenau ausgemessen wer­ den.

Für manche Anwendungsfälle wäre es nun wünschenswert, wenn man ein Gerät der eingangs angegebenen Art auch unter Nicht- Laborbedingungen einsetzen könnte, wenn auf den Prüfling und/oder das Gerät selbst Erschütterungen oder Schwingungen einwirken.

Durch die vorliegende Erfindung soll ein Gerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 so weitergebildet werden, daß es auch unter den vorgenannten Einsatzbedingungen ein Aus­ messen kleinster Oberflächenkonturen eines Prüflinges ge­ stattet.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch ein Gerät gemäß Anspruch 1, gemäß Anspruch 2 oder gemäß Anspruch 16.

Das erfindungsgemäße Gerät gemäß Anspruch 1 oder 2 ist mit einem Regelkreis ausgestattet, welcher durch äußere Er­ schütterungen und Schwingungen bedingte Fehler im Meßsignal sehr rasch ausregelt. Dieses Ausregeln erfolgt grob gespro­ chen dadurch, daß man zwei ineinander geschachtelte Regel­ kreise verwendet, wobei der äußere Regelkreis, da mit einem I-Regler versehen, eine verhältnismäßig große Zeitkonstante aufweist, während der innere Regelkreis, da mit einem PD- Regler versehen, demgegenüber eine kleine Zeitkonstante hat. Der äußere Regelkreis leitet den Sollwert für den inneren Regelkreis vom Ausgangssignal der optoelektronisch arbei­ tenden Meßstrecke und von der Ist-Lage der Meßoptik (An­ spruch 1) bzw. dem Ausgangssignal eines Beschleunigungsfüh­ lers (Anspruch 2) ab, und der innere Regelkreis erhält als Ist-Wert die direkt gemessene Stellung der Meßoptik. Im Fehlersignal, welches der innere Regelkreis zur Ansteuerung des Stellantriebes bereitstellt, sind so Signalanteile enthalten, die erschütterungs- oder schwingungsbedingt sind und solche Phasenlage haben, daß auf den Stellantrieb eine Zusatzkraft ausgeübt wird, welche die Reaktion der Meßoptik auf die Erschütterungen und Schwingungen aktiv kompensiert.

Durch die erfindungsgemäße Geräteausbildung werden auch Störungen, die durch elektrische Einstreuungen bedingt sind, eliminiert.

Bei einem Gerät gemäß Anspruch 16 erfolgt die Ausregelung von Erschütterungen und Schwingungen dadurch, daß man eine zur Meßoptik exakt identische Referenzoptik hat, der auch ein zum Signalkanal der Meßoptik identischer Signalkanal nachgeschaltet ist. Während aber die Meßoptik auf die mit Mikrounebenheiten behaftete Prüffläche gerichtet ist, ar­ beitet die Referenzoptik mit einer ideal planen, bezüglich des Gerätegehäuses feststehenden Referenzfläche zusammen. Damit sind die Ausgangssignale des der Referenzoptik nach­ geschalteten Signalkanales direkt ein Maß für erschütte­ rungs- bzw. schwingungsinduzierte Signalanteile im der Meß­ optik nachgeschalteten Signalkanal. Man braucht somit nur die Ausgänge der beiden Signalkanäle differenzmäßig zusam­ menzufassen, um ein erschütterungs- bzw. schwingungskompen­ siertes Meßsignal zu erhalten. Da die echte Meßeinrichtung und die Referenzeinrichtung optisch, mechanisch und elek­ trisch exakt identisch aufgebaut sind, bis auf den Unter­ schied zwischen Prüffläche und Referenzfläche, erhält man auch einen breitbandigen Ausgleich der Erschütterungen und Schwingungen, da beide Systeme in exakt gleicher Weise auf diese externen Störeinflüsse reagieren.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteran­ sprüchen angegeben.

Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 3 wird erreicht, daß der zum Feststellen von Erschütterungen und Schwingungen verwendete Beschleunigungsfühler genauso auf letztere anspricht wie die Meßoptik.

Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 4 wird erreicht, daß Meßoptik und Massekörper-Optik sowie die ih­ nen zugeordnete elektromagnetische Einheit exakt gleichen Aufbau haben können. Nur die externe Beschaltung dieser elektromagnetischen Einheiten ist verschieden: bei der Meß­ optik dient die Spule als Antriebsspule, bei der Massekör­ per-Optik als Induktionsspule.

Die Arbeitsgeschwindigkeit eines Gerätes zum genauen Er­ mitteln des Abstandes eines auf einer Prüffläche liegenden Prüfpunktes von einer Referenzfläche hängt mit von der Steilheit der Kennlinie der Detektionseinrichtung ab. Of­ fensichtlich erzeugt die Detektionseinrichtung bei gegebe­ nem Abstand des Prüfpunktes von der Referenzfläche ein Aus­ gangssignal, welches zur Intensität des auf sie auffallen­ den Meßlichtes proportional ist. Diese Intensität hängt unter anderem davon ab, wie groß das Reflexionsvermögen der Prüffläche am Prüfpunkt ist und welche Neigung die Prüf­ fläche im Prüfpunkt hat. Sowohl das Reflexionsvermögen als auch die Neigung der Prüffläche können sich über die Prüf­ fläche hinweg ändern, z.B. durch die auszumessende Ober­ flächenkontur und unterschiedliche Materialien des Prüf­ linges, die schon von Hause aus einen unterschiedlichen Reflexionsgrad haben. Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 5 wird erreicht, daß das Gerät unabhängig von derartigen Änderungen im Reflexionsvermögen und/oder der Neigung der Prüffläche (nachstehend zusammen kurz unter "Reflexionsverhalten" angesprochen) im Prüfpunkt mit glei­ cher Steilheit der Kennlinie der Detektionseinrichtung und damit gleicher Empfindlichkeit der Lageregelung der Meß­ optik arbeitet. Damit erhält man zum einen einen konstanten Meßfehler über die Prüffläche hinweg; zum anderen wird es möglich, die Prüffläche durch Verfahren des Prüflinges oder des die Meßoptik und die Detektionseinrichtung enthaltenden Abtastkopfes mit vorgegebener gleichförmiger Geschwindig­ keit abzutasten.

Gemäß Anspruch 6 kann man ein dem lokalen Reflexionsvermö­ gen und der lokalen Neigung der Prüffläche zugeordnetes Meßsignal dadurch erhalten, daß man bei einem zwei Wandler­ elemente aufweisenden Wandler der Detektionseinrichtung die beiden Ausgangssignale der Wandlerelemente additiv zu­ sammensetzt. Durch subtraktives Zusammensetzen dieser Aus­ gangssignale wird das normale, dem Abstand zwischen Prüf­ punkt und Referenzfläche zugeordnete Meßsignal erzeugt. Man benötigt somit zusätzlich keine teuren und Platz er­ fordernden Wandlerelemente sondern nur einen einfachen Sum­ mierverstärker.

Gemäß Anspruch 7 kann man mit einem einzigen Schaltkreis die Korrektur des Abstandssignales umgekehrt proportional zur Intensität des auf die Detektionseinrichtung auffallen­ den Lichtes durchführen.

Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 8 wird erreicht, daß der Korrekturkreis noch zusätzliche intensi­ tätsabhängige Korrekturen am Abstandssignal vornehmen kann, welche z.B. auf einer von Hause aus gegebenen Nichtlineari­ tät der in der Detektionseinrichtung verwendeten Wandler­ anordnung beruhen kann.

Bei einem Gerät gemäß Anspruch 9 kann man im Korrekturspei­ cher verschiedene Sätze von jeweils von der Meßlichtinten­ sität abhängigen Korrekturfaktoren ablegen, um unterschied­ lichen Wandlertypen, grundsätzlichen Unterschieden in der Geometrie des Strahlenganges und unterschiedlichen Störein­ flüssen Rechnung zu tragen. Die jeweils benötigte Kennlinie wird an der Wähleinheit eingestellt.

Im Anspruch 10 sind weitere Alternativen angegeben, um die Steilheit der Kennlinie der Lagenachregelung der Meßoptik unabhängig von den speziellen Reflexionsverhältnissen im Prüfpunkt konstant zu halten.

Bei einem Gerät gemäß Anspruch 11 kann man die Ausregelung unterschiedlicher Reflexionsverhältnisse im Prüfpunkt auf Wunsch abschalten, z.B. um gerade die unterschiedlichen Reflexionsverhältnisse über die Prüffläche hinweg zu er­ mitteln. Außerdem ist eine solche Abschaltung dann sinnvoll, wenn die Meßoptik sehr weit aus ihrem normalen Verstellbe­ reich ausgelenkt ist, was z.B. dann der Fall sein kann, wenn ihr überhaupt keine Prüffläche gegenübersteht.

Bei einem Gerät gemäß Anspruch 12 erfolgt eine laufende Anzeige der lokalen Reflexionsverhältnisse.

Ein Gerät gemäß Anspruch 13 hat eine Grobanzeige für sehr grobe Fehlanpassung der Meßoptikstellung. Eine solche Grob­ anpassung erleichtert die manuelle oder von einem zusätz­ lichen Servosystem durchzuführende Grobeinstellung der Meß­ optik-Brennebene auf die Prüffläche.

Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 14 ist im Hinblick auf die Unterdrückung von Umgebungslicht, das Un­ terdrücken von elektrischen Einstreuungen mit Netzfrequenz und im Hinblick auf geringen Energieverbrauch des Gerätes und Kleinhalten der Wärmeentwicklung im als Lichtquelle verwendeten Laser von Vorteil.

Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 15 wird erreicht, daß der Abstand zwischen Prüfpunkt und Referenz­ fläche schneller zur Anzeige kommt, da zur Ansteuerung der entsprechenden Anzeigeeinheit der vom äußeren I-Regler ab­ gegebene Lagesollwert für die Meßoptik verwendet wird, nicht aber ein der Ist-Stellung der Meßoptik zugeordnetes Signal.

Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 17 wird erreicht, daß zwischen der Referenzfläche und der Prüfflä­ che ein größerer Abstand verbleibt, obwohl Meßoptik und Referenzoptik gleiche Brennweite haben. Damit ist die Ge­ fahr einer mechanischen Berührung zwischen der Prüffläche und dem die beiden optischen Systeme enthaltenden Meßkopf ausgeräumt.

Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 18 wird erreicht, daß wahlweise auf den Prüfling einwirkende Er­ schütterungen und Schwingungen oder auf den Meßkopf einwir­ kende Erschütterungen und Schwingungen ausgeregelt werden können.

Bei einem Gerät gemäß Anspruch 19 kann man zusätzlich auch Erschütterungen und Schwingungen ausregeln, die in unter­ schiedlicher Weise auf den Prüfling und den Meßkopf des Gerätes einwirken.

Bei einem Gerät gemäß Anspruch 20 erhält man besonders stark konturierte Oberflächenbilder, da in der Praxis Änderungen im lokalen Reflexionsverhalten und Mikrounebenheiten der Oberfläche oft auf ein und dieselbe Ursache zurückzuführen sind, z.B. Körner unterschiedlicher Zusammensetzung oder Kristallisationsrichtung in aus Legierungen hergestellten Prüflingen. Durch das im Anspruch 20 angegebene Zusammen­ fassen des für das lokale Reflexionsvermögen charakteris­ tischen Ausgangssignales eines den Wandlerelementen nach­ geschalteten Summierverstärkers mit dem Ausgangssignal eines den Wandlerelementen nachgeschalteten Differenzver­ stärkers wird ein Fingerabdruck der Prüffläche erreicht, wie er in solcher Deutlichkeit von keinem der Einzelsignale abgeleitet werden kann.

Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 21 wird erreicht, daß Unsymmetrien der Wandlerelemente, welche durch Alterung, Temperatureinwirkung oder dergleichen be­ dingt sein können, automatisch ausgeräumt werden.

Ein Gerät gemäß Anspruch 22 stellt einen hochempfindlichen Näherungsschalter dar, der dann anspricht, wenn der Abstand zwischen der Meßoptik und einem bewegten Prüfling innerhalb einer sehr engen Toleranzgrenze von in der Praxis einigen einen vorgegebenen Wert erreicht hat.

Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 23 bringt den Vorteil, daß die Genauigkeit der Abstandmessung auch bei durch starke Temperaturschwankungen bedingten Änderun­ gen an einem beliebigen Bauelement des Abtastkopfes erhal­ ten bleibt.

Mit der Weiterbildung gemäß Anspruch 24 wird erreicht, daß eine solche Temperaturkompensation in großen Temperaturbe­ reichen rasch durchgeführt wird.

Für manche Anwendungsfälle ist es vorteilhaft, wenn der auf der Prüffläche ausgeleuchtete Bereich nicht punktförmig ist sondern größeren Durchmesser aufweist, also ein Fleck ist. Man kann dann die Absolutlage bzw. die Oberflächenei­ genschaften gemittelt über diesen kleinen Oberflächenbereich messen. Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 25 ist es möglich, eine Prüffläche wahlweise punktweise bzw. gemittelt über kleine Prüfflecke auszumessen.

Die Weiterbildungen der Erfindung gemäß den Ansprüchen 26, 28 und 30 ermöglichen ein einfaches kontinuierliches Ein­ stellen des Durchmessers der Prüfflecke bei betriebsberei­ tem Gerät.

Koordinatenmeßmaschinen enthalten bisher überwiegend mecha­ nische Taster, und zur Kalibrierung derartiger Maschinen am Einsatzort wird durch den Taster eine Meßkugel angeta­ stet, deren absolute Stellung im Raum bekannt ist. Auf die­ se Weise gewinnt man die Information über die Ausgangsstel­ lung des Abtastkopfes. Das erfindungsgemäße Gerät weist einen optischen Abtastkopf auf, und mit einem solchen könn­ te man eine Referenzkugel nicht direkt antasten, da der Meßlichtstrahl nur bei senkrechtem Auftreffen auf die Refe­ renzkugel in gleicher Richtung zurückgeworfen würde, was nur bei exakt radialer Ausrichtung des Abtastkopfes der Fall ist. Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 31 wird erreicht, daß das Kalibrieren einer Koordinatenmeß­ maschine, die unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Gerätes aufgebaut ist, analog durchgeführt werden kann, wie bei Koordinatenmeßmaschinen mit taktilen Tastern üblich.

Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 33 wird erreicht, daß die Kalibrierung der Ausgangslage des Abtast­ kopfes unabhängig von einer visuellen Kontrolle durch eine Bedienungsperson erfolgen kann. Der Abtastkopf muß durch die Antriebe der Koordinatenmeßmaschine nur in irgendeine Stellung gefahren werden, in welcher ein kraftschlüssiger Kontakt zur Meßkugel hergestellt ist. Eine genaue Relativ­ stellung zur Meßkugel braucht aber nicht eingefahren zu werden, da das Ausgangssignal des Abtastkopfes bei der Ka­ librierung mitverwendet werden kann.

Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 34 ermög­ licht es, auch die lnnenflächen hohler, insbesondere rota­ tionssymmetrischer Prüfkörper wie Zylinder oder dergleichen auszumessen.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:

Fig. 1 Einen schematischen vertikalen Schnitt durch einen optischen Abtastkopf zum hochauflösenden Ausmes­ sen einer Werkstückoberfläche zusammen mit einer zugehörigen Elektronikeinheit und einem Teil eines auszumessenden Werkstückes;

Fig. 2 Das Schaltbild eines Eingangskreises der in Fig. 1 gezeigten Elektronikeinheit;

Fig. 3 Das Blockschaltbild einer Regelschaltung zum Nach­ führen der Meßoptik des in Fig. 1 gezeigten Ab­ tastkopfes;

Fig. 4 Einzelheiten eines Teiles der in Fig. 3 gezeig­ ten Regelschaltung;

Fig. 5 Eine schematische Darstellung der optischen und elektronischen Grundelemente abgewandelter Gerä­ te zur hochgenauen Ausmessung einer Werkstück­ oberfläche;

Fig. 6 Eine schematische Darstellung einer Einrichtung zur Grobjustierung der Meßoptik des in Fig. 1 gezeigten Abtastkopfes;

Fig. 7 Ein ähnliches Schaltbild wie Fig. 3, in welchem eine abgewandelte Regelschaltung wiedergegeben ist;

Fig. 8 Eine abgewandelte Einrichtung zum Konstanthalten der Regel-Kennlinie ungeachtet Änderungen in den lokalen Reflexionsverhältnissen für die Regel­ schaltungen nach Fig. 3 und Fig. 7;

Fig. 9 Einen vertikalen Schnitt durch eine Referenzoptik eines Abtastkopfes sowie eine schematische Dar­ stellung elektronischer Einheiten zum Verknüpfen der Ausgangssignale von Meßoptik und Referenzop­ tik;

Fig. 10 Einen vertikalen Schnitt durch einen hochauflö­ senden optischen Näherungsschalter, welcher nach einem ähnlichen Prinzip arbeitet wie die in den Fig. 1 und 9 gezeigten Abtastköpfe;

Fig. 11 ein Prinzipschaltbild einer Einrichtung zum Kom­ pensieren durch Temperatureinwirkung und andere Störeinflüsse bedingter Unsymmetrien in der Wand­ leranordnung eines Abtastkopfes gemäß Fig. 1, 9 oder 10;

Fig. 12 eine schematische Darstellung des Strahlenganges und der Objektiv-Nachregelung bei einem abgewan­ delten Abtastkopf, der auch zur fleckweisen Aus­ messung einer Prüffläche geeignet ist, wobei der Strahlengang bei Einstellung auf Punktmessung im abgeglichenen Zustand der Regeleinrichtung wiedergegeben ist;

Fig. 13 eine ähnliche Schemadarstellung wie Fig. 12, wobei jedoch die Verhältnisse bei abgeglichener Regeleinrichtung bei Einstellung auf fleckweises Ausmessen der Prüffläche wiedergegeben sind;

Fig. 14 eine ähnliche Darstellung wie Fig. 13, wobei jedoch die Verstimmung der Detektionseinrichtung für das fleckweise Ausmessen der Prüffläche auf elektrischem Wege erfolgt;

Fig. 15 einen axialen Schnitt durch das vordere Ende eines Abtastkopfes mit einer aufgesetzten Kali­ brier-Abtastkugel; und

Fig. 16 einen axialen Schnitt durch das vordere Ende eines Abtastkopfes mit einer aufgesetzten Zusatz­ einrichtung zum Ausmessen der Innenfläche eines zy­ lindrischen Prüflinges.

In Fig. 1 ist ein Abtastkopf insgesamt mit 10 bezeichnet, der zum hochgenauen Ausmessen von Oberflächenrauheiten und Oberflächenstrukturen auf der Oberfläche eines Werk­ stückes 12 dient.

Der Abtastkopf 10 hat ein Gehäuse 14, welches im wesentli­ chen becherförmig ist. In eine untere Öffnung 16 des Gehäu­ ses 14 ist eine Ringspule 18 fest eingesetzt, welche ein axiales Magnetfeld erzeugt. Die Ringspule 18 arbeitet mit einem ringförmigen Permanentmagneten 20 zusammen, der auf die Außenseite eines Objektivringes 22 aufgeklebt ist. Der Objektivring 22 hält ein Objektiv 24. Die durch den Perma­ mentmagneten 20, den Objektivring 22 und das Objektiv 24 gebildete Einheit durchsetzt unter radialem Spiel die Ring­ spule 18 und ist von zwei parallel zueinander verlaufenden Blattfedern 26, 28 getragen. Deren in Fig. 1 links gelege­ ner Abschnitt ist brillenförmig ausgebildet, so daß das Objektiv 24 freibleibt, während der rechts gelegene Ab­ schnitt streifenförmig ist und an seinem äußersten Ende durch Schrauben 30 an einem Steg 32 des Gehäuses 14 fest­ gelegt ist. Die Blattfedern 26, 28 bilden so eine elasti­ sche Parallelogramm-Aufhängung für das Objektiv 24.

Im in Fig. 1 rechts gelegenen Abschnitt der Umfangswand des Gehäuses 14 ist ein im Roten arbeitender Halbleiter- Laser 34 befestigt. Der von diesem abgegebene Laserstrahl durchsetzt einen halbdurchlässigen Meßspiegel 36 und ge­ langt auf einen Umlenkspiegel 38. Der Lichtstrahl durch­ quert dann das Objektiv 24 und wird von diesem auf die Oberfläche des Werkstückes 12 abgebildet.

Das von der Werkstückoberfläche reflektierte Laserlicht wird vom Objektiv 24 gesammelt und gelangt über den Umlenk­ spiegel 38 wieder zum Meßspiegel 36. Dieser spaltet einen Teil des reflektierten Meßlichtes ab und richtet es über ein Prisma 37 auf eine photoelektrische Wandleranordnung 44, deren Mitte bei 46 angedeutet ist. Die photoelektrische Wandleranordnung 44 hat zwei zur Mittellinie 46 symmetrisch angeordnete Wandlerelemente 44 a und 44 b und erzeugt ein Ausgangssignal, das von der Lage des auffallenden Licht­ fleckes bezüglich der Mittellinie 46 abhängt. Dieses Aus­ gangssignal gelangt auf einen Eingangskreis 48 einer dem Abtastkopf 10 zugeordneten, insgesamt mit 50 bezeichneten Elektronikeinheit.

Die Elektronikeinheit 50 enthält später noch genauer zu beschreibende Schaltkreise, welche die Abweichung des momen­ tan erhaltenen Ausgangssignales der Wandleranordnung 44 von demjenigen Signal ermittelt, welches bei Auftreffen des Meßlichtes auf die Mittellinie 46 erhalten wird. Ent­ sprechend der Differenz dieser beiden Signale erzeugt die Elektronikeinheit 50 intern ein Fehlersignal für einen Lei­ stungsverstärker 52, welcher die Ringspule 18 speist. Der Speisestrom für die Ringspule 18 wird solange erhöht oder erniedrigt, bis der Meßlichtfleck auf der Wandleranordnung 44 wieder auf der Mittellinie 46 liegt. Dies ist dann der Fall, wenn der Abstand zwischen Objektiv 24 und der ausge­ leuchteten Stelle der Oberfläche des Werkstückes 12 exakt der Objektiv-Brennweite entspricht.

Aus der soweit gegebenen Beschreibung ist ersichtlich, daß das Objektiv 24 beim Bewegen des Abtastkopfes 10 über die Oberfläche des Werkstückes 12 so axial wandert, wie dies dem Oberflächenprofil des Werkstückes 12 entspricht. Ein entsprechendes elektrisches Signal wird von der Elektronik­ einheit 50 zur Verwendung in einem externen Rechner oder einer anderen Signalverarbeitungseinrichtung auf einer Lei­ tung 54 bereitgestellt.

In Fig. 1 ist ferner schematisch noch ein Leistungsverstär­ ker 56 der Elektronikeinheit 50 angedeutet, welcher den Laser 34 speist.

Ein Gerät zum hochauflösenden Ausmessen einer Werkstück­ oberfläche, wie es durch den oben beschriebenen Abtastkopf 10 und die zugeordnete Elektronikeinheit 50 gebildet ist, ist empfindlich für mechanische Störeinflüsse, insbesondere Erschütterungen und Schwingungen, die auf den Abtastkopf 10 und/oder das Werkstück 12 einwirken. Um eine Verfälschung der Oberflächen-Ausmessung durch derartige mechanische Stör­ einflüsse auszuräumen, hat eine in Fig. 1 insgesamt mit 58 bezeichnete Regelschaltung der Elektronikeinheit 50 ei­ nen speziellen Aufbau, der später unter Bezugnahme auf die Fig. 2 bis 4 noch genauer erläutert wird. Zusätzlich zum Ausgangssignal des Eingangskreises 48 erhält die Regelschal­ tung 58 das Ausgangssignal eines Stellungsgebers 40, der direkt die Ist-Stellung des Objektives 24 ermittelt, z.B. in Form eines Tauchspulensystems, welches mit einem mit dem Objektiv 24 mitbewegten Geberstab 42 zusammenarbeitet.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, enthält der Eingangskreis 48 einen Differenzverstärker 60 sowie einen Summierverstärker 62. Beide Verstärker sind mit den Ausgangssignalen der bei­ den zu den beiden Seiten der Mittellinie 46 der Wandler­ anordnung 44 liegenden Wandlerelemente 44 a und 44 b beauf­ schlagt. Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 60 ist dem Abstand zwischen dem gerade ausgemessenen Punkt der Oberfläche des Werkstückes 12 und dem Brennpunkt des Objektives 24 zugeordnet, während das Ausgangssignal des Summierverstärkers 62 ein Maß für das Reflexionsvermögen und die Neigung der Werkstückoberfläche im gerade ausgemes­ senen Punkt ist.

Die Ausgangssignale des Differenzverstärkers 60 und des Summierverstärkers 62 können durch einen Verknüpfungskreis 63 zusammengefaßt werden, z.B. in multiplikativer Form. Des­ sen Ausgangssignal gibt ein besonders konturscharfes Bild der Werkstückoberfläche, da lokales Reflexionsverhalten und Oberflächenkontur oft auf die gleichen physikalischen Ur­ sachen zurückzuführen sind und die diesen Größen entspre­ chenden elektrischen Signale vom Verknüpfungskreis 63 zu einem doppelt von den gleichen Ursachen abhängenden und sich daher besonders markant ändernden Signal zusammenge­ setzt werden.

Falls gewünscht, kann man auch nur das Ausgangssignal des Summierverstärkers 62 verwenden und ein vom lokalen Refle­ xionsverhalten abgeleitetes Bild der Werkstückoberfläche aufnehmen.

Fig. 3 zeigt Einzelheiten der Regelschaltung 58, durch welche der Abstand zwischen dem gerade ausgemessenen Punkt der Werkstückoberfläche und dem Objektiv 24 stets auf die Brennweite des Objektives 24 eingestellt wird.

Das durch das Objektiv 24, die Blattfedern 26, 28 und den Permanentmagneten 20 gebildete schwingungsfähige System ist insgesamt durch einen Kasten 64 wiedergegeben. Der steuer­ bare Leistungsverstärker 52 ist im Hinblick auf ein mög­ lichst schnelles Heranfahren seines Ausgangssignales an das an seinen Eingang gegebene Steuersignal als Stromregler ausgebildet. Das Steuersignal für den steuerbaren Leistungs­ verstärker 52 wird von einem Subtrahierkreis 66 bereitge­ stellt, der über einen PD-Regler 68 das Ausgangssignal des die lst-Stellung des Objektives 24 messenden Stellungsge­ bers 40 erhält. Der zweite Eingang des Subtrahierkreises 66 erhält das Ausgangssignal eines I-Reglers 70. Letzterer ist mit dem Ausgangssignal eines Subtrahierkreises 72 be­ aufschlagt, dessen negativer Eingang mit dem Ausgangssignal des Stellungsgebers 40 und dessen positiver Eingang mit dem Ausgangssignal eines äußeren I-Reglers 74 beaufschlagt ist.

Der äußere I-Regler 74 ist an den Ausgang eines äußeren Sub­ trahierkreises 76 angeschlossen. Dessen negativer Eingang ist mit einem vom Ausgangssignal der Wandleranordnung 44 abgeleiteten Signal, sein positiver Eingang mit einem Ob­ jektiv-Sollstellungssignal W =0 beaufschlagt.

In den Regelkreis eingefügt sind zwei Summierglieder 78, 80 gezeigt, die keinen Teil der Elektronikeinheit 50 dar­ stellen, vielmehr die Einkoppelung äußerer Einflüsse ver­ anschaulichen.

Das Summierglied 78 liegt zwischen dem als Stromregler aus­ gebildeten Leistungsverstärker 52 und der elektromechani­ schen Last 64 aus den Bauelementen 18 bis 28, und über es werden Stöße und Vibrationen eingekoppelt, wie schematisch durch die Buchstaben "S +V" angedeutet.

Das zweite Summierglied 80 liegt in der Strecke zwischen der elektromechanischen Last 64 und der Wandleranordnung 44 und repräsentiert die Einkoppelung der Mikrokontur der Werkstückoberfläche, wie durch einen Buchstaben "C" ange­ deutet.

Eine dritte, die Messung beeinflussende externe Größe ist das Vermögen der zu prüfenden Werkstückoberfläche beim Prüf­ punkt, das auf sie fallende Licht wieder zum Objektiv 24 zurückzuspiegeln. Dieses Vermögen hängt einerseits von den Grund-Reflexionseigenschaften des Materiales, aus welchem das Werkstück 12 besteht, andererseits von der lokalen Nei­ gung der Werkstückoberfläche im Prüfpunkt ab, wie schon dargelegt. Diese Einflüsse sind in der Zeichnung durch den Buchstaben "R" angedeutet.

Wie ebenfalls oben schon dargelegt, fällt dann, wenn der gerade ausgemessene Punkt der Werkstückoberfläche im Brenn­ punkt des Objektives 24 liegt, der vom Objektiv 24 auf der Wandleranordnung 44 erzeugte Lichtfleck direkt auf die Mit­ tellinie 46. Damit erzeugen die beiden Wandlerelemente 44 a und 44 b das gleiche Ausgangssignal, und man erhält am Aus­ gang des Differenzverstärkers ein Signal der Größe Null. Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 60 bleibt unter diesen Brennpunktbedingungen Null unabhängig davon, wie groß die Absolutintensität des auf die Wandleranordnung 44 fallenden Lichtes ist. Das Ausgangssignal des Summierver­ stärkers 62 ist dagegen zu dieser lntensität direkt propor­ tional.

Das Anwachsen des Ausgangssignales des Differenzverstärkers 60 mit zunehmender Außer-Brennpunkt-Lage des gerade ausge­ messenen Punktes der Werkstückoberfläche hängt aber nun offensichtlich zusätzlich auch direkt von der Gesamtinten­ sität des auf die Wandleranordnung 44 auffallenden Lichtes ab, damit auch die Steilheit der Regelkennlinie und die maximal erzielbare Regelgeschwindigkeit. Dieser Störeinfluß ist in Fig. 3 dadurch schematisch wiedergegeben, daß die Störgröße "R" auch auf einen die Wandleranordnung 44 ent­ haltenden Kasten 82 einwirkt.

Zur einfacheren Bezugnahme wird dieser Kasten nachstehend auch kurz als Abstandsmesser 86 angesprochen. Er enthält funktionell den Laser 34, das Objektiv 24, die Wandleran­ ordnung 44 und den Differenzverstärker 60. Entsprechend sind der Laser 34, das Objektiv 24, die Wandleranordnung 44 und der Summierverstärker 62 zu einem Reflexionsmesser 84 zusammengefaßt.

Um die durch lokale Eigenschaften der Prüffläche bedingte Schwankung der Steilheit der Regelkennlinie auszuräumen, ist ein Korrekturkreis 86 vorgesehen, der durch den Refle­ xionsmesser 84 mit einem der momentan einfallenden Gesamt­ lichtmenge zugeordneten Steuersignal beaufschlagt wird und grob gesprochen das Ausgangssignal des Abstandsmessers 82 in ein solches Abstandssignal abändert, wie es von einer absolut ebenen Standard-Prüffläche unter identischen Fokus­ sierungsbedingungen erhalten würde.

Das vom Korrekturkreis 86 abgegebene, bezüglich der Refle­ xionsverhältnisse korrigierte Abstandssignal gelangt auf den äußeren I-Regler 74. Es ist ein Maß für den momentanen Brennpunktsabstand des Meßpunktes.

Das hieraus am Ausgang des I-Reglers 74 erhaltene integrier­ te Abstandssignal ist der Gesamt-Sollwert für die Stellung des Objektives 24. Dieser Sollwert, der nach Ausregelung des noch verbleibenden Fokussierungsfehlers dem Ist-Wert der Objektivstellung und damit dem Abstand des Prüfpunktes von der Normal-Brennebene des Objektives 24 entspricht, wird durch eine an den Ausgang des I-Reglers 74 angeschlos­ sene Anzeigeeinheit 88 dargestellt und zugleich auf der ebenfalls an den I-Regler 74 angeschlossenen Ausgangslei­ tung 54 bereitgestellt.

Man erkennt, daß die in Fig. 3 wiedergegebene Regelschal­ tung zwei ineinander geschachtelte Regelkreise umfaßt: Einen äußeren Regelkreis, der den optischen Abstandsmes­ ser 82, den Reflexionsmesser 84, den Korrekturkreis 86 und den äußeren I-Regler 74 sowie den inneren Regelkreis umfaßt. Zum letzteren gehören der als Stromregler ausgebildete Lei­ stungsverstärker 52, die elektromechanische Last 64, der Objektiv-Stellungsgeber 40, der PD-Regler 68 und der inne­ re I-Regler 70 sowie die beiden Subtrahierkreise 66 und 72. Der innere Regelkreis ist auf eine Grenzfrequenz von typi­ scherweise 140 Hz ausgelegt und dient dazu, Erschütterungen und Schwingungen, insbesondere Gebäudeschwingungen auszu­ regeln. Der äußere Regelkreis ist demgegenüber langsam. Dadurch, daß man die aktive Ausregelung erschütterungs- und schwingungsbedingter Auslenkungen des Objektives 24 dem in­ neren Regelkreis überträgt, den äußeren Regelkreis als Soll­ wert-Vorgabe für den inneren Regelkreis ausgestaltet und das Meßsignal am Ausgang des äußeren I-Reglers 74 abgreift, erhält man ein stationäres Meßsignal erheblich rascher als beim Abgreifen der Ist-Stellung des Objektives 24.

Fig. 4 zeigt Einzelheiten des optischen Abstandsmessers 82, des Reflexionsmessers 84 und des durch den letzteren gesteuerten Korrekturkreises 86.

Ein gemeinsamer Taktgeber 90 steuert den Leistungsverstär­ ker 56 an, durch welchen der Halbleiter-Laser 34 betrieben wird. Die optische Meßstrecke zwischen dem Laser 34 und der Wandleranordnung 44 ist durch einen Kasten 92 angedeu­ tet.

Das vom Differenzverstärker 60 abgegebene Abstandssignal ge­ langt über einen Hochpaß 94 auf einen phasenempfindlichen Gleichrichter 96, der ebenfalls durch den Taktgeber 90 ge­ steuert wird. Über einen Tiefpaß 98 gelangt das gleichge­ richtete Abstandssignal dann auf die Dividendenklemme eines analog arbeitenden Divisionskreises 100.

Das Ausgangssignal des Summierverstärkers 62 gelangt ent­ sprechend über einen Hochpaß 102, einen phasenempfindlichen Gleichrichter 104 sowie einen Tiefpaß 106 auf die Divisor­ klemme des Divisionskreises 100. Damit erhält man am Aus­ gang des Divisionskreises 100 ein Abstandssignal, welches mit dem Reziproken der auf die Wandleranordnung 44 auffal­ lenden Gesamt-Lichtintensität multipliziert ist. Damit ist die oben angesprochene Korrektur des optisch ermittelten Abstandssignales durchgeführt.

Über einen Umkehrkreis 108 wird das Ausgangssignal des Tief­ passes 106 invertiert, so daß an dessen Ausgang ein dem Lichtverlust im Meßpunkt zugeordnetes Signal erhalten wird. Dieses wird auf eine Anzeigeeinheit 109 gegeben.

Der Taktgeber 90 steuert ferner eine weitere phasenempfind­ liche Gleichrichteranordnung 110 an, der über eine Hochpaß­ anordnung 112 das Ausgangssignal einer Hilfswandleranord­ nung 114 zugeführt wird. Die Ausgangssignale der Gleich­ richteranordnung 110 werden über eine Tiefpaßanordnung 116 auf eine Anzeigeeinheit 118 gegeben.

Wie aus Fig. 6 ersichtlich, umfaßt die Hilfswandleranord­ nung 114 zwei Wandlerelemente 114 a und 114 b, die außerhalb der Wandlerelemente 44 a, 44 b auf der Wandlerplatte angeord­ net sind. Die Wandlerelemente 114 a und 114 b werden somit nur dann mit Meßlicht beaufschlagt, wenn die Prüffläche weit von der Brennebene des Objektives 24 entfernt ist.

Die Hochpaßanordnung 112, die Tiefpaßanordnung 116 und die Gleichrichteranordnung 110 umfassen jeweils zwei Signalka­ näle zur Verarbeitung der von den Wandlerelementen 114 a und 114 b bereitgestellten Signale. Die Ausgangsklemmen der Tiefpaßanordnung 116 sind einmal direkt mit Leistungsver­ stärkern 120, 122 verbunden, welche Leuchtdioden 124, 126 ansteuern. Letztere zeigen bei Aktivierung an, daß das Ob­ jektiv 24 beim hinteren bzw. vorderen Ende seines Ver­ stellbereiches steht, so daß eine Grobjustierung durch einen externen Servomechanismus oder von Hand vorgenommen werden muß.

Die Ausgangsklemmen der Tiefpaßanordnung 116 sind ferner durch ein NOR-Glied 128 zusammengeschaltet, welches über einen Leistungsverstärker 130 eine Leuchtdiode 132 ansteu­ ert. Diese zeigt durch Aufleuchten somit an, daß der Ab­ stand zwischen der Brennebene des Objektives 24 und dem gerade beobachteten Punkt der Oberfläche des Werkstückes 12 noch in einem Bereich liegt, der durch den elektromag­ netischen Stellantrieb für das Objektiv 24 überstrichen werden kann.

Bei dem unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 4 oben be­ schriebenen Ausführungsbeispiel erfolgte elektrisch eine Anhebung des Ausgangssignales des optischen Abstandsmessers 82 umgekehrt proportional zu den lokalen Reflexionsverhält­ nissen der Prüffläche.

In Fig. 5 sind weitere Möglichkeiten dargestellt, die Steilheit der Regel-Kennlinie von lokalen Schwankungen der Reflexionsverhältnisse der Oberfläche des Werkstückes unab­ hängig zu machen. Teile des Meßgerätes, die obenstehend schon beschrieben wurden, sind wieder mit denselben Bezugs­ zeichen versehen und brauchen nachstehend nicht noch einmal detailliert beschrieben zu werden.

Bei einer ersten in Fig. 5 gezeigten Variante ist in den Weg des vom Meßspiegel 36 auf die Wandleranordnung 44 ge­ worfenen Meßlichtes ein durch Impulse steuerbarer Verschluß 134 gestellt. Es kann sich hierbei z.B. um eine Pockels- Zelle handeln. Die Betätigung des elektronischen Verschlus­ ses 134 erfolgt über einen Leistungsverstärker 136 und einen steuerbaren Phasenschieber 138 vom Taktgeber 90 her. Die Phasen-Steuerklemme des Phasenschiebers 138 ist mit demje­ nigen Ausgangssignal des Eingangskreises 48 beaufschlagt, welches der Gesamtintensität des auf die Wandleranordnung 44 auffallenden Meßlichtes zugeordnet ist. Durch Variation des Überlappens der Impulse, mit welchen der Laser 34 bzw. der Verschluß 134 angesteuert werden, läßt sich wiederum erreichen, daß die Gesamtmenge auf die Wandleranordnung 44 auffallenden Lichtes unabhängig vom lokalen Reflexions­ verhalten der Oberfläche des Werkstückes ist.

Bei einer gestrichelt in Fig. 5 eingezeichneten Variante ist in die Verbindungsleitung zwischen Taktgeber 90 und Leistungsverstärker 56 ein Impulsbreitenmodulationskreis 140 eingefügt. Dessen Steuerklemme ist wieder mit dem der Gesamt-Lichtintensität zugeordneten Ausgangssignal des Ein­ gangkreises 48 beaufschlagt, das Ganze derart, daß durch Überhöhung der mittleren Laserleistung gegenüber dem Stan­ dardfalle die Abnahme des lokalen Reflexionsverhaltens kom­ pensiert wird.

Analog kann man mit dem der Gesamt-Lichtintensität zugeord­ neten Ausgangssignal des Eingangskreises 48 auch eine Ver­ sorgungsspannungsquelle 142 für die Wandleranordnung 44 derart beaufschlagen, daß deren Empfindlichkeit so erhöht wird, daß die lokale Abnahme des Reflexionsvermögens der Werkstückoberfläche kompensiert wird.

Bei der abgewandelten Regelschaltung nach Fig. 7 sind Schaltungsteile, die funktionell Schaltungsteilen von Fig. 3 entsprechen, wieder mit denselben Bezugszeichen ver­ sehen.

Die Regelschaltung nach Fig. 7 unterscheidet sich zum ei­ nen in der Erzeugung des positiven Eingangssignales für den Subtrahierkreis 66 vom schon beschriebenen Ausführungsbei­ spiel: Dieses Signal wird direkt vom Ausgang des Subtrahier­ kreises 72 abgegriffen. Dessen negativer Eingang ist mit dem Ausgang eines PD-Reglers 144 verbunden, welcher seiner­ seits mit dem Ausgang eines Beschleunigungsmessers 146 ver­ bunden ist. Dieser spricht auf die störenden mechanischen Umgebungseinflüsse an. In der Praxis besteht der Beschleu­ nigungsmesser 146 aus einem zweiten Objektiv und zugehöri­ ger elastischer Lagerung, exakt wie in Fig. 1 gezeigt, sowie einem mit diesem Objektiv zusammenarbeitenden weite­ ren Stellungsgeber, der dem Stellungsgeber 40 von Fig. 1 entsprechen kann. Diese nur zur Ermittelung der Beschleu­ nigung dienende Massekörper-Objektiveinheit entspricht be­ züglich ihrer mechanischen Trägheit und bezüglich ihres Schwingungsverhaltens exakt der für die optische Messung verwendeten Objektiveinheit. Sie ist auch im Gehäuse 14 des Abtastkopfes 10 in mechanisch äquivalenter Position untergebracht.

In weiterer Abwandlung kann man als Stellungsgeber für die Massekörper-Objektiveinheit den mit der Objektivlinse ver­ bundenen Permanentmagneten und die diesen umgebende Spule verwenden, die nun als Induktionsspule, nicht als Antriebs­ spule arbeitet.

Durch die oben beschriebene Ableitung des Objektiv-Soll­ stellungssignales, welches auf den positiven Eingang des Subtrahierkreises 66 gegeben wird, von einem Beschleuni­ gungsmesser ist ebenfalls eine Ausregelung mechanischer Störeinflüsse gewährleistet.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 sind ferner Vorkeh­ rungen getroffen, um die Korrektur der Steilheit der Regel­ kennlinie wahlweise abzuschalten.

Hierzu ist ein steuerbarer Umschalter 148 vorgesehen, wel­ cher anstelle des Ausgangssignales des Reflexionsmessers 84 ein Normalsignal auf die Steuerklemme des Korrekturkrei­ ses 86 geben kann, wie es bei einer ebenen Standard-Meßflä­ che erhalten würde. Die Betätigung des Umschalters 148 er­ folgt über ein ODER-Glied 150 entweder durch manuelles Schließen eines normalerweise geöffneten Schalters 152 oder durch das Ausgangssignal eines Differenzverstärkers 154, der das Ausgangssignal des I-Reglers 74 erhält und mit ei­ ner vorgegebenen Schaltschwelle vergleicht. Damit läßt sich die Nachregelung der Steilheit der Regelkennlinie für die Enden des Verstellbereiches des Objektives 24 automatisch ausschalten. Das manuelle Schließen des Schalters 152 er­ folgt dann, wenn bei einer Werkstückoberfläche, von der bekannt ist, daß sie keine Unebenheiten aufweist, eine ma­ terialbedingte Änderung des Reflexionsvermögens über die Werkstückoberfläche hinweg gemessen werden soll. Derartige Änderungen können sich z.B. durch Dotierungsprofile ergeben.

Bei dem weiter abgewandelten Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 ist dem Reflexionsmesser 84 ein Analog/Digital-Wandler 156 nachgeschaltet. Dessen Ausgangssignal stellt die niederran­ gigen Adreßbits für einen Korrekturspeicher 86′ dar, in welchem mehrere Korrektur-Kennlinien abgelegt sind. Von diesen wird jeweils eine durch die höherrangigen Adreßbits ausgewählt, welche durch Eingabe an einer Wähleinheit 158 vorgegeben werden. Auf diese Weise kann man grundlegend unterschiedlichen Meßbedingungen Rechnung tragen, z.B. an­ derem Grundmaterial des zu vermessenden Werkstückes, einer anderen Meßoptik, einem anderen Laser usw. und zusätzlich auch Nichtlinearitäten des Abstandsmessers 82 ausgleichen.

In Fig. 9 ist eine weitere Möglichkeit dargestellt, Ein­ flüsse von Erschütterungen und Schwingungen auf das Meßer­ gebnis auszuräumen. Dort ist mit 10′ insgesamt ein Referenz- Abtastkopf bezeichnet, der mit Ausnahme der nachstehend im einzelnen beschriebenen kleinen Unterschiede exakt iden­ tischen Aufbau aufweist wie der Meß-Abtastkopf 10, der un­ ter Bezugnahme auf Fig. 1 im einzelnen erläutert wurde. Entsprechende Teile des Referenz-Abtastkopfes sind mit den­ selben Bezugszeichen bezeichnet, an welche zur Unterschei­ dung ein Beistrich angehängt ist.

Unterhalb des Objektives 24′ ist ein Glasprisma 160 ange­ bracht, dessen in Fig. 9 rechts gelegene Stirnfläche unter 45 Grad geneigt ist und einen ersten Spiegel 162 trägt. Ähn­ lich ist auf der in Fig. 9 links gelegenen Stirnfläche des Glasprismas 160, welche parallel zur Achse des Objek­ tives 24′ verläuft, ein Spiegel 164 vorgesehen. Das Glas­ prisma 160 ist insgesamt - ggf. lösbar - fest am Gehäuse 14′ angebracht, und das Gehäuse 14′ ist fest mit dem Gehäu­ se 14 des Meß-Abtastkopfes 10 verbunden, der in Fig. 9 als logisch getrennter Abtastkopf gezeigt ist. In der Pra­ xis können die beiden Gehäuse 14 und 14′ durch ein einstüc­ kiges Teil gebildet sein, in welchem parallel nebeneinander­ liegend Kammern zur Aufnahme der beiden Strahlengänge vor­ gesehen sind.

Bei dem Referenz-Abtastkopf 10′ gelangt das vom Laser 34′ ausgesandte Licht über den Spiegel 162 auf den Spiegel 164 und wird von dort über den Spiegel 162, das Objektiv 24′ und den Spiegel 36′ sowie das Prisma 37′ auf die Wandler­ anordnung 44′ abgebildet.

Ist der Referenz-Abtastkopf 10′ keinerlei Erschütterungen und Schwingungen ausgesetzt, liegt das vom Objektiv 24′ über den Spiegel 164 vom Laser 34′ erzeugte Bild stets ex­ akt auf der Mittellinie 46′ der Wandleranordnung 44′. Ab­ weichungen von dieser Ruhelage können wegen der festen An­ bringung der durch den Spiegel 164 gebildeten Referenzflä­ che nur durch Schwingungen und Erschütterungen bedingt sein, die dazu führen, daß der Abstand zwischen dem Objektiv 24′ und dem Spiegel 164 nicht mehr exakt der Brennweite des Objektivs 24′ entsprechen. Unter diesen Ausgangsbedingungen erhält man dann ein erschütterungs- bzw. schwingungsbeding­ tes Ausgangssignal auf der Ausgangsleitung 54′ der dem Re­ ferenz-Abtastkopf 10′ zugeordneten Elektronikeinheit 50′. Da der Meß-Abtastkopf 10 exakt den gleichen mechanischen Störeinflüssen unterworfen ist, hat man analoge Signalan­ teile auch in dem auf der Ausgangsleitung 54 der Elektronik­ einheit 50 des Meß-Abtastkopfes 10 stehenden Signal.

An die Ausgangsleitungen 54 und 54′ sind die Eingänge eines Differenzverstärkers 166 angeschlossen, der somit an seinem Ausgang ein Signal bereitstellt, welches dem Signal auf der Ausgangsleitung 54 vermindert um dessen erschütterungs- bzw. schwingungsbedingte Signalanteile entspricht. Dieses Signal ist das dem Abstand zwischen Meß-Abtastkopf 10 und der Oberfläche des Werkstückes 12 exakt entsprechende Meß­ signal.

Die vorstehende beschriebene Ausregelung von Erschütterun­ gen und Schwingungen galt für den Fall von auf den Meß- Abtastkopf 10 und gleichermaßen auf den Referenz-Abtastkopf 10′ einwirkenden mechanischen Störungen. Um analog auch solche mechanischen Störeinflüsse auszuräumen, die auf das Werkstück 12 einwirken, ist am letzteren ein Beschleuni­ gungsfühler 168 angebracht. Dessen Ausgangssignal wird in zwei Integrationsstufen 170, 172 in ein Stellungssignal umgesetzt, welches wahlweise auf den negativen Eingang des Differenzverstärkers 166 gegeben werden kann. Zum Umschal­ ten zwischen diesem Signal und dem Ausgangssignal der Elek­ tronikeinheit 50′ ist ein Umschalter 174 vorgesehen.

Der Umschalter 174 hat noch eine dritte Arbeitsstellung, in welcher der negative Eingang des Differenzverstärkers 166 mit dem Ausgang eines weiteren Differenzverstärkers 176 verbunden ist. Dessen Eingangsklemmen sind mit den Aus­ gängen der zweiten Integrationsstufe 172 bzw. der Elektro­ nikeinheit 50′ verbunden. Damit entspricht das Ausgangssig­ nal des Differenzverstärkers 176 dem Unterschied in den durch mechanische Störeinflüsse hervorgerufenen Stellungs­ signalen von Referenz-Abtastkopf 10′ und dem durch die Schaltkreise 168 bis 172 gebildeten Werkstück-Stellungsge­ ber.

Damit bietet die Anordnung gemäß Fig. 9 insgesamt drei verschiedene Kompensationsmöglichkeiten: Für mechanische Störeinflüsse, die nur den Meß-Abtastkopf 10 betreffen, für mechanische Störeinflüsse, die nur das Werkstück 12 betreffen, sowie für mechanische Störeinflüsse, die sowohl den Meß-Abtastkopf 10 als auch das Werkstück 12 betreffen.

Fig. 10 zeigt einen vereinfachten Abtastkopf 10′′, welcher als hochauflösender optischer Näherungsschalter Verwendung findet. Bauteile, die obenstehend unter Bezugnahme auf Fig. 1 schon erläutert wurden, sind wieder mit denselben Bezugszeichen versehen.

Beim Abtastkopf 10′′ nach Fig. 10 ist der Objektivring 22 fest in den Steg 32 eingesetzt, und die Elektronikein­ heit 50 überwacht nur den Unterschied der Ausgangssignale der Wandleranordnung 44. Dieser Unterschied ist für kleine Abstände des Brennpunktes des Objektives 24 von der Ober­ fläche des Werkstückes 12 direkt proportional zu diesen Abständen. Verschwindet das Signal auf der Ausgangsleitung 54, so bedeutet dies, daß der Abstand zwischen dem Objektiv 24 und dem Werkstück 12 exakt gleich der Brennweite des Objektives 24 ist.

Das Signal auf der Ausgangsleitung 54 wird auf den einen Eingang eines Komparators 178 gegeben, der an seinem zwei­ ten Eingang ein Referenzsignal R erhält. Der Komparator 178 stellt an seinem Ausgang 180 dann ein Signal bereit, wenn der Abstand zwischen Objektiv 24 und der Oberfläche des Werkstückes 12 kleiner ist als die Brennweite des Ob­ jektives 24. Damit verhält sich die Gesamtkombination aus Abtastkopf 10′′, Elektronikeinheit 50 und Komparator 178 wie ein klassischer Näherungsschalter, hat aber eine erheb­ lich bessere Auflösung als ein solcher.

Fig. 11 zeigt im unteren Teil schematisch nochmals den Strahlengang in einem Abtastkopf, wie er obenstehend im einzelnen beschrieben wurde. Wie verschiedentlich darge­ legt, liefern die Wandlerelemente 44 a und 44 b exakt das gleiche Ausgangssignal, wenn der Abstand zwischen Objektiv 24 und der Oberfläche des Werkstückes 12 exakt der Brenn­ weite des Objektives 24 entspricht. Alterungsbedingt oder bedingt durch Temperatureinflüsse ist es aber möglich, daß auch unter derartiger Strahlengeometrie eine Unsymmetrie in den Ausgangssignalen der Wandlerelemente 44 a und 44 b auftritt. Im oberen Teil von Fig. 11 ist daher eine Ein­ richtung wiedergegeben, die eine automatische Korrektur derartiger Wandlerfehler ermöglicht.

Zwischen dem Umlenkspiegel 36 und dem Umlenkspiegel 38 ist ein elektrisch steuerbarer Spiegel 182 angeordnet, der in der Praxis aus einer LCD-Einheit bestehen kann. Der steuer­ bare Spiegel 182 ist normalerweise auf Durchlaß eingestellt und wird in regelmäßigen Abständen durch einen Taktgeber 184 in die alles auf ihn auffallendes Licht reflektierende Sperrstellung gesteuert. Hierzu wird das Ausgangssignal des Taktgebers 184 durch einen geeigneten Verstärker 186 auf die Steuerelektrode des Spiegels 182 gegeben.

Der Taktgeber 184 steuert ferner zwei Korrekturspeicher 188, 190 zum Einlesen eines neuen Wertes an deren Eingangs­ klemmen I an. Diese Klemmen sind mit dem Ausgang des Dif­ ferenzverstärkers 60 bzw. des Summierverstärkers 62 verbun­ den.

Bei sperrendem Spiegel 182 hat man ebenso wie in solchen Fällen, in denen der Abstand zwischen Objektiv 24 und Ober­ fläche des Werkstückes 12 exakt gleich der Brennweite des Objektives 24 ist, genau symmetrische Ausleuchtung des Wand­ lers 44. Werden unter diesen Bedingungen unterschiedliche Ausgangssignale der Wandlerelemente 44 a und 44 b erhalten, so werden diese dann in den Korrekturspeicher 188 einge­ lesen. Das Ausgangssignal des Summierverstärkers 62, wel­ ches ein Maß für die Leistung des Lasers 34 und die Empfind­ lichkeit der Wandleranordnung 44 ist, wird gleichzeitig in den Korrekturspeicher 190 eingelesen.

Beendet der Taktgeber 184 sein Ausgangssignal, läuft das Licht wieder zur Oberfläche des Werkstückes 12 und zurück. Das dem Abstand zwischen Brennpunkt des Objektives 24 und Oberfläche des Werkstückes 12 zugeordnete Ausgangssignal des Differenzverstärkers 60 wird nun in einem weiteren Dif­ ferenzverstärker 192 mit dem zuvor in den Korrekturspeicher 188 eingelesenen Korrektursignal zusammengefaßt, und das am Ausgang des Differenzverstärkers 192 erhaltene Signal ist somit unabhängig von alterungsbedingter oder tempera­ turbedingter Unsymmetrie in den Ausgangssignalen der Wand­ leranordnung 44.

Ähnlich wird das der Gesamtintensität des zurückgeworfenen Lichtes zugeordnete Ausgangssignal des Summierverstärkers 62 in einem weiteren Differenzverstärker 194 mit demjenigen Signal zusammengefaßt, welches in der durch den Taktgeber 184 vorgegebenen Kalibrierphase erhalten wurde. Damit stellt das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 194 ebenfalls ein Signal dar, welches von temperaturbedingten und alterungsbedingten Einflüssen der Wandleranordnung 44 befreit ist.

Um einen Ausgleich für das unterschiedliche Reflexionsver­ halten unterschiedlicher Objekte zu schaffen, wird das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 194 über einen In­ verter 198 auf die Steuerklemme eines steuerbaren Verstär­ kers 200 gegeben. Dessen Eingangsklemme ist mit dem Ausgang eines Taktgebers 202 verbunden, welcher die Arbeitsfrequenz und das Tastverhältnis des Lasers 34 vorgibt. Die Aus­ gangsklemme des Verstärkers 200 ist mit dem Laser 34 ver­ bunden. Man erkennt, daß auf diese Weise die Leistung des Lasers 34 gemäß der Verschlechterung des Reflexionsverhal­ tens der Objektoberfläche erhöht wird.

Alternativ zur vorgenannten Lösung kann man ähnlich wie oben unter Bezugnahme auf Fig. 5 dargelegt den Laser 34 immer mit voller Nennleistung betreiben und in den Strahlen­ gang zwischen Laser 34 und Objektiv 14 einen elektronisch steuerbaren optischen Abschwächer stellen, der dann direkt durch das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 194 ange­ steuert wird. Bei dieser Lösung wird somit für gut reflek­ tierende Objektoberflächen die Meßlichtintensität herab­ gesetzt.

Verkettet man das Abstands-Meßsignal und das Reflexionsver­ halten-Meßsignal z.B. multiplikativ, so zeigt das hieraus erhaltene Signal noch größere Änderungen an Stufen der auszumessenden Oberfläche, wie oben dargelegt. Hierzu kann wieder ein entsprechender Verknüpfungskreis 204 vorgesehen sein. Seine beiden Eingänge sind an die Ausgänge der Dif­ ferenzverstärker 192, 194 angeschlossen.

Der untere rechte Abschnitt von Fig. 11 zeigt zunächst eine weitere Einrichtung zur Kompensation temperaturbe­ dingter Meßfehler. Diese kann, falls gewünscht, die oben beschriebene erste Korrektureinrichtung ersetzen, welche die Bauelemente 182-186 sowie 188 und 190 umfaßt. Sie kann aber auch zusätzlich zu dieser ersten Korrektureinrichtung vorgesehen sein und dient dann zum Ausgleich auch solcher Fehler, die von hinter dem steuerbaren Spiegel 182 liegen­ den Teilen bei Temperaturänderungen hervorgerufen werden.

Ein Temperaturfühler 206 ist an das in der Regel aus Metall gefertigte Gehäuse 14 thermisch angekoppelt. Sein Ausgangs­ signal wird auf einen Analog/Digitalwandler 208 gegeben, dessen Ausgangssignal den ersten Teil der Gesamtadresse zur Adressierung der Speicherzellen eines Korrekturspei­ chers 210 bildet.

Die zweite Teiladresse wird vom Ausgang eines weiteren Ana­ log/Digitalwandlers 212 bereitgestellt, der eingangsseitig mit dem gegebenenfalls im Verknüpfungskreis 204 modifi­ zierten Abstands-Meßsignal beaufschlagt ist.

Im Korrekturspeicher 210 sind für verschiedene Temperaturen die den Roh-Abstandsmeßsignalen zugeordneten richtigen Meß­ signale abgelegt. Diese Signale werden auch auf einen er­ sten Eingang eines digitalen, rechnenden Komparators 214 gegeben. Dieser arbeitet mit einem Sollwertspeicher 216 zusammen, der über eine gestrichelt angedeutete Eingabeein­ heit 218 beschrieben wird eine oder mehrere Schalt-Schwel­ lenwerte enthält. Diese Schwellenwerte sind in Form von Prozentangaben bezogen auf die Gesamtintensität des auf die Wandleranordnung 44 auffallenden Lichtes abgespeichert.

An seinem zweiten Eingang erhält der Komparator 214 ein digitales Signal, welches von einem an den Ausgang des Dif­ ferenzverstärkers 194 angeschlossenen Analog/Digitalwandler 220 bereitgestellt wird.

Für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung sei angenommen, daß der Komparator 214 nur zwei Schalt-Schwellenwerte "0%" und "30%" überwacht. Er arbeitet dann grob gesprochen so, daß er auf einer ersten Ausgangsleitung 222 dann ein Signal bereitstellt, wenn die Objektoberfläche im Brennpunkt des Objektives 24 liegt oder über diesem, während auf einer zweiten Ausgangsleitung 224 ein Signal bereitgestellt wird, wenn das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 192 30% des Ausgangssignales des Differenzverstärkers 194 von oben erreicht oder diesen Prozentwert unterschreitet. Die auf den Ausgangsleitungen 222 und 224 stehenden Signale können z.B. dazu verwendet werden, die Vorschubgeschwindigkeit eines das Werkstück 12 bewegenden Antriebes zu steuern.

Ferner werden die Ausgangssignale des Korrekturspeichers 210 und des Analog/Digitalwandlers 220 auch auf Datenlei­ tungen 226, 228 zur externen Datenverarbeitung bereitge­ stellt werden und auf einer Anzeigeeinheit 230 laufend dargestellt.

Den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen war ge­ meinsam, daß das am Ausgang des Differenzverstärkers 60 erhaltene Fehlersignal, mit welchem der durch die Ringspule 18 und den Permanentmagneten 20 gebildete Objektiv-Stell­ motor gesteuert wurde, dann Null war, wenn der ausgeleuch­ tete Punkt der Prüffläche exakt mit dem vorderen Brenn­ punkt des Objektives 24 zusammenfiel. Anders gesagt: Der gesamte Abtastkopf arbeitete aufgrund der Auslegung des Strahlenganges, der Detektionseinrichtung und der Regel­ einrichtung insgesamt so, daß die Prüffläche punktweise ausgemessen wird.

Für manche Anwendungsfälle ist es jedoch vorteilhaft, wenn man die Prüffläche auch unter Zugrundelegung größerer Prüf­ flecke ausmessen kann.

Das wahlweise Ausmessen der Prüffläche auf der Basis von Prüfpunkten oder Prüfflecken läßt sich mit einem abgewan­ delten Abtastkopf realisieren, wie er schematisch in Fig. 12 wiedergegeben ist. Teile des Abtastkopfes, die in funk­ tionell äquivalenter Form weiter oben schon beschrieben wurden, tragen wieder dieselben Bezugszeichen. Der Haupt­ unterschied des Abtastkopfes nach Fig. 12 gegenüber den schon beschriebenen Abtastköpfen besteht darin, daß die Wandleranordnung 44 auf einem Schlitten 232 angebracht ist, der mittels einer Gewindespindel 234 in zur Strahlrichtung senkrechter Richtung bewegbar ist. Der Schlitten 232 steht mit seiner Hauptfläche in Wirklichkeit senkrecht zur Zei­ chenebene von Fig. 12, ist dort aber zur deutlicheren Dar­ stellung des Strahlenganges in die Zeichenebene hineinge­ dreht wiedergegeben.

Fig. 12 zeigt einen Strahlengang, wie er analog bei den schon beschriebenen Abtastköpfen mit fest eingebauter Wand­ leranordnung 44 dann erhalten wird, wenn die Nachregelung der Objektivstellung beendet ist. Der Abstand zwischen dem Objektiv 24 und dem gerade ausgemessenen Punkt der Prüf­ fläche entspricht dann exakt der Brennweite f des Objekti­ ves. Auf der Wandleranordnung 44 erhält man einen Licht­ fleck 236, der zu gleichen Teilen die Wandlerelemente 44 a und 44 b beleuchtet. Die Mittellinie 46 der Wandleranordnung 44 ist von der Achse des Objektives 24 versetzt, da das Prisma 37, dessen untere Fläche zugleich den Meßspiegel 36 bildet, den reflektierten Meßlichtstrahl verkippt.

Bewegt man den Schlitten 232 durch Drehen der Gewindespin­ del 234 in Fig. 12 um eine kleine Strecke x nach oben, so liegt nun ein größerer Teil des Lichtfleckes 236 auf dem unteren Wandlerelement 44 b. Man erhält somit am Ausgang des Differenzverstärkers 60 ein Fehlersignal, und die Lage des Objektives 24 wird so verstellt, bis wieder beide Wand­ lerelemente 44 a und 44 b dieselbe Lichtmenge erhalten. Die­ ser Zustand ist in Fig. 13 wiedergegeben. Die entsprechen­ de Verstellung des Objektives 24 hat zur Folge, daß der Abstand zwischen Objektiv und der Oberfläche des Werkstückes 12 nun kleiner geworden ist; der vordere Brennpunkt des Objektives 24 liegt hinter der Prüffläche, die nunmehr nicht in einem einzigen Punkt sondern über einen kleinen scheibenförmigen Fleck hinweg ausgeleuchtet wird, dessen Durchmesser in Fig. 13 mit y bezeichnet ist. Unter derar­ tigen Strahlbedingungen weitet sich auch der Durchmesser des Lichtfleckes 236 auf, was aber von sekundärer Bedeu­ tung ist, da zum Ausmessen des Oberflächenprofiles des Werkstückes 12 das Ausmaß der Unsymmetrie der Ausgangs­ signale der Wandlerelemente 44 a und 44 b verwendet wird, sich die insgesamt auf die Wandlerelemente fallende Licht­ menge durch die Aufweitung des Lichtfleckes 236 nicht ändert.

Durch Vergleich der Fig. 12 und 13 ist leicht erkennbar, daß man durch kontinuierliches Verstellen der Gewindespin­ del 234 den Durchmesser y des Lichtfleckes 236 variieren kann, falls gewünscht auch die Oberfläche des Werkstückes 12 punktweise ausmessen kann, wie in Fig. 12 wiedergegeben. Bewegt man den Schlitten 232 in Fig. 12 nach unten, so erhält man wiederum eine fleckweise Ausleuchtung der Werk­ stückoberfläche, wobei nun allerdings der Brennpunkt des Objektives 24 unter Abstand vor der Werkstückoberfläche liegt.

In Abwandlung des in den Fig. 12 und 13 gezeigten Aus­ führungsbeispieles kann man das seitliche Verlagern des Lichtfleckes 236 bezüglich der Mittellinie 46 der Wandler­ anordnung 44 statt durch Verschieben der Wandleranordnung auch durch Drehen des Prismas 37 bewerkstelligen, wie in Fig. 12 durch einen Pfeil 238 angedeutet. Es versteht sich, daß man dann den auf den Meßspiegel 36 vom Laser her auf­ fallenden Lichtstrahl entsprechend etwas verkippen muß, damit der vom Meßspiegel 36 reflektierte Lichtstrahl wieder auf der Achse des Objektives 24 liegt.

Fig. 14 zeigt einen abgewandelten Abtastkopf, bei welchem weder die Wandleranordnung 44 noch ein optisches Element des Abtastkopfes bewegt werden müssen, um vom exakt punkt­ förmigen Abtasten der Werkstückoberfläche auf fleckförmiges Abtasten der Werkstückoberfläche umzuschalten. Man erzielt gemäß Fig. 14 eine Unsymmetrie in der Detektionseinrich­ tung, deren Ausregelung zum fleckförmigen Ausleuchten der Werkstückoberfläche führt, dadurch, daß man z.B. zwischen den Ausgang des Wandlerelementes 44 a und die zugehörige Eingangsklemme des Differenzverstärkers 60 einen einstell­ baren Abschwächerkreis 240 schaltet. Dieser kann im ein­ fachsten Falle aus einem einstellbaren Widerstand bestehen. Der Abschwächerkreis 240 gibt an seinem Ausgang einen vor­ gegebenen Bruchteil des Ausgangssignales des Wandlerelemen­ tes 44 a ab, der beispielsweise zwischen 20% und 100% ein­ stellbar sein kann.

Damit das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 60 ver­ schwindet, müssen nun offensichtlich die Wandlerelemente 44 a und 44 b unsymmetrisch ausgeleuchtet sein, wie in Fig. 14 dargestellt. Diese unsymmetrische Ausleuchtung wird aber wieder bei solchem Strahlengang erhalten, bei welchem der vordere Brennpunkt des Objektives 24 hinter der Oberfläche des Werkstückes 12 liegt. Dieses wird also wieder fleck­ weise abgetastet, wobei man die Größe des Fleckes am Ab­ schwächerkreis 240 einfach einstellen kann.

Alternativ kann man anstelle des Abschwächerkreises 240 einen einstellbaren Verstärkerkreis 242 zwischen den Aus­ gang des Wandlerelementes 44 b und die andere Eingangsklemme des Differenzverstärkers 60 einfügen, was zu vergleichbaren Verhältnissen führt wie in Fig. 14 dargestellt.

Fügt man einen Abschwächerkreis zwischen das Wandlerelement 44 b und den Differenzverstärker 60 ein oder einen Verstär­ kerkreis zwischen das Wandlerelement 44 a und den Differenz­ verstärker 60 ein, so muß die Wandleranordnung 44 offen­ sichtlich gerade umgekehrt wie in Fig. 14 gezeigt unsym­ metrisch ausgeleuchtet werden, um am Ausgang des Differenz­ verstärkers 60 ein Fehlersignal der Größe Null zu erhalten.

Unter diesen Bedingungen liegt der Brennpunkt des Objekti­ ves 24 dann vor der Oberfläche des Werkstückes 12, was wie­ der zu einem fleckweisen Abtasten führt.

In Abwandlung des Ausführungsbeispieles nach Fig. 14 kann man anstelle eines elektrischen Abschwächerkreises auch einen optischen Abschwächer verwenden, welcher dann nur vor das Wandlerelement 44 a oder das Wandlerelement 44 b ge­ stellt wird, wenn ein fleckweises Abtasten der Werkstück­ oberfläche gewünscht wird.

Anstelle von multiplikativen Abschwächerkreisen kann man auch Subtrahierkreise z.B. in Form von Differenzverstärkern verwenden, die vom Ausgangssignal des angeschlossenen Wand­ lerelementes einen festen Betrag abziehen. Entsprechend kann man statt Verstärkerkreisen Addierkreise verwenden, die zum Ausgangssignal des angeschlossenen Wandlerelementes einen festen Betrag addieren.

Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele für Abtast­ köpfe können zum Ausmessen der Mikro-Oberflächenkontur des Werkstückes 12, zum Ausmessen und Prüfen der Oberflächen­ rauheit des Werkstückes 12 und auch als Bestandteil von Koordinatenmeßmaschinen verwendet werden. Bei derartigen Meßmaschinen muß vor dem eigentlichen Meßvorgang ein Aus­ gangspunkt oder Nullpunkt präzise eingefahren werden (Kali­ brierung). Hierzu werden üblicherweise Meßkugeln verwendet, deren Lage genau bekannt ist. Dadurch, daß man den Abtast­ kopf gegen die Meßkugel fährt, erhält man die Absolutkoor­ dinaten für einen Nullpunkt. Bei Verwendung eines optischen Abtastkopfes, wie er oben beschrieben wurde, erhielte man nur dann ein Ausgangssignal des Abtastkopfes, wenn letzte­ rer exakt auf einem Radiusstrahl gegen die Kugeloberfläche bewegt wird. In allen anderen Fällen würde das von der Ku­ geloberfläche reflektierte Licht nicht mehr das Objektiv 24 erreichen. Um auch bei einem derartigen optischen Ab­ tastkopf ein taktiles Kalibrieren einer Ausgangsstellung zu ermöglichen, kann man gemäß Fig. 15 eine dort insgesamt mit 244 bezeichnete Kalibrier-Tastkugel auf einem Gehäuse­ stutzen 246 anbringen, der beim vorderen Ende des Abtast­ kopfes 10 unter dem Objektiv 24 vorgesehen ist.

Die Tastkugel 244 ist auf dem Gehäusestutzen 246 axial ver­ schiebbar angeordnet und übergreift mit einem Bajonett­ flansch 248 einen Bajonettflansch 250 am unteren Ende des Gehäusestutzens 246. Die Bajonettflansche 248, 250 bilden so einen die Abwärtsbewegung der Tastkugel 244 begrenzen­ den Anschlag.

Zwischen die abgeplattete Oberseite der Tastkugel 244 und die Unterseite des Gehäuses 10 ist ein elastisch komprimier­ barer Ring 252 eingefügt, der z.B. aus elastischem Kunst­ stoffmaterial bestehen kann. Der Ring 252 hält normalerwei­ se die Bajonettflansche 248, 250 in Anlage aneinander, ge­ stattet jedoch ein Bewegen der Tastkugel 244 in Fig. 15 nach oben entgegen Federkraft. Ein solches Nachobenbewegen der Tastkugel 244 erhält man dann, wenn der Abtastkopf 10 gegen eine nicht näher gezeigte feststehende Meßkugel ge­ fahren wird.

Im Inneren der Tastkugel 244 ist eine Reflexionsfläche 254 vorgesehen, die exakt senkrecht auf der Achse des Gehäuse­ stutzens 246 und damit auch senkrecht auf der Achse des Objektives 24 steht. Die axiale Lage der Reflexionsfläche 254 ist bezüglich der Berührfläche zwischen den Bajonett­ flanschen 248 und 250 so gewählt, daß bei stromloser Ring­ spule 18 der Brennpunkt des Objektives 24 etwas über der Reflexionsfläche 254 liegt. Die Komprimierbarkeit und Dicke des Ringes 252 ist so gewählt, daß die Tastkugel 244 beim Heranbewegen gegen ein starres Hindernis um eine solche Strecke bezüglich des Gehäuses 14 nach oben bewegt werden kann, daß die Reflexionsfläche 254 über dem bei stromloser Ringspule 18 erhaltenen Brennpunkt des Objektives 24 liegt. Beim Heranbewegen des mit der Tastkugel 244 bestückten Ab­ tastkopfes gegen eine Meßkugel kann man somit daran, daß sich das Ausgangssignal des Abtastkopfes von dem durch die elastische Vorspannung durch den Ring 252 vorgegebenen Wert entfernt, erkennen, daß die Tastkugel 244 in kraftschlüs­ sige Anlage an die Meßkugel gekommen ist. Außerdem kann man das Ausgangssignal des Abtastkopfes direkt zur Fein­ kalibrierung verwenden, so daß es nicht notwendig ist, un­ ter visueller Kontrolle durch eine Bedienungsperson den Abtastkopf gerade eben in Anlage an die Meßkugel zu bewe­ gen, was bei durch Servoantriebe bewegten Abtastköpfen viel Fingerspitzengefühl und Zeit erfordert.

Fig. 16 zeigt eine andere auf das untere Ende eines Ab­ tastkopfes 10 aufgeschobene Zusatzeinrichtung, die das Aus­ messen der Innenfläche eines gestrichelt angedeuteten Zy­ linders 256 ermöglicht. Auf dem Gehäusestutzen 246 ist über ein Axial/Radiallager 258 das untere Ende einer Hülse 260 gelagert, welche durch einen nicht näher gezeigten Antrieb in Drehung versetzbar ist.

Eine Bodenwand 262 der Hülse 260 trägt ein Spiegelprisma 264, welches das vom Objektiv 24 abgegebene Licht um 90° umlenkt. Das umgelenkte Licht gelangt über ein Fenster 268 der Hülse 260 auf die Innenfläche des Zylinders 256, und das von dort reflektierte Meßlicht wird über das Spiegel­ prisma 264 wieder auf die Achse des Objektives 24 umge­ lenkt. Durch axiales Verschieben des die umlaufende Hülse 260 tragenden Abtastkopfes 10 läßt sich so die gesamte In­ nenfläche des Zylinders 256 ausmessen.

Claims (34)

1. Gerät zum genauen Ermitteln des Abstandes eines auf einer Prüffläche liegenden Prüfpunktes von einer Refe­ renzfläche, mit einer Lichtquelle, mit einer Meßoptik zum Abbilden der Lichtquelle auf die Prüffläche sowie zum Zu­ rückführen vom Prüfpunkt reflektierten Meßlichtes zu einer Detektionseinrichtung, welche ein dem Abstand des Prüfpunk­ tes von der Brennebene der Meßoptik zugeordnetes Abstands­ signal erzeugt, und mit einem auf die beweglich angeordnete Meßoptik arbeitenden Stellantrieb, welcher durch eine Re­ gelschaltung so angesteuert wird, daß die Brennebene der Meßoptik durch den Prüfpunkt gelegt wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Meßoptik (24) ein Stellungsgeber (40) zugeordnet ist, der ein der Ist-Stellung der Meßoptik (24) zugeordnetes Lagesignal bereitstellt; und daß die Regel­ schaltung aufweist: einen äußeren Subtrahierkreis (76), der mit einem Soll-Lagesignal für die Meßoptik (24) und dem Ab­ standssignal beaufschlagt ist, einen äußeren I-Regler (74), welcher das Ausgangssignal des äußeren Subtrahierkreises (76) erhält, einen inneren Subtrahierkreis (72), welcher das Ausgangssignal des äußeren I-Reglers (74) und das vom Stellungsgeber (40) bereitgestellte Lagesignal erhält, ei­ nen ebenfalls mit dem Lagesignal beaufschlagten Lage-PD- Regler (68) und einen dritten Subtrahierkreis (66), der mit den Ausgangssignalen des inneren I-Reglers (70) und des Lage-PD-Reglers (68) beaufschlagt ist und das den Stellan­ trieb (18, 20) steuernde Fehlersignal bereitstellt.

2. Gerät zum genauen Ermitteln des Abstandes eines auf einer Prüffläche liegenden Prüfpunktes von einer Refe­ renzfläche, mit einer Lichtquelle, mit einer Meßoptik zum Abbilden der Lichtquelle auf die Prüffläche sowie zum Zu­ rückführen vom Prüfpunkt reflektierten Meßlichtes zu einer Detektionseinrichtung, welche ein dem Abstand des Prüf­ punktes von der Brennebene der Meßoptik zugeordnetes Ab­ standssignal erzeugt, und mit einem auf die beweglich an­ geordnete Meßoptik arbeitenden Stellantrieb, welcher durch eine Regelschaltung so angesteuert wird, daß die Brennebene der Meßoptik durch den Prüfpunkt gelegt wird, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Meßoptik (24) ein Stellungsgeber (40) zugeordnet ist, der ein der Ist-Stellung der Meßoptik (24) zugeordnetes Lagesignal bereitstellt; und daß die Regel­ schaltung aufweist: einen äußeren Subtrahierkreis (76), der mit einem Soll-Lagesignal für die Meßoptik (24) und dem Ab­ standssignal beaufschlagt ist, einen äußeren I-Regler (74), welcher das Ausgangssignal des äußeren Subtrahierkreises (76) erhält, einen Beschleunigungsfühler (146), welcher auf parallel zur Verstellrichtung der Meßoptik (24) wirksame Beschleunigungen anspricht, einen mit dem Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers (146) beaufschlagten Beschleu­ nigungs-PD-Regler (144), einen inneren Subtrahierkreis (72), welcher das Ausgangssignal des äußeren I-Reglers (74) und das Ausgangssignal des Beschleunigungs-PD-Reglers (144) erhält, einen mit dem vom Stellungsgeber (40) bereitge­ stellten Lagesignal beaufschlagten Lage-PD-Regler (68) und einen dritten Subtrahierkreis (66), der mit den Ausgangs­ signalen von innerem Subtrahierkreis (72) und Lage-PD-Reg­ ler (68) beaufschlagt ist und das den Stellantrieb (18, 20) steuernde Fehlersignal bereitstellt.

3. Gerät nach Anspruch 2, wobei die Optik durch eine Feder­ anordnung (26, 28) am Gehäuse (14) des Abtastkopfes (10) des Gerätes aufgehängt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschleunigungsfühler (146) als träge Masse eine zur Meßoptik (24) und den mit dieser mitbewegten Massen identische Massekörper-Optik aufweist, die über eine iden­ tische Federanordnung wie die Meßoptik in identischer Aus­ richtung wie letztere am Gehäuse (14) des Abtastkopfes (10) angebracht ist und einen auf die Auslenkungen der Massekör­ per-Optik ansprechenden Stellungsgeber aufweist.

4. Gerät nach Anspruch 3, wobei der Stellantrieb für die Meßoptik (24) durch einen starr mit dieser verbundenen Permanentmagneten (20) und eine mit diesem zusammenarbei­ tende, am Gehäuse (14) des Abtastkopfes (10) festgelegte Magnetspule (18) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der Massekörper-Optik zusammenarbeitende Stellungs­ geber aufweist: einen mit der Hilfsoptik verbundenen zwei­ ten Permanentmagneten, der identisch zum mit der Meßoptik verbundenen Permanentmagneten ist, sowie eine mit dem zwei­ ten Permanentmagneten zusammenarbeitende Induktionsspule, die vorzugsweise identisch zur mit dem Permanentmagneten der Meßoptik zusammenarbeitenden Magnetspule ist.

5. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Reflexionsmeßeinrichtung (84) für das lokale Reflexionsverhalten der Prüffläche, durch einen Abstands­ signal-Korrekturkreis (86), der eingangsseitig mit dem Ab­ standssignal und an einer Steuerklemme mit dem Ausgangssig­ nal der Reflexionsmeßeinrichtung (86) beaufschlagt ist und ausgangsseitig mit dem äußeren I-Regler (74) verbunden ist.

6. Gerät nach Anspruch 5, wobei die das Absstandssignal bereitstellende Detektionseinrichtung (82) zwei zu bei­ den Seiten der Strahlachse der Meßoptik (24) angeordnete Wandlerelemente (44 a, 44 b) und einen mit deren Ausgangssig­ nalen beaufschlagten Differenzverstärker (60) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsmeßeinrichtung (84) neben den beiden Wandlerelementen (44 a, 44 b) einen mit deren Ausgangssignalen beaufschlagten Summierverstärker (62) aufweist.

7. Gerät nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrekturkreis (86) einen Divisionskreis (100) aufweist, dessen Dividenden-Eingang mit dem Abstandssignal und dessen Divisor-Eingang mit dem Ausgangssignal der Re­ flexionsmeßeinrichtung (84) verbunden ist, oder einen mit dem Abstandssignal beaufschlagten steuerbaren Verstärker aufweist, dessen Verstärkungs-Steuerklemme mit dem inver­ tierten Ausgangssignal der Reflexionsmeßeinrichtung (84) beaufschlagt ist.

8. Gerät nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrekturkreis (86) einen Korrekturspeicher (86′) umfaßt, welcher durch das digitalisierte (156) Aus­ gangssignal der Reflexionsmeßeinrichtung (84) adressiert wird.

9. Gerät nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine dem Korrekturspeicher (86′) zugeordnete Wähleinheit (158) zur Vorgabe verschiedener Speicherfelder, innerhalb welcher die Restadressierung durch das digitalisierte Ausgangssig­ nal der Reflexionsmeßeinrichtung (84) erfolgt.

10. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Reflexionsmeßeinrichtung (84) für das lokale Reflexionsverhalten der Prüffläche und durch einen durch das Ausgangssignal der Reflexionsmeßeinrichtung gesteuerten optischen Abschwächer (134), der an beliebiger Stelle in den Strahlengang zwischen Lichtquelle (34) und Detektions­ einrichtung (44, 60) eingefügt ist, oder durch einen Lei­ stungs-Steuerkreis (140) für die Lichtquelle (34), dessen Steuerklemme das Ausgangssignal der Reflexionsmeßeinrich­ tung (84) erhält, oder durch eine durch das Ausgangssignal der Reflexionsmeßeinrichtung (84) gesteuerte Betriebsschal­ tung (144) für die Wandleranordnung (44) der Detektionsein­ richtung, welche die Empfindlichkeit der letzteren vorgibt.

11. Gerät nach einem der Ansprüche 5 bis 10, gekennzeichnet durch einen der Reflexionsmeßeinrichtung (84) oder einem durch sie gesteuerten Geräteteil zugeordneten Einschalt­ kreis (148), der die Korrektur des Abstandssignales bezüg­ lich des lokalen Reflexionsverhaltens der Prüffläche un­ terbindet, entweder bei Anforderung (152) durch den Benut­ zer oder automatisch (154) dann, wenn die Meßoptik (24) sehr weit aus ihrer Mittellage ausgelenkt ist, z.B. weil keine Prüffläche gegenübersteht.

12. Gerät nach einem der Ansprüche 5 bis 11, gekennzeichnet durch eine mit dem Ausgangssignal der Reflexionsmeß­ einrichtung (84) beaufschlagte Anzeigeeinheit (109).

13. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Wandlerelemente (44 a, 44 b) der Detektionseinrichtung von einer Hilfswandleranordnung (114 a, 114 b) umgeben sind und deren Ausgangssignale auf einer Grob­ einstellungs-Anzeigeeinheit (124, 126, 132) dargestellt werden.

14. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Lichtquelle (34) ein gepulster Laser ist und die Detektionseinrichtung eine phasenemp­ findliche Gleichrichteranordnung (98, 106, 116) umfaßt, die mit der Arbeitsfrequenz (90) des Lasers (34) gesteuert wird.

15. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Anzeigeeinheit (88) für den Abstand des Prüfpunktes von der Referenzfläche mit dem Aus­ gang des äußeren I-Reglers (74) verbunden ist.

16. Gerät zum genauen Ermitteln des Abstandes eines auf einer Prüffläche liegenden Prüfpunktes von einer Refe­ renzfläche, mit einer Lichtquelle, mit einer Meßoptik zum Abbilden der Lichtquelle auf die Prüffläche sowie zum Zu­ rückführen vom Prüfpunkt reflektierten Meßlichts zu einer Detektionseinrichtung, welche ein dem Abstand des Prüf­ punktes von der Brennebene der Meßoptik zugeordnetes Ab­ standssignal erzeugt, und mit einem auf die beweglich an­ geordnete Meßoptik arbeitenden Stellantrieb, welcher durch eine Regelschaltung so angesteuert wird, daß die Brennebene der Meßoptik durch den Prüfpunkt gelegt wird, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Meßoptik (24) ein Stellungsgeber (40) zugeordnet ist, der ein der Stellung der Meßoptik (24) zu­ geordnetes Lagesignal bereitstellt, daß eine Referenz-Licht­ quelle (34′), eine Referenzoptik (24′) zum Abbilden der Referenz-Lichtquelle (34′) auf eine feste Referenzfläche (164) sowie zum Zurückführen des von letzterer reflektier­ ten Lichtes zu einer Referenz-Detektionseinrichtung (44′, 50′), ein auf die beweglich angeordnete Referenzoptik (24′) arbeitender Referenz-Stellantrieb (18′, 20′) und ein auf die Ist-Stellung der Referenzoptik (24′) ansprechender Re­ ferenz-Stellungsgeber (40′) vorgesehen sind, wobei der Re­ ferenz-Stellantrieb durch eine Referenz-Regelschaltung (52′) so angesteuert wird, daß die Brennebene der Referenzoptik (24′) mit der Referenzfläche (164) zusammenfällt, wobei Referenz-Lichtquelle (34′) und Lichtquelle (34), Meßoptik (24) und Referenzoptik (24′), Stellantrieb (18, 20) und Referenz-Stellantrieb (18′, 20′) und Regelschaltung (58) sowie Referenz-Regelschaltung (58′) identisch ausgebildet sind und die die Optiken tragenden Geräteteile unter paral­ leler Ausrichtung der Optikachsen starr verbunden sind; und daß die Ausgangssignale von Stellungsgeber (40) und Refe­ renz-Stellungsgeber (40′) durch einen Differenzkreis (166) zusammengefaßt werden.

17. Gerät nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Normale der Referenzfläche (164) die Achse der Re­ ferenzoptik (24′) schneidet, vorzugsweise senkrecht schnei­ det, und ein Umlenkspiegel (162) in unmittelbarer Nachbar­ schaft der Referenzoptik (24′) auf deren Achse angeordnet ist.

18. Gerät nach Anspruch 16 oder 17, gekennzeichnet durch einen mit einem die Prüffläche tragenden Werkstück (12) zusammenarbeitenden Stellungsgeber (168 bis 172), dessen Ausgangssignal über einen Umschalter (174) wahlweise an­ stelle des Ausgangssignales des Referenz-Stellungsgebers (40′) auf den einen Eingang des Differenzkreises (166) ge­ geben werden kann.

19. Gerät nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Umschalter (174) eine dritte Arbeitsstellung hat, in welcher das Ausgangssignal eines zweiten Differenzkrei­ ses (176), der eingangsseitig das Ausgangssignal des Refe­ renz-Stellungsgebers (40′) und das Ausgangssignal des Werk­ stück-Stellungsgebers (168 bis 172) erhält, auf den einen Eingang des ersten Differenzkreises (166) gegeben wird.

20. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei die De­ tektionseinrichtung zwei zu beiden Seiten einer Mittel­ linie (46) angeordnete Wandlerelemente (44 a, 44 b) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal eines Sum­ mierverstärkers (62) und eines Differenzverstärkers (60), die beide mit den Ausgangssignalen beider Wandlerelemente (44 a, 44 b) beaufschlagt sind, einem Verknüpfungskreis (196) zugeführt werden, welcher aus diesen Signalen multiplikativ oder in nichtlinearer Weise ein sowohl von der Oberflächen­ kontur als auch vom Reflexionsvermögen der Prüffläche ab­ hängendes Meßsignal erzeugt.

21. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 20, gekennzeichnet durch einen senkrecht in denjenigen Teil des Strahlen­ ganges, in welchem das Meßlicht ein Parallelbündel dar­ stellt, stellbaren Spiegel oder dort bleibend angeordneten steuerbaren Spiegel (182), durch einen Signalspeicher (188, 190), in welchem das bei aktivem Spiegel erhaltene Ausgangs­ signal der Wandleranordnung (44) als Korrektursignal gespei­ chert wird und durch einen Differenzkreis (192, 194), wel­ cher von dem bei nicht aktivem Spiegel erhaltenen Meßsignal das bei aktivem Spiegel erhaltene Korrektursignal abzieht.

22. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 21, gekennzeich­ net durch einen Vergleicher (178), welcher das Meßsig­ nal (54) laufend mit einem Referenzwert (R) vergleicht und bei Übereinstimmung beider Signale ein Ausgangssignal be­ reitstellt.

23. Abtastkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 22, gekenn­ zeichnet durch einen thermisch an das Gehäuse (14) angekop­ pelten Temperaturfühler (206) und einen Schaltkreis (210) zur Korrektur des Meßsignales in Abhängigkeit vom Ausgangs­ signal des Temperaturfühlers (206).

24. Abtastkopf nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrektur-Schaltkreis einen Korrekturspeicher (210) umfaßt, dessen Adreßklemmen mit dem digitalisierten (208) Ausgangssignal des Temperaturfühlers (206) und dem digitalisierten (212) Meßsignal beaufschlagt sind.

25. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 24, gekennzeich­ net durch mechanische (232, 234), optische (37, 238) oder elektrische (240, 242) Mittel, welche das Ausgangs­ signal der Detektionseinrichtung (44, 60) so modifizieren, daß bei einer Außerbrennpunktlage des Prüfpunktes ein Ab­ standssignal erhalten wird, wie es unter normalen Arbeits­ bedingungen bei einer Brennpunktlage des Prüfpunktes erhal­ ten würde.

26. Gerät nach Anspruch 25 in Verbindung mit Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalmodifizierungs­ mittel Mittel (232, 234) zum Bewegen der zur Detektionsein­ richtung gehörenden Wandleranordnung (44) in zur Strahlachse senkrechter Richtung umfassen.

27. Gerät nach Anspruch 25 in Verbindung mit Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalmodifizierungs­ mittel Mittel (37, 238) zum seitlichen Versetzen des von der Prüffläche zurückgeworfenen Meßlichtstrahles umfassen.

28. Gerät nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum seitlichen Versetzen des zurückgewor­ fenen Meßlichtstrahles ein verschwenkbares Prisma (37) oder ein zusätzlich in den Strahlengang stellbares Prisma um­ fassen.

29. Gerät nach Anspruch 25 in Verbindung mit Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalmodifizierungs­ mittel einen vor dem einen der Wandlerelemente (44 a, 44 b) angeordneten, vorzugsweise wahlweise in und aus dem Strah­ lengang bewegbaren, optischen Abschwächer aufweisen.

30. Gerät nach Anspruch 25 in Verbindung mit Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalmodifizierungs­ mittel einen an den Ausgang eines der Wandlerelemente (44 a, 44 b) angeschlossenen elektrischen Signaländerungskreis (240, 242) aufweisen, wobei das Ausmaß der Signaländerung vorzugs­ weise einstellbar ist und wiederum vorzugsweise der Ein­ stellbereich den Änderungs-Faktor "1" mit umfaßt.

31. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 30, gekennzeich­ net durch einen vor der Optik (24) auf das Gehäuse (14) aufsetzbaren Tastkörper (244), welcher eine senkrecht auf der Strahlachse stehende innere Reflexionsfläche (254) aufweist.

32. Gerät nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche des Tastkörpers (244) eine Kugelfläche ist, wobei vorzugsweise die innenliegende Reflexionsfläche (254) durch den Mittelpunkt dieser Kugelfläche gelegt ist.

33. Gerät nach Anspruch 31 oder 32, dadurch gekennzeichnet, daß der Tastkörper (244) parallel zur Strahlachse be­ wegbar auf dem Gehäuse (14) angeordnet ist und durch eine Feder (252) in eine solche Stellung vorgespannt ist, in welcher die Reflexionsfläche (254) jenseits bei nicht er­ regtem Stellantrieb (18, 20) erhaltenen Brennpunktes der Optik (24) liegt.

34. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 33, gekennzeich­ net durch einen vor der Optik (24) angeordneten, um die Strahlachse drehbaren 90°-Umlenkspiegel (264).