DE4020527C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßmaschine zum optischen Ausmessen des Mikroprofiles von Werkstückoberflächen gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 3.

Eine derartige Meßmaschine ist in der DE 38 00 427 A1 beschrieben. Mit ihr lassen sich Mikroprofile von Werkstückoberflächen sehr exakt und einfach ausmessen. Wichtig ist hierbei, daß die Objektivlinse reibungsfrei gelagert ist und gleichzeitig auf die Achse des Abtastkopfes der Meßmaschine sauber justiert ist. Dies wird über eine durch das Blattfederpaar gebildete Parallelogrammführung gewährleistet. Eine Gleitführung für die Linse würde bei den nur sehr kleinen Linsenverlagerungen (gemäß dem absolut gesehen kleinen Oberflächenprofil) zu Verfälschungen führen, da bei jedem Nachführen der Linse zunächst die Haftreibung der Gleitführung aufgebrochen werden müßte. Die Nachregelung der Fokusbedingungen erfolgt unter zusätzlicher Verwendung eines mit dem Abtastkopf mitbewegten Beschleunigungsfühlers, so daß keine erschütterungsbedingten Meßfehler auftreten. In der zum Nachführen verwendeten Regelschaltung ist ein Korrekturspeicher enthalten, der gemäß dem Ausgangssignal eines Fühlers adressiert wird, welcher das Reflexionsvermögen der Werkstückoberfläche am Abtastpunkt mißt.

Aus der DE 31 50 977 A1 ist bekannt, Führungsfehler an Meßmaschinen, die zum Bestimmen der Makrokontur eines Werkstückes dienen, unter Verwendung zweier Hilfslagefühler zu korrigieren, welche die Verkippung und den Versatz eines einen Abtastkopf tragenden Meßschlittens zu bestimmen gestatten und mit absolut ebenen und exakt parallel zu in einer Referenzebene liegenden Koordinaten verlaufenden Referenzflächen zusammenarbeiten. Zur Berechnung korrigierter Lagesignale unter Verwendung der Ausgangssignale der Hilfslagefühler kann man anstelle eines Rechenkreises, der gemäß der Geometrie der Meßschlittenführung programmiert ist, auch Korrekturspeicher verwenden, die entsprechende Korrektursignale enthalten.

Die Verwendung von Korrekturspeichern ist auch in Zusammenhang mit numerisch arbeitenden Koordinatenantrieben bekannt, wie die DE 16 38 032 C3 zeigt. Hier werden die Sollwerte für die x- und y-Stellung des Zeichenkopfes eines xy-Plotters durch einen mit einem Korrekturspeicher zusammenarbeitenden Rechner so modifiziert, daß den Koordinatenantrieben inhärente Positionierfehler, die z. B. auf Nichtlinearitäten von Leitspindeln und Führungsbahnen beruhen können, kompensiert werden.

Für manche Anwendungsfälle wäre es vorteilhaft, wenn eine Meßmaschine der eingangs angesprochenen Art nicht nur sehr kleine Amplitude aufweisende Mikroprofile von Werkstückoberflächen ausmessen könnte, sondern auch Oberflächenkonturen mit größerer Amplitude.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch eine Meßmaschine gemäß Anspruch 1 und Anspruch 3.

Die erfindungsgemäße optische Meßmaschine enthält weiterhin die durch das Paar parallel übereinanderliegender Blattfedern gebildete federnde Aufhängung und Axialführung für die Linse, die reibungsfrei arbeitet. Zusätzlich sind Vorkehrungen getroffen, um die seitliche Versetzung der Linsenhalterachse, die bei größerer Auslenkung erfolgt, so zu kompensieren, daß insgesamt die richtigen Koordinaten des Abtastpunktes in der Referenzebene und die richtige Höhe des Abtastpunktes über der Referenzfläche erhalten wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteran­ sprüchen angegeben.

Gemäß Anspruch 2 und 4 lassen sich auf apparativ einfache, gegen Störeinflüsse unempfindliche und präzise Weise Korrektursig­ nale sehr unterschiedlicher Größe auch bei nichtlinearem Zusammenhang zwischen der Linsenauslenkung und dem Versatz der Linsenhalterachse speichern.

Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 5 ist im Hinblick auf eine einfache Korrektur der Roh-Meßsignale von Vorteil.

Mit den Weiterbildungen der Erfindung gemäß den Ansprüchen 6 und 7 wird erreicht, daß der Meßstrahl selbst bei ausge­ lenktem Linsenhalter so modifiziert wird, daß er an demje­ nigen Punkt der Werkstückoberfläche auftrifft, welchen die Soll-Linsenachse schneidet.

Die im Anspruch 8 angegebenen Kompensationsmotoren zeichnen sich durch ein rasches Ansprechverhalten, mechanisch ein­ fachen Aufbau und geringen Leistungsbedarf aus. Dabei haben die elektrostriktiven und magnetostriktiven Elemente den zusätzlichen Vorteil, daß sie eine abgesehen von den ge­ wünschten feldinduzierten Längenänderungen starre Anbrin­ gung der Linse bzw. des verkippbaren optischen Elementes ermöglichen.

Mit einer Einrichtung gemäß Anspruch 9 kann man auf ein­ fache Weise den Korrekturspeicher für eine beliebige opti­ sche Meßmaschine individuell programmieren und so nicht nur systembedingten sondern auch fertigungsbedingten Meß­ fehlern der Meßmaschine Rechnung tragen. Da bei der verwendeten Kalibrierplatte, die Höhenlinien durch Kanten der Oberfläche gebildet sind, kann man diese Unstetigkeiten dazu verwenden, ausgehend vom Linsenstellungsgeber-Ausgangssignal einen Adreßzähler automatisch hochzuzählen, der die aufeinanderfolgenden Speicherzellen des Referenzspeichers adressiert, in welchen die Koordinaten der Höhenlinien in Abtastrichtung und Ele­ vation über der Basisfläche abgespeichert sind.

Gemäß Anspruch 10 kann man zusätzlich auch Korrektursignale für die Elevation gewinnen, die dann gebraucht werden, wenn der Abtastkopf nicht exakt senkrecht zur Referenzebene ju­ stiert ist.

Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 11 kann man auf einfache Weise Höhenlinien definieren, die zwischen den mechanisch in die Kalibrierplatte eingearbeiteten Höhenlinien liegen und so mehr Zwischenpunkte der Korrektur-Kennlinie ermitteln als physikalisch auf der Kalibrierplatte vorgesehen sind. Man kann so auch einfach bei nicht erregtem Linsen­ stellmotor eine der Höhenlinien exakt in den Brennpunkt der Linse stellen, sodaß eine mechanische Höhenfeinjustierung der Kalibrierplatte nicht notwendig ist.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

In dieser zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer optischen Meßmaschine zum Bestimmen sowohl des Mikroprofiles als auch einer gröberen Oberflächenkontur eines Werkstückes;

Fig. 2 eine schematische vergrößerte Ansicht des Abtast­ kopfes der Meßmaschine nach Fig. 1;

Fig. 3 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 2, wobei jedoch die beweglichen Teile des Abtastkopfes in der Stellung wiedergegeben sind, die sie über einem vertieften Abschnitt der Werkstückoberfläche einnehmen;

Fig. 4 eine vereinfachte schematische Darstellung der Meßverhältnisse bei einem Abtastkopf, dessen Achse nicht exakt senkrecht auf der Referenzebene steht;

Fig. 5 eine schematische Darstellung der Auswirkung von Meßfehlern, welche sich bei einem herkömmlichen Abtastkopf für große Amplituden des Oberflächen­ profiles und bei Verkippungen des Abtastkopfes ergeben würden;

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Kalibrierkörpers, mit dessen Hilfe ein Korrekturspeicher der Meß­ maschine nach Fig. 1 programmiert wird;

Fig. 7 ein Blockschaltbild eines Korrekturspeicher-Pro­ grammierkreises der Meßmaschine nach Fig. 1;

Fig. 8 einen abgewandelten Abtastkopf für eine optische Meßmaschine zusammen mit einer Ein­ richtung zum Kompensieren des bei großer Aus­ lenkung erhaltenen seitlichen Versatzes des Lin­ senhalters;

Fig. 9 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 8, in der jedoch eine abgewandelte Versatz-Kompensationseinrich­ tung gezeigt ist; und

Fig. 10 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 8, in welcher eine weiter abgewandelte Versatz-Kompensations­ einrichtung wiedergegeben ist.

In Fig. 1 ist eine Meßmaschine zum optischen Ausmessen des Mikroprofiles von Werkstückoberflächen wiedergegeben, die ein Maschinenbett 10 aufweist. Ein Koordinatensystem x, y, z gibt mit seiner xy-Ebene eine Referenzebene vor, die z-Koordinate entpricht der Höhenkoordinate (Elevation). Auf dem Maschinenbett 10 ist mittels eines Führungsstabes 12 und einer Gewindespindel 14, die von einem y-Koordinatenantrieb 16 her in Drehung versetzt wird, ein y-Schlitten 18 ver­ schiebbar. Letzterer trägt einen x-Schlitten 20, der auf einem Führungsstab 22 läuft und durch eine Gewindespindel 23 verstellt wird, die ihrerseits von einem x-Koordinaten­ antrieb 24 in Drehung versetzt wird.

Den Koordinatenantrieben 16, 24 sind Stellungsgeber 26, 28 zugeordnet, deren Ausgangssignale die Koordinaten des­ jenigen Punktes des das Werkstück tragenden Schlittens 20 angeben, der momentan mit der Achse des Gehäuses 30 eines insgesamt mit 32 bezeichneten Abtastkopfes zusammenfällt. Der Abtastkopf 32 ist seinerseits über eine feststehende Brücke 34 vom Maschinenbett 10 getragen.

Wie insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich, umfaßt der Ab­ tastkopf 32 einen hülsenförmigen Linsenhalter 36, der aus axial magnetisiertem Material besteht und eine Linse 38 trägt. Der Linsenhalter 36 ist durch zwei parallel überei­ nander angeordnete Blattfedern 40, 42 an der Brücke 34 befestigt, die zusammen eine Parallelogrammführung für den Linsenhalter 36 bilden.

Der Linsenhalter 36 durchsetzt unter radialem Spiel eine Ringspule 44, die von einem Speisekreis 46 her so erregt wird, daß der Brennpunkt der Linse 38 auf dem gerade aus­ geleuchteten Abtastpunkt 48 der zu vermessenden Werkstück­ oberfläche 50 liegt.

Hierzu enthält der Abtastkopf 32 einen Halbleiterlaser 52, der einen Meßstrahl 54 mit kleinem Öffnunungswinkel erzeugt. Dieser wird durch einen halbdurchlässigen Strahlteiler 56 und über einen voll verspiegelten Umlenkspiegel 58 durch die Linse 38 auf den Abtastpunkt 48 fokussiert, und das von dort reflektierte Licht gelangt durch die Linse 38, über den Umlenkspiegel 58 und den Strahlteiler 56 sowie durch ein Dachprisma 60 auf einen Wandler 62 mit zwei zur Wandler­ mitte symmetrischen photoelektrischen Wandlerhälften. Die Ausgangssignale der letzteren werden auf die beiden Ein­ gänge eines Differenzverstärkers 64 gegeben, dessen Aus­ gangssignal auf den Speisekreis 46 gegeben wird. Dieser regelt seinen Ausgangsstrom so ein, daß sein Eingangssignal Null wird.

Die Stellung des Linsenhalter 36 wird durch einen Stel­ lungsgeber 66 gemessen, der z. B. ein nach dem Tauchspulen­ prinzip arbeitender Stellungsgeber sein kann.

Die oben beschriebene Aufhängung des Linsenhalters 36 durch die beiden Blattfedern 40, 42 hat den Vorteil, daß sie eine reibungsfreie Axialführung für die Linse 38 darstellt, wel­ che sich somit ruckfrei auch um sehr kleine Strecken bewegen kann, wenn sich die z-Koordinate des Abtastpunktes 48 ändert und der Speisestrom der Ringspule 44 so nachgeregelt wird, daß der Abstand zwischen der Linsenebene und dem Abtast­ punkt 48 wieder der Brennweite f der Linse 38 entspricht. Das Ausgangssignal des Stellungsgebers 66 ist, wie aus der obigen Darlegung ersichtlich, direkt ein Maß für die z-Koor­ dinate des Abtastpunktes 48.

Mißt man mit dem in Fig. 2 gezeigten Abtastkopf Oberflä­ chenkonturen mit größerem Amplitudenhub aus, so führt die oben beschriebene Aufhängung des Linsenhalters dazu, daß - wie in Fig. 3 gezeigt - die dort mit 68 bezeichnete Achse des Linsenhalters seitlich zur mit 70 bezeichneten Sollachse des Abtastkopfes (Gehäuseachse oder Linsenachse bei nicht erregter Ringspule) versetzt ist. In diesem Falle erhält man einen entsprechenden seitlichen Versatz dx zwischen dem echten Abtastpunkt 48 und dem Sollabtastpunkt 72 (Schnittpunkt der Sollachse 70 mit der Werkstückoberfläche 50).

Sind die beiden Blattfedern 40, 42 exakt in x-Richtung aus­ gefluchtet, erhält man einen Versatz der Linsenhalterachse 68 bei großen Linsenhalterauslenkungen in z-Richtung nur in x-Richtung, nicht jedoch in y-Richtung. Sind die beiden Blattfedern 40, 42 nicht exakt in x-Richtung ausgefluchtet, ergibt sich ein ähnlicher seitlicher Versatz dy auch für die y-Richtung.

In der Praxis ist es zuweilen unmöglich, die Sollachse 70 des Abtastkopfes 32 exakt senkrecht auf die xy-Ebene auszu­ richten. Zuweilen arbeitet man auch absichtlich mit einer aus der z-Richtung herausgekippten Sollachse 70, nämlich dann, wenn man für die Nachregelung der Linsenstellung aus­ schließlich diffus reflektiertes Licht verwenden will.

Wie aus Fig. 4 ersichtlich, ergibt sich bei gekippter Soll­ achse 70 ein zusätzlicher seitlicher Versatz dx in x-Rich­ tung, der zu dem anhand von Fig. 3 erläuterten Versatz hinzukommt, der in Fig. 4 der besseren Übersichtlichkeit halber weggelassen ist. Dort sind vereinfacht nur die Ver­ hältnisse bei Lage des Abtastpunktes 48 in der Referenz­ ebene bzw. unterhalb der Referenzebene (gestrichelt) einge­ zeichnet. Aus Fig. 4 ist ferner ersichtlich, daß sich bei gekippter Sollachse 70 auch ein kleiner Meßfehler dz in z-Richtung ergibt.

Um diese Meßfehler dx, dy und dz auszuräumen, hat die Meß­ maschine nach Fig. 1 eine insgesamt mit 74 bezeichnete Korrekturschaltung.

Die Ausgangssignale der Stellungsgeber 26, 28, 66 werden durch Analog/Digitalwandler 76, 78, 80 in BCD-codierte Sig­ nale umgesetzt. Durch das der z-Koordinate zugeordnete Aus­ gangssignal des Analog/Digitalwandlers 80 wird ein Korrek­ turspeicher 82 adressiert. Hierbei kann es sich um ROM, insbesondere EPROM oder EEPROM, oder ein von einem nicht­ flüchtigen Massenspeicher, z. B. einer Festplatte, her ein­ gelesenes RAM handeln. Der Korrekturspeicher 82 enthält in seinen Speicherzellen für eine vorgegebene z-Koordinate jeweils die erforderlichen Korrekturgrößen dx, dy und dz, die an entsprechenden Ausgängen des Korrekturspeichers be­ reitgestellt werden. Diese Korrektursignale werden in Sum­ mierkreisen 84, 86, 88 zu den entsprechenden Roh-Meßsigna­ len hinzuaddiert und die fehlerkorrigierten Meßsignale werden auf eine Ausgabeeinheit 90 gegeben, die in der Regel einen Monitor und einen Plotter umfaßt und die Kontur der Werkstückoberfläche 50 grafisch ausgibt und/oder rechne­ risch auswertet (z. B. Umrechnung in Rauhheitswert).

Zum Einspeichern der Korrektursignale dx, dy und dz in den Korrekturspeicher 82 dient ein Programmierkreis 82, der mit den digitalisierten Roh-Meßsignalen beaufschlagt ist und zudem mit den Datenklemmen des Korrekturspeichers 82 verbunden ist. Sein Aufbau wird später unter Bezugnahme auf Fig. 7 noch näher erläutert.

Fig. 5 zeigt schematisch, welche Fehler sich ergeben wür­ den, wenn man ohne die soeben beschriebene Fehlerkorrektur eine Werkstückoberfläche 50 mit abwechselnd geradlinig ansteigenden und abfallenden Oberflächenabschnitten aus­ messen würde. Die fehlerbehaftete Meßkurve ist gestrichelt bei 50′ gezeigt.

Das Einspeichern der Korrektursignale dx, dy, dz kann dann, wenn nur prinzipbedingte Fehler korrigiert werden sollen, rechnerisch unter Berücksichtigung der Geometrie der Auf­ hängung für den Linsenhalter 36 sowie unter Berücksichti­ gung einer fest vorgegebenen Verkippung der Sollachse 70 durch einen entsprechend programmierten Rechner erfolgen.

Um aber auch fertigungsbedingte unterschiedliche Meßfehler einer speziellen Meßmaschine mit korrigieren zu können, werden die Korrektursignale dx, dy und dz für jede Meß­ maschine experimentell unter Verwendung einer Oberfläche mit genau bekanntem Oberflächenprofil ermittelt.

Fig. 6 zeigt einen besonders gut geeigneten, insgesamt mit 96 bezeichneten Kalibrierkörper. Dieser enthält eine Kalibrier­ platte 98 mit einer schräg abfallenden oberen Stirnfläche 100, in welche ausgehend von der Mitte in regelmäßigem Ab­ stand dreieckigen Querschnitt aufweisende Nuten 102 einge­ stochen sind, die senkrecht zur Zeichenebene von Fig. 6 verlaufen. Die Tiefe und die Anzahl der Nuten ist vorzugs­ weise so gewählt, daß die verschiedenen Kanten (am Nut­ grund und zwischen den Nutflanken und der Stirnfläche 100) in x-Richtung und z-Richtung unter gleichem Abstand aufei­ nanderfolgen.

Anstelle der mechanisch sehr exakt zu bearbeitenden Eich­ platte mit abfallender Stirnfläche kann man auch ein unter dem Stirnflächenwinkel gekippt angeordnetes handelsübliches Strichgitter verwenden, wie es in Gitterspektrometern verwendet wird. Man hat hier eine sehr große Anzahl von äquidistanten Höhenlinien bekannter Lage.

Die Kalibrierplatte 98 ist über einen Piezoaktuator 104 auf einer Basisplatte 106 angebracht.

Der Piezoaktuator 104 wird von einem steuerbaren Hochspan­ nungsgenerator 108 her beaufschlagt, dessen Steuerspannung durch einen einstellbaren Widerstand 110 vorgegeben werden kann. Dieser kann auch ein durch einen Rechner steuer­ barer Spannungsteiler sein.

Zum Kalibrieren einer Meßmaschine wird der Kalibrierkörper 96 (ggf. unter Verwendung von festen Anschlagleisten) auf dem Schlitten 20 so angebracht, daß die Stirnfläche 100 in x-Richtung abfällt und die mittlere der Nuten 102 mit ihrem Grund in der Referenzebene (z=0) steht.

Nun wird der Schlitten 20 so bewegt, daß die gesamte Ober­ seite der Kalibrierplatte 98 unter dem Abtastkopf 32 vorbeige­ fahren wird.

Wie aus Fig. 7 ersichtlich, ist an die mit dem Rohsignal für die z-Richtung beaufschlagten Leiter ein Differenzier­ kreis 112 mit integriertem Doppelweggleichrichter ange­ schlossen, der somit jedesmal dann einen Ausgangsimpuls bereitstellt, wenn eine der Kanten der Kalibrierplatte 98 unter dem Abtastkopf 32 hindurchläuft. Durch diese Impulse wird ein Adressierzähler 114 angesteuert, dessen Ausgang mit den Adreßklemmen eines Referenzspeichers 116 verbunden ist. In diesem sind für jede Kante die Koordinaten (x₀ bzw. z₀) gespeichert.

Läßt sich die mittlere Nut 102 mit mechanischen Mitteln nicht ganz exakt auf die Referenzebene einjustieren, so kann die restliche Feinkorrektur durch Verstellen des Wi­ derstandes 110 erfolgen. Man kann den Widerstand 110 aber auch dazu verwenden, die Kanten der Kalibrierplattenoberfläche um eine kleine Strecke in z-Richtung gezielt zu verlagern, um weitere Zwischenpunkte der Korrektur-Kennlinie dx (z) zu ermitteln. In diesem Falle muß dann die elektrische z-Verstellung der Kalibrierplatte 98 zu den im Referenzspeicher 116 abgelegten z₀-Werten hinzugerechnet werden. Hierzu wird über eine Leitung 118 das Steuersignal für den Piezo­ aktuator 104 auf einen Analog/Digitalwandler 120 gegeben. Dieser ist mit den Adreßklemmen eines Festwertspeichers 122 verbunden, in welchem für jede Steuerspannung die ent­ sprechende Längenänderung dz₀ des Piezoaktuators 104 ab­ gelegt ist. In einem Summierkreis 124 werden die Ausgangs­ signale von Referenzspeicher 116 und Festwertspeicher 122 addiert.

Ein Subtrahierkreis 126 erhält das Roh-Meßsignal für die x-Richtung (x) und das entsprechende Referenzsignal (x₀) und berechnet hieraus die Korrekturgröße dx. Ein weiterer Subtrahierkreis 128 ist mit dem Ausgang des Summierkreises 124 und dem nicht modifizierten z-Meßsignal beaufschlagt und berechnet den Korrekturwert dz. Diese Werte werden über einen insgesamt mit 130 bezeichneten Schalter auf Leitungen bereitgestellt, die mit der dx- bzw. dz-Klemme des Korrek­ turspeichers 82 verbunden sind. Auf einer weiteren Leitung gibt der Programmierkreis 92 ferner dann ein Aktivierungs­ signal für eine Einlesesteuerklemme E des Korrekturspeichers 82 ab, wenn von ihm Korrekturwerte berechnet werden.

Hierzu ist der vier Schaltebenen aufweisender Schalter 130 mit vier mechanisch gekoppelten Schaltbrücken 132, 134, 136, 138 vorgesehen. Deren mittlere Schaltstellungen sind jeweils nicht belegt.

In der ersten und dritten Schaltstellung stellt die Schalt­ brücke 134 jeweils eine Verbindung zur Versorgungsspannung +V her, wodurch das Einlese-Steuersignal E für den Korrektur­ speicher 92 bereitgestellt wird. Die entsprechenden ansteigen­ den Signalflanken gelangen zugleich auf die Rückstellklemme R des Adressierzählers 114.

Durch die Schaltbrücke 132 wird wahlweise das x-Meßsignal bzw. das y-Meßsignal auf den Subtrahierkreis 126 gegeben, so daß die in Fig. 7 gezeigte Programmierschaltung auch für die Kalibrierung in y-Richtung verwendet werden kann, wozu nur der Kalibrierkörper 96 um 90° um die z-Achse gedreht werden muß und der y-Koordinatenantrieb 26 anstelle des x- Koordi­ natenantriebes 24 aktiviert wird.

Die Schaltbrücke 136 gibt das Ausgangssignal des Subtrahier­ kreises 126 entsprechend wahlweise auf die Leitung zum dx- bzw. zum dy-Eingang des Korrekturspeichers 82. Die Schalt­ brücke 138 gibt in beiden Endstellungen das Ausgangssignal des Subtrahierkreises 128 auf die Leitung zum dz-Eingang des Korrekturspeichers 82. In der Mittelstellung der Schalt­ brücken sind die Leitungen vom Programmierkreis 92 zum Korrekturspeicher 82 nicht mit Signal beaufschlagt.

Bei dem soeben beschriebenen Ausführungsbeispiel erfolgt eine Korrektur der Roh-Stellungssignale gemäß einer zuvor experimentell oder rechnerisch ermittelten Korrektur-Kenn­ linie für die x-, y- und z-Richtung in Abhängigkeit vom gemessenen z-Signal.

Bei einer vereinfachten Ausführungsform kann man die Korrek­ tur auch nur für die x-Richtung vornehmen und die entspre­ chenden Schaltkreise für die y- und z-Richtung weglassen, wenn die Blattfedern 40, 42 gut parallel zur x-Achse ausge­ fluchtet sind und allenfalls eine kleine Verkippung der Sollachse 70 vorliegt.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist aber ein Ausmessen einer starken Änderung der Oberflächenkontur in z-Richtung zwangsläufig mit einer Verlagerung des Abtast­ punktes 48 in x-Richtung verbunden. Dies bedeutet, daß man die Fußpunkte derartiger scharfer Rücksprünge und Vorsprünge nicht mit sehr hoher Präzision auflösen kann.

Bei den abgewandelten Ausführungsbeispielen nach den Fig. 8 bis 10 erfolgt die Korrektur des seitlichen Versatzes des Linsenhalters 36 bei größeren Auslenkungen der Blatt­ federn 40, 42 dadurch, daß man ein optisches Element so verlagert, daß der Ist-Abtastpunkt 48 auf der Sollachse 70 gehalten wird.

In den Fig. 8 bis 10 sind Bauteile, die obenstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 7 schon erläutert wurden, wieder mit denselben Bezugszeichen versehen und werden nicht nochmals im einzelnen beschrieben.

Bei der in Fig. 8 gezeigten Meßmaschine ist am Linsenhal­ ter 36 über einen piezoelektrischen Aktuator 140 eine Lin­ senfassung 142 angebracht. Der Aktuator 140 erstreckt sich in x-Richtung und kann die Linse 38 von der Linsenhalter­ achse 68 in seitlicher Richtung auf die Sollachse 70 be­ wegen. In einem Korrekturspeicher 82, der wieder durch das digitalisierte (80) Ausgangssignal des z-Stellungsgebers 66 adressiert wird, sind jeweils diejenigen Spannungswerte in digitaler Form abgelegt, die benötigt werden, um gerade die erforderliche Kompensationsbewegung vom piezoelektri­ schen Aktuator 140 zu erhalten. Das vom Korrekturspeicher 82 ausgegebene digitale Korrektursignal wird in einem Digi­ tal/Analogwandler 144 in ein analoges Steuersignal umge­ setzt, mit welchem ein Hochspannungsgenerator 146 ange­ steuert wird, der den Aktuator 140 speist.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 9 unterscheidet sich von dem nach Fig. 8 dadurch, daß das Bewegen des Abtast­ punktes 48 auf die Sollachse 70 durch Verkippen der Linse 38 erfolgt. Die Linsenfassung 142 ist nun schwenkbar im Inneren des Linsenhalters 36 angeordnet, wobei die Schwenk­ achse 148 vorzugsweise um die Hälfte des maximalen seit­ lichen Versatzes dx von der Linsenhalterachse 68 entfernt ist, wie aus der Zeichnung ersichtlich. Die Linsenfassung 142 ist drehfest mit einem Hebel 150 verbunden, der durch einen nach dem Tauchspulenprinzip arbeitenden elektromag­ netischen Aktuator 152 verstellt werden kann. Dessen Erre­ gung kann analog erfolgen wie die Erregung des Aktuators 140 von Fig. 8, indem man den Hochspannungsgenerator 146 durch eine steuerbare Stromquelle ersetzt.

Bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 8 und 9 waren die Aktuatoren 140, 152 so angebracht, daß die durch sie zu bewegenden Massen möglichst klein sind. Es versteht sich, daß man die Aktuatoren stattdessen auch zwischen der Brücke 34 und einem hiervon getrennten Tragteil für die Blattfedern 40, 42 anbringen kann, wobei dann der gesamte Abtastkopf verschoben oder verschwenkt wird.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 10 ist der Umlenkspiegel 58 auf einer Welle 154 drehbar angebracht, die wieder einen Hebel 150 trägt, der durch einen feststehenden elektromag­ netischen Aktuator 152 verschwenkbar ist. Der Speisestrom für den Aktuator 152 wird wieder ausgehend von in einem Korrekturspeicher abgelegten Werten eingestellt, die so gewählt sind, daß der Umlenkspiegel 58 gerade soweit verkippt wird, daß der Abtastpunkt 48 von der Linsenhalterachse 68 auf die Sollachse 70 gelegt wird.

Claims (11)

1. Meßmaschine zum optischen Ausmessen des Mikroprofiles von Werkstückoberflächen, mit einer Lichtquelle (52), mit einer durch zwei parallel übereinanderliegende Blattfedern (40, 42) axial beweglich gelagerten Linse (38) zum Abbilden der Lichtquelle auf die Werkstückoberfläche (50) und zum Abbilden des von der Werkstückoberfläche (50) reflektierten Lichtes auf eine Detektoranordnung (60, 62, 64), die ein der Außerbrennpunktslage des Abtastpunktes (48) auf der Werkstückoberfläche (50) zugeordnetes Ausgangssignal bereitstellt, mit einem auf die Linse (38) arbeitenden Fokussier-Stellmotor (36, 44), mit einer Regelschaltung (46), die den Fokussier-Stellmotor (36, 44) so erregt, daß das Ausgangssignal der Detektoranordnung (60, 62, 64) dem bei einer Brennpunktslage des Abtastpunktes (48) erhaltenen Ausgangssignal entspricht, mit einem die Axialstellung der Linse (38) messenden Linsenstellungsgeber (66), welcher ein der Höhenkoordinate (z) des Abtastpunktes (48) entsprechendes Ausgangssignal bereitstellt, mit Abtastpunkt-Stellungsgebern (26, 28), welche den Koordinaten (x, y) der Abtastkopfachse (70) in einer Referenzebene (z = 0) entsprechende Ausgangssignale bereitstellen, und mit einem Korrekturspeicher (82), der mit einem den Ist-Meßbedingungen zugeordneten Eingangssignal beaufschlagt ist und zur Kompensation von Abweichungen zwischen Ist-Meßbedingungen und Soll-Meßbedingungen dienende Korrektursignale bereitstellt, dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Korrekturspeicher (82) eingangsseitig mit dem Ausgangssignal des Linsenstellungsgebers (66) beaufschlagt ist und in Abhängigkeit von diesem Signal (z) Korrektursignale (dx, dy, dz) bereitstellt, welche durch die Blattfederaufhängung der Linse (38) und/oder der Grundverkippung der Abtastkopfachse (70) bedingte Verfälschungen der Koordinaten der Abtastkopfachse (70) ausgleichen; und
• - eine Rechenschaltung (84, 86, 88) vorgesehen ist, welche den Ausgangssignalen (x, y, z) der Stellungsgeber (26, 28, 66) die Korrektursignale (dx, dy, dz) hinzufügt.

2. Meßmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Linsenstellungsgebers (66) auf einen Analog/Digitalwandler (80) gegeben wird und des­ sen Ausgangssignal zur Adressierung des digitalen Korrektur­ speichers (82) verwendet wird.

3. Meßmaschine zum optischen Ausmessen des Mikroprofiles von Werkstückoberflächen, mit einer Lichtquelle (52), mit einer durch zwei parallel übereinanderliegende Blattfedern (40, 42) axial beweglich gelagerten Linse (38) zum Abbilden der Lichtquelle auf die Werkstückoberfläche (50) und zum Abbilden des von der Werkstückoberfläche (50) reflektierten Lichtes auf eine Detektoranordnung (60, 62, 64), die ein der Außerbrennpunktslage des Abtastpunktes (48) auf der Werkstückoberfläche (50) zugeordnetes Ausgangssignal bereitstellt, mit einem auf die Linse (38) arbeitenden Fokussier-Stellmotor (36, 44), mit einer Regelschaltung (46), die den Fokussier-Stellmotor (36, 44) so erregt, daß das Ausgangssignal der Detektoranordnung (60, 62, 64) dem bei einer Brennpunktslage des Abtastpunktes (48) erhaltenen Ausgangssignal entspricht, mit einem die Axialstellung der Linse (38) messenden Linsenstellungsgeber (66), welcher ein der Höhenkoordinate (z) des Abtastpunktes (48) entsprechendes Ausgangssignal bereitstellt, mit Abtastpunkt-Stellungsgebern (26, 28), welche den Koordinaten (x, y) der Abtastkopfachse (70) in einer Referenzebene (z = 0) entsprechende Ausgangssignale bereitstellen, und mit einem Korrekturspeicher (82), der mit einem den Ist-Meßbedingungen zugeordneten Eingangssignal beaufschlagt ist und zur Kompensation von Abweichungen zwischen Ist-Meßbedingungen und Soll-Meßbedingungen dienende Korrektursignale bereitstellt, dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Korrekturspeicher (82) eingangsseitig mit dem Ausgangssignal des Linsenstellungsgebers (66) beaufschlagt ist und in Abhängigkeit von diesem Signal (z) Korrektursignale (dx, dy, dz) bereitstellt, welche durch die Blattfederaufhängung der Linse (38) und/oder der Grundverkippung der Abtastkopfachse (70) bedingte Verfälschungen der Koordinaten der Abtastkopfachse (70) ausgleichen; und
• - eine Kompensations-Stelleinrichtung vorgesehen ist, die in Abhängigkeit von den vom Korrekturspeicher (82) bereitgestellten Korrektursignalen (dx, dy, dz) erregt wird, um den Meßlichtstrahl (54) oder das Werkstück entgegen dem Versatz zu bewegen.

4. Meßmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Linsenstellungsgebers (66) auf einen Analog/Digitalwandler (80) gegeben wird und dessen Ausgangssignal zur Adressierung des digitalen Korrekturspeichers (82) verwendet wird.

5. Meßmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der Abtastpunkt-Stellungsgeber (26, 28) auf Analog/Digitalwandler (76, 78) gegeben werden und die Rechenschaltung (84, 86, 88) digitale Summierkreise aufweist, die mit den digitalisierten Ausgangssignalen der Stellungsgeber (26, 28, 66) und den digitalen Korrektur­ signalen (dx, dy, dz) des Korrekturspeichers (82) beauf­ schlagt sind und versatzkompensierte Meßsignale be­ reitstellen.

6. Meßmaschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Linse (38) transversal verschiebbar oder verkippbar mit dem Abtriebsteil (36) des Fokussier-Stell­ motors (44, 46) verbunden ist und die Kompensations-Stellein­ richtung einen ebenfalls von diesen Abtriebsteil (36) ge­ tragenen und an der Linse (38) angreifenden Kompensations­ motor (140; 152) aufweist.

7. Meßmaschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein optisches Element (58), über welches die Richtung des Meßlichtstrahles (54) vorgegeben wird, verkippbar gelagert (154) ist und die Kompensations-Stelleinrich­ tung einen an diesem optischen Element (58) angreifenden Kom­ pensationsmotor (152) aufweist.

8. Meßmaschine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kompensationsmotor (140; 152) ein elektromagnetischer Aktuator, ein elektrostriktiver Aktu­ ator oder ein magnetostriktiver Aktuator ist.

9. Meßmachine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zum Programmieren des Korrekturspeichers mittels eines Kalibrierkörpers (96), welcher eine Mehrzahl parallel zur Aufstellfläche verlaufender Höhen­ linien (104) bekannten Abstandes und bekannter Elevation über der Basisfläche aufweist, wobei die Höhenlinien (104) Kanten in der Oberfläche des Eichkörpers (96) sind, an den Ausgang des Linsenstel­ lungsgebers (66) ein Differenzierkreis (112) angeschlossen ist, dessen Ausgangssignale zum Hochzählen eines Adressier­ zählers (114) dienen, mit welchem ein Referenzspeicher (116) adressiert wird, in welchem die Lagekoordinaten der Höhen­ linien (104) abgelegt sind, und daß das Ausgangssignal des Referenzspeichers (116) und das Ausgangssignal des Abtast­ punkt-Stellungsgebers (26, 28) für die jeweilige Abtastrich­ tung (x, y) und das Ausgangssignal des Referenzspeichers (116) auf die Eingänge eines Subtrahierkreises (126) gegeben werden, dessen Ausgang das Korrektursignal (dx, dy) für die betrachtete Abtastrichtung bereitstellt, welches in den Korrekturspeicher (82) eingelesen wird.

10. Meßmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Linsenstellungsgebers (66) und das Ausgangssignal des Referenzspeichers (116) auf einen zweiten Subtrahierkreis (128) gegeben werden, der ein Höhen-Korrektursignal (dz) bereitstellt, welches in den Korrekturspeicher (82) eingelesen wird.

11. Meßmaschine nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeich­ net, daß bei Verwendung eines Kalibrierkörpers (96), der eine von einem piezoelek­ trischen oder magnetostriktiven Aktuator (104) getragene Eichplatte (98) aufweist, deren Stirnfläche (100) die Höhenlinien (104) trägt, der Programmierkreis (92) einen Summierkreis (124) aufweist, der mit dem Ausgang eines Festwertspeichers (122), der mit dem digitalisierten Steuer­ signal (118, 120) für den Eichplatten-Aktuator (104) adres­ siert wird und die Längenänderungen des Aktuators (104) enthält, die für die verschiedenen Aktuator-Erregerspannungen oder Erregerströme erhalten werden, und mit dem Ausgang des Referenzspeichers (116) verbunden ist und ein modifiziertes Referenzsignal bereitstellt.