DE4019405C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen optischen Abtastkopf für
ein Gerät zum Ausmessen der Mikrokontur einer Werkstückoberfläche
gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Ein derartiger Abtastkopf ist in der DE 35 36 700 A1 beschrieben.
Bei ihm ist die Optik über eine Federanordnung
so am Gehäuse befestigt, daß sie sich nur in ihrer Axialrichtung
bewegen kann.
In der Zeitschrift Industrie-Anzeige 9/1988, Seiten 14 und
15 ist ein ähnlicher Abtastkopf beschrieben, bei welchem
durch Messung der Linsenstellung unter Verwendung eines
induktiven Stellungsgebers ein vergrößerter Meßbereich
erhalten wird, wobei in den großen Meßbereichen allerdings
eine Verminderung der Auflösung in Kauf genommen werden
muß.
Auch die DE 38 24 319 A1 offenbart einen ähnlichen Abtastkopf,
bei dem zusätzlich Vorkehrungen getroffen sind,
um die auf den Detektor fallende Lichtmenge unabhängig
vom lokalen Reflexionsvermögen der Werkstückoberfläche
konstant zu halten.
Wenn diese Oberfläche gut
spiegelt oder sehr stark absorbiert, erhält man bei exakt
senkrechter Ausrichtung der Optikachse bezüglich der Referenzebene
nur sehr wenig Licht von der Werkstückoberfläche
zurückreflektiert. Bei nur geringer Menge des
von der Werkstückoberfläche über die Optik auf den Detektor
abgebildeten Lichtes ist die Genauigkeit der Nachregelung
der Optikstellung nicht sehr groß, entsprechend ungenau
ist die Messung der Mikrokontur.
Durch die vorliegende Erfindung soll daher ein optischer
Abtastkopf gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 geschaffen
werden, der auch unter den vorgenannten Bedingungen präzise
arbeitet.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch einen Abtast
kopf gemäß Anspruch 1. Bei
einem derartigen optischen Abtastkopf kann
die Optikachse auch schräg geneigt
stehen, damit sie auf diese Weise dann senkrecht
auf geneigten Abschnitten der Werkstückoberfläche steht.
Optiken, die in einer Mehrfach-Spulenanordnung frei schwebend
gelagert sind, sind an sich bekannt (DE-PS 32 34 288), allerdings
zum Einsatz bei der Spurnachführung in Compact-Disc-
und Videodisc-Abspielgeräten, ohne daß Optik-Lagesignale ausgewertet würden. Die Verwendung einer rein
magnetischen Linsenaufhängung in einem optischen Abtastkopf
anstelle der bekannten mechanischen Zwangszentrierung der
Optik auf die Meßachse des Abtastkopfes macht es hingegen
erforderlich, daß die exakte Momentanstellung
der Optik ermittelt wird und hierzu die Einrichtung zur
Lagemessung der Linsenoptik auf zusätzliche Koordinatenrichtungen
erweitert wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen
angegeben.
Ist die Optikachse gegenüber der Vertikalen
gekippt, so hat der Lichtpunkt, welchen die
Optik von der Lichtquelle auf der Werkstückoberfläche
erzeugt, in einer Referenzfläche nicht mehr dieselben Koordinaten
wie bei exakt senkrecht auf der Referenzfläche stehender
Optikachse. Dem kann man gemäß Anspruch 2 begegnen.
Gemäß Anspruch 3 läßt sich die Momentanstellung der Optik
in den verschiedenen Koordinaten ohne gesonderte Stellungsgeber
ermitteln.
Hier ergibt sich ein
besonderer Vorteil, da ein sich gegenseitig nicht behinderndes
Arbeiten von Stellungsgebern für unabhängige Bewegungsrichtungen
ohne zusätzliche mechanisch träge Führungseinrichtungen
(Koordinatenschlitten oder dergleichen) mit
erträglichem Aufwand nicht realisierbar ist. Bei Messung
nur einer Lagekoordinaten sind dagegen solche Stellungsgeber
und ein einen Spulenspeisestrom auswertender Umsetzkreis
noch gleichwertige Alternativen.
Auch mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch
4 läßt sich die Stellung der Meßoptik in verschiedenen
Koordinatenrichtungen ermitteln, ohne daß sich die verschiedenen
Geber gegenseitig behindern, da zur Stellungsmessung
Beschleunigungsfühler verwendet werden, die alle
gleichermaßen mit der Optik mitbewegt werden können, sich
gegenseitig nicht behindern. Die Ausgangssignale dieser
Beschleunigungsfühler können über dünne flexible Leiter
ohne nennenswerte Behinderung der Beweglichkeit der Optik
an gehäusefest angebrachte Integratoren überstellt werden.
Bei einem Abtastkopf gemäß Anspruch 6 kann man die Brennpunktsnachführung
der Optik auch bei stärker gekippter
Optik auf einfache Weise bewerkstelligen.
Der Einsatz von CCD-Wandlerplatten zur Lagebestimmung
und Positionierung von Werkstücken ist aus der Zeitschrift
Feingerätetechnik, 37 (1988) 12, Seiten 541 bis 543 bekannt.
Beim erfindungsgemäßen Abtastkopf findet ein solcher Bildwandler
in Verbindung einem speziellen Auswertekreis als
Teil einer Brennpunkt-Nachführ-Regelstrecke Verwendung.
Die Weiterbildungen der Erfindung gemäß den Ansprüchen
7 bis 13 sind im Hinblick auf eine möglichst rasche Ermittlung
von Mittelpunkt und Durchmesser des auf dem Detektor
erhaltenen Lichtfleckes von Vorteil. Die rasche Ermittlung
dieser Kenngrößen dient der Herabsetzung der Zeitkonstanten
der Regelschleife und ermöglicht so ein Ausmessen
von Werkstückoberflächen mit großer Geschwindigkeit.
Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
In dieser zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch einen optischen Abtastkopf
für ein Gerät zum Ausmessen der Mikrokontur einer
Werkstückoberfläche längs dessen Längsmittelebene;
Fig. 2 ein Blockschaltbild der zusammen mit dem Abtast
kopf nach Fig. 1 verwendeten Elektronik;
Fig. 3 eine schematische perspektivische Darstellung
eines auf einer Wandlerplatte des Abtastkopfes
nach Fig. 1 erhaltenen Lichtfleckes;
Fig. 4 eine schematische Aufsicht auf die Wandlerplatte
des Abtastkopfes mit verschiedenen Optikstel
lungen zugeordneten vereinfachten Lichtflecken;
Fig. 5 schematische Darstellungen von Lichtflecken, die
in aufeinanderfolgenden Meßperioden auf der Wand
lerplatte erhalten werden;
Fig. 6 eine schematische Darstellung, anhand welcher
das Abtasten der Wandlerelemente der Wandler
platte durch einen zugeordneten Auswertekreis
erläutert wird;
Fig. 7 ein Flußdiagramm, gemäß welchem dieser Auswerte
kreis arbeitet; und
Fig. 8 ein zu Fig. 2 ähnliches Blockschaltbild, welches
zusammen mit einem abgewandelten Abtastkopf Ver
wendung findet.
In Fig. 1 ist mit 10 insgesamt ein optischer Abtastkopf
bezeichnet, der zum Ausmessen der Mikrokontur einer Werk
stückoberfläche 12 dient. Der Abtastkopf ist über nicht
näher gezeigte Befestigungseinrichtungen mit Koordinaten
antrieben verbunden, die den Abtastkopf in x- und y-Richtung
über der Werkstückoberfläche 12 verfahren. Die x-y-Fläche
stellt zugleich eine im Mittel auf die Werkstückoberfläche
12 eingestellte Referenzfläche 14 dar.
Der Abtastkopf 10 hat ein Gehäuse 16, von dessen in Fig.
1 rechts gelegener Seitenwand ein Halbleiter-Laser 18 ge
tragen ist, der üblicherweise im Infraroten arbeitet. Der
vom Laser 18 abgegebene Strahl gelangt über einen halbdurch
lässigen Spiegel 20 zu einer Optik 22, die den Strahl auf
die Werkstückoberfläche bündelt.
Die Optik 22 sitzt in einer zweiteiligen Fassung 24, auf
deren Außenseite ein axial magnetisierter permanentmagne
tischer Antriebsring 26 aufgeklebt ist. Die durch die Bau
teile 22 bis 26 gebildete Optikeinheit 28 ist unter radialem
Spiel in einer Kunststoff-Hülse 30 angeordnet. Auf deren
Außenseite sitzen axial beabstandet drei Spuleneinheiten
32, 34, 36, die ihrerseits jeweils aus drei nierenförmigen
Spulen bestehen, die sich über einen Umfangswinkel von 120°
erstrecken. Zwischen den Spuleneinheiten liegen Kunststoff-
Distanzringe 38. Hochflexible Bändchen 40 halten die Optik
einheit 28 bei abgeschalteten Spuleneinheiten 32, 34, 36
in der Hülse 30.
Das von der Werkstückoberfläche 12 reflektierte Licht wird
von der Optik 22 wieder gesammelt und über den halbdurch
lässigen Spiegel 20 auf eine Wandlerplatte 42 abgebildet,
die in Fig. 1 über dem Spiegel 20 liegt und von der oberen
Gehäusewand des Abtastkopfes getragen ist. Die Wandlerplatte
42 umfaßt eine Vielzahl in Zeilen und Spalten angeordneter
einzel adressierbarer Wandlerelemente, kann z. B. eine CCD-
Wandlerplatte sein, wie sie in Fernsehkameras Verwendung
findet. Die Wandlerplatte 42 ist über eine schematisch an
gedeutete Signalschiene 44 mit einem benachbarten Auswerte
kreis 46 verbunden. Ein in die in Fig. 1 rechts gelegene
Gehäusewand eingelassenes Steckverbinderteil 48 dient zum
Anschließen des Lasers 18, der Spuleneinheiten 32 bis 36
und des Auswertekreises 46 an eine externe Steuereinheit,
die später unter Bezugnahme auf Fig. 2 genauer beschrieben
wird.
Der Auswertekreis 46 arbeitet so, daß er
den Mittelpunkt und Durchmesser des in der Regel gut kreis
förmigen Lichtfleckes berechnet, der jeweils auf der Wand
lerplatte 42 erhalten wird. Diese Daten gibt der Auswerte
kreis 46 auf einen Strom-Steuerkreis 50, der im wesentlichen
folgendermaßen arbeitet: Der gemessene Lichtfleck-Durch
messer wird mit einem Referenzwert verglichen, der dem
Lichtfleckdurchmesser bei idealen Fokussierungsbedingungen
entspricht. Ist der momentane Lichtfleckdurchmesser größer,
so ändert der Steuerkreis 50 die den Spuleneinheiten 33
bis 36 zugeführten Ströme solange, bis der Durchmesser-
Referenzwert erreicht wird. Ist dies der Fall, wird die
Optimierung unterbrochen, und auf einer Leitung 52 ein Akti
vierungssignal bereitgestellt. Wird nur ein relatives Mini
mum erhalten, ohne daß der Referenzwert erreicht wird, so
versucht der Steuerkreis 50 durch unterschiedliche Beauf
schlagung der Einzelspule 32a bis 36c der verschiedenen
Spuleneinheiten den Lichtfleck-Durchmesser auf den Refe
renzwert herunterzuregeln. Hierbei wird dann die Optik 22
nicht nur axial verstellt sondern auch verkippt.
Mit den von dem Steuerkreis 50 abgegebenen Stromsignalen
(oder hierzu proportionalen Spannungssignalen)
für die neun verschiedenen Spulen der Spuleneinheiten 32
bis 36 ist ferner ein Rechenkreis 54 beaufschlagt, der diese
Spulensignale umrechnet in ein Signal z für die Axialstel
lung der Optik und Lichtfleck-Auslenkungen δx, δy, wie
sie sich aus der Verkippung der Optik ergeben. Der Rechen
kreis 54 braucht hier nicht näher beschrieben zu werden;
er kann im Prinzip aus einem großen Festwertspeicher be
stehen, in welchem für die verschiedenen Spulen-Speise
strom-Kombinationen die entsprechenden Optikstellungen
für alle fünf Koordinaten (drei Translations- und zwei
Winkelkoordinaten) abgespeichert sind.
Ein Summierkreis 56 erhält neben den Signalen z, δx und
δy Signale x und y, die von Stellungsgebern 58, 60 bereit
gestellt werden, die die Relativbewegung zwischen Abtast
kopf 10 und Werkstück messen.
Die Größen x, y und z werden bei Anliegen eines Aktivie
rungssignales auf der Leitung 52 in einen Schreib/Lese
speicher 62 eingelesen. Dieser arbeitet mit einem Grafik
prozessor 64 zusammen, der die übermittelten Daten gemäß
der jeweils gewünschten Auswertung (perspektivische Dar
stellung, Schichtliniendarstellung oder dergleichen) auf
arbeitet und einen Plotter 66 ansteuert.
In Fig. 3 ist über der Wandlerplatte 42 schematisch die
Intensität eines Lichtfleckes 68 angedeutet. Dieser wird
bei der beim Auslesen der Wandlerelemente erfolgenden Sig
nalverarbeitung auf einem Zylinder 70 reduziert, der dem
jenigen Bereich entspricht, in welchem die Lichtintensität
J einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Mit dieser
Signalverarbeitung entsprechen ideale Fokussierungsbedin
gungen einem mittigen, kleinen Durchmesser aufweisenden
Lichtfleck 72 von Fig. 4, während ein mittiger vergrößer
ter Lichtfleck 74 einer Defokussierung über einem ebenen
Oberflächenabschnitt entspricht, ein kleiner außermittiger
Lichtfleck 76 Fokussierungsbedingungen über einem geneigten
Oberflächenabschnitt der Werkstückoberfläche und ein großer
außermittiger Lichtfleck 78 Defokussierungsbedingungen über
einem geneigten Oberflächenabschnitt entspricht.
Fig. 5 zeigt drei aufeinanderfolgende Schritte beim Ein
regeln von Fokussierungsbedingungen zu den Zeitpunkten t-2,
t-1 und t0 (betrachteter Zeitpunkt).
Fig. 6 zeigt das Abtasten des Lichtfleckes auf der Wandler
platte 42 durch sukzessives Abfragen der einzelnen Wandler
elemente in x- bzw. y-Richtung durch den Auswertekreis 46.
Der Auswertekreis 46 beginnt beim Mittelpunkt M-1 des vor
hergehenden Zyklus und liest die Wandlerelemente in +x-Rich
tung solange aus, bis er zum erstenmal die Intensität J(x)=0
antrifft. Dies sei beim Punkt x1 der Fall. Das Abtasten
geht nun ausgehend vom Mittelpunkt M-1 in negativer x-Rich
tung weiter, bis beim Punkt P2 wieder eine Intensität 0
festgestellt wird. Der Auswertekreis 46 berechnet nun den
Mittelpunkt zwischen P1 und P2, der in der Zeichnung mit
P3 bezeichnet ist. Hiervon ausgehend erfolgt das weitere
Auslesen der Wandlerelemente in +y-Richtung bis zum Punkt
P4, wo ebenfalls Intensität 0 zum erstenmal festgestellt
wird. Dann erfolgt ein Rücksprung zum Punkt P3 und ein
weiteres Auslesen der Wandlerelemente in negativer y-Rich
tung bis zum Punkt P5. Der Mittelpunkt des Kreises ergibt
sich nun als Mitte zwischen P4 und P5, der Durchmesser
des Kreises als Abstand zwischen diesen Punkten. Alternativ
kann man den Kreismittelpunkt auch aus den Koordinaten der
Punkte P1, P2 und P4 berechnen, ebenso den Kreisdurch
messer.
Fig. 7 zeigt ein Flußdiagramm, nach welchem der Auswerte
kreis 46 arbeitet, wobei als Längeneinheit der Abstand be
nachbarter Wandlerelemente angenommen ist. Ein Programmblock
89 enthält die Bestimmung der x-Koordinate des Mittelpunk
tes M0, ein Programmblock 82, der nicht detailliert wieder
gegeben ist, ist das Äquivalent für die y-Richtung.
Bei dem abgewandelten Blockschaltbild nach Fig. 8 sind
oben schon beschriebene Teile mit gleichen Bezugszeichen
versehen. Diese brauchen somit nicht im einzelnen beschrie
ben zu werden.
Der Rechenkreis 54 ist nun eingangsseitig mit fünf Beschleu
nigungsmessern 84x, y, z und a sowie b verbunden, welche
auf der Optikeinheit 28 angeordnet sind und Ausgangssig
nale bereitstellen, die der Beschleunigung der Optikein
heit 28 in x-, y- und z-Richtung bzw. den beiden Drehrich
tungen a und b entsprechen. In Folientechnik ausgeführte
Beschleunigungsfühler mit geringer Masse, die auf der Lin
seneinheit 28 angebracht werden können, sind im Handel er
hältlich. Der Rechenkreis 54 enthält eingangsseitig eine
Integratorstufe 86, die die verschiedenen Beschleunigungs
fühler-Ausgangssignal zweimal aufintegrieren, so daß man
ein Lagesignal für die entsprechende Koordinate erhält.
Diese Lagesignale werden dann in die Größen z, δx und δy
umgesetzt, und diese werden dann wieder weiterverarbeitet
wie oben für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 beschrie
ben.
Claims (13)
1. Optischer Abtastkopf für ein Gerät zum Ausmessen der
Mikrokontur einer Werkstückoberfläche (12), mit einem
Gehäuse (16), mit einer Lichtquelle (18), mit einer senk
recht zur Werkstückoberfläche (12) beweglichen Optik (22)
zum Abbilden der Lichtquelle (18) auf die Werkstückober
fläche (12), mit einem auf die Optik (22) arbeitenden
Elektromagneten, der ein mit der Optik verbundenes magne
tisches oder magnetisierbares Antriebsteil (26) und eine
die Optik (22) unter Spiel umgebende Spulenanordnung (32
bis 36) umfaßt, mit einem lichtempfindlichen Detektor (42),
auf welchen die Optik (22) das von der Werkstückoberfläche
(12) reflektierte Licht abbildet und der ein der Brennpunkts
ablage des ausgeleuchteten Punktes der Werkstückoberfläche
(12) zugeordnetes elektrisches Signal bereitstellt, mit
einem Regelkreis (50), der mit dem Detektorausgangssignal
beaufschlagt ist und den Speisestrom für die Spulenanordnung
(32 bis 36) so einstellt, daß die Optik (22) so verstellt
wird, daß ihr Brennpunkt auf der Werkstückoberfläche (12)
liegt, und mit einer der Optik (22) zugeordneten Lagemeßeinrichtung,
die ein der Axial-Stellung der Optik (22) zugeordnetes
erstes Optik-Lagesignal bereitstellt, dadurch gekennzeichnet,
daß die Optik (22) in der mehrere Spuleneinheiten
(32 bis 36) umfassenden Spulenanordnung freischwebend
gelagert ist; daß der Regelkreis (50) die Speiseströme für
die verschiedenen Spuleneinheiten (32 bis 36) zumindest
gruppenweise getrennt regelt; und daß die Lagemeßeinrichtung
neben dem der Axialstellung (z) zugeordneten ersten Optik-
Lagesignal zusätzlich noch weitere Optik-Lagesignale
für die transversalen Richtungen (x, y) erzeugt.
2. Abtastkopf nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Lagemeßeinrichtung zusätzlich der
Orientierung der Optik (22) zugeordnete Optik-Neigungssignale
erzeugt; daß ein Rechenkreis (54) vorgesehen ist, der
der Neigung der Optik (22) Rechnung tragende Meßpunktkoordinaten-
Korrektursignale aus den Optik-Neigungssignalen
und den Optik-Lagesignalen berechnet; und daß ein Addierkreis
(56) die gemessenen Meßpunkt-Koordinatensignale (58, 60)
und die Meßpunkt-Koordinatenkorrektursignale zusammenfaßt.
3. Abtastkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagemeßeinrichtung
einen mit einem Spulen-Speisestrom beaufschlagten
Rechenkreis (54) aufweist, der das der Axial-Stellung
der Optik (22) zugeordnete erste Optik-Lagesignal bereitstellt
und der
mit den Spulen-Speiseströmen der verschiedenen Spuleneinheiten
(32 bis 36) beaufschlagt ist und diese in die Optik-Lagesignale
für die Axialstellung (z) und die transversalen Richtungen
(x, y) umsetzt.
4. Abtastkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Lagemeßeinrichtung mit der Optik (22) starr verbundene
Beschleunigungsfühler (84) für die Axialstellung und
die transversalen Koordinaten aufweist und die Ausgangssignale
dieser Beschleunigungsfühler (84) durch Integratoren
(86) in einem Rechenkreis (54) zweimal zu den Optik-Lagesignalen aufintegriert werden.
5. Abtastkopf nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Beschleunigungsfühler (84) über
dünne, hochbiegsame Leiter mit gehäusefesten Anschlußklemmen
verbunden sind.
6. Abtastkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß der Detektor (42) eine Matrixanordnung
von Detektorelementen, vorzugsweise eine CCD-Wandlerplatte
umfaßt, daß die Ausgangssignale der verschiedenen diskreten
Detektorelemente laufend durch einen Auswertekreis
(46) verarbeitet werden, der Mittelpunkt und Durchmesser
des auf dem Detektor (42) erhaltenen Lichtflecks (68) berechnet.
7. Abtastkopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß der Auswertekreis (46) das Abtasten der Detektorelemente
ausgehend vom zuletzt ermittelten Kreismittelpunkt
(M-1) vornimmt.
8. Abtastkopf nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet,
daß der Auswertekreis (46) das Abtasten der Detektorelemente
in einer ersten Abtastrichtung unterbricht,
sobald ein verschwindendes Detektorelement-Ausgangssignal
erhalten wird.
9. Abtastkopf nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß der Auswertekreis (46) das Abtasten der Detektorelemente
in der negativen ersten Abtastrichtung ausgehend
vom zuletzt ermittelten Kreismittelpunkt (M-1) fortsetzt.
10. Abtastkopf nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet,
daß der Auswertekreis (46) das Abtasten der Detektorelemente
in einer zweiten Abtastrichtung ausgehend vom
Mittelpunkt (P₃) der ersten Abtaststrecke vornimmt.
11. Abtastkopf nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß der Auswertekreis (46) das Abtasten der Detektorelemente
in der zweiten Abtastrichtung unterbricht, sobald ein verschwindendes
Detektorelement-Ausgangssignal erhalten
wird.
12. Abtastkopf nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß der Auswertekreis (46) das Abtasten der Detektorelemente
in der negativen zweiten Abtastrichtung ausgehend
vom Mittelpunkt (P₃) der ersten Abtaststrecke vornimmt.
13. Abtastkopf nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß der Auswertekreis (46) im Gehäuse
(16) in der Nachbarschaft des Detektors (42) angeordnet
ist.
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