-
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.