DE3800427A1 - Geraet zum genauen ermitteln des abstandes eines auf einer pruefflaeche liegenden pruefpunktes von einer referenzflaeche - Google Patents
Geraet zum genauen ermitteln des abstandes eines auf einer pruefflaeche liegenden pruefpunktes von einer referenzflaecheInfo
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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).
Priority Applications (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE3800427A DE3800427C2 (de) | 1988-01-09 | 1988-01-09 | Gerät zum Ermitteln des Abstands eines auf einer Prüffläche liegenden Prüfpunktes von einer Referenzfläche |
DE19883824319 DE3824319A1 (de) | 1988-01-09 | 1988-07-18 | Abstandsmessanordnung |
PCT/EP1989/000001 WO1989006339A1 (en) | 1988-01-09 | 1989-01-03 | Device for precisely measuring the distance between a test point on a test surface and a reference surface |
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