DE4136326A1 - Verfahren zur pruefung der oberflaeche von torusfoermigen oder kugelfoermigen koerpern sowie vorrichtungen zu dessen durchfuehrung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung der Oberfläche von torusförmigen oder kugelförmigen Körpern, bei dem optische Strahlung auf die Oberfläche projiziert und daran reflektierte oder gestreute Strahlanteile mittels lichtelektrischer Detektoren ausgewertet werden, sowie Vorrichtungen zu dessen Durchführung.

Geräte zur Prüfung der Oberflächenqualität von Kugeln sind bekannt. Hierbei wird die vollständige Oberfläche von Kugeln, wie Kugellager-Kugeln oder Glas-Kugeln zur Herstellung kleiner optischer Linsen untersucht auf Freiheit von Fehlern, wie Kratzer, Grübchen, Aussprünge und auf die Qualität der Politur.

Bei den bekannten Geräten bereitet die Beleuchtung der sphärischen Oberflächen zur optischen Prüfung Schwierigkeiten. Soll die optische Strahlung an der Kugel in Richtung einer entfernt angeordneten Eintrittspupille eines optischen Prüfsystems reflektiert werden, so muß sie aus einer Vielzahl von Richtungen auf die Kugel eingestrahlt werden. Der für diese Beleuchtung erforderliche Raumwinkelbereich ist mindestens doppelt so groß, wie der Raumwinkelbereich, welchen der Teil der Kugeloberfläche aufspannt, welcher bei einer Beobachtung gleichzeitig erfaßt werden soll.

Soll z. B. eine Hälfte der Kugeloberfläche bei einer Beobachtung gleichzeitig erfaßt werden, so muß die beleuchtende Strahlung aus fast allen Richtungen auf die Kugel eingestrahlt werden. Dies ist in Fig. 1 veranschaulicht, welche eine zu prüfende Kugel 1 zeigt, deren Halboberfläche 2 mit einem optischen System 3 erfaßt werden soll. Wie ersichtlich, haben alle in das optische System 3 gelangende Strahlen 4, welche an der Halboberfläche 2 reflektiert wurden, Ursprungsrichtungen aus fast allen Richtungen im Raum, wie mit den einfallenden Strahlen 5 angedeutet ist.

Der Raumwinkelbereich der beleuchtenden Strahlung läßt sich reduzieren, wenn man den bei einer Beobachtung gleichzeitig zu erfassenden Oberflächenbereich der Prüfkugel einschränkt. Damit ist aber der Nachteil verbunden, daß zur gleichzeitigen Erfassung der gesamten Oberfläche viele optische Systeme erforderlich sind. Andernfalls muß man die einzelnen Oberflächenbereiche durch einen Abtastvorgang nacheinander erfassen.

Eine solche Abtastung erreicht man mit bekannten Geräten, indem man die Prüfkugel einer Rotation, einer Translation oder einer Kombination beider Bewegungen unterwirft. Bei dem bekannten "Automat AVIKO K-0610 E" wird mit einem optischen System ein kleiner Bereich der Kugeloberfläche in einem Blickfeld erfaßt. Dabei überstreicht man durch eine reine Rotation der Prüfkugel um zwei Achsen im Lauf der Zeit jeden Oberflächenpunkt mit dem Blickfeld des optischen Systems. Die hierbei verwendete Rotation um mehrere Achsen bringt gewichtige Nachteile mit sich, weil erforderliche Beschleunigungen auf hohe Drehzahlen der Prüfkugel um mehrere Achsen während der ganzen Prüfdauer Geschwindigkeitsdifferenzen an den Berührungspunkten zwischen Prüfkugel und Antriebs- oder Führungsmitteln zur Folge haben. Diese Geschwindigkeitsdifferenzen haben schon Abnützungen und Schäden der Oberflächen der Prüfkugeln verursacht.

Mit einer kombinierten Rollbewegung der Prüfkugel arbeitet ein von der Firma N+N Ball, North Carolina, U.S.A. hergestelltes Gerät. Dabei rollen die Prüfkugeln an einer Kamera vorbei, mit welcher man einen streifenförmigen Oberflächenbereich erfaßt, der sich quer zur Rollbewegung erstreckt. Die Prüfkugeln rollen so über zwei beabstandete Lagerschienen, daß die Drehgeschwindigkeit ihrer Oberflächen größer ist, als jene, welche man durch Vorbeilaufen auf einer einfachen Lauffläche erzielen würde. Bei den diesen Geräten zugrundeliegenden Verfahren erreicht man durch das Vorbeirollen der Prüfkugeln an einer feststehenden Beobachtungsoptik im Lauf der Zeit ein Überstreichen eines größeren Oberflächenbereiches mit einem streifenförmigen Blickfeld. Dabei kann man auch die gesamte Oberfläche der Prüfkugel erfassen.

Bei den zuletzt genannten Verfahren hat man also die Größe des Blickfeldes in Richtung der Abtastbewegung reduziert, jedoch nicht in Richtung senkrecht zur Abtastbewegung. Darüberhinaus ist trotz dieser Blickfeldreduzierung der erforderliche Winkelbereich der Beleuchtung für dieses Blickfeld auch in Richtung der Abtastbewegung nur wenig verkleinert worden. Dies deshalb, weil sich die Orientierung des im Blickfeld befindlichen Oberflächenbereiches beim Vorbeirollen der Prüfkugel ändert, wie in Fig. 2a und 2b gezeigt ist.

In Fig. 2a tritt die Prüfkugel 1 bei ihrer Bewegung längs des Pfeiles 6 gerade in das Blickfeld des optischen Systems 3 ein. Soll die an der Prüfkugel 1 reflektierte optische Strahlung hier noch in das optische System 3 gelangen, so muß sie aus der Richtung des Pfeiles 7 von unten rechts her einfallen. In Fig. 2b tritt die Prüfkugel 1 bei ihrer Bewegung längs des Pfeiles 6 gerade aus dem Blickfeld des optischen Systems 3 aus. Wie ersichtlich, muß die beleuchtende Strahlung hier aus der Richtung des Pfeiles 8 von unten links her einfallen.

Zur Sicherstellung der Funktion in allen Fällen muß also die beleuchtende Strahlung auch in der durch den Pfeil 6 angedeuteten Abtastrichtung über einen großen Winkelbereich zwischen den Pfeilen 7 und 8 einfallen. Dieser Winkelbereich läßt sich nur einschränken, indem man die Translationsbewegung der Prüfkugel 1 während der Abtastung einschränkt. Wegen des vorausgesetzten streifenförmigen Prüfbereiches ist beim hier besprochenen bekannten Verfahren der Winkelbereich der Beleuchtung senkrecht zur Abtastbewegung ebenfalls recht groß.

Eine weitere Schwierigkeit bei diesem Verfahren liegt darin, daß bei zentraler Betrachtung der Prüfkugel 1 mit dem optischen System 3 die Beleuchtungsstrahlung aus der Betrachtungsrichtung her kommen muß. Als nachteilig erweist sich hier auch die erhebliche Neigung achsferner zu prüfender Oberflächenbereiche der Prüfkugel 1 gegenüber der optischen Achse des optischen Systems 3. In Fig. 3 ist angenommen, die Prüfkugel 1 bewegt sich auf den Beobachter zu, so daß sich das ausgedehnte Blickfeld des optischen Systems 3 seitlich zwischen den Grenzen 10 und 11 erstreckt. Die erhebliche Neigung der Oberfläche der Prüfkugel 1 an den Grenzen 10 und 11 ist deutlich erkennbar. Aber auch in Richtung der in Fig. 2a und 2b durch die Pfeile 6 symbolisierten Abtastbewegung ergeben sich infolge des Durchlaufes der Prüfkugel 1 starke Neigungen zu prüfender Oberflächenbereiche. Durch diese Schiefe der Oberflächenbereiche ergibt sich notwendig eine Einschränkung der Lateralauflösung der Beobachtungsoptik, sowie der Detektionsempfindlichkeit für Oberflächenfehler der Prüfkugel 1.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Oberflächenprüfung von torusförmigen oder kugelförmigen Körpern, sowie Vorrichtungen zu dessen Durchführung anzugeben, welche die oben beschriebenen Nachteile bekannter Verfahren und Vorrichtungen vermeiden.

Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch, daß die optische Strahlung in jedem Punkt eines Bereiches der zu prüfenden Oberfläche senkrecht eingestrahlt wird, daß nur Strahlung aus mindestens einem streifenförmigen Teil des Bereiches auf einen lichtelektrischen Detektor geführt wird und daß der Prüfkörper beim Prüfvorgang lediglich einer Rotation um eine Symmetrieachse unterworfen wird so, daß sich die Einfallswinkel der eingestrahlten Strahlung dabei nicht ändern. Eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß zur Rotation der kugelförmigen Prüfkörper um eine Symmetrieachse an einem zur Abbildung der streifenförmigen Prüfbereiche geeigneten Ort mindestens drei Rollen vorgesehen sind, auf welchen jeder Prüfkörper in mindestens drei Punkten aufliegen kann und von denen mindestens eine Rolle einen Rotationsantrieb aufweist. Vorteilhafte Ausbildungen der Vorrichtungen und Verfahren sind in den Patentansprüchen 2 bis 11 und 13 bis 19 gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nun anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 bei einem bekannten Gerät die Reflexion von beleuchtenden Lichtstrahlen an einer Hälfte einer Prüfkugel in eine entfernt gelegene Pupille eines optischen Systems;

Fig. 2a und 2b bei einem bekannten Gerät den Bereich von zur Abtastung erforderlichen Beleuchtungswinkeln beim Durchlauf einer Prüfkugel durch das Blickfeld eines optischen Systems;

Fig. 3 bei einem bekannten Gerät die schiefe Lage von Oberflächenbereichen einer Prüfkugel bei Prüfung mit einem optischen System mit einem ausgedehnten Blickfeld;

Fig. 4 bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung die Ausblendung eines durch einen Oberflächenfehler verursachten Lichtstrahles an einem Raumfilter;

Fig. 5 bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung die Weiterleitung eines durch einen Oberflächenfehler verursachten Lichtstrahles an einem Raumfilter bei Dunkelfeldbeleuchtung;

Fig. 6 das optische Schema eines Sensors für eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Prüfung der Oberfläche von kugelförmigen Körpern bei Dunkelfeldbeleuchtung;

Fig. 7 das optische Schema eines Sensors für eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Prüfung der Oberfläche von kugelförmigen Körpern bei Hellfeldbeleuchtung;

Fig. 8 die Lage eines streifenförmigen Teiles zu prüfender Oberflächen von torusförmigen Körpern;

Fig. 9 das Schema einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Prüfung der Oberfläche von kugelförmigen Körpern;

Fig. 10 das Schema einer Variante der Vorrichtung gemäß Fig. 9;

Fig. 11a, 11b, 11c verschiedene Ansichten eines drehbaren Trägers für Rollengruppen zur Rotation und zum Transport von Prüfkugeln in einer Vorrichtung gemäß Fig. 10 im Detail;

Fig. 12 das Schema von Lagerung und Antrieb eines drehbaren Trägers mit Antriebsrolle in einer Vorrichtung gemäß Fig. 10 im Detail; und

Fig. 13 eine Seitenansicht des Schemas gemäß Fig. 12.

Im in Fig. 6 gezeigten optischen Schema eines Sensors für eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist mit 1 eine zu prüfende Kugel bezeichnet, welche durch weiter unten beschriebene Vorrichtungen um ihren Mittelpunkt 20 im Sinne des Pfeiles 21 in Drehung versetzt wurde. Eine von einer Elektronik gespeiste nahezu punktförmige Lichtquelle 22 wird über eine Optik 23, einen Strahlenteiler 24 und eine zweite Optik 25 in den Mittelpunkt 20 der Prüfkugel 1 abgebildet. Dabei sind die Optiken 23, 25 so ausgebildet, daß der Strahlengang senkrecht auf die Oberfläche der Prüfkugel 1 auftrifft. Durch Reflexion des Strahlenganges an der Oberfläche der Prüfkugel 1 wird dieselbe über die zweite Optik 25, den Strahlenteiler 24 und eine dritte Optik 26 auf einen lichtelektrischen Detektor 27 abgebildet. In diesem Abbildungsstrahlengang dient eine zwischen Strahlenteiler 24 und dritter Optik 26 angeordnete Aperturblende 28 als Raumfilter mit zentraler Abdeckung, auf welche der in der Eintrittspupille gelegene Mittelpunkt 20 der Prüfkugel 1 und damit die Lichtquelle 22 abgebildet wird, so daß eine Dunkelfeldbeleuchtung des lichtelektrischen Detektors 27 vorliegt.

Für die soweit beschriebenen Abbildungen geeignete Optiken 23, 25 und 26 stehen dem Fachmann zur Verfügung. Insbesondere für die zweite Optik 25 bieten sich neben reinen Linsensystemen auch Lösungen mit spiegelnden Elementen oder auch katadioptrische Systeme an. Weil die beleuchtende Strahlung von der nahezu punktförmigen Lichtquelle 22 bei ihrer Projektion senkrecht auf die Oberfläche der Prüfkugel 1 auftrifft, wird sie in sich selbst reflektiert und läuft normalerweise auf dem gleichen Weg durch die zweite Optik 25 zurück. Bei Oberflächenfehlern der Prüfkugel 1 im Bereich der Beleuchtungszone wird dort Strahlung auf einen anderen Weg 29 abgelenkt. Dabei kann diese Strahlung aufgefangen werden durch Fassungsteile eines Linsenelementes oder durch eine Aperturblende 28, wie es in Fig. 4 gezeigt ist.

Gemäß dem vorliegenden Prüfverfahren wird die Oberfläche der Prüfkugel 1 auf den lichtelektrischen Detektor 27 abgebildet, entweder in Hellfeldbeleuchtung unter Verwendung des größeren Lichtanteiles, welcher durch die Projektionsoptik 25 zurückläuft, oder im Dunkelfeld mittels der zentralen Abdeckung der Aperturblende 28, welche im oder nahe dem Bild des Mittelpunktes 20 der Prüfkugel 1 liegt, wie es Fig. 5 zeigt. Bei dieser Abbildung wird nur das Licht verwendet, welches durch Fehler an der Oberfläche der Prüfkugel 1 abgelenkt wurde.

Damit durch den soweit beschriebenen Sensor die gesamte Oberfläche der Prüfkugel 1 beobachtet werden kann, besitzt der lichtelektrische Detektor 27 eine streifenförmige Empfängerfläche, so daß er nur einen streifenförmigen Teil der beleuchteten Oberfläche der Prüfkugel 1 erfassen kann. Durch die Rotation gemäß dem Pfeil 21, Fig. 6, um eine feststehende Symmetrieachse in der Zeichnungsebene, kann man schrittweise die gesamte Oberfläche der Prüfkugel 1 bei einer einzigen Umdrehung beobachten, falls, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, mehrere kombinierte streifenförmige Beobachtungsfelder eines oder mehrerer Sensoren den Winkelbereich von einem Pol der Prüfkugel 1 bis zu ihrem anderen Pol abdecken.

Aus diesem Grunde ist bei diesem Prüfverfahren keine hohe Rotationsgeschwindigkeit und Rotationsbeschleunigung der Prüfkugel 1 erforderlich. Die Aperturblende 28 gemäß Fig. 6 limitiert als Raumfilter die durch sie hindurchgehende Strahlung räumlich. Es ist wesentlich, daß dieses Raumfilter als begrenzende Apertur oder Aperturblende des optischen Systems wirkt, so daß die Eintrittspupille dieses Systems im Krümmungszentrum 20 der Prüfkugel 1 liegt. Die streifenförmige Empfängerfläche des lichtelektrischen Detektors 27 ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ortsempfindlich, damit die Lagen von Oberflächenfehlern der Prüfkugel 1 bestimmt werden können. Als derartige Detektoren 27 eignen sich CCD-Arrays oder Diodenarrays, wie der Typ LC 1901 von EG+G oder der Typ CAM 1600 R von Loral Fairchild/Weston.

Dem lichtelektrischen Detektor 27 angeschlossen ist eine in Fig. 6 nicht mit dargestellte Auswerteelektronik zur Gewinnung und Darstellung von Gut-/Schlecht-Signalen für die Prüfkugeln 1. Hierfür eignet sich z. B. eine von I.C.R.A. Inc., Blacksburg, Virginia, U.S.A. hergestellte Elektronik.

Im Falle einer Prüfung mittels Hellfeldbeleuchtung des lichtelektrischen Detektors 27 gemäß Fig. 7 besteht die Aperturblende 28 einfach aus einer äußeren opaken Abdeckung mit einem zentralen Einzelloch oder entsprechender transparenter Zone. In diesem Fall läuft die abbildende optische Strahlung normalerweise - solange kein zu detektierender Oberflächenfehler der Prüfkugel 1 vorliegt - durch diese transparente Zone auf den lichtelektrischen Detektor 27. Tritt jedoch ein solcher Oberflächenfehler auf, so lenkt er die von der Quelle 22 eingestrahlte optische Strahlung von ihrem Wege ab, so daß dieselbe auf einem Weg 29 nicht mehr durch die transparente Zone der Aperturblende 28 läuft. Es ergibt sich an der entsprechenden Stelle des Detektors 27 ein dunkler Punkt, welcher detektiert wird.

Im Falle einer Prüfung mittels Dunkelfeldbeleuchtung des lichtelektrischen Detektors 27 gemäß Fig. 6 besitzt das Raumfilter 28 innerhalb eines transparenten Bereiches eine oder mehrere opake, d. h. keine Strahlung durchlassende Zonen, deren Anordnung und Form gleich ist, wie die Struktur des Bildes der leuchtenden Teile der Strahlungsquelle 22. Diese opaken Zonen sind vorzugsweise größer als das Bild der leuchtenden Teile der optischen Strahlungsquelle 22. Dann wird die optische Strahlung normalerweise von den opaken Zonen abgedeckt. Nur die optische Strahlung, welche von einem Oberflächenfehler der Prüfkugel 1 auf einen Weg 29 abgelenkt wird, läuft durch das Raumfilter 28 hindurch auf den Detektor 27. Dieser Detektor 27 braucht in diesem Fall nur dann ortsempfindlich zu sein, wenn der Ort des Oberflächenfehlers bestimmt werden muß.

Bei den beschriebenen Ausführungsformen der Aperturblende 28 für die Prüfung im Hellfeld und im Dunkelfeld besteht die Funktion der transparenten bzw. opaken Zonen darin, die auf dieselben einfallende Strahlung zum lichtelektrischen Detektor 27 weiterzuleiten bzw. nicht weiterzuleiten. Bei anderen, ebenfalls zweckmäßigen Ausführungsformen sind anstelle der transparenten Zonen spiegelnde - und anstelle der opaken Zonen Strahlung absorbierende oder auf absorbierende Vorrichtungsteile weiterleitende transparente Zonen vorgesehen. Bei diesen Ausführungsformen wird der an den spiegelnden Zonen reflektierte Strahlungsanteil über einen gefalteten optischen Strahlengang zum lichtelektrischen Detektor 27 weitergeleitet.

Bei weiteren zweckmäßigen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtungen sind, anstelle der transparenten und opaken Zonen, Bereiche solcher Art vorgesehen, welche zwar alle die auf sie einfallende Strahlung zum lichtelektrischen Detektor 27 durchlassen, sich jedoch durch ihren Einfluß auf die Phase der durchgelassenen optischen Strahlung unterscheiden. Mit solchen Raumfiltern 28 wird die in der Mikroskopie bekannte Beobachtung mittels Phasenmodulation verwendet, welche mit der oben beschriebenen Beobachtung mittels Dunkelfeld verwandt ist. Vorzugsweise wird für die Wirkung zweier Zonenarten ein Phasenunterschied von nahe 90 Grad gewählt.

Diese Zonenarten sind auf der Aperturblende 28 so angeordnet, daß Strahlung, welche an Fehlern der zu prüfenden Oberfläche gestreut wird, eine Zone einer Art durchdringt. Diese Strahlung interferiert mit anderer Strahlung, welche nicht an Oberflächenfehlern gestreut, sondern eine Zone der anderen Art durchdringt und durch Beugung an den Begrenzungen der Zonen abgelenkt wird. Die Helligkeitsverteilung auf dem Detektor 27 infolge dieser Interferenz ist abhängig von der räumlichen Tiefe des jeweiligen Oberflächenfehlers, sowie auch vom Betrag des Unterschiedes der Phasenänderungen der beiden Zonenarten. Deshalb kann die Detektionsempfindlichkeit dieses Prüfverfahrens durch geeignete Wahl dieses Phasenunterschiedes bestimmt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich nicht nur zur Prüfung von Kugeln, sondern auch für torusförmige Körper, wie Lagerflächen für Rollen und Kugeln. Solche torusförmigen Oberflächen werden erzeugt durch Drehung eines kreisförmigen Bogens mit einem ersten Radius in einem zweiten radialen Abstand um eine, in der Ebene des Bogens liegende feste Drehachse. Sie sind durch diese beiden Radien gekennzeichnet. Spezialfälle sind Kugeln, bei denen beide Radien gleich sind, und Ebenen, bei denen beide Radien unendlich sind.

Erfindungsgemäß prüft man die Oberfläche eines torusförmigen Körpers, indem man das Punktbild der Strahlungsquelle in den Krümmungsmittelpunkt 20′ (Fig. 8) eines die Oberfläche erzeugenden Bogens legt, wobei die Drehachse in der vom Bogen aufgespannten Ebene liegt. Dieser Bogen wird zweckmäßig als Mittellinie des streifenförmigen Prüfbereiches gewählt, wie er schon anhand von Fig. 6 beschrieben wurde. Die Orientierung des lichtelektrischen Detektors 27, welche jene des streifenförmigen Prüfbereiches kennzeichnet, wird so gewählt, daß die Drehachse 31 (Fig. 8) der torusförmigen Oberfläche 1′ in der Ebene liegt, welche die Längs-Mittellinie des streifenförmigen Prüfbereiches 30 aufspannt. Fig. 8 zeigt für verschiedene Prüfkörper 1′ die Lage des streifenförmigen Prüfbereiches 30. Die Rotationsbewegung der Oberfläche 1′ zur Prüfung größerer Oberflächenbereiche ist in Fig. 8 durch die Pfeile 21′ symbolisiert.

Wie schon eingangs zu Fig. 6 ausgeführt, sind Vorrichtungen erforderlich, um die Prüfkörper 1 um ihren Mittelpunkt 20 im Sinne des Pfeiles 21 in Drehung zu versetzen. Fig. 9 zeigt das Schema einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Prüfung der Oberfläche von kugelförmigen Körpern mit einer derartigen Drehvorrichtung. Die Prüfkugel 1 liegt bei diesem Ausführungsbeispiel infolge ihrer Eigenschwere auf einer Stützrolle 40 in einem Punkt und auf einer Antriebsrolle 41 mit V-förmig ausgebildetem Umfang in zwei Punkten auf. Die Antriebsrolle 41 wird von einem Antriebsmotor 42 angetrieben, welcher seinerseits von einer Steuer- und Auswerteelektronik 43 über eine Leitung 44 gespeist wird.

Die Prüfkugeln 1 gelangen aus einem Vorratsbehälter 45 über eine Transportrinne 46 in die dargestellte Prüfposition, in der sie um ihre senkrecht zur Zeichnungsebene liegende Achse rotieren. Dabei werden die Prüfkugeln 1 mittels eines optischen Sensors 47 der anhand der Fig. 4 bis 7 beschriebenen Art geprüft. Der lichtelektrische Detektor des optischen Sensors 47 bildet einen Teil einer CCD-Kamera 48 welche am optischen Sensor 47 angeschlossen ist und deren Ausgangssignale über eine Leitung 49 der Steuer- und Auswerteelektronik 43 zugeführt sind.

Je nach Ergebnis der Prüfung erzeugt die Steuer- und Auswerteelektronik 43 ein Steuersignal, welches über eine Leitung 50 einer Auswahleinrichtung 51 für die Prüfkugeln 1 zugeführt wird. Die Stützrolle 40 ist in einer Schiebevorrichtung 52 verschieblich gelagert. Nach dem Ende jeder Kugelprüfung öffnet die Auswahleinrichtung 51 einen Auswurf 53 für gute Prüfkugeln 1 oder einen Auswurf 54 für schlechte Prüfkugeln 1, und die geprüfte Kugel 1 fällt infolge einer Steuerung der Schiebevorrichtung 52 durch die Steuer- und Auswerteelektronik 43 über eine Leitung 55 aus ihrer Prüfposition in einen der Auswürfe 53 oder 54.

Neben der Vorrichtung gemäß Fig. 9 sieht die Erfindung weitere Ausführungsformen der Anordnung für Transport, Rotation und Abtastung der Prüfkugeln 1 vor. Ein solches Beispiel zeigt schematisch die Fig. 10, in welcher der Fig. 9 entsprechende Bauelemente die Bezugszeichen aus Fig. 9 tragen. Zum Transport der Prüfkugeln 1 sind gemäß Fig. 10 auf einem drehbaren Träger 60 drei gleiche Rollengruppen angeordnet, eine erste Gruppe in einer Ladeposition 61, eine zweite Gruppe in einer Prüfposition 62 und die dritte Gruppe in einer Entladeposition 63. Jede Prüfkugel 1 gelangt über die Transportrinne 46 wie in Fig. 9 in die Ladeposition 61, wird durch Steuerung des drehbaren Trägers 60 im Sinne des Pfeiles 64 in die Prüfposition 62 bewegt, dort geprüft und dann beim nächsten Transportschritt in die Entladeposition 63 gebracht.

Der Drehantrieb für die Prüfkugeln 1 wird später anhand der Detaildarstellung von Fig. 11 erklärt. Auf einem Halterahmen 65 sind zwei optische Sensoren 47, 47′ so angeordnet, daß ihre streifenförmigen Prüfbereiche einander ergänzend die Prüfkugel 1 so überdecken, daß bei deren Rotation ihre Oberfläche vollständig von Pol zu Pol erfaßt wird. Diese streifenförmigen Prüfbereiche 66, 67 auf einer Prüfkugel 1 in der Prüfposition 62 sind in der Draufsicht auf die Detaildarstellung der Fig. 11a gezeigt. In den Fig. 11a, 11b, 11c ist nun erkennbar, daß die bereits erwähnten drei Rollengruppen je aus einer am drehbaren Träger 60 fest montierten Führungsrolle 68, einer am drehbaren Träger 60 durch einen Hebel 69 schwenkbar befestigten Halterolle 70 und einer allen Gruppen gemeinsamen Antriebsrolle 71 mit V-förmig ausgebildetem Umfang besteht.

Die Antriebsrolle 71 dreht sich, über eine Hohlwelle 72 (Fig. 12) und ein Getriebe 73 von einem Motor 74 angetrieben, fortlaufend. Die Hebel 69 tragen je noch eine weitere Rolle 75, welche in eine feststehende Steuerkurve 76 eingreifen und in Verbindung mit Zugfedern 77 die Stellung der Hebel 69 steuern. Der drehbare Träger 60 ist über eine Welle 78 (Fig. 12) durch einen Motor 79 derart intermittierend angetrieben, daß die Kugeln 1 nach jedem Prüfvorgang ihre Positionen in Richtung des Pfeiles 64 wechseln. Die Motoren 74, 79 werden von der Steuer- und Auswerteelektronik 43 (Fig. 9) entsprechend angesteuert. Die Steuerkurve 76 ist so gestaltet, daß in der in Fig. 11b gezeigten Stellung die Prüfkugeln 1 in den Lade- und Entladepositionen 61, 63 (Fig. 10) zu bzw. abgeführt werden können. Bei der Drehung des Trägers 60 legt sich dann die Halterolle 70 an die jeweilige Prüfkugel 1 an und sorgt für deren absetzen auf den V-förmigen Umfang der Antriebsrolle 71, zweckmäßig dann, wenn die Relativgeschwindigkeit zwischen der Oberfläche der Prüfkugel 1 und dem Umfang der Antriebsrolle 71 beim Positionswechsel der Prüfkugel 1 nahezu Null geworden ist.

Gemäß einer Variante der Vorrichtung ist am Ort der Ladeposition 61 eine flexible Gleitzunge 80 fest angeordnet (Fig. 11b), welche zwischen Prüfkugel 1 und Antriebsrolle 71 liegt und sich längs des Transportweges der Prüfkugel 1 am Umfang der Antriebsrolle 71 bis zu einer Stelle erstreckt, an welcher die Relativgeschwindigkeit zwischen der Oberfläche der Prüfkugel 1 und dem Umfang der Antriebsrolle 71 beim Positionswechsel der Prüfkugel 1 nahezu Null geworden ist. Durch diese Ausbildung werden Beschädigungen der Prüfkugel 1 durch Schleifvorgänge beim Absetzen auf die Antriebsrolle 71 vermieden, und die Rotation der Prüfkugel 1 wird erst durch deren Verzögerung beim Einlaufen in die Prüfposition 62 eingeleitet.

Während Fig. 12 die Prüfkugel 1 in ihrer Prüfposition 62, die Rollengruppen mit ihren Antrieben und Lagern 81, sowie die feststehende Steuerkurve 76 in einem Teilschnitt von oben gesehen zeigt, sind diese Elemente in Fig. 13 von der Seite dargestellt. In Fig. 13 ist auch ein Haltegehäuse 82 für die Antriebsmotoren 74, 79 im Schnitt gezeigt.

Im Vergleich zu bekannten Prüfgeräten ist bei den erfindungsgemäßen Vorrichtungen eine Drehbeschleunigung oder eine Rotation um mehrere Achsen nicht notwendig. Dadurch ist die Gefahr von Beschädigungen der Prüflingsoberflächen stark reduziert. Infolge der überall senkrechten Betrachtung der Prüfkörper ergibt sich eine gleichmäßige und unverminderte Lateral-Auflösung und Empfindlichkeit der Betrachtungsoptik für die Detektion von Oberflächenfehlern. Weil im Wesentlichen keine optische Strahlung von den Prüfkörpern aus der Richtung zur Betrachtungsoptik abgelenkt wird ergibt sich eine sehr hohe radiometrische Ausbeute, so daß Lichtquellen mit Leistungen von nur einigen zehntausendstel der für bekannte Geräte erforderlichen Lichtquellen genügen.

Claims (19)

1. Verfahren zur Prüfung der Oberfläche von torusförmigen (1′) oder kugelförmigen Körpern (1), bei dem optische Strahlung auf die Oberfläche projiziert und daran reflektierte oder gestreute Strahlanteile mittels lichtelektrischer Detektoren (27) ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Strahlung mindestens in jedem Punkt eines die Oberfläche erzeugenden Kreisbogens innerhalb eines Bereiches der zu prüfenden Oberfläche senkrecht eingestrahlt wird, daß nur Strahlung aus mindestens einem, den Kreisbogen umfassenden streifenförmigen Teil (66, 67) des Bereiches auf einen lichtelektrischen Detektor (27) geführt wird und daß der Prüfkörper (1) beim Prüfvorgang lediglich einer Rotation um eine Symmetrieachse unterworfen wird so, daß sich die Einfallswinkel der eingestrahlten Strahlung dabei nicht ändern.

2. Verfahren nach Anspruch 1 zur Prüfung der Oberfläche von kugelförmigen Körpern (1), dadurch gekennzeichnet, daß der streifenförmige Teil (66, 67) des zu prüfenden Oberflächenbereiches durch Abbildung dieses Oberflächenbereiches auf eine streifenförmige Empfängerfläche des lichtelektrischen Detektors (27) begrenzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die senkrechte Einstrahlung der optischen Strahlung mittels eines optischen Systems (23, 25) durch Abbildung einer nahezu punktförmigen Strahlungsquelle (22) in den Mittelpunkt (20) des zu prüfenden Körpers (1) erfolgt und daß bei der Abbildung des streifenförmigen Teiles (66, 67) des zu prüfenden Oberflächenbereiches auf den lichtelektrischen Detektor (27) dieser Mittelpunkt (20) auf ein als Aperturblende (28) des optischen Systems wirksames Raumfilter abgebildet wird, so daß die Eintrittspupille des optischen Systems (25, 26) im Mittelpunkt (20) des zu prüfenden Körpers (1) liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das als Aperturblende (28) des optischen Systems (25, 26) wirksame Raumfilter eine, das Bild der Strahlungsquelle im Mittelpunkt (20) des zu prüfenden Körpers (1) abdeckende Struktur (Fig. 6) aufweist und daß zur Abbildung des streifenförmigen Teiles (66, 67) des zu prüfenden Oberflächenbereiches auf den lichtelektrischen Detektor (27) nur durch Oberflächenfehler in ihrer Richtung abgelenkte Strahlung (29) verwendet wird (Dunkelfeldbeleuchtung).

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das als Aperturblende (28) des optischen Systems (25, 26) wirksame Raumfilter Bereiche solcher Art umfaßt, welche sich durch den Grad ihrer Transparenz und durch ihren Einfluß auf die Phase der durchgelassenen optischen Strahlung unterscheiden, wobei die Anordnung und Form der Bereiche einer Art gleich ist, wie die Struktur der leuchtenden Teile des Bildes der Strahlungsquelle (22).

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das als Aperturblende (28) des optischen Systems wirksame Raumfilter eine, mindestens das Bild der Strahlungsquelle (22) im Mittelpunkt (20) des zu prüfenden Körpers (1) nicht abdeckende Struktur (Fig. 7) aufweist so, daß bei der Abbildung des streifenförmigen Teiles (66, 67) des zu prüfenden Oberflächenbereiches auf den lichtelektrischen Detektor (27) durch Oberflächenfehler in ihrer Richtung abgelenkte Strahlung (29) nicht auf den Detektor (27) gelangt (Hellfeldbeleuchtung).

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die senkrechte Einstrahlung der optischen Strahlung mittels eines optischen Systems durch Abbildung einer nahezu punktförmigen Strahlungsquelle in den Krümmungsmittelpunkt (20′) eines die Oberfläche des torusförmigen (1′) oder kugelförmigen Körpers (1) erzeugenden und im streifenförmigen Teil (30) des Prüfbereiches liegenden Kreisbogens erfolgt und daß der streifenförmige Teil (30) innerhalb des Prüfbereiches so orientiert wird, daß die Rotationsachse (31) des Prüfkörpers (1′) in der Ebene liegt, welche die Längs-Mittellinie des streifenförmigen Teiles (30) aufspannt.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System (25) sowohl zur Abbildung der nahezu punktförmigen Strahlungsquelle (22) in den Mittelpunkt (20) des zu prüfenden Körpers (1) als auch zur Abbildung des streifenförmigen Oberflächenbereiches (66, 67) auf die Empfängerfläche des lichtelektrischen Detektors (27) dient, daß die nahezu punktförmige Strahlungsquelle (22) über einen Strahlenteiler (24) in den Strahlengang des abbildenden optischen Systems (25) eingespiegelt wird und daß zur Abbildung des streifenförmigen Oberflächenbereiches (66, 67) auf die Empfängerfläche des lichtelektrischen Detektors (27) ein weiteres optisches System (26) zwischen dem als Aperturblende (28) des optischen Systems wirksamen Raumfilter und dem lichtelektrischen Detektor (27) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere optische System (26) zur Abbildung des streifenförmigen Oberflächenbereiches (66, 67) auf die Empfängerfläche des lichtelektrischen Detektors (27) einen bildseitig telezentrischen Strahlengang aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der lichtelektrische Detektor (27) aus einer zeilenförmigen Anordnung von CCD-Elementen oder von Empfängerdioden besteht, welche erlaubt, den Ort von detektierten Lichtsignalen zu bestimmen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System (25) zur Abbildung der Strahlungsquelle (22) als auch zur Abbildung des streifenförmigen Oberflächenbereiches (66, 67) nur aus Linsen, nur aus Spiegeln oder aus Elementen beider Art besteht.

12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Rotation der kugelförmigen Prüfkörper (1) um eine Symmetrieachse an einem zur Abbildung der streifenförmigen Prüfbereiche geeigneten Ort mindestens drei Rollen vorgesehen sind, auf welchen jeder Prüfkörper (1) in mindestens drei Punkten aufliegen kann und von denen mindestens eine Rolle einen Rotationsantrieb aufweist.

13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Rotation der kugelförmigen Prüfkörper (1) um eine Symmetrieachse an einem zur Abbildung der streifenförmigen Prüfbereiche geeigneten Ort mindestens eine Rolle (41) mit V-förmig ausgebildetem Umfang und eine weitere Rolle (40) vorgesehen sind, auf welchen jeder Prüfkörper (1) in mindestens drei Punkten aufliegen kann und von denen mindestens eine Rolle (41) einen Rotationsantrieb aufweist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollen, auf denen die Prüfkörper (1) aufliegen können, Gruppen zur Aufnahme je eines Prüfkörpers (1) bilden und daß mehrere derartige Gruppen vorhanden sind, welche an einen zur Abbildung der streifenförmigen Prüfbereiche geeigneten Ort (Prüfstation) gebracht werden können.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß am Ort der Prüfstation (62) nur eine Antriebsrolle (71) angeordnet ist, welche mit jeder an die Prüfstation (62) gebrachten Rollengruppe (68, 70) zusammenarbeiten kann.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Rollengruppe mindestens eine Rolle, welche nicht die einzige Antriebsrolle ist, einen V-förmig ausgebildeten Umfang hat, daß die Rollengruppen um die Antriebsrolle herum auf einem gemeinsamen drehbaren Träger angeordnet sind, daß jede Rollengruppe eine bewegliche Rolle zur Aufnahme und Halterung des Prüfkörpers umfaßt und daß an je einer Stelle auf dem Weg der Rollengruppen um die Antriebsrolle herum Mittel zur Aufnahme der Prüfkörper, die Prüfstation und Mittel zur Ausgabe der Prüfkörper angeordnet sind.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die einzige Antriebsrolle (71) einen V-förmig ausgebildetem Umfang hat, daß die Rollengruppen (68, 70) um die Antriebsrolle (71) herum auf einem gemeinsamen drehbaren Träger (60) angeordnet sind, daß jede Rollengruppe (68, 70) eine bewegliche Rolle (70) zur Aufnahme und Halterung des Prüfkörpers (1) umfaßt und daß an je einer Stelle (61, 62, 63) auf dem Weg der Rollengruppen (68, 70) um die Antriebsrolle (71) herum Mittel (46) zur Aufnahme der Prüfkörper (1), die Prüfstation (62) und Mittel (51, 53, 54) zur Ausgabe der Prüfkörper angeordnet sind.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (69, 75, 76) vorhanden sind, welche die bewegliche Halterolle (70) jeder Rollengruppe (68, 70) nach Aufnahme des Prüfkörpers (1) in Abhängigkeit von der Transportbewegung des gemeinsamen drehbaren Trägers (60) so bewegen, daß der Prüfkörper (1) erst dann auf die Antriebsrolle (71) absetzt, wenn die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen Prüfkörper (1) und Umfang der Antriebsrolle (71) nahezu Null ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß an der Stelle (61) der Mittel zur Aufnahme der Prüfkörper (1) eine Gleitzunge (80) angeordnet ist, welche zwischen Prüfkörper (1) und Antriebsrolle (71) liegt und sich längs des Transportweges des Prüfkörpers (1) am Umfang der Antriebsrolle (71) bis zu einer Stelle erstreckt, an welcher die Geschwindigkeits-Differenz zwischen Prüfkörper (1) und Umfang der Antriebsrolle (71) beim Transport des Prüfkörpers (1) nahezu Null geworden ist.