DE69816115T2 - Oberflächenmessapparat - Google Patents

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DE69816115T2
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Ian Houghton-on-the-Hill HOPKINS
Keith Thurcaston HALL
Anthony Carlton SMITH
Dipak Humberstone DAUDIA
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Taylor Hobson Ltd
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/002Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates
    • G01B11/005Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates coordinate measuring machines

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
  • A Measuring Device Byusing Mechanical Method (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen einer Oberflächeneigenschaft eines Bauteils wie etwa eines Werkstücks. Die Erfindung ist insbesondere, jedoch nicht ausschließlich für die Messung der Form oder des Profils einer Oberfläche anwendbar, wobei Form oder Profil sich auf Linearitätsabweichungen in Form von Unregelmäßigkeiten bezieht, die Wellenlängen von der Größenordnung der Dimensionen der Oberfläche haben; beispielsweise kann die Oberfläche kugelförmig oder zylindrisch sein oder sich nach innen oder außen wölben.
  • Taylor Hobson Limited, Leicester, England, stellt eine Reihe von meßtechnischen Instrumenten her, insbesondere den allgemein verfügbaren Bereich von Instrumenten "Form Talysurf" zur Messung der Oberflächenform oder des Oberflächenprofils eines Gegenstands oder eines Bauteils.
  • Bei dem Instrument Form Talysurf ist ein von einem Haltearm getragener Taster bzw. Sensor so angebracht, daß er schwenkbar ist, so daß eine Tasterspitze der Oberfläche eines Bauteils während einer Relativbewegung des Tasters und der Oberfläche folgen kann. Die Verschiebung des Tasters, während er der Oberfläche folgt, wird unter Verwendung eines Wandlers erfaßt, und das Ausgangssignal des Wandlers wird von einer Datenprotokollier- und – verarbeitungsvorrichtung (z. B. einem Personalcomputer) gemeinsam mit Daten aufgenommen, die die Position der Tasterspitze entlang dem Bauteil bezeichnen, um Daten zu erzeugen, die eine Messung des Oberflächenprofils oder der Oberflächenform des Bauteils ergeben. Der Taster oder die Oberfläche oder beide können bewegt werden, so daß ein zwei- oder dreidimensionales Oberflächenbild konstruiert werden kann, das dann auf einer Sichtanzeigeeinheit angezeigt oder als Hartkopie gedruckt werden kann, wobei viele verschiedene bekannte Techniken anwendbar sind.
  • Ein Typ von Positionswandler, der in Verbindung mit einem solchen Taster typischerweise verwendet wird, um die Position der Tasterspitze zu detektieren, während diese der Oberfläche folgt, ist ein linearer verstellbarer Differentialtransformator bzw. LVDT.
  • Der Bewegungsbereich, innerhalb dessen Messungen mit einer solchen Vorrichtung vorgenommen werden können, ist begrenzt. Das macht eine solche Vorrichtung für den Gebrauch bei der Messung der Oberflächenform oder des Oberflächenprofils von Bauteilen oder Objekten ungeeignet, die eine relativ große Abweichung der Oberflächenform (einige zehn oder einige hundert Millimeter) aufweisen.
  • Die US-PS 4 538 911 , die die Grundlage für den Oberbegriff von Anspruch 1 ist, beschreibt ein meßtechnisches Instrument mit einem axialen Sensor, der über die Oberfläche eines auf einem Tisch befestigten Werkstücks bewegt wird. Entlang einer Meßrichtung ist ein Zweistrahl-Interferometermeßsystem vorgesehen, um Fehler zu verringern, die durch eine Bewegung des Tischs in der Meßrichtung verursacht werden.
  • Die DE-Patentanmeldung 2 943 431 beschreibt ein meßtechnisches Instrument mit einem Sensor, der an einem Gleitschlitten angebracht ist, der in einer Meßrichtung relativ zu einem Erfassungskopf bewegbar ist. Die Position des Erfassungskopfs in der Meßrichtung ist von Hand mit einem Knopf einstellbar, so daß der Sensor manuell zu einem Werkstück hin und davon weg bewegt werden kann.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Meßgerät zum Messen der Oberflächeneigenschaften eines Werkstücks angegeben, wobei das Meßgerät folgendes aufweist: eine erste Bewegungseinrichtung zum Bewirken einer Relativbewegung zwischen einem länglichen Oberflächenabtastsensor und dem Werkstück, um dem Sensor das Überstreichen einer Oberfläche des Werkstücks zu ermöglichen; einen Sensorhalter zum Halten des Sensors, um eine Bewegung des Sensors relativ zu dem Sensorhalter in einer Meßrichtung parallel zur Längserstreckung des Sensors zu ermöglichen; und eine Abtasteinrichtung zum Messen der Verschiebung des Sensors in der Meßrichtung, wenn der Sensor während des Betriebs der ersten Bewegungseinrichtung einer Oberfläche nachfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorhalter so auf einem Träger befestigt ist, daß eine Relativbewegung zwischen dem Sensorhalter und dem Träger in der Meßrichtung möglich ist, und daß das Meßgerät ferner aufweist: eine optische Abtasteinrichtung zum Erzeugen eines die Verschiebung des Sensors relativ zum Sensorhalter anzeigenden Signals, eine zweite Bewegungseinrichtung zum Bewirken einer Relativbewegung zwischen dem Sensorhalter und dem Träger in der Meßrichtung; und eine Steuereinrichtung zum Steuern der zweiten Bewegungseinrichtung, um den Sensorhalter relativ zu dem Träger gemäß dem von der optischen Meßeinrichtung erzeugten Signal so zu bewegen, daß der Sensor in einem Betriebsbereich bleibt.
  • Dies ermöglicht die Messung der Form oder des Profils einer Oberfläche, deren Oberflächenform über einen Bereich variiert, der größer als der Betriebsbereich des Sensors ist, weil die Abtasteinrichtung und die Steuereinrichtung im Gebrauch dahingehend wirksam sind, daß der Sensor innerhalb seines Betriebsbereichs gehalten wird, und zwar ungeachtet der tatsächlichen Distanz, um die sich der Sensor in der Meßrichtung beim Überstreichen der zu messenden Oberfläche bewegt hat. Diese Merkmale machen es möglich, daß die Vorrichtung kompakt und einfach aufgebaut ist. Außerdem sollte die Vorrichtung gegenüber äußeren Veränderungen wie etwa der Temperatur unempfindlicher sein.
  • Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend beispielhaft im einzelnen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben; diese zeigen in:
  • 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung gemäß der Erfindung;
  • 2 einen Querschnitt und 3 eine Draufsicht auf eine Drehtischanordnung der Vorrichtung von 1, auf dem ein zu messendes Bauelement angebracht ist;
  • 4 eine Querschnittsansicht des unteren Teils eines Sensors zum Gebrauch in der Vorrichtung gemäß der Erfindung;
  • 5 eine perspektivische Explosionsansicht eines unteren Teils des Sensors gemäß 4;
  • 6 einen Querschnitt entlang der Linie X--X von 4;
  • 7 einen Teilschnitt eines Teils der in 1 gezeigten Vorrichtung, wobei eine Antriebsanordnung des Sensorhalters gezeigt ist;
  • 8 einen Querschnitt des gesamten Sensors von 4;
  • 9 eine Seitenansicht der Antriebsanordnung von 7;
  • 10a und 10b eine Seiten- bzw. eine Vorderansicht einer optischen Meßeinrichtung der in 1 gezeigten Vorrichtung;
  • 11a und 11b Blockdiagramme der Steuer- und der Signalverarbeitungsschaltung, die der optischen Meßeinrichtung zugeordnet sind;
  • 12 eine schematische Ansicht eines optischen Meßsystems der Vorrichtung von 1;
  • 13 eine schematische Draufsicht auf einen Träger, der das optische Meßsystem trägt;
  • 14 eine Teilschnittdarstellung ähnlich 8, wobei jedoch das optische Meßsystem gezeigt ist; und
  • 15 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform eines optischen Meßsystems; und
  • 16 ein Blockbild, das die Steuersysteme der in 1 gezeigten Vorrichtung zeigt.
  • 1 ist eine schematische Perspektivansicht einer Vorrichtung gemäß der Erfindung. Eine Arbeitsfläche 10 ist eine Granitarbeitsfläche mit drei Trägern (nicht gezeigt), um eine Dreipunktanbringung zu ermöglichen. Die Träger haben eine herkömmliche Justiereinrichtung (nicht gezeigt), damit die Arbeitsfläche 10 nivelliert werden kann. Das Gewicht der Arbeitsfläche 10 mindert Schwingungen, die andernfalls den Meßvorgang nachteilig beeinflussen könnten. Die Arbeitsfläche 10 ist bevorzugt an herkömmlichen erschütterungsfreien Halterungen (nicht gezeigt) angebracht, um durch den Fußboden übertragenen Lärm zu mindern.
  • Bei der in 1 gezeigten Anordnung sind die x- und die y-Achse als entlang der Ebene der Arbeitsfläche 10 liegend definiert, und die z-Achse ist dazu orthogonal.
  • Eine elektrisch steuerbare x-Achse-Führungsbahn 32 ist auf der Oberseite der Arbeitsfläche 10 befestigt. Eine Plattform 30 ist auf Luftlagern (nicht gezeigt) entlang einer Doppelschienengleitführung 32 gleitbar. Die Bewegung der Plattform 30 in x-Richtung entlang der Gleitführung 32 wird durch Verwendung eines Linearmotors (nicht gezeigt) erreicht. Die Bewegung der Plattform 30 wird über ein Plattformsteuersystem 12 auf eine Weise erreicht, die unter Bezugnahme auf 16 noch beschrieben wird.
  • Die Bewegung der Plattform 30 kann mit einer Präzision von typischerweise ±10,0 μm (Mikrometer) in der x-Richtung gesteuert werden. Diese Präzision wird erreicht unter Verwendung einer geeigneten Rückführungsschaltung, die eine Lageerfassungseinrichtung wie etwa einen optischen Interferometer-Meßwandler aufweist, der eine Beugungsgitteranordnung, die entlang der Gleitführung 32 vorgesehen ist, und ein Erfassungssystem aufweist, das auf einem Teil der Plattform 30 vorgesehen ist, so daß es mit der Plattform 30 bewegt wird. Das Erfassungssystem umfaßt eine Lichtquelle, ein Interferometer, eine Analyseoptik und einen Zähler/Interpolator, um die Zahl der Streifen und Fraktionen von Streifen zu zählen.
  • Typische Verfahrgeschwindigkeiten der Plattform 30 sind 0,5, 1,0, 2,0 und 5,0 mm/s (Millimeter/Sekunde) in Abhängigkeit von der Auflösung der vom Benutzer gewählten Daten.
  • Bei diesem Beispiel weist die Gleitführung ein Luftlagersystem Version Aerotech ATS 8000 (Durchlauf 400 mm) mit einer Einzelplatzsteuerung Unidex 100 auf, die Teil des Plattformsteuersystems 12 ist.
  • Ein Drehteller 36 ist auf der Plattform 30 über eine Anbringanordnung angebracht. Ein zu messendes Bauelement 300 ist unter Verwendung einer herkömmlichen Montage- oder Einspanneinrichtung (nicht gezeigt) sicher auf dem Drehteller 36 befestigt. Bei dem gezeigten Beispiel ist das Bauelement eine asphärische Linse. Wie nachstehend beschrieben wird, kann der Drehteller 36 durch einen Benutzer manuell gedreht werden, und seine Lage in der y-Richtung kann ebenfalls durch den Benutzer manuell einstellbar sein. Die Plattform 30 weist Nivelliermittel auf, wie noch beschrieben wird.
  • Auf der Arbeitsfläche 10 ist ein Stützgestell 20 vorgesehen. Das Gestell 20 hat zwei Schenkel 20a, die eine Kammer 40 im wesentlichen über dem Drehteller 36 haltern. Die Kammer 40 enthält ein optisches Meßsystem OMS und andere Bauelemente, wie noch beschrieben wird. Eine Haltegleitbahn 70 hängt von dem Gestell nach unten, so daß die Gleitbahn entlang der z-Achse verläuft. Die Schenkel 20a des Gestells 20 sind miteinander durch eine Tragbasis 20b verbunden, die ein Ende der X-Achse-Gleitführung 32 umgibt. Die Tragbasis ist auf der Arbeitsfläche 10 mit drei Befestigungsbolzen befestigt (von denen zwei Bolzen 22, 24 gezeigt sind), so daß eine Dreipunktbefestigung erhalten ist. Zwei der Befestigungsbolzen (22, 24) sind verstellbar, und durch Verstellen dieser Bolzen können das Gestell 20 und damit die Kammer 40 und die z-Achse-Gleitführung 70 relativ zu der Arbeitsfläche 10 nivelliert werden. Eine solche Einstellung erfolgt bevorzugt bei der Installation der Maschine und nicht durch einen Benutzer, weil die Orientierung der z-Achse-Gleitführung 70 zur Sicherstellung der Präzision der Formmessung wichtig ist.
  • Ein Halter 80 ist entlang der Trägergleitführung 70 auf herkömmlichen Luftlagern (nicht gezeigt) gleitbar. Typischerweise hat die Trägergleitführung 70 eine Länge von 180 mm.
  • Der Halter 80 trägt ein Sensorgehäuse 84. Ein Sensorarm 114 (der einen(nicht gezeigten) Taster aufweist) zum Kontakt und Verfolgen einer zu messenden Oberfläche ist an dem Sensorgehäuse 84 getragen und relativ dazu bewegbar.
  • Die Position des Sensorarms 114 bei seinem Weg über eine Oberfläche eines Bauteils oder Werkstücks wird unter Verwendung des optischen Meßsystems OMS erfaßt, das unter Bezugnahme auf die 12 bis 16 noch beschrieben wird. Der Sensorarm 114 wird innerhalb eines Betriebsbereichs relativ zu dem Halter 80 von einem Haltermotor-Steuersystem CMC 13 gehalten, das unter Bezugnahme auf die 10, 11 und 16 noch beschrieben wird. Die Gesamtsteuerung der Vorrichtung und das Aufzeichnen von Formmessungen erfolgt durch das Hauptsteuersystem zur anschließenden Verarbeitung und Anzeige auf einem PC-System 15, wie unter Bezugnahme auf 16 noch beschrieben wird.
  • Der Drehteller 36 ist auf der Plattform 30 durch eine Anordnung angebracht, die, wie 2 am besten zeigt, aus einer unteren Platte 140, einer mittleren Platte 146 und einer oberen Platte 148 besteht, die aufeinander angebracht sind.
  • Die untere Platte 140 ist an der Plattform 30 (in 2 nicht gezeigt) unter Verwendung von Bolzen (nicht gezeigt) sicher angebracht, so daß sie im wesentlichen parallel zu der x-y-Ebene ist. Eine Benutzereinstellung zwischen der unteren Platte 140 und der Plattform 30 ist nicht möglich. Ein Paar von Schienen 142a, 142b verläuft in der y-Richtung von 1 entlang der unteren Platte 140.
  • Die Unterseite der mittleren Platte 146 ist mit Führungselementen 144a, 144b versehen, die mit den Schienen 142a und 142b in Eingriff sind. Bei diesem Beispiel gibt es ein Paar Führungselemente für jede Schiene, und diese sind entlang der Länge der Schiene beabstandet (wie in 3 zu sehen ist). Eine Einstellung der mittleren Platte 146 in Bezug auf die untere Platte 140 ist durch einen von Hand drehbaren Knopf 147 (3) möglich. Von dem Knopf springt eine Stange (nicht gezeigt) vor, die mit einem Feingewinde ausgebildet ist. Die Gewindestange verläuft durch eine an der unteren Platte 140 vorgesehene Halterung, so daß das Ende der Stange an der mittleren Platte 146 anliegt. Die mittlere Platte 146 ist von Federn (nicht gezeigt) vorgespannt, so daß sie mit dem Ende der Stange in Kontakt bleibt. Dadurch bewirkt eine Rotation des Knopfs 147, daß sich das Ende der Stange und somit die mittlere Platte 146 in der y-Richtung, die der Federvorspannung entgegengesetzt ist, bewegen. Die Stange liegt bevorzugt unter einem Winkel zu der x-y-Ebene, um ein Reduzierverhältnis der y-Richtung-Bewegung zu erreichen und dadurch eine Feineinstellung zu unterstützen. Typischerweise ist eine Bewegung von 10 mm in der y-Achse-Richtung vorgesehen.
  • Die obere Platte 148 ist auf der Oberseite der mittleren Platte 146 durch drei Kugelzapfenlager 152a, 152, 152c gehaltert (davon ist in 2 nur 152a gezeigt, alle drei sind in 3 zu sehen), die an jeweiligen Scheitelpunkten eines Dreiecks und zu den Rändern der mittleren Platte 146 hin positioniert sind. Von diesen Lagern ist eines fest angeordnet, eines ist beim Einbau des Geräts einstellbar, und das dritte ist vom Benutzer einstellbar. Bevorzugt ist das vom Benutzer einstellbare Lager so gewählt, daß nur die Neigung der Platte entlang der x-Achse eingestellt werden kann. Jedes Lager hat eine zugehörige Einstellfeder (nicht gezeigt), die die beiden Platten zusammen vorspannt. Typischerweise ist eine Einstellung über eine Distanz von 3 mm in z-Richtung vorgesehen.
  • Der Drehteller 36 ist von einem zentralen Lager oder einer Spindel 150 an der Oberfläche der oberen Platte 148 so gehalten, daß er von einem Benutzer von Hand drehbar ist. Das zentrale Lager 150 ist bevorzugt eine herkömmliche Kugellaufrillenspindel.
  • Der Außenrand des Drehtellers 36 und der oberen Platte 148 sind bevorzugt markiert (beispielsweise alle zehn Grad), um die Winkeleinstellung des Drehtellers 36 zu unterstützen. Vorsprünge 149 sind gleichbeabstandet im Abstand um den Drehteller 36 herum (typischerweise alle 30°) vorgesehen, so daß der Drehteller leicht manuell gedreht werden kann.
  • Die obigen Einstellungen des Drehtellers sind zwar manuelle Einstellungen, sie könnten aber motorisiert und entweder lokal oder aus der Ferne computergesteuert sein unter Verwendung einer geeigneten Lagerückführungsschaltung wie etwa eines optischen Interferometer-Wandlersystems des eingangs genannten Typs. Wenn eine computerisierte Steuerung der y-Achse-Bewegung vorgesehen ist, kann dies das Vorsehen einer automatischen Krümmungseinrichtung ermöglichen, wenn das Bauteil beispielsweise eine asphärische Linse ist, so daß die Krümmung der Linse dadurch bestimmt werden kann, daß der Punkt der Linsenoberfläche bestimmt wird, der am höchsten über dem Drehteller liegt.
  • Unter Bezugnahme auf die 4 bis 7 wird nun die Anordnung des Sensorgehäuses 84 beschrieben. 4 ist eine Querschnittsansicht (in Richtung der z-Achse von 1) des unteren Bereichs des Sensorgehäuses, 5 ist eine perspektivische Explosionsansicht, 6 ist eine Querschnittsansicht in Richtung X-X in 4 (also in Richtung der x-Achse von 1) durch einen unteren Bereich des Sensorarms 114, wenn dieser im Sensorgehäuse liegt, und 7 ist eine Querschnittsansicht entlang der gleichen Schnittlinie wie 4, wobei das gesamte Sensorgehäuse 84 gezeigt ist.
  • Der Sensorarm 114 ist in einem unteren Bereich 84a des Sensorgehäuses 84 so aufgenommen, daß er relativ dazu bewegbar ist. Der Sensorarm 114 umfaßt einen Stab 115, einen Sensor 116 und einen Schaft 110. Der Stab 115 weist einen länglichen Körper mit Kreisquerschnitt auf, dessen oberer Bereich 115b im Querschnitt kleineren Durchmesser als ein unterer Bereich 115a hat. Das Unterende des Stabs 115 ist mit einem Gewindeloch 115c zur Aufnahme eines Sensors 116 ausgebildet.
  • Der Sensor 116 ist ein herkömmlicher Kugelsensor des Typs mit einem oberen zylindrischen Gewindebereich, so daß er an dem Stab 115 angebracht werden kann, und erstreckt sich zu einer konischen Oberfläche, die in einer Sensorspitze endet, die typischerweise eine Kugel 116a mit einem Radius von 0,5 mm beispielsweise aus Saphir oder Rubin ist, um mit der Oberfläche des zu messenden Bauteils in Kontakt zu gelangen. Alternativ kann der Sensor ein Konus sein, der einen typischen Spitzenwinkel von 60° und einen typischen Spitzenradius von 10 μm hat und aus Diamant hergestellt ist. Ein solcher Sensor kann bei bestimmten Bauteilen eine bessere Auflösung ergeben.
  • Der Schaft 115 weist einen länglichen Körper mit Vierkantquerschnitt auf, der entlang seiner zentralen Längsachse mit einer Bohrung ausgebildet ist, die einen oberen Bereich mit einem Durchmesser entsprechend dem Durchmesser des oberen Bereichs 115b des Stabs 115 und einen unteren Bereich mit einem Durchmesser entsprechend dem Durchmesser des unteren Bereichs 115a des Stabs 115 hat. Der Stab 115 ist in der Bohrung des Schafts positioniert und darin befestigt. Die Bohrung ist so gebildet, daß ein kleines Stück des Unterendes des Stabs 115 daraus vorsteht. Die untere Endfläche des Schafts 110 liegt in einer Ausnehmung einer Endkappe 841 des Sensorgehäuses, wenn der Sensorarm 114 in einer extremen unteren Endposition ist, wie 4 zeigt, so daß der Sensorarm in dem Sensorgehäuse 84 festgehalten wird. Der Stab 115 verläuft durch eine zentrale Öffnung 842 der Endkappe 841.
  • Der Schaft 110 ist so gehaltert, daß er axial bewegbar ist, d. h. er ist parallel zu seiner Länge innerhalb einer Vierkantbohrung einer Hülse 112 bewegbar. Die Hülse 112 ist in einem Zylinder 111 befestigt und in ihrer Lage verklebt und liegt an einem radial nach innen verlaufenden Flansch 843 an. Die Hülse 112 ist somit fest an einer Bohrung innerhalb des Zylinders 111 angebracht. Die Hülse 112 (wie 5 am deutlichsten zeigt) weist einen langgestreckten Körper mit äußerem Kreisquerschnitt auf, dessen Durchmesser demjenigen der Innenbohrung des Zylinders 111 entspricht. Die äußere Oberfläche der Hülse 112 ist mit axial und in Umfangsrichtung verlaufenden Kanälen ausgebildet, um den Durchtritt von Luft zu ermöglichen, wie nachstehend beschrieben wird. Die Bohrung und der Schaft 110 können eine andere Querschnittsform als die Vierkantform haben, solange der gewählte Querschnitt derart ist, daß eine Relativdrehung verhindert wird. Alternativ kann irgendeine andere Art einer Verkeilungsanordnung vorgesehen sein, die zwischen der Hülse 112 und dem Schaft 110 eine Axialbewegung zuläßt, aber eine Radialbewegung verhindert.
  • Ein Luftzuführkanal 845 verläuft von dem oberen Bereich 84b des Sondengehäuses 84 durch den Zylinder 111 und ist mit einem oberen Umfangskanal in dem Schaft 110 in Verbindung, um Druckluft für die Bildung der Luftlagerung zuzuführen.
  • Luft wird aus dem Luftlager durch zwei Gruppen von Luftausstoßlöchern ausgestoßen. Jede Gruppe von Luftausstoßlöchern weist bei diesem Beispiel drei in Umfangsrichtung beabstandete Löcher auf, die sich von der Außenseite des Zylinders 111 so erstrecken, daß sie mit Kammern in Verbindung sind, die in dem Zylinder 111 über und unter der Hülse 112 vorgesehen sind. Die obere Gruppe von Luftausstoßlöchern 117a bis 117c ist unmittelbar über der oberen Erstreckung der Hülse 112 vorgesehen und in der Querschnittsansicht von 6 gezeigt. Die untere Gruppe von Luftausstoßlöchern (in 4 ist nur eines, 119a, gezeigt) ist unmittelbar unter der unteren Erstreckung der Hülse 112 vorgesehen. Bevorzugt sind die obere und die untere Gruppe von Luftausstoßlöchern unter verschiedenen Winkeln relativ zu einem Referenzradius des Zylinders 111 beabstandet.
  • Gemäß den 6 und 7 ist der untere Bereich 84a des Sensorgehäuses 84 separat von dem oberen Bereich 84b des Sensorgehäuses 84 ausgebildet und weist einen Zylinder 111 mit der Endkappe 841 an seiner Basis auf und ist an dem oberen Bereich des Sensors mittels Bolzen (nicht gezeigt) angebracht, die jeweilige Löcher in der Basis 844 des oberen Bereichs des Sensors (nicht gezeigt) durchsetzen und in Gewindelöchern in dem Flansch 843 des unteren Bereichs festgelegt sind. Bei dem gezeigten Beispiel sind drei Gewindelöcher 109a, 109b und 109c und eine entsprechende Anzahl Bolzen vorgesehen. Selbstverständlich könnte jede andere herkömmliche Befestigungstechnik angewandt werden.
  • Der untere Bereich 84a des Sensorgehäuses 84 ist relativ zu dem oberen Bereich 84b axial festgelegt durch einen Positionierungszapfen 108, der präzise an der Innenfläche des Zylinders 111 anliegt, und die Innenfläche des Luftzuführungskanals 845, der mit dem oberen Bereich 84b des Sensorgehäuses 84 kommuniziert.
  • Gemäß 7 (in der der Luftzuführungskanal 845 nicht zu sehen ist) erstreckt sich das obere Ende des Stabs 115 durch den Positionierungszapfen 108 in der Basis des oberen Bereiche 84b des Sensorgehäuses 84. Das obere Ende des Stabs 115 trägt einen radial verlaufenden Tragarm 101, der an einem Ende umgebogen ist, um einen Verschluß 125 einer optischen Erfassungsanordnung zu bilden, wie im einzelnen noch beschrieben wird. Das äußere Ende einer Schraubenfeder 130 ist durch ein quer verlaufendes Loch 115b in dem Stab 115 eingesetzt, das diametral entgegengesetzt zu dem Tragarm 101 und in kurzer Entfernung von dem oberen Ende des Stabs 115 ausgebildet ist. Die Schraubenfeder 130 ist an einer Trageinrichtung 500 vorgesehen, die an der Innenseite des Sensorgehäuses 84 angebracht ist. Die Schraubenfeder 130 spannt den Stab 115 und damit den Sensorarm 114 zu dem zu messenden Bauteil hin vor, wodurch bei diesem Beispiel die schwerkraftbedingte Vorspannkraft ergänzt wird. Typischerweise ist diese Kraft 1,5 g, dies kann jedoch von der Oberflächenform oder dem Material des zu messenden Bauteils abhängig sein. Alternativ können zwei Vorspannfedern vorgesehen sein, die bevorzugt diametral entgegengesetzt über dem Stab 115 vorgesehen sind. In diesem Fall kann die erste Vorspannfeder so angeordnet sein, daß sie die Masse des Sensorarms 114 ausgleicht, und die zweite kann vom Benutzer einstellbar sein, so daß der Benutzer die Vorspannkraft in Übereinstimmung mit einer Reihe von Faktoren, speziell der Oberflächengestalt des Bauteils und der Überstreichgeschwindigkeit des Sensors, einstellen kann. Die Schraubenfeder ist fakultativ und könnte in Fällen weggelassen werden, in denen die durch die Schwerkraft bedingte Vorspannung als ausreichend angesehen wird. Alternativ kann jede geeignete Federbauart oder jede andere Form von Vorspanneinrichtung wie etwa eine LVDT-Vorspannanordnung verwendet werden.
  • Ein Träger 106 ist an dem oberen Ende des Sensorarms 114 (bei der Ausführungsform auch an dem oberen Ende des Tragarms 101) vorgesehen und trägt einen Reflektor 105 des noch zu beschreibenden optischen Meßsystems OMS.
  • Unter Bezugnahme auf die 8 und 9 wird nun die Anordnung zur Steuerung der Lage des Sensorhalters 80, der das Sensorgehäuse 84 trägt, beschrieben. 8 ist eine Teilschnittdarstellung entlang der Linie X-X in 9, und 9 ist eine Ansicht in Richtung der y-Achse in 1. Im Interesse der Klarheit sind in diesen Figuren diejenigen Merkmale, die sich nicht auf die Lagesteuerung des Halters 80 beziehen, ebenso wie die obere Wand und die Seitenwände der Kammer 40 weggelassen.
  • Die Basis der Kammer 40 ist als Fläche 41 bezeichnet. Die Halterantriebsanordnung ist auf einer Stützplatte 42 angebracht, die an der Basisfläche 41 befestigt ist. Die Schäfte 42a, die mit Positionierlöchern in der Stützplatte befestigt sind, sind vorgesehen, um das optische Meßsystem OMS zu haltern, wie noch unter Bezugnahme auf die 12 bis 14 beschrieben wird. Der Halter 80 wird von einem Seil 67 in der gewünschten Lage entlang der Halterführung 70 gehalten. Das Seil 67 ist an der Basis des Halters 80 durch eine herkömmliche Sicherungsmutter 90 befestigt. Das Seil verläuft an der Halterführung 70 in einem Kanal 70a liegend abwärts und verläuft dann um Riemenscheiben 91 und 92 und zurück nach oben zu der Kammer 40 an der Rückseite der Gleitführung 70. Danach verläuft es durch Öffnungen 43c und 43d in Flächen 41 bzw. 42 und um den oberen Teil einer Zustellscheibe 66, wobei es in einer Umfangsnut derselben liegt. Danach verläuft das Seil 67 abwärts durch Öffnungen 43a und 43b in den Oberflächen 41 und 42 und die Gleitführung 70 entlang nach unten (in dem Kanal 70a liegend) und ist an dem oberen Ende des Halters 80 durch einen herkömmlichen einstellbaren Sicherungsbolzen 93 befestigt. Ein Einstellen des Bolzens 93 spannt das Seil, so daß eine Drehung der Zustellscheibe 66 bewirkt, daß sich der Halter 80 entlang der Gleitführung auf- und abwärts bewegt. Das Seil ist an der Zustellscheibe 66 bevorzugt an einer Stelle befestigt, an der es zum Verhindern von Schlupf beitragen kann.
  • Die Zustellscheibe 66 ist an einer koaxialen Welle 63 fest angebracht, die von einem Elektromotor 50 durch die Kraft eines Reduziergetriebes 60 typischerweise mit einem Untersetzungsverhältnis von 2500 : 1 angetrieben wird, wobei der Getriebezug wie folgt verläuft: Motorwelle 56 zu Getriebeeingangswelle 59 (über Wellenkupplung 58) und Getriebeausgangswelle 61 zu Zustellscheibenwelle 63 (über Wellenkupplung 62). Die Welle 63 der Zustellscheibe 66 erstreckt sich durch zwei Halterungen 64, 65 und ist relativ dazu axial drehbar.
  • Wie 9 zeigt, ist auf einer zweiten Ausgangswelle des Getriebes 60 eine Schlitze aufweisende lichtundurchlässige Scheibe (oder eine transparente Scheibe mit lichtundurchlässigen radialen Linien) eines Drehgebers 68 befestigt. Licht, das von einer (nicht gezeigten) LED zu einer Lichtempfangseinrichtung wie etwa einer Fotodiode oder einem Fototransistor (nicht gezeigt) ausgesendet wird, wird von der Scheibe während ihrer Drehbewegung periodisch unterbrochen. Die Signale von dem Drehgeber werden zur Steuerung der Lage des Sensorhalters genutzt, wie unter Bezugnahme auf 16 noch beschrieben wird.
  • Die Bewegungssteuerung des Sensorhalters 80 erfolgt unter Verwendung der optischen Meßanordnung, die dem Sensorarm 114 zugeordnet ist und nun unter Bezugnahme auf die 7, 10a und 10b beschrieben wird.
  • 10a ist eine Seitenansicht (in Bezug auf die Ansicht von 4), und 10b ist eine Ansicht aus der gleichen Richtung wie 4 und zeigt die optische Meßanordnung. Die optische Meßanordnung dient dazu, die Lage des Stabs 115 relativ zu dem Sensorhalter 80 innerhalb eines Betriebsbereichs von typischerweise 0,5 mm bis 1 mm während des gesamten Meßvorgangs ungefähr konstant zu halten. Das kann zu einer Verringerung von Fehlern führen, die beispielsweise durch Reibungskräfte zwischen dem Sensorarm 114 und dem Sensorgehäuse 84 oder durch ungleichmäßige Vorspannkräfte in Abhängigkeit von der Position des Sensorarms 114 relativ zu dem Sensorgehäuse 84 und durch mangelnde Geradheit in z-Richtung oder durch den Mangel an Präzision in der Luftlagerung des Sensors verursacht werden.
  • Wie die 10a und 10b zeigen, weist die optische Meßanordnung eine einzelne LED 122 auf, die an einer LED-Halterung 120 gehaltert ist, die von der Trageinrichtung 118 getragen wird. Fotodioden 132 und 134 sind an einer Fotodiodenhalterung 124 so gehaltert, daß sie der LED 122 gegenüberliegen. Die LED 122 ist also so angeordnet, daß sie Licht zu den Fotodioden 132, 134 aussendet.
  • Der Verschluß 125 ist zwischen der LED 122 und der oberen Fotodiode 132 positioniert und mit dem Tragarm 101 verbunden, so daß er der Bewegung des Sensorarms 114 in z-Richtung folgt. Der Verschluß ist für das von der LED 122 abgegebene Licht im wesentlichen undurchlässig, und wenn er in dem Lichtweg zwischen der LED und den Fotodioden positioniert ist, blockiert er in Abhängigkeit von seiner Position mindestens teilweise den Lichtweg, so daß zumindest auf einen Teil der Fotodiode 132 ein Schatten fällt. Die Schattengrenze bewegt sich natürlich mit der Bewegung des Sensorarms 114 entlang der z-Achse. Typischerweise kann der Verschluß 125 ein Feinblech aus Aluminiumlegierung sein, das z. B. durch Eloxieren geschwärzt ist.
  • Aus 10b ist ersichtlich, daß der Tragarm 101 sich entlang der z-Achse (auf- und abwärts) bewegt, wie der Pfeil A zeigt. Wenn sich der Sensorarm 114 beispielsweise nach unten bewegt, bewegt sich der Tragarm 101 und damit der Verschluß 125 um eine entsprechende Strecke aus der in 10b gezeigten Position nach unten, so daß die Fotodiode 132 gegenüber der LED 122 mehr verdeckt wird (dabei ist die LED in dieser Figur nicht gezeigt). Wenn sich umgekehrt der Sensorarm 114 nach oben bewegt, bewegen sich der Tragarm 101 und damit der Verschluß 125 um eine entsprechende Strecke nach oben, so daß die Fotodiode 132 gegenüber der LED 122 weniger verdeckt wird. Das Ausgangssignal der oberen Fotodiode 132 kann somit genutzt werden, um die z-Achse-Position des Sensors anzuzeigen. Typischerweise liefert diese Anordnung, wenn sie mit herkömmlichen Fotodioden und LED verwendet wird, nur ein lineares Ausgangssignal in den Bereichen, die um 1/4 bis 3/4 verdeckt sind, und die Rückführungssteuerung ist bevorzugt wirksam, um den Verschluß 125 mindestens innerhalb dieses Bereichs zu halten.
  • Bei dieser Ausführungsform ist die untere Fotodiode 134 zu keiner Zeit verdeckt, und das von ihr gelieferte Signal wird genutzt, um die Stärke des von der LED abgegebenen Lichts zu überwachen und ein Rückführungssignal zu liefern, so daß die Stärke des davon abgegebenen Lichts konstant bleibt. Wie 11A zeigt, wird somit das Signal der unteren Fotodiode 134 zu einem Verstärker 600 und weiter zu einem Differenzverstärker 604 geleitet. Der andere Eingang des Differenzverstärkers ist ein Referenzpegel, der von einer Referenzspannung 602 gespeist wird. Das von dem Differenzverstärker 604 abgegebene Ausgangssignal bezeichnet also einen Fehler oder eine Abweichung des auf die untere Fotodiode fallenden Lichts gegenüber einem nominellen Sollwert. Das von dem Differenzverstärker abgegebene Signal wird genutzt, um den von einem LED-Treiber 606 für die LED 122 gelieferten Treiberstrom so einzustellen, daß der Treiberstrom gegenüber einem nominellen Referenzwert erhöht oder verringert und dadurch die Helligkeit der LED geändert wird. Der Treiberstrom wird von dem LED-Treiber 606 abgegeben, um die LED 122 so zu treiben, daß das Ausgangslicht der Fotodiode 134 konstant gehalten wird.
  • Wie 11b zeigt, wird das Ausgangslicht der Fotodiode 132 über einen Verstärker 136 mit fest eingestelltem Verstärkungsgrad dem Motortreiber zugeführt, wie nachstehend beschrieben wird.
  • Bevorzugt sind die LED 122 und die Fotodioden 132 und 134 Infrarotelemente, um eine Beeinflussung oder Störung durch Streulicht aus der Umgebung zu vermeiden.
  • Als Alternative zur Verwendung der unteren Fotodiode 134 für die Intensitätsmodulation der LED 122, wie oben beschrieben wird, könnte ein einfaches Differenzsignal von den beiden Fotodioden 132, 134 dazu dienen, die Rückführung der Sensorhalterlage zu steuern.
  • Die oben unter Bezugnahme auf die 11a und 11b erörterten Schaltungen können in dem Sensorgehäuse 84 gemeinsam mit einer geeigneten Energieversorgung angebracht sein.
  • Das optische Meßsystem OMS zur Erfassung oder Messung der Verlagerung des Sensorarms 114, während dieser einer zu messenden Oberfläche folgt, wird nun unter Bezugnahme auf die 12 bis 15 beschrieben.
  • Mit Ausnahme des Reflektors 105 ist das optische Meßsystem 11, wie schematisch in 14 gezeigt ist, auf einer Plattform 420 angebracht, die auf den Stützen 42a gehaltert ist, von denen vier vorgesehen sein können.
  • 13 ist eine Draufsicht von oben auf die Plattform 420 und die darauf angebrachten Bauelemente, und 14 zeigt den Sensorhalter 80 und zugehörige Bauelemente, die für das optische Meßsystem 11 relevant sind.
  • Das optische Meßsystem bzw. OMS weist ein optisches Interferometer (bei dieser Ausführungsform ein Laser-Interferometer) zur Messung der Verlagerung eines an dem Sensorarm 114 vorgesehenen Reflektors 105 auf. Bei der in den 12 bis 14 gezeigten Ausführungsform ist der Reflektor ein Katzenaugenrückstrahler, der eine Linse 105a und einen Spiegel 105b aufweist, der im Brennpunkt der Linse liegt, so daß das Licht entlang dem gleichen Weg zurückgeleitet wird.
  • Das optische Interferometer weist eine Laserlichtquelle 42 auf, die einen Ausgangsstrahl liefert, der unter 45° zu der x-Achse in 12 linear polarisiert ist. Der Ausgangsstrahl wird auf ein polarisierendes Strahlteilerprisma 44 gerichtet, das in x-Richtung polarisiertes Licht durchläßt und in y-Richtung polarisiertes Licht reflektiert. Das Strahlteilerprisma 44 liefert somit einen durchgelassenen Referenzstrahl R, der in x-Richtung linear polarisiert ist, und einen reflektierten Meßstrahl M, der in y-Richtung linear polarisiert ist.
  • Der durch den Strahlteiler 44 durchgelassene Referenzstrahl wird über eine Lambda-Viertel-Platte 44a an der Austrittsfläche durchgelassen und läuft dann parallel zu der Ebene der Plattform 420, bis er auf einen Reflektor 49 trifft, der so angeordnet ist, daß er den Strahl unter einem Winkel von 90° reflektiert (siehe 13). Danach läuft der Referenzstrahl R zu einem Umlenkspiegel 46, der den Referenzstrahl zurück entlang seinem Weg (d. h. zurück durch den 90°-Reflektor 49) zum Strahlteiler 44 reflektiert. Der Referenzstrahl läuft nun zurück durch die Lambda-Viertel-Platte 44a und wird von dem Strahlteiler 44 zu der Analysenoptik 54 (die nachstehend noch im einzelnen erläutert wird) reflektiert, die über der Oberfläche 420 auf der Abstützung 54a angebracht ist.
  • Der Meßstrahl M wird von dem Strahlteiler 44 unter 90° reflektiert, geht durch eine Lambda-Viertel-Platte 44b und läuft dann entlang der z-Achse durch eine Öffnung 420a in der Plattform 420. Dann geht der Meßstrahl M durch ausgefluchtete Öffnungen 43e und 43f in der Oberfläche 41 und der Platte 42 abwärts entlang der z-Achse parallel zu der Gleitführung 70 in einen zylindrischen Lichtdurchgang 102 an dem oberen Ende des Sensorgehäuses 84, bis er auf den Reflektor 105 trifft, der an dem oberen Ende des Sensorarms 114 angebracht ist. Gewöhnlich ist eine Haube oder Abdeckung (in der Zeichnung nicht gezeigt), die an dem Gestell 20 befestigt ist, aus Sicherheitsgründen vorgesehen, um den Bediener vor dem Lichtstrahl zu schützen. Der Meßstrahl M kehrt danach durch den Lichtdurchgang 102 zurück.
  • Der reflektierte Meßstrahl tritt erneut durch die Lambda-Viertel-Platte 44b in den Strahlteiler 44 ein und geht gerade hindurch zu der Analysenoptik 54.
  • Die beiden koaxialen Strahlen werden einer weiteren Lambda-Viertel-Platte PR zugeführt, deren Hauptachse unter 45° zu der x- und y-Achse verläuft. Die Lambda-Viertel-Platte PR wandelt die linear polarisierten Strahlen in zwei zirkularpolarisierte koaxiale Strahlen entgegengesetzter Richtung um. Die beiden zirkularpolarisierten koaxialen Strahlen werden einem nominell nichtpolarisierenden Strahlteilerprisma 150 zugeführt, das zwei zueinander senkrechte zusammengesetzte Strahlen erzeugt, von denen jeder aus zwei zirkular polarisierten Strahlen entgegengesetzter Richtung besteht, die eine Phasendifferenz aufweisen. Jeder zusammengesetzte Strahl trifft auf ein Strahlteilerprisma 152 oder 158 für polarisierte Strahlen. Das Strahlteilerprisma 158 ist relativ zu der Zeichenebene um 45° gedreht. Somit werden vier Teilstrahlen erzeugt. Die Teilstrahlen von dem unteren Strahlteilerprisma 158 sind unter Winkeln von 45° und –45° zu der x-Achse linear polarisiert, wogegen die Teilstrahlen von dem Strahlteilerprisma 152 unter Winkeln von 0 und 90°, d. h. in der Richtung der x- bzw. der y-Achse, linear polarisiert sind.
  • Jeder Teilstrahl fällt auf einen entsprechenden lichtelektrischen Empfänger 154, 156, 160, 161. Die von diesen Empfängern erzeugten lichtelektrischen Ströme ergeben jeweils um 90° phasenverschobene Ausgangssignale, die dann einem Zähler/Interpolator 162 (siehe 16) zugeführt werden, der entsprechend der Beschreibung in 34 von WO92/21934 ausgebildet sein kann. Der Zähler/Interpolator 162 zählt die Zahl von Streifen und Fraktionen von Streifen seit der letzten Messung, wodurch ein Maß für die durchlaufende Distanz (d. h. die relative Änderung der Oberflächenform des zu messenden Bauteils) seit der letzten Messung erhalten wird. Bei der Ausführungsform ist die Auflösung des Interferometers 8 nm (Nanometer), und der typische Bereich, über den eine Messung erfolgen kann, ist 80 mm.
  • Bei einer alternativen Ausführungsform kann der Reflektor 105 ein Tripelspiegel sein. Eine solche alternative Ausführungsform ist in 15 gezeigt, und die erforderlichen Modifikationen werden nachstehend beschrieben. Bei dieser alternativen Ausführungsform ist der Reflektor 105 durch einen Tripelspiegel 105' und einen Spiegel 48 ersetzt, der an der Unterseite der Platte 41 angebracht ist (wie in 14 in Strichlinien gezeigt ist). Der Meßstrahl wird von dem Tripelspiegel 105' reflektiert und läuft in dem Lichtdurchlaß 102 zurück und trifft auf den Spiegel 48. Dieser Spiegel 48 reflektiert den Meßstrahl zurück entlang seinem Einfallsweg, so daß er ein zweites Mal auf den Tripelspiegel 105' trifft und danach zurück zu dem Prisma 44 läuft, was bei dieser Ausführungsform keine Lambda-Viertel-Platte 44b erfordert, weil der Tripelspiegel 105' die notwendige Verlagerung der Ebene bewirkt. Der Durchgang des Meßstrahls M zu und von dem feststehenden Spiegel 48 via den Tripelspiegel 105' bewirkt jedesmal eine Verdoppelung der Phasenverschiebung des Meßstrahls, wodurch eine Verbesserung der Auflösung bewirkt wird. Modifikationen können auch an der Weglänge des Referenzstrahls vorgenommen werden, wenn die Kohärenzlänge des Lasers derart ist, daß dies notwendig ist. Die vorher beschriebene Katzenaugenanordnung verwendet einen Einzelweganstelle eines Doppelweg-Meßstrahls, was zwar die Auflösung vermindern, aber erwünscht sein kann, wenn es Kohärenzlängenprobleme gibt, wodurch die Notwendigkeit der Verwendung eines modenstarren oder stabilisierten Lasers vermieden wird, was die Kosten mindert.
  • Die Steuerschaltung wird nun unter Bezugnahme auf 16 beschrieben.
  • Die Steuerschaltung umfaßt das Hauptsteuersystem 200, das das optische Meßsystem 11, die Plattformmotor-Steuerschaltung 12 sowie die Sensorhalter-Motorsteuerschaltung 13 steuert. Das Hauptsteuersystem kommuniziert mit einem PC-System 15 über eine serielle Verbindung. Das PC-System 15 kann für Benutzereingaben verwendet werden und kann Meßergebnisse verarbeiten und anzeigen.
  • Das Hauptsteuersystem 200 umfaßt einen Mikroprozessor 202, einen RAM 204, einen ROM 206 (einen EPROM bei der Ausführungsform) und eine serielle Schnittstelle 208 vom SDLC-Typ mit dem PC-System 15.
  • Wie oben erörtert, wird das Ausgangssignal der Analysenoptik 54 des optischen Interferometers 164 dem Zähler/Interpolator 162 zugeführt, der über eine digitale E/A-Schnittstelle (nicht gezeigt) Daten an das Hauptsteuersystem 200 liefert, die die Strecke bezeichnen, um die sich der Sensor seit der letzten Messung bewegt hat.
  • Die Plattformmotor-Steuerschaltung 12 wird ebenfalls von dem Hauptsteuersystem 200 gesteuert. Wie oben erwähnt wird, wird die Plattform 30 relativ zu der Gleitführung durch die Plattformmotor-Steuerschaltung 12 bewegt, die gemäß 16 einen Linearmotor 169, einen Motortreiber 166, einen Zähler/Interpolator 168 und einen optischen Meßwandler 167 aufweist. Die Bewegung der Plattform wird von dem Hauptsteuersystem 200 gesteuert, das mit dem Motortreiber 166 über eine Schnittstelle verbunden ist. Zur Erzielung der erforderlichen Präzision der Bewegung der Plattform 30 bei dieser Ausführungsform ist eine interne Lagerückführung der Plattformmotor-Steuerschaltung 12 zu dem Motortreiber 166 über den Zähler/Interpolator 168 vorgesehen.
  • Das Ausgangssignal des Zählers/Interpolators 168 bezeichnet die Fortbewegung des Sensorgehäuses 84 entlang seinem Meßweg und wird direkt dem Hauptsteuersystem 200 zugeführt, um die Distanz zu bestimmen, um die sich der Sensor in der z-Richtung zwischen der vorhergehenden x-Lage xn–1 und der aktuellen x-Lage xn bewegt hat.
  • Die Sensorhaltermotor-Steuerschaltung 13 weist den optischen Verschluß 82, den Motortreiber 83, den Elektromotor 50 und den Drehgeber 68 auf. Die Steuerung der Bewegung des Sensors ist von der Betriebsart des Geräts abhängig. Wenn der Sensor unter Benutzersteuerung steht, beispielsweise zur Positionierung vor einem Meßzyklus, wird der Motortreiber 83 von dem Hauptsteuersystem 200 gesteuert. Der Benutzer kann über einen Joystick 210 oder alternativ über den PC Befehle in das Hauptsteuersystem eingeben. In dieser Betriebsart erfolgt die Lagerückführung zu dem Motortreiber 83 von der Codierscheibe bzw. dem Drehgeber 68.
  • Während eines Meßzyklus wird die Bewegung des Sensors nicht von dem Hauptsteuersystem 200 gesteuert. Der Sensor folgt der Oberfläche des Bauteils infolge der lokalen Rückführung, die von dem optischen Verschluß 82 geliefert wird. Diese Rückführung kann analog sein, wodurch die Bandbreite des Geräts verbessert wird.
  • Diese lokale Rückführung ermöglicht eine rasche Einstellung der Lage des Sensors relativ zu dem Halter, um sicherzustellen, daß der Sensor in der Zeit zwischen Messungen, die von dem optischen Meßsystem OMS bezüglich der Lage des Sensors beim Überstreichen der zu messenden Oberfläche durchgeführt werden, in seinen Betriebsbereich zurückgebracht wird.
  • Im Gebrauch wird zuerst ein zu messendes Bauteil oder Werkstück, beispielsweise eine asphärische Linse, auf dem Drehteller 36 positioniert und in seiner Lage mit herkömmlichen Einspannmitteln (nicht gezeigt) gesichert. Der Benutzer kann dann eine Nivellierung des Bauteils durch Drehen der Räder der drei vom Benutzer einstellbaren Lager des Drehtellers 36 durchführen. Der Benutzer kann auch die Positionierung des Drehtellers in der y-Richtung einstellen, wie oben unter Bezugnahme auf die 1, 3 und 4 erläutert wurde. Zusätzlich oder alternativ kann eine computergesteuerte oder Software-Zentrierung und -Nivellierung erfolgen, wie in der EP-Patentanmeldung 0787280 beschrieben wird.
  • Wenn das Bauteil richtig positioniert und nivelliert ist, prüft der Benutzer unter Verwendung der Winkelmarken an dem Drehteller, daß sich dieser in der richtigen Winkelorientierung befindet; andernfalls dreht er den Drehteller von Hand unter Verwendung der vorgesehenen Knöpfe, wie unter Bezugnahme auf die 3 und 4 erläutert wurde. Alternativ kann der Drehteller computergesteuert gedreht werden, wie oben beschrieben wird, wobei der Benutzer die Orientierung durch Eingabe von Befehlen über die Tastatur 172 oder die Maus 174 des PC-Systems 15 bestimmt.
  • Wenn das Bauteil und der Drehteller richtig positioniert sind, weist der Benutzer das Hauptsteuersystem über den PC an, mit der Messung eines Oberflächenprofils über das Bauteil zu beginnen. Das Hauptsteuersystem 200 bewegt dann den Sensorhalter 80 so, daß die Sensorspitze mit der Oberfläche in Berührung gebracht wird, wobei dieser Vorgang allerdings zumindest teilweise von einem Benutzer durchgeführt werden kann. Nachdem das Hauptsteuersystem festgestellt hat, daß dies erreicht ist, übergibt es die Steuerung des Haltermotors 50 an den optischen Verschluß 82 und den Motortreiber 83, der wie oben erörtert den Sensorhalter erforderlichenfahls bewegt, um den Sensor innerhalb seines Betriebsbereichs bevorzugt an einer Nullposition zu halten, während er der zu messenden Oberfläche folgt.
  • Das Hauptsteuersystem 200 veranlaßt den Plattform-Motortreiber 166, den Motor 169 anzutreiben, so daß sich die Plattform und damit der Drehteller und das darauf befindliche Bauteil relativ zu dem Sensor in der x-Richtung bewegen. Signale von dem Zähler/Interpolator 168 werden sowohl dem Motortreiber 166, der sie für die Lagerückführung nutzt, und direkt dem Hauptsteuersystem zugeführt, das sie nutzt, um das Ausgangssignal des Zählers/Interpolators 162 in den Speicher 204 zu schreiben und dadurch die x-Position zu liefern.
  • Das Hauptsteuersystem 200 bestimmt aus den aufgezeichneten Ausgangswerten des optischen Meßsystems 11 die z-Position des Sensors für jede x-Position, und diese werden ebenfalls in dem Speicher 204 gespeichert. Das resultierende Profil kann dann an den PC über die serielle Schnittstelle 208 übermittelt werden, um angezeigt zu werden oder einen Ausdruck des Profils unter Verwendung des Druckers 178 zu erstellen.
  • Der Benutzer kann dann den Drehteller um einen bekannten Winkel drehen und das Hauptsteuersystem 200 anweisen, eine weitere Profilmessung auszuführen. Profilmessungen, die von dem Hauptsteuersystem gespeichert und unter verschiedenen Orientierungen des Bauteils relativ zu der x-Richtung durchgeführt werden, können an das PC-System 15 übertragen und unter Verwendung von in dem PC-System 15 gespeicherten bekannten Algorithmen verarbeitet werden, um zu bestimmen, ob das Bauteil, wenn es sich um eine asphärische Linse handelt, das erforderliche Maß an asphärischer Gestalt hat. Auf dem Display 176 kann ein simuliertes dreidimensionales Profil zur Anzeige gebracht werden.
  • Das PC-System 15 kann ferner andere bekannte Datenverarbeitungs-Algorithmen speichern, um beispielsweise die Berechnung von anderen signifikanten Formcharakteristiken aus den Meßprofilen zu ermöglichen. Beispielsweise können Algorithmen zur Bestimmung der Rundheit, der Geradheit und/oder der Zylinderform eines Bauteils vorgesehen sein. Algorithmen zur Bestimmung der Balligkeit oder des Scheitelwerts einer gekrümmten Fläche, also der maximalen Verlagerung oder Höhe in der z-Richtung, können ebenfalls vorgesehen sein. Programme oder Algorithmen und Daten können auf jede herkömmliche Weise zugeführt und in dem PC gespeichert werden.
  • Bei der oben beschriebenen Ausführungsform folgt der Sensor während seiner Bewegung relativ zu dem Bauteil entlang einem Meßweg der Oberfläche des Bauteils, so daß eine im wesentlichen konstante Lage des Sensorarms relativ zu seinem Haltergehäuse aufrechterhalten wird.
  • Das ermöglicht dem Sensorarm, ungeachtet der tatsächlichen Verlagerung des Sensors innerhalb eines nutzbaren Meßbereichs gehalten zu werden, was die Vergrößerung des Meßbereichs des Geräts fördern sollte.
  • Die Verwendung der separaten Erfassungseinrichtung zur Steuerung der Bewegung des Sensorhalters und des optischen Interferometers für die Datenaufzeichnung erlaubt die lokale Rückführungssteuerung der Bewegung des Halters, was die Geschwindigkeit dieser Steuerung erhöhen sollte und ferner in einer Minderung des mit einer solchen Steuerung einhergehenden Lärms resultieren sollte.
  • Wie oben beschrieben wird, ist der Sensorarm in einem Luftlager bewegbar, während der Sensorhalter entlang einer Luftlagergleitführung auf der z-Achse bewegbar ist. Das sollte eine Vergrößerung des Ausmaßes erlauben, in dem der erforderliche Präzisionsgrad der Sensorbewegung aufrechterhalten werden kann.
  • Die Fähigkeit zum Drehen des Bauteils – in der vorstehenden Beschreibung durch Drehen des Drehtellers – zusätzlich dazu, daß eine Relativbewegung zwischen dem Bauteil und dem Sensor oder Taster in der Meßwegrichtung bewirkt wird, erlaubt es, daß Meßwege, die unter einem Winkel zueinander verlaufen (d. h. entlang nichtparallelen Wegen), überstrichen werden können, was besonders dann nützlich ist, wenn Abweichungen von der Rotationssymmetrie, beispielsweise das Maß der asphärischen Form einer asphärischen Linse oder einer anderen optischen Oberfläche wie etwa eines Spiegels, bestimmt werden müssen. Wenn eine Messung entlang Meßwegen unter Winkeln zueinander nicht notwendig ist, kann der Drehteller entfallen. Wenn alternativ das zu messende Bauteil nur während einer Messung gedreht werden muß, um beispielsweise die Rundheit oder zylindrische Form zu messen, könnte die x-Achse-Gleitführung entfallen. Wenn der Drehteller vorgesehen ist, kann er auch in seiner Lage fixiert werden, d. h. die y-Achse-Bewegung des Drehtellers kann entfallen.
  • Wie oben beschrieben wird, ist der Drehteller in der x-Richtung bewegbar. Der Drehteller könnte jedoch in seiner Lage fixiert werden und der Sensorhalter an einem weiteren Halter montiert sein, der seinerseits an dem Gestell angebracht ist, so daß er in x-Richtung in 1 bewegbar ist. Ferner könnte entweder zusätzlich oder alternativ der Sensorhalter an einem weiteren Halter angebracht sein, der seinerseits an dem Gestell so angebracht ist, daß er in der y-Richtung in 1 bewegbar ist, wodurch eine Reihe von parallelen Überstreichungen eines Bauteils dadurch erzielt werden kann, daß der Sensor zwischen Überstreichbewegungen in der x-Richtung in der y-Richtung bewegt wird.
  • Wie oben beschrieben wird, werden optische Lageerfassungswandler verwendet, aber andere Lageerfassungswandler wie LVDT (linear verstellbare Differentialtransformatoren) können beispielsweise verwendet werden, um die Lage der x-Achse-Gleitführung und die Lage des Sensors relativ zu dem Halter zu erfassen.
  • Bei den oben beschriebenen Beispielen weist der Sensor oder das Meßinstrument eine Sensorspitze auf, die so angeordnet ist, daß sie das zu messende Bauteil berührt; der Sensor könnte jedoch einen kontaktlosen Sensor wie etwa ein Rasterkraftinstrument oder ein optisches selbstfokussierendes Instrument oder ein Fokusfolgeinstrument, das der zu messenden Oberfläche in einem festgelegten Abstand folgt, aufweisen. Auch könnte der Sensor in einer anderen Richtung als entlang der z-Achse orientiert sein. Wenn beispielsweise die Rundheit oder die zylindrische Form eines Bauteils gemessen wird, könnten der Sensor und der Sensorhalter sich entlang der x- oder y-Richtung erstrecken und entlang diesen Richtungen bewegbar sein.
  • Ferner sind die bei der Ausführungsform beschriebenen Luftlager bevorzugte Merkmale, und es könnten irgendwelche geeigneten Lager verwendet werden.
  • Weitere Abwandlungen und Modifikationen sind für den Fachmann ersichtlich.

Claims (17)

  1. Meßgerät zum Messen der Oberflächeneigenschaften eines Werkstücks (300), mit einer ersten Bewegungseinrichtung (169) zum Bewirken einer Relativbewegung zwischen einem länglichen Oberflächenabtastsensor (114, 116) und dem Werkstück (300), um dem Sensor (114, 116) ein Überstreichen einer Oberfläche des Werkstücks (300) zu ermöglichen; einem Sensorhalter (80) zum Halten des Sensors (114, 116), um eine Bewegung des Sensors (114, 116) relativ zu dem Sensorhalter (80) in einer Meßrichtung parallel zur Längserstreckung des Sensors (114, 116) zu ermöglichen; und einer Abtasteinrichtung (164, 54, 162) zum Messen der Verschiebung des Sensors (114, 116) in der Meßrichtung, wenn der Sensor (114, 116) während des Betriebs der ersten Bewegungseinrichtung (169) einer Oberfläche nachfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorhalter (80) so auf einem Träger (70) befestigt ist, daß eine Relativbewegung zwischen dem Sensorhalter (80) und dem Träger (70) in der Meßrichtung zu möglich ist, und daß das Meßgerät ferner aufweist: eine optische Abtasteinrichtung (82) zum Erzeugen eines die Verschiebung des Sensors (114, 116) relativ zum Sensorhalter (80) anzeigenden Signals; eine zweite Bewegungseinrichtung (50) zum Bewirken einer Relativbewegung zwischen dem Sensorhalter (80) und dem Träger (70) in der Meßrichtung; und eine Steuereinrichtung (200) zum Steuern der zweiten Bewegungseinrichtung (50), um den Sensorhalter (80) relativ zu dem Träger (70) gemäß dem von der optischen Meßeinrichtung (82) erzeugten Signal so zu bewegen, daß der Sensor (114, 116) in einem Betriebsbereich bleibt.
  2. Gerät nach Anspruch 1, wobei der Sensorhalter (80) eine luftgelagerte Anordnung zum Halten des Sensors (114, 116) aufweist.
  3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei die optische Abtasteinrichtung (82) aufweist: eine Lichtemissionseinrichtung (122); und eine Lichterfassungseinrichtung (132, 134), wobei die Lichtemissionseinrichtung (122) und die Lichterfassungseinrichtung (132, 134) an dem Sensorhalter (80) angebracht sind; eine Verschlußklappe (125), die so angebracht ist, daß sie sich mit dem Sensor (114, 116) bewegt, wobei die Verschlußklappe (125) dazu ausgelegt ist, sich zwischen der Lichtemissionseinrichtung (122) und der Lichterfassungseinrichtung (133, 134) zu bewegen, wobei die Lichterfassungseinrichtung (132, 134) bei Benutzung das Signal ausgibt, das die Position des Sensors (114, 116) relativ zu dem Sensorhalter (80) angibt.
  4. Gerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Gerät ferner eine Vorspannungseinrichtung (130) zum Vorspannen des Sensors (114, 116) in Richtung der abzutastenden Oberfläche aufweist.
  5. Gerät nach Anspruch 4, wobei die Vorspannungseinrichtung (130) eine Schraubenfeder umfaßt.
  6. Gerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Abtasteinrichtung (164, 54, 162) ein an dem Gerät angebrachtes optisches Interferometer und eine mit dem länglichen Abtastsensor (114, 116) bewegbare Lichtreflexionseinrichtung (105) aufweist.
  7. Gerät nach Anspruch 6, wobei die Lichtreflexionseinrichtung (105) an einem Ende des länglichen Abtastsensors (114, 116) gegenüber einem Oberflächenabtastende angebracht ist.
  8. Gerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der längliche Abtastsensor (114, 116) einen länglichen Stab (115) aufweist, der teilweise fest innerhalb eines länglichen Schafts (110) mit quadratischem Außenquerschnitt gehalten ist, und wobei der Sensorhalter (80) eine quadratische Bohrung zum Aufnehmen des länglichen Schafts (110) aufweist, so daß der Schaft (110) in der Bohrung bewegbar ist.
  9. Gerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Bewegungseinrichtung (169) eine in einer zur Meßrichtung senkrechten Richtung bewegbare Plattform (30) aufweist.
  10. Gerät nach Anspruch 9, wobei die Plattform (30) eine Einrichtung (147) zum Nivellieren der zu messenden Oberfläche aufweist.
  11. Gerät nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Plattform (30) eine dritte Bewegungseinrichtung (147) zum Bewegen der Komponente in einer zweiten zur Meßrichtung senkrechten Richtung aufweist.
  12. Gerät nach Anspruch 11, wobei die Meßrichtung, die Überstreichungsrichtung und die zweite Richtung orthogonal zueinander sind.
  13. Gerät nach einem der Ansprüche 9 bis 13; wobei die Plattform ferner einen Drehtisch (36) aufweist, der um eine nicht parallel zur Oberfäche der Plattform (30) stehende Achse drehbar ist.
  14. Gerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner mit einer Gleitbahn (70), längs der der Sensorhalter (80) bewegbar ist, und einer Einrichtung (67) zum Halten des Sensorhalters (80) auf der Gleitbahn (70).
  15. Gerät nach Anspruch 14 mit einem Gerüst (20), an dem die Gleitbahn (70) so angeordnet ist, daß der Sensorhalter (80) von dem Gerüst (20) herabhängt.
  16. Gerät nach Anspruch 15, wobei die zweite Bewegungseinrichtung einen Motor (50) zum Bewirken einer Drehung eines ein Kabel (67) führenden Betätigungsrads (66), wobei der Sensorhalter (80) so durch das Kabel (67) von dem Gerüst (20) herabhängt, daß eine Drehung des Motors (50) ein Auf- und Abbewegen des Sensorhalters (80) längs der Gleitbahn (70) bewirkt.
  17. Gerät nach Anspruch 16, wobei das Betätigungsrad (66) von dem Motor (50) über eine Reduktionsgetriebebox (60) angetrieben wird.
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