WO2002086419A1 - Method and device for determining the radius, the sharpness or the shape of edges - Google Patents

Method and device for determining the radius, the sharpness or the shape of edges Download PDF

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WO2002086419A1
WO2002086419A1 PCT/EP2002/004368 EP0204368W WO02086419A1 WO 2002086419 A1 WO2002086419 A1 WO 2002086419A1 EP 0204368 W EP0204368 W EP 0204368W WO 02086419 A1 WO02086419 A1 WO 02086419A1
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edge
detector
module
light
light source
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PCT/EP2002/004368
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Inventor
Gunther Röder
Original Assignee
Roeder Gunther
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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
    • G01B11/24Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/255Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures for measuring radius of curvature

Definitions

  • edge sharpness of cutting, punching, cutting or cutting tools determines the minimum cutting thickness and the cutting forces, especially the passive force, as well as the surface quality of the workpiece. Cut-outs in the cutting edge are particularly important for the surface quality of workpieces during machining. This also applies to shear cutting and cutting tools. In the case of cutting punch knives, the cut quality, the complete punching and the punching force depend on the edge sharpness, i.e. above all on the edge radius and the cutting edge angle.
  • Edges with optical properties are often not allowed to have cutouts.
  • the wiping or sealing function also depends on the edge sharpness and its freedom from breakouts or irregularities.
  • the present invention has for its object to provide a simple and reliable way to determine the properties of edges, in particular cutting edges.
  • the object is achieved by a method for determining the radius, the sharpness or the shape of edges, in particular cutting edges, or the presence of cutouts or the like, which is characterized in that an illuminating beam is directed onto the edge and the radiation power reflected by it measured and from this the radius, the sharpness, the shape of the edge or the presence or size of breakouts or wear marks is determined. If the edge is dull, ie has a large radius, the light striking the edge is strongly scattered, that is to say the radiation power reflected by the edge is high. So the lower the reflected radiation power, the sharper the edge must be. Outbreaks in the edge also cause changes in the scattering of the illumination beam. Such outbreaks can also be detected by measuring the radiation power reflected by the edge.
  • the radiation power reflected back from the edge in the direction of irradiation and at a certain angle around this direction can preferably be measured.
  • the reflected scattered light can be removed from the beam path illuminating the edge by means of a beam splitter couple out.
  • the illumination beam can be directed onto the edge by means of a focusing device.
  • the reflected scattered light can then be picked up and reproduced again by the same focusing device through which the illuminating beam also passes.
  • the reflected scattered light can also be picked up by a separate imaging device.
  • the determination of the edge sharpness or edge shape at individual selected measuring points of the cutting edge, which are exposed to special stresses, is sufficient to be able to conclude the shape and sharpness of the entire edge.
  • the entire course of the edge must be examined for its sharpness and shape or for breakouts.
  • the illuminating beam can be moved relative to the edge in such a way that it sweeps the length.
  • the intensity of the illuminating beam is not constant over its entire diameter. For a high accuracy of the measurement, it is therefore advantageous to direct the beam onto the edge in such a way that the intensity maximum lies on the cutting edge and the scattered light reflected back from the intensity maximum of the illuminating beam is evaluated.
  • the intensity maximum is usually in the center of the beam.
  • the device for carrying out a method according to the invention for determining the radius, sharpness or shape of edges is characterized by a light source, a detector for recording the proportion of light reflected by the edge and measuring its radiation power, and by a Evaluation.
  • it can have a focusing device for focusing the illuminating beam onto the edge and / or for receiving the scattered light, and a beam splitter.
  • the detector can also be designed in various ways. For example, it can have one or more photodiodes.
  • it can have a four-quadrant photodiode, a secondary electron multiplier, an avalanche photodiode, a pin diode or a row of diodes. It is also possible to equip the detector with a CCD chip or another pixel matrix photo detector.
  • the detector can preferably be arranged in an adjustable manner in the device.
  • a laser or another, approximately punctiform light source can be used as the light source.
  • the light source and / or the edge can be arranged to be movable and / or rotatable and / or pivotable.
  • the device can then be used, for example, to monitor the edge sharpness of circular knives or linear cutting edges. Monitoring can take place while circular knives or rotating forming tools are in operation. The monitoring of saw bands, circular saws, planing and milling tools is also possible with a device according to the invention.
  • the diameter of the illuminating beam or of the focus spot in the beam path can be varied after the focusing device. This allows the measurement conditions to be optimally adapted to the shape of the edge.
  • the evaluation device can also control the relative movement of the light source and edge and / or the distance between the light source and edge and / or the adjustment of the beam diameter. This enables fully automatic tracking of the device parameters, in particular when scanning an edge over its entire length.
  • a further detector for regulating the radiation power of the light source can be provided at a suitable point. It is then mainly illuminated by the light emanating from the light source and not at all or only slightly by the stray light from the edge.
  • an aperture can be arranged in front of the detector for the radiation power reflected by the edge, which shield fades out light that does not come from the cutting edge.
  • the device For the manufacture of the device, it is also advantageous if it has a modular structure and has at least one laser module, one objective module and one detector module.
  • a beam splitter module and an intensity module for regulating the intensity of the laser diode can also be provided.
  • a microscope objective or another corrected system for producing very small focal spots and good imaging of the cutting edge can preferably be arranged in the objective module.
  • One or more aspherical lenses can also be used.
  • the detection module preferably contains a focusing device, an aperture and at least one photo detector.
  • a correction cylinder lens or an arrangement of one or more prisms can be connected downstream of the laser diode in the laser module in order to correct the mostly slightly elliptical diameter of the laser diode beam again in a circular shape.
  • a beam splitter module can have, for example, a beam splitter cube, a beam splitter plate or a beam splitter film.
  • the beam splitter module represents the central module to which the other modules are preferably attached.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a device according to the invention for measuring the sharpness of a cutting edge
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a four-quadrant photodiode for detecting a vertical edge
  • FIG. 3 shows a representation corresponding to FIG. 2 of a four-quadrant photodiode for the detection of a horizontal edge
  • FIG. 4 shows a representation corresponding to FIG. 2 of a four-quadrant photodiode for the detection of an edge running obliquely to the detector.
  • the edge radius which can be associated with the edge sharpness, bevels, breakouts and wear marks can also be identified. This creates a measurement result that does not explicitly describe the geometric relationships, but that maps the geometric relationships into a one-dimensional measurement result, so that this represents a process-specific value for the edge shape. Its interpretation is possible by calibration with workpieces with known properties or by theoretical calculation of the arrangement.
  • the arrangement has at least one light source 4 with a collimator or a laser or a beam focusing, a beam splitter mirror 7, a lens or another focusing arrangement 8, for example Fresnel lenses, concave mirrors or holographic lenses, which also changes the beam direction can be, as well as a light-sensitive transducer 11.
  • the converter 11 can, for example, have a simple photodiode, a four-quadrant photodiode or a photodiode with more than four mutually independent light-sensitive measuring surfaces or a CCD chip. These components can also be designed as a photo transistor or photo resistor. A secondary electron multiplier or other highly sensitive photon detector can also be used.
  • the light emerging from the light source 4 is collimated. Due to the subsequent focusing, the beam can pass through a focus point 12 before reaching the beam splitter 7.
  • a pinhole 6 can optionally be introduced into this focal point 12, which eliminates the insufficiently collimated parts from the beam.
  • the aperture can be reduced independently of this with an aperture 5 that can be optionally attached.
  • the beam then falls on the beam splitter 7.
  • the beam strikes the lens 8 or another focusing device, while the portion 13 deflected by the beam splitter mirror 7 is directed onto an absorbent, black surface 18 or is coupled out of the measuring apparatus. If a separate detector is used to regulate the radiation power of the light source, it is preferably illuminated by this beam.
  • the beam focused by the lens 8 then falls on the edge 9 to be measured.
  • the angle of incidence of the beam does not necessarily have to lie in the bisecting plane of the planes forming the edge.
  • the illuminated spot emits scattered light, which is collected by the lens 8 or another focusing device and directed onto the beam splitter 7. It is advantageous if the edge 9 is located behind the focal point of the focusing device 8 in the direction of illumination, since no real image of the edge is produced here. However, a measurement is also possible if the focus is moderate. Part of the reflected light passes through the beam splitter 7 without reflection on it and is lost for the measurement. If the edge 9 is arranged in front of the focal point of the focusing device 8, an additional focusing device 14 can be placed in the beam path after the beam splitter 7 and thus ensure an image on the detector 11.
  • the deflected part of the beam falls on an optionally attached bandpass filter 10 which is tuned to the wavelength of the light source.
  • the detector 11 can be constructed as a single photodiode or as a receiver with laterally separated photosensitive surfaces.
  • the receiver is located in or near the image plane of the image of the illuminated location of the edge 9, so that the more or less sharp image of the edge 9 comes to rest on the photosensitive surface (s).
  • the effect that is used for the process-specific measurement of the edge shape is that a blunt edge 9, a chamfer or a breakout reflects more scattered light than from a sharp edge.
  • a blunt edge has a larger edge radius than a sharp edge.
  • the area of the edge that opposes the incident light vertically or inclined at a slight angle is larger with a larger edge radius, which is why a larger luminous flux is reflected.
  • Wear marks usually differ in their angle from the angle of the surface on which they are located.
  • the measuring device can be arranged such that essentially only the reflection from the wear mark is picked up again by the measuring device. Then the incident radiation power is determined by the size of the wear mark.
  • the radiation power incident on the detector 11 is therefore used as a measure of the edge sharpness or the presence of a chamfer, rounding, a breakout or a wear mark.
  • One way of achieving the tracking is to image the edge 9 on a four-quadrant diode 100 (FIGS. 2 to 4) or another detector 11 with a plurality of mutually independent photosensitive measuring surfaces. If the optical measuring arrangement is now shifted, the image 9 'of the edge 9 on the detector 11 also shifts. A prerequisite for the measurability of this process is that the image of the relevant part of the edge 9 of the detector 11 is maximal fully illuminated. Then, when the edge 9 is displaced relative to the measuring unit by the detector 11, a displacement of the image 9 'of the edge 9 can be measured.
  • the reaction of the individual photosensitive surfaces 101, 102, 103 and 104 can be used to determine the direction in which the cutting edge 9 extends with respect to the direction of movement of the optical measuring head.
  • the movement can take place along or across the edge 9 (FIG. 2, FIG. 3) or a combination of these two cases (FIG. 4).
  • the size of the illuminated spot on and around the edge 9 is adjusted by the diaphragm 5 or by changing the distance from the lens 8 so that the edge 9 on this piece can be regarded as approximately straight.
  • the assignment between the direction of movement of FIG. 9 'of the edge 9 on the detector 11, 100 and the quadrants 101, 102, 103 and 104 results from their lateral orientation and the relative direction of movement of the measuring head with respect to the edge 9.
  • the image 9 'of the edge 9 lies on the photodiode 100 and the relative movement of the measuring head takes place transversely to the edge 9, the image moves from the quadrants 102 and 103 to the quadrants 101 and 104 and vice versa, if the Direction of movement is opposite. If the edge 9 is rotated by 90 ° with respect to the measuring head, the image 9 'on the four-quadrant photodiode 100 also rotates by 90 ° (FIG. 3). The image then moves from quadrants 101 and 102 to quadrants 103 and 104 or vice versa with the opposite direction of movement.
  • the image 9 'of the edge is oriented obliquely to the quadrants 101, 102, 103 and 104, this means a combination of the two cases described above, the image of the edge 9' obliquely over the quadrants 101, 102, 103, 104 lies (Fig. 4).
  • the shape of the photo-sensitive sensitive areas A circular overall shape of the arrangement of the surfaces is particularly advantageous because the length of an imaged edge 9 'is approximately independent of its angular position relative to the detector, as long as it runs near the center of the four quadrants 101, 102, 103, 104.
  • the angular position of the image of the edge 9 'then does not have to be compensated for. This is necessary, for example, for square areas.
  • the movement of the image of the edge 9 ' can be recognized by adding the measured values of two adjacent quadrants 101, 102, 103, 104 and subtracting these two sums from one another. This represents a value for the displacement transverse to the quadrants 101, 102, 103, 104, the measurement results of which have been added.
  • any lateral transverse movement of the edge 9 in the main directions of the quadrants 101 can be carried out , 102, 103, 104 are split. It is also particularly advantageous to divide this value by the sum of all four measured values, since the size calculated in this way for the deviation is independent of the intensity of FIG. 9 '.
  • the detection of the transverse movement is therefore identical for sharp and blunt edges.
  • edge 9 In the case of movement along the edge 9, no change in the measured values of the quadrants 101, 102, 103, 104 is to be expected as long as the edge 9 is imaged as a homogeneous light band 9 '. In practice, however, the edge 9 often has breakouts or other imperfections which lead to points of higher or lower intensity in FIG. 9 '. When these points pass from one quadrant 101, 102, 103, 104 to the next, this is initially just as much as a transverse movement of an edge that is oriented transversely to the really existing edge 9.
  • the difference is, however, that in the case of breakouts during continuous displacement, only single jumps occur which are positive on one or two quadrants 101, 102, 103, 104 and negative on one or two others, while in the case of a true transverse displacement over one compared to the width a continuous change in intensity takes place over the larger distance.
  • the location and size of outbreaks can be determined by appropriate evaluation of the measurement results, for example with electronic data processing.
  • the software recognizes the discontinuity of the change in the incident luminous flux when moving, for example by forming the quotient from the changes in the measured radiation power and the displacement path.
  • the desired result of the measurement is generally the maximum radiation power reflected as scattered light, which occurs when the measuring device is moved across the edge 9. It is determined by summing the measurement results of the individual quadrants 101, 102, 103, 104. For a complete measurement of the edge 9, the measuring device must therefore be tracked in such a way that the measured points on the edge 9 form a complete row. A non-continuous measurement at individual points or sections of the edge 9 is also possible and can have advantages in the measurement have speed.
  • the measuring head is roughly pre-positioned on the edge 9 or in its vicinity.
  • the positioning device By moving the positioning device and evaluating the sum of the measurement results of the quadrants 101, 102, 103, 104, it can be determined whether a maximum measurement value is reached which indicates that the center of the edge 9 has been reached.
  • the edge direction is determined.
  • a step defined in direction and size is carried out in the direction of each movement axis and the resulting transverse movement of the edge 9 is measured in two directions. From the size of the two measurement results, using the formula:
  • the measuring device must be in its Position after the step still measure the maximum stray light flux. For this purpose, the measuring head is moved transversely to the previously calculated edge direction and the maximum of the radiation power of the scattered light is sought again. Then it can be decided whether the direction has been calculated correctly or a correction is necessary.
  • the measuring device In order to obtain further measurement results along the edge 9, the measuring device is shifted further in the calculated direction.
  • the sum of the measurement results of the quadrants 101, 102, 103, 104 is used as the measurement result and it is checked whether the edge 9 has moved transversely to the direction of movement. This is possible with the procedure described above for determining the transverse movement of the edge 9. If a discrepancy is found, the direction must be determined again using the procedure described above. In addition, it must be checked every now and then whether the control keeps the measuring device on the center of the edge 9 or at the maximum of the radiation intensity of the scattered light.
  • the interval between these tests is primarily related to the required measurement accuracy.
  • the test is carried out after each step for maximum measurement accuracy. This corresponds to a complete scanning of the scattered light profile of the edge 9 when the measured points lie on the edge 9 without gaps.
  • An electronic control in the form of a microcontroller can advantageously be implemented for the operations described.
  • Another way of determining the position of the edge 9 is to use a CCD chip on which the edge 9 is imaged. For example, an algorithm can be used to investigate whether a pixel is in the neighborhood is further illuminated. This allows the image of the edge 9 'to be digitized into its lateral positions.
  • the edge direction can be determined from this data using linear regression, for example. When the edge 9 or the measuring device moves and the algorithm is executed repeatedly, the direction of movement can be determined. Other methods are conceivable.
  • Another possibility for tracking the edge 9 is to use a beam with a non-uniform, for example Gaussian intensity distribution for illumination. If the illumination is directed towards the edge 9 and the optical measuring device is moved, the reflected radiation power will decrease in the direction transverse to the edge 9, since only a weaker intensity occurs at the point with the highest reflection component. In the longitudinal direction, the difference in the process is generally smaller. On this basis, the direction of the edge can be determined by trial and error in relation to the axes of the moving device and the edge can be scanned in this direction.
  • a beam with a non-uniform for example Gaussian intensity distribution for illumination.
  • a trial-and-error procedure of the optical measuring device transversely to the edge direction is generally required again in order to compensate for bends and errors in the direction determination as well as errors in the traversing device, for example step size errors, deviation from the ideal, for example rotationally symmetrical, intensity distribution of the beam.
  • the process is also possible with a beam with a uniform intensity and a round beam profile.
  • the maximum reflection arises from the effect that the edge is illuminated on a longer piece when the beam center is on the middle of the edge.
  • a combination of round, elliptical or oval beam shape and uneven intensity distribution with a maximum is also possible.
  • Another possibility of scanning an edge is that the illuminating spot sweeps across the edge transversely or obliquely, while the edge and illuminating spot perform a relative movement in the edge direction.
  • the movements can be carried out simultaneously or one after the other.
  • the maximum values are determined as the measurement result from the data obtained in this way. These are assigned to the location of the maximum intensity of the lighting spot on the center of the cutting edge.
  • This procedure can be used, for example, when scanning wobbling or circular or crescent-shaped knives that are wavy in the axial direction or bent or wavy edges that are transverse to the edge or that are at an angle to the direction of advance of the illumination spot.
  • the amplitude of the sweep is preferably so large that the point of maximum intensity of the illumination spot can reach all points on the edge.
  • the measuring head can be attached movably.
  • the knife can be fixed movably across the cutting edge.
  • the measuring head can be tilted so that the edge of the illumination spot is swept across when tilted.
  • the tilt angles are preferably so small that the measurement errors due to the changed angle are negligible.
  • Tumbling circular or crescent-shaped knives or wavy, curved or sloping edges can also be measured by the lighting spot and the area from which the stray light shines the detector or detectors is steered so large that the edge does not leave the illuminated and imaged area during a relative movement between the edge and the illumination spot.
  • Another possibility is to deflect the light used to illuminate the edge and / or the light reflected from the edge into the measuring device by means of one or more tiltable or displaceable deflecting mirrors, thus allowing the edge to be swept over.
  • the simplest variant is a single tiltable deflecting mirror that is positioned in front of a measuring head in which the illuminating beam passes through the same lens through which the reflected light is picked up again.
  • the transverse movement of the illumination spot over the edge can take place, for example, by means of vibrations at the resonance frequency, forced vibrations and / or along a guide.
  • the drive or the vibration excitation can, for. B. by a linear electric motor or a rotating electric motor with a translation of the rotation into a longitudinal movement, for. B. by means of a spindle, a backdrop on or in a cylinder, an eccentric or a swash plate, or by electromagnetic, electrostatic or piezoelectric forces.
  • the frequency of the transverse movement is preferably selected with respect to the feed rate in such a way that the edge is advanced between two vibrations by the size of the illumination spot. Other frequencies that result in a complete or partial measurement of the edge can also be useful.
  • the frequency can e.g. B. in circular knives so that the next time the edge was swept one revolution and the width of the spot was advanced. This allows the frequency of the be lowered.
  • the frequency may vary if e.g. B. individual areas of the edge require more accurate scanning.
  • Another possibility of scanning circular knives is to shift the illumination spot during the rotation in the axial direction with a maximum of the size of the illumination spot in the axial direction per revolution of the circular knife. Then the parts of the z. B. added wobbling edge, which are in the respective position of the measuring head in front of the measuring head. By sweeping over the entire area of the occurring positions of the edge, the edge can be measured completely.
  • the lighting spot can be guided several times along a wavy or inclined edge, the lighting spot being moved transversely to the cutting edge between the passages. In this way, the cutting edge can be completely grasped.
  • a further movement axis can be used, which moves the optical measuring device in the beam direction.
  • a focus detector is also required which detects when the image on the detector 11 becomes out of focus.
  • part of the reflected scattered light is coupled out, for example, with a beam splitter 15 (FIG. 1) and directed onto the focus detector 17.
  • the focus axis is regulated on the basis of the signal from the focus detector 17 such that the image comes to lie on the detector 11 or in its vicinity. This enables three-dimensional tracking and measurement of an edge 9 to be carried out.
  • the focus detector 17 can be, for example, with an inclined astigmatic lens 16 and a four-quadrant diode, on which each time the focus is shifted directionally there is an oval distortion of the incident beam in the sagittal or meridional direction.
  • the focus deviation can be determined by the difference in the sum of the radiation powers on the diagonally opposite quadrants. This is a common method in CD player technology.
  • Another focus detection method that can be used here is the use of two prisms that refract the incident light depending on the angle of incidence. The light beam split in this way is directed onto two position-sensitive detectors (PSDs). Since the angle of the incident light is accompanied by changes in focus, their measurement results are used as a measure of the focus deviation.
  • the output signals of the focus detector serve as a controlled variable for focus position control using the focus axis.
  • the regulation can, for example, be carried out electronically as an analog or digital regulation.
  • the actuator is the drive of the focus axis, which can be implemented, for example, with stepper or servo motors and a threaded spindle or with linear motors.
  • the series of positions of the focus spot can be used to determine the three-dimensional shape of the edge course.
  • a further possibility of regulating the position of the focus and / or of the area which is imaged on the detector in the direction of the illumination and / or in the direction of the optical axis of the recording optics for the reflected light consists in measuring the position of the edge in the direction of the lighting and / or in the direction of the optical axis of the recording optics with other means and to regulate the relative position of the edge to the measuring device on the basis of these measurement results.
  • the direction of the optical axis of the recording optics is particularly relevant.
  • the edge or the measuring device can preferably be moved by means of an electric motor.
  • a light barrier that is mechanically connected to the measuring device and that is more or less severely interrupted by the edge depending on its position can be used, for example, as the measuring means for determining the relative edge position.
  • a diode laser is used as the light source 4 and a lens 8 is used as the focusing device.
  • An aperture 5 is used to adjust the size of the lighting spot.
  • a circular four-quadrant photodiode 100 is used as the detector. Edge tracking is controlled by a microcontroller.
  • the entire device shown in FIG. 1 can be constructed modularly.
  • the devices 4, 5 and 6 can be combined in a laser module, the focusing device 8 in a focusing module and the devices 10, 11 and 14 in a detection module.
  • the focus detector 17 with the further devices 15 and 16 can also be integrated into the detection module.
  • a separate intensity module can also be provided, which for example evaluates the beams 13 deflected by the beam splitter 7.
  • the beam splitter 7 is part of a central beam splitter module.

Abstract

The invention relates to a method and device for determining the radius, the sharpness or the shape of edges (9), particularly of cutting edges or of the presence of notches or the like. To this end, a light beam is directed at the edge (9), and the radiant power reflected by the edge is measured. The radius, the sharpness, the shape or the presence or the size of notches or wear marks is determined from this measurement.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des Radius, der Schärfe oder der Form von Kanten Method and device for determining the radius, sharpness or shape of edges
B e s c h r e i b u n gDescription
Aufgrund der Anforderungen an die Qualitäts- und Prozesssicherheit von Produktionsabläufen ist es erforderlich, die Kantenschärfe an Schneid-, Stanz-, Trenn- oder Zerspanungswerkzeugen aller Art oder die Qualität von Kanten an Werkstücken zu beurteilen. Die Kantenschärfe von Zerspanungswerkzeugen bedingt die Mindestspanungsdicke und die Zerspanungskräfte, insbesondere die Passivkraft, sowie die Oberflächenqualität des Werkstücks. Insbesondere für die Oberflächenqualität von Werkstücken bei der spanenden Bearbeitung sind auch Ausbrüche in der Schneidkante von Bedeutung. Dies gilt auch für scherende Stanz- und Schneidwerkzeuge. Bei schneidenden Stanzmessern hängen die Schnittqualität, die vollständige Durchstanzung sowie die Stanzkraft von der Kantenschärfe, das heißt vor allem vom Kantenradius und vom Schneidenwinkel ab.Due to the requirements regarding the quality and process reliability of production processes, it is necessary to assess the edge sharpness of cutting, punching, cutting or cutting tools of all kinds or the quality of edges on workpieces. The edge sharpness of cutting tools determines the minimum cutting thickness and the cutting forces, especially the passive force, as well as the surface quality of the workpiece. Cut-outs in the cutting edge are particularly important for the surface quality of workpieces during machining. This also applies to shear cutting and cutting tools. In the case of cutting punch knives, the cut quality, the complete punching and the punching force depend on the edge sharpness, i.e. above all on the edge radius and the cutting edge angle.
Kanten mit optischen Eigenschaften dürfen oft keine Ausbrüche aufweisen. Bei Wischern und anderen Gummileisten sowie bei Dichtringen hängt die Wisch- bzw. Dichtfunktion ebenfalls von der Kantenschärfe und deren Freiheit von Ausbrüchen oder Unregelmäßigkeiten ab.Edges with optical properties are often not allowed to have cutouts. With wipers and other rubber strips as well as with sealing rings, the wiping or sealing function also depends on the edge sharpness and its freedom from breakouts or irregularities.
Es sind bereits Arbeiten bekannt, die sich mit optischen Methoden für die Messung der Schärfe von Schneidkanten befassen (Tang, W. : Optische Messung der Kantenschärfe von Schneidwerkzeugen, Dissertation Universität Kaiserslautern, 1990) . Im Rahmen von Forschungsprojekten sind aus den hier gewonnenen Erkenntnissen Messgeräte zur Bestimmung der Kantenschärfe entstanden und veröffentlicht worden. Optische Messgeräte zur Bestimmung der Kantenposition sind kommerziell erhältlich.Work is already known which deals with optical methods for measuring the sharpness of cutting edges (Tang, W.: Optical measurement of the edge sharpness of cutting tools, dissertation University of Kaiserslautern, 1990). Within the framework of research projects, measuring devices for determining the edge sharpness have emerged from the knowledge gained here and have been published. Optical measuring devices for determining the edge position are commercially available.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und zuverlässige Möglichkeit der Bestimmung von Eigenschaften von Kanten, insbesondere von Schneidkanten, zu schaffen.The present invention has for its object to provide a simple and reliable way to determine the properties of edges, in particular cutting edges.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Bestimmung des Radius, der Schärfe oder der Form von Kanten, insbesondere von Schneidkanten, oder das Vorhandensein von Ausbrüchen oder dergleichen gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Beleuchtungsstrahl auf die Kante gerichtet und die von ihr reflektierte Strahlungsleistung gemessen und daraus der Radius, die Schärfe, die Form der Kante oder das Vorhandensein oder die Größe von Ausbrüchen oder Verschleißmarken bestimmt wird. Ist die Kante stumpf, weist also einen großen Radius auf, so wird das auf der Kante auftreffende Licht stark gestreut, das heißt die von der Kante reflektierte Strahlungsleistung ist hoch. Je geringer also die reflektierte Strahlungsleistung, desto schärfer muss die Kante sein. Auch durch Ausbrüche in der Kante entstehen veränderte Streuungen des Beleuchtungsstrahls. Auch solche Ausbrüche können also durch die Messung der von der Kante reflektierten Strahlungsleistung detektiert werden. Insbesondere werden dabei Abweichungen von der mittleren Strahlungsleistung herangezogen. Vorzugsweise kann zur Bestimmung der Kanteneigenschaften die in Einstrahlrichtung sowie in einem gewissen Winkel um diese Richtung herum von der Kante zurückreflektierte Strahlungsleistung gemessen werden. Dabei lässt sich das reflektierte Streulicht mittels eines Strahlteilers aus dem die Kante beleuchtenden Strahlengang auskoppeln.The object is achieved by a method for determining the radius, the sharpness or the shape of edges, in particular cutting edges, or the presence of cutouts or the like, which is characterized in that an illuminating beam is directed onto the edge and the radiation power reflected by it measured and from this the radius, the sharpness, the shape of the edge or the presence or size of breakouts or wear marks is determined. If the edge is dull, ie has a large radius, the light striking the edge is strongly scattered, that is to say the radiation power reflected by the edge is high. So the lower the reflected radiation power, the sharper the edge must be. Outbreaks in the edge also cause changes in the scattering of the illumination beam. Such outbreaks can also be detected by measuring the radiation power reflected by the edge. In particular, deviations from the average radiation power are used. To determine the edge properties, the radiation power reflected back from the edge in the direction of irradiation and at a certain angle around this direction can preferably be measured. The reflected scattered light can be removed from the beam path illuminating the edge by means of a beam splitter couple out.
Um einen möglichst kleinen Beleuchtungsstrahldurchmesser zu erzielen, was insbesondere bei scharfen Kanten vorteilhaft ist, kann der Beleuchtungsstrahl durch eine Fokussiereinrich- tung auf die Kante gerichtet werden. Das reflektierte Streulicht lässt sich dann durch dieselbe Fokussiereinrichtung, durch die auch der Beleuchtungsstrahl passiert, wieder aufnehmen und abbilden. Selbstverständlich kann das reflektierte Streulicht jedoch auch durch eine separate Abbildungseinrich- tung aufgenommen werden .In order to achieve the smallest possible illumination beam diameter, which is particularly advantageous in the case of sharp edges, the illumination beam can be directed onto the edge by means of a focusing device. The reflected scattered light can then be picked up and reproduced again by the same focusing device through which the illuminating beam also passes. Of course, the reflected scattered light can also be picked up by a separate imaging device.
In der Regel reicht die Bestimmung der Kantenschärfe oder Kantenform an einzelnen ausgewählten Messpunkten der Schneidkante, die besonderen Beanspruchungen ausgesetzt sind, aus, um auf die Form und Schärfe der gesamten Kante schließen zu können. Es gibt jedoch auch Anwendungen, bei denen die Kante in ihrem gesamten Verlauf auf ihre Schärfe und Form bzw. auf Ausbrüche hin untersucht werden muss . In einem solchen Fall kann der Beleuchtungsstrahl relativ zur Kante derart bewegt werden, dass er sie der Länge nach überstreicht .As a rule, the determination of the edge sharpness or edge shape at individual selected measuring points of the cutting edge, which are exposed to special stresses, is sufficient to be able to conclude the shape and sharpness of the entire edge. However, there are also applications in which the entire course of the edge must be examined for its sharpness and shape or for breakouts. In such a case, the illuminating beam can be moved relative to the edge in such a way that it sweeps the length.
Die Intensität des Beleuchtungsstrahls ist nicht über seinen gesamten Durchmesser konstant . Für eine hohe Genauigkeit der Messung ist es daher von Vorteil, den Strahl so auf die Kante zu richten, dass das Intensitätsmaximum auf der Schneide zu liegen kommt und das vom Intensitätsmaximum des Beleuchtungs- strahls zurückreflektierte Streulicht auszuwerten. Das Intensitätsmaximum liegt in der Regel in der Strahlmitte.The intensity of the illuminating beam is not constant over its entire diameter. For a high accuracy of the measurement, it is therefore advantageous to direct the beam onto the edge in such a way that the intensity maximum lies on the cutting edge and the scattered light reflected back from the intensity maximum of the illuminating beam is evaluated. The intensity maximum is usually in the center of the beam.
Die Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung des Radius, der Schärfe oder der Form von Kanten ist gekennzeichnet durch eine Lichtquelle, einen Detektor zur Aufnahme des von der Kante reflektierten Licht- anteils und Messung seiner Strahlungsleistung und durch eine Auswerteeinrichtung. Außerdem kann sie eine Fokussiereinrich- tung zur Bündelung des Beleuchtungsstrahls auf die Kante und/- oder zur Aufnahme des Streulichts sowie einen Strahlteiler aufweisen.The device for carrying out a method according to the invention for determining the radius, sharpness or shape of edges is characterized by a light source, a detector for recording the proportion of light reflected by the edge and measuring its radiation power, and by a Evaluation. In addition, it can have a focusing device for focusing the illuminating beam onto the edge and / or for receiving the scattered light, and a beam splitter.
Der Detektor kann ebenfalls auf verschiedene Weise ausgestaltet sein. Er kann beispielsweise eine oder mehrere Fotodioden aufweisen.The detector can also be designed in various ways. For example, it can have one or more photodiodes.
Bei einer anderen Ausgestaltung kann er eine Vier-Quadranten- Fotodiode, einen Sekundärelektronenvervielfacher, eine Avalan- che-Fotodiode, eine Pin-Diode oder eine Diodenzeile aufweisen. Es ist auch möglich, den Detektor mit einem CCD-Chip oder einem anderen Pixelmatrix-Fotodetektor auszurüsten.In another configuration, it can have a four-quadrant photodiode, a secondary electron multiplier, an avalanche photodiode, a pin diode or a row of diodes. It is also possible to equip the detector with a CCD chip or another pixel matrix photo detector.
Zur Anpassung an unterschiedliche geometrische Gegegenheiten kann der Detektor vorzugsweise verstellbar in der Vorrichtung angeordnet sein. Als Lichtquelle lässt sich ein Laser oder auch eine andere, annähernd punktförmige Lichtquelle einsetzen. Um eine Verfolgung der Kante zu ermöglichen, kann die Lichtquelle und/oder die Kante verfahrbar und/oder verdrehbar und/oder verschwenkbar angeordnet sein. Die Vorrichtung lässt sich dann beispielsweise zur Überwachung der Kantenschärfe von Kreismessern oder von linearen Schneidkanten einsetzen. Die Überwachung kann dabei während des laufenden Betriebs von Kreismessern oder rotierenden Umformwerkzeugen stattfinden. Auch die Überwachung von Sägebändern, Kreissägen, Hobel- und Fräswerkzeugen ist mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich.In order to adapt to different geometric opportunities, the detector can preferably be arranged in an adjustable manner in the device. A laser or another, approximately punctiform light source can be used as the light source. In order to enable the edge to be tracked, the light source and / or the edge can be arranged to be movable and / or rotatable and / or pivotable. The device can then be used, for example, to monitor the edge sharpness of circular knives or linear cutting edges. Monitoring can take place while circular knives or rotating forming tools are in operation. The monitoring of saw bands, circular saws, planing and milling tools is also possible with a device according to the invention.
Weitere Vorteile ergeben sich, wenn der Durchmesser des Beleuchtungsstrahls oder des Fokusflecks im Strahlengang nach der Fokussiereinrichtung variierbar sind. Dadurch lassen sich die Messbedingungen optimal an die Form der Kante anpassen. Die Auswerteeinrichtung kann in Abhängigkeit von den Messsignalen des Detektors auch die Relativbewegung von Lichtquelle und Kante und/oder den Abstand von Lichtquelle und Kante und/- oder die Verstellung des Strahldurchmessers steuern. Dadurch ist eine vollautomatische Nachführung der Vorrichtungsparameter insbesondere bei Abtastung einer Kante über ihre gesamte Länge hinweg möglich.Further advantages result if the diameter of the illuminating beam or of the focus spot in the beam path can be varied after the focusing device. This allows the measurement conditions to be optimally adapted to the shape of the edge. Depending on the measurement signals of the detector, the evaluation device can also control the relative movement of the light source and edge and / or the distance between the light source and edge and / or the adjustment of the beam diameter. This enables fully automatic tracking of the device parameters, in particular when scanning an edge over its entire length.
Um eine Störung der Regelung der Intensität der Lichtquelle durch das von der Kante zurückreflektierte Licht zu verhindern, kann ein weiterer Detektor zur Regelung der Strahlungsleistung der Lichtquelle an geeigneter Stelle vorgesehen sein. Er wird dann vor allem vom von der Lichtquelle ausgehenden Licht beleuchtet und nicht oder nur geringfügig vom Steulicht von der Kante .In order to prevent a disturbance in the regulation of the intensity of the light source by the light reflected back from the edge, a further detector for regulating the radiation power of the light source can be provided at a suitable point. It is then mainly illuminated by the light emanating from the light source and not at all or only slightly by the stray light from the edge.
Außerdem kann vor dem Detektor für die von der Kante reflektierte Strahlungsleistung eine Blende angeordnet sein, die Licht, das nicht von der Schneidkante kommt, ausblendet.In addition, an aperture can be arranged in front of the detector for the radiation power reflected by the edge, which shield fades out light that does not come from the cutting edge.
Für die Herstellung der Vorrichtung ist es außerdem von Vorteil, wenn sie modular aufgebaut ist und dabei mindestens ein Lasermodul, ein Objektivmodul und ein Detektormodul aufweist. Zusätzlich kann auch ein Strahlteilermodul und ein Intensitätsmodul zur Regelung der Intensität der Laserdiode vorgesehen sein.For the manufacture of the device, it is also advantageous if it has a modular structure and has at least one laser module, one objective module and one detector module. In addition, a beam splitter module and an intensity module for regulating the intensity of the laser diode can also be provided.
Im Objektivmodul kann bevorzugt beispielsweise ein Mikroskopobjektiv oder ein anderes korrigiertes System zur Erzeugung von sehr kleinen Fokusflecken und guter Abbildung der Schneide angeordnet sein. Es können auch eine oder mehrere asphärische Linsen eingesetzt werden.For example, a microscope objective or another corrected system for producing very small focal spots and good imaging of the cutting edge can preferably be arranged in the objective module. One or more aspherical lenses can also be used.
Das Detektionsmodul enthält vorzugsweise eine Fokussierein- richtung, eine Blende und mindestens einen Fotodetektor. Im Lasermodul kann eine Korrekturzylinderlinse oder eine Anordnung aus einem oder mehreren Prismen der Laserdiode nachgeschaltet sein, um den meist leicht elliptischen Durchmesser des Laserdiodenstrahls wieder in eine Kreisform zu korrigieren.The detection module preferably contains a focusing device, an aperture and at least one photo detector. A correction cylinder lens or an arrangement of one or more prisms can be connected downstream of the laser diode in the laser module in order to correct the mostly slightly elliptical diameter of the laser diode beam again in a circular shape.
Ist ein Strahlteilermodul vorgesehen, so kann dieses zum Beispiel einen Strahlteilerwürfel, eine Strahlteilerplatte oder eine Strahlteilerfolie aufweisen. Das Strahlteilermodul stellt bei einer Bauform der Vorrichtung, bei der das reflektierte Licht durch das Objektivmodul wieder aufgenommen wird, das zentrale Modul dar, an dem die anderen Module bevorzugt befestigt werden.If a beam splitter module is provided, this can have, for example, a beam splitter cube, a beam splitter plate or a beam splitter film. In a construction of the device in which the reflected light is picked up again by the lens module, the beam splitter module represents the central module to which the other modules are preferably attached.
Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand der Zeichnung näher beschrieben.A preferred embodiment of a device according to the invention is described in more detail below with reference to the drawing.
Es zeigen.Show it.
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung der Schärfe einer Schneidkante;1 shows a schematic view of a device according to the invention for measuring the sharpness of a cutting edge;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Vier-Quadranten-Fotodiode zur Detektion einer vertikalen Kante;2 shows a schematic representation of a four-quadrant photodiode for detecting a vertical edge;
Fig. 3 eine der Fig. 2 entsprechende Darstellung einer Vier-Quadranten-Fotodiode zur Detektion einer horizontalen Kante;3 shows a representation corresponding to FIG. 2 of a four-quadrant photodiode for the detection of a horizontal edge;
Fig. 4 eine der Fig. 2 entsprechende Darstellung einer Vier-Quadranten-Fotodiode zur Detektion einer schräg zum Detektor verlaufenden Kante. Mit der optischen Anordnung gemäß Fig. 1 zur Vermessung der Kantenform, insbesondere des Kantenradius, der mit der Kantenschärfe in Verbindung gebracht werden kann, können außerdem Fasen, Ausbrüche und Verschleißmarken erkannt werden. Dabei entsteht ein Messergebnis, das nicht explizit die geometrischen Verhältnisse beschreibt, sondern das die geometrischen Verhältnisse in ein eindimensionales Messergebnis abbildet, sodass dieses einen verfahrensspezifischen Wert für die Kantenform darstellt. Dessen Interpretation ist durch Kalibration mit Werkstücken mit bekannten Eigenschaften oder durch theoretische Berechnung der Anordnung möglich.4 shows a representation corresponding to FIG. 2 of a four-quadrant photodiode for the detection of an edge running obliquely to the detector. With the optical arrangement according to FIG. 1 for measuring the edge shape, in particular the edge radius, which can be associated with the edge sharpness, bevels, breakouts and wear marks can also be identified. This creates a measurement result that does not explicitly describe the geometric relationships, but that maps the geometric relationships into a one-dimensional measurement result, so that this represents a process-specific value for the edge shape. Its interpretation is possible by calibration with workpieces with known properties or by theoretical calculation of the arrangement.
Die Anordnung weist mindestens eine Lichtquelle 4 mit einem Kollimator oder einem Laser oder eine Strahlfokussierung, einen Strahlteilerspiegel 7, eine Linse oder eine andere fo- kussierende Anordnung 8, zum Beispiel Fresnel-Linsen, Hohlspiegel oder holografische Linsen, wodurch auch die Strahl- richtung geändert werden kann, sowie einen lichtempfindlichen Wandler 11 auf. Der Wandler 11 kann zum Beispiel eine einfache Fotodiode, eine Vier-Quadranten-Fotodiode oder eine Fotodiode mit mehr als vier voneinander unabhängigen lichtempfindlichen Messflächen oder einen CCD-Chip aufweisen. Diese Bauteile können auch als Fototransistor oder Fotowiderstand ausgeführt sein. Es kann auch ein Sekundärelektronenvervielfacher oder ein anderer hochempfindlicher Photonendetektor verwendet werden.The arrangement has at least one light source 4 with a collimator or a laser or a beam focusing, a beam splitter mirror 7, a lens or another focusing arrangement 8, for example Fresnel lenses, concave mirrors or holographic lenses, which also changes the beam direction can be, as well as a light-sensitive transducer 11. The converter 11 can, for example, have a simple photodiode, a four-quadrant photodiode or a photodiode with more than four mutually independent light-sensitive measuring surfaces or a CCD chip. These components can also be designed as a photo transistor or photo resistor. A secondary electron multiplier or other highly sensitive photon detector can also be used.
Das aus der Lichtquelle 4 austretende Licht wird kollimiert. Durch die anschließende Fokussierung kann der Strahl vor Erreichen des Strahlteilers 7 einen Fokuspunkt 12 durchlaufen. In diesen Fokuspunkt 12 kann optional eine Pinhole 6 eingebracht werden, die die nicht ausreichend kollimierten Anteile aus dem Strahl eliminiert. Mit einer optional anzubringenden Blende 5 kann davon unabhängig die Apertur verringert werden. Der Strahl fällt dann auf den Strahlteiler 7. Der durchtreten- de Strahl fällt auf die Linse 8 oder eine andere fokussierende Einrichtung, während der vom Strahlteilerspiegel 7 abgelenkte Anteil 13 auf eine absorbierende, schwarze Oberfläche 18 gelenkt oder aus der Messapparatur ausgekoppelt wird. Wenn ein separater Detektor für die Regelung der Strahlungsleistung der Lichtquelle verwendet wird, so wird dieser vorzugsweise von diesem Strahl beleuchtet. Der durch die Linse 8 fokussierte Strahl fällt dann auf die zu vermessende Kante 9. Der Einfallswinkel des Strahls muss dabei nicht zwingend in der Winkelhalbierenden Ebene der die Kante bildenden Ebenen liegen. Die beleuchtete Stelle sendet Streulicht aus, das von der Linse 8 oder einer anderen fokussierenden Einrichtung aufgefangen und auf den Strahlteiler 7 gelenkt wird. Es ist von Vorteil, wenn sich die Kante 9 in Beleuchtungsrichtung hinter dem Fokuspunkt der Fokussiereinrichtung 8 befindet, da hier keine reelle Abbildung der Kante entsteht . Eine Messung ist jedoch auch möglich, wenn die Fokussierung mäßig ist. Ein Teil des reflektierten Lichts durchtritt den Strahlteiler 7 ohne Reflexion an ihm und ist für die Messung verloren. Wenn die Kante 9 vor dem Fokuspunkt der Fokussiereinrichtung 8 angeordnet ist, kann eine zusätzliche Fokussiereinrichtung 14 in den Strahlengang nach dem Strahlteiler 7 gesetzt werden und so für eine Abbildung auf dem Detektor 11 sorgen. Der abgelenkte Teil des Strahls fällt auf einen optional angebrachten Bandpassfilter 10, der auf die Wellenlänge der Lichtquelle abgestimmt ist. Dadurch wird Licht anderer Wellenlänge reflektiert oder absorbiert und Fremdlichtstörungen auf dem Detektor 11 hinter dem Bandpassfilter 10 verringert. Der Detektor 11 kann als einzelne Fotodiode oder als Empfänger mit lateral getrennten fotoempfindlichen Flächen aufgebaut sein. Der Empfänger liegt in oder in der Nähe der Bildebene der Abbildung der beleuchteten Stelle der Kante 9, sodass die mehr oder minder scharfe Abbildung der Kante 9 auf der oder den fotoempfindlichen Flächen zu liegen kommt. Der Effekt, der für die verfahrensspezifische Messung der Kantenform genutzt wird, besteht darin, dass von einer stumpfen Kante 9, einer Fase oder einem Ausbruch mehr Streulicht reflektiert wird als von einer scharfen Kante. Eine stumpfe Kante hat einen größeren Kantenradius als eine scharfe Kante. Die Fläche der Kante, die sich dem einfallenden Licht senkrecht oder mit geringem Winkel geneigt entgegenstellt, ist bei einem größeren Kantenradius größer, weshalb ein größerer Lichtstrom reflektiert wird. Bei einem Ausbruch zeigt sich ein ähnliches Verhalten. Verschleißmarken weichen üblicherweise in ihrem Winkel vom Winkel der Fläche, auf der sie sich befinden, ab. Dadurch kann das Messgerät so angeordnet werden, dass im Wesentlichen nur die Reflexion von der Verschleißmarke vom Messgerät wieder aufgenommen wird. Dann wird die einfallende Strahlungsleistung von der Größe der Verschleißmarke bestimmt. Die auf dem Detektor 11 einfallende Strahlungsleistung wird daher als Maß für die Kantenschärfe bzw. das Vorhandensein einer Fase, Rundung, eines Ausbruchs oder einer Verschleißmarke herangezogen.The light emerging from the light source 4 is collimated. Due to the subsequent focusing, the beam can pass through a focus point 12 before reaching the beam splitter 7. A pinhole 6 can optionally be introduced into this focal point 12, which eliminates the insufficiently collimated parts from the beam. The aperture can be reduced independently of this with an aperture 5 that can be optionally attached. The beam then falls on the beam splitter 7. The beam strikes the lens 8 or another focusing device, while the portion 13 deflected by the beam splitter mirror 7 is directed onto an absorbent, black surface 18 or is coupled out of the measuring apparatus. If a separate detector is used to regulate the radiation power of the light source, it is preferably illuminated by this beam. The beam focused by the lens 8 then falls on the edge 9 to be measured. The angle of incidence of the beam does not necessarily have to lie in the bisecting plane of the planes forming the edge. The illuminated spot emits scattered light, which is collected by the lens 8 or another focusing device and directed onto the beam splitter 7. It is advantageous if the edge 9 is located behind the focal point of the focusing device 8 in the direction of illumination, since no real image of the edge is produced here. However, a measurement is also possible if the focus is moderate. Part of the reflected light passes through the beam splitter 7 without reflection on it and is lost for the measurement. If the edge 9 is arranged in front of the focal point of the focusing device 8, an additional focusing device 14 can be placed in the beam path after the beam splitter 7 and thus ensure an image on the detector 11. The deflected part of the beam falls on an optionally attached bandpass filter 10 which is tuned to the wavelength of the light source. As a result, light of a different wavelength is reflected or absorbed and extraneous light interference on the detector 11 behind the bandpass filter 10 is reduced. The detector 11 can be constructed as a single photodiode or as a receiver with laterally separated photosensitive surfaces. The receiver is located in or near the image plane of the image of the illuminated location of the edge 9, so that the more or less sharp image of the edge 9 comes to rest on the photosensitive surface (s). The effect that is used for the process-specific measurement of the edge shape is that a blunt edge 9, a chamfer or a breakout reflects more scattered light than from a sharp edge. A blunt edge has a larger edge radius than a sharp edge. The area of the edge that opposes the incident light vertically or inclined at a slight angle is larger with a larger edge radius, which is why a larger luminous flux is reflected. A similar behavior occurs in the event of an outbreak. Wear marks usually differ in their angle from the angle of the surface on which they are located. As a result, the measuring device can be arranged such that essentially only the reflection from the wear mark is picked up again by the measuring device. Then the incident radiation power is determined by the size of the wear mark. The radiation power incident on the detector 11 is therefore used as a measure of the edge sharpness or the presence of a chamfer, rounding, a breakout or a wear mark.
Mit der bisher beschriebenen Einrichtung kann ein Punkt einer Kante 9 vermessen werden. Da jedoch häufig Ausbrüche vorhanden sind, ist es sinnvoll, die Kante 9 abzutasten, indem die optische Messeinrichtung der Kante 9 nachgeführt wird. Dazu wird sie relativ zur Kante lateral beweglich befestigt und die Messeinrichtung oder die Kante 9 bewegt .With the device described so far, a point of an edge 9 can be measured. However, since there are often breakouts, it makes sense to scan the edge 9 by tracking the optical measuring device of the edge 9. For this purpose, it is fastened laterally movable relative to the edge and the measuring device or the edge 9 is moved.
Eine Möglichkeit, die Nachführung zu erreichen, ist es, die Kante 9 auf eine Vier-Quadranten-Diode 100 (Fig. 2 bis 4) oder einen anderen Detektor 11 mit mehreren voneinander unabhängigen fotoempfindlichen Messflächen abzubilden. Wird nun die optische Messanordnung verschoben, so verschiebt sich auch die Abbildung 9' der Kante 9 auf dem Detektor 11. Voraussetzung für die Messbarkeit dieses Vorganges ist es, dass die Abbildung des relevanten Teils der Kante 9 den Detektor 11 maximal vollständig ausleuchtet. Dann kann bei Verschiebung der Kante 9 relativ zur Messeinheit vom Detektor 11 eine Verschiebung der Abbildung 9' der Kante 9 gemessen werden. Anhand der Reaktion der einzelnen fotoempfindlichen Flächen 101, 102, 103 und 104 kann festgestellt werden, in welcher Richtung bezüglich der Bewegungsrichtung des optischen Messkopfs die Schneidkante 9 verläuft.One way of achieving the tracking is to image the edge 9 on a four-quadrant diode 100 (FIGS. 2 to 4) or another detector 11 with a plurality of mutually independent photosensitive measuring surfaces. If the optical measuring arrangement is now shifted, the image 9 'of the edge 9 on the detector 11 also shifts. A prerequisite for the measurability of this process is that the image of the relevant part of the edge 9 of the detector 11 is maximal fully illuminated. Then, when the edge 9 is displaced relative to the measuring unit by the detector 11, a displacement of the image 9 'of the edge 9 can be measured. The reaction of the individual photosensitive surfaces 101, 102, 103 and 104 can be used to determine the direction in which the cutting edge 9 extends with respect to the direction of movement of the optical measuring head.
Die Bewegung kann entlang oder quer zur Kante 9 stattfinden (Fig. 2, Fig. 3) oder eine Kombination dieser beiden Fälle sein (Fig. 4) . Die Größe der beleuchteten Stelle auf der und um die Kante 9 wird durch die Blende 5 oder mittels Verändern des Abstandes von der Linse 8 so eingestellt, dass die Kante 9 auf diesem Stück als annähernd gerade betrachtet werden kann. Die Zuordnung zwischen der Bewegungsrichtung der Abbildung 9' der Kante 9 auf dem Detektor 11, 100 und den Quadranten 101, 102, 103 und 104 ergibt sich aus deren lateraler Orientierung und der relativen Bewegungsrichtung des Messkopfes bezüglich der Kante 9.The movement can take place along or across the edge 9 (FIG. 2, FIG. 3) or a combination of these two cases (FIG. 4). The size of the illuminated spot on and around the edge 9 is adjusted by the diaphragm 5 or by changing the distance from the lens 8 so that the edge 9 on this piece can be regarded as approximately straight. The assignment between the direction of movement of FIG. 9 'of the edge 9 on the detector 11, 100 and the quadrants 101, 102, 103 and 104 results from their lateral orientation and the relative direction of movement of the measuring head with respect to the edge 9.
Wenn gemäß Fig. 2 die Abbildung 9' der Kante 9 auf der Fotodiode 100 liegt und die Relativbewegung des Messkopfs quer zur Kante 9 stattfindet, so bewegt sich die Abbildung von den Quadranten 102 und 103 auf die Quadranten 101 und 104 und umgekehrt, wenn die Bewegungsrichtung entgegengesetzt ist. Wenn die Kante 9 bezüglich des Messkopfs um 90 ° verdreht ist, so verdreht sich auch die Abbildung 9' auf der Vier-Quadranten-Fotodiode 100 um 90 ° (Fig. 3) . Die Abbildung bewegt sich dann von den Quadranten 101 und 102 auf die Quadranten 103 und 104 bzw. umgekehrt bei umgekehrter Bewegungsrichtung. Wenn die Abbildung 9' der Kante schräg zu den Quadranten 101, 102, 103 und 104 orientiert ist, so bedeutet dies eine Kombination der beiden vorher beschriebenen Fälle, wobei die Abbildung der Kante 9' schräg über den Quadranten 101, 102, 103, 104 liegt (Fig. 4) . Besondere Bedeutung hat dabei die Form der fotoemp- findlichen Flächen. Besonders vorteilhaft ist eine kreisrunde Gesamtform der Anordnung der Flächen, weil damit die Länge einer abgebildeten Kante 9' annähernd von ihrer Winkellage zum Detektor unabhängig ist, solange sie in der Nähe des Mittelpunkts der vier Quadranten 101, 102, 103, 104 verläuft. Die Winkellage der Abbildung der Kante 9' muss dann nicht kompensiert werden. Dies ist zum Beispiel bei quadratischen Flächen erforderlich.2, if the image 9 'of the edge 9 lies on the photodiode 100 and the relative movement of the measuring head takes place transversely to the edge 9, the image moves from the quadrants 102 and 103 to the quadrants 101 and 104 and vice versa, if the Direction of movement is opposite. If the edge 9 is rotated by 90 ° with respect to the measuring head, the image 9 'on the four-quadrant photodiode 100 also rotates by 90 ° (FIG. 3). The image then moves from quadrants 101 and 102 to quadrants 103 and 104 or vice versa with the opposite direction of movement. If the image 9 'of the edge is oriented obliquely to the quadrants 101, 102, 103 and 104, this means a combination of the two cases described above, the image of the edge 9' obliquely over the quadrants 101, 102, 103, 104 lies (Fig. 4). The shape of the photo-sensitive sensitive areas. A circular overall shape of the arrangement of the surfaces is particularly advantageous because the length of an imaged edge 9 'is approximately independent of its angular position relative to the detector, as long as it runs near the center of the four quadrants 101, 102, 103, 104. The angular position of the image of the edge 9 'then does not have to be compensated for. This is necessary, for example, for square areas.
Die Erkennung der Bewegung der Abbildung der Kante 9' lässt sich realisieren, indem die Messwerte jeweils zweier benachbarter Quadranten 101, 102, 103, 104 addiert und diese beiden Summen voneinander subtrahiert werden. Dies stellt einen Wert für die Verschiebung quer zu den Quadranten 101, 102, 103, 104, deren Messergebnisse addiert wurden, dar. Durch zweifache Ausführung dieses Vorgehens bezüglich der zwei lateralen Hauptrichtungen kann eine beliebige laterale Querbewegung der Kante 9 in die Hauptrichtungen der Quadranten 101, 102, 103, 104 aufgespalten werden. Besonders vorteilhaft ist es, diesen Wert außerdem durch die Summe aller vier Messwerte zu dividieren, da die so errechnete Größe für die Abweichung von der Intensität der Abbildung 9' unabhängig wird. Die Erkennung der Querbewegung ist damit für scharfe und stumpfe Kanten identisch.The movement of the image of the edge 9 'can be recognized by adding the measured values of two adjacent quadrants 101, 102, 103, 104 and subtracting these two sums from one another. This represents a value for the displacement transverse to the quadrants 101, 102, 103, 104, the measurement results of which have been added. By carrying out this procedure twice with regard to the two lateral main directions, any lateral transverse movement of the edge 9 in the main directions of the quadrants 101 can be carried out , 102, 103, 104 are split. It is also particularly advantageous to divide this value by the sum of all four measured values, since the size calculated in this way for the deviation is independent of the intensity of FIG. 9 '. The detection of the transverse movement is therefore identical for sharp and blunt edges.
Man erhält dadurch Werte, die von der lateralen Winkellage der Quadranten 101, 102, 103, 104 in Bezug auf die Hauptbewegungs- richtungen der Kantenverfolgung abhängig sind. Durch Verdrehen der Diode lässt sich deshalb die Richtung der Bewegungsachsen mit der Richtung der Bewegungsachsen in Übereinstimmung bringen, wenn diese in demselben Winkel zueinander stehen wie die Quadranten 101, 102, 103, 104 der Diode 100. Dies vereinfacht die weitere Regelung, da so eine rechnerische Winkelkorrektur entfallen kann, die außerdem den Verdrehwinkel zwischen Diode 100 und Bewegungsrichtung der Abbildung 9' der Kante bei Bewe- gen der jeweiligen Achsen als Rechenvorgabe benötigen würde.Values are obtained which are dependent on the lateral angular position of the quadrants 101, 102, 103, 104 in relation to the main directions of movement of the edge tracking. By rotating the diode, the direction of the movement axes can therefore be brought into agreement with the direction of the movement axes if they are at the same angle to one another as the quadrants 101, 102, 103, 104 of the diode 100. This simplifies the further regulation, since such Computational angle correction can be omitted, which also the angle of rotation between diode 100 and the direction of movement of Figure 9 'of the edge when moving against the respective axes as a calculation specification.
Im Falle der Bewegung entlang der Kante 9 ist keine Änderung der Messwerte der Quadranten 101, 102, 103, 104 zu erwarten, solange die Kante 9 als homogenes Lichtband 9' abgebildet wird. In der Praxis weist die Kante 9 jedoch häufig Ausbrüche oder andere Fehlstellen auf, die in der Abbildung 9' zu Punkten mit höherer oder niedrigerer Intensität führen. Dies stellt sich beim Übergang dieser Stellen von einem Quadranten 101, 102, 103, 104 zum nächsten zunächst genauso dar wie eine Querbewegung einer zur wirklich vorhandenen Kante 9 quer orientierten Kante. Der Unterschied ist jedoch, dass bei Ausbrüchen beim kontinuierlichen Verschieben nur einzelne Sprünge auftreten, die auf einem oder zwei Quadranten 101, 102, 103, 104 positiv und bei einem oder zwei anderen negativ ausfallen, während bei einer echten Querverschiebung über eine im Vergleich zur Breite der Fehlstelle größere Strecke eine kontinuierliche Intensitätsänderung stattfindet. Durch entsprechende Auswertung der Messergebnisse zum Beispiel mit elektronischer Datenverbeitung können Ort und Größe von Ausbrüchen bestimmt werden. Die Software erkennt in diesem Fall die Diskontinuität der Änderung des einfallenden Lichtstroms beim Verschieben zum Beispiel durch Quotientenbildung aus den Änderungen der gemessenen Strahlungsleistung und dem Verschiebungsweg.In the case of movement along the edge 9, no change in the measured values of the quadrants 101, 102, 103, 104 is to be expected as long as the edge 9 is imaged as a homogeneous light band 9 '. In practice, however, the edge 9 often has breakouts or other imperfections which lead to points of higher or lower intensity in FIG. 9 '. When these points pass from one quadrant 101, 102, 103, 104 to the next, this is initially just as much as a transverse movement of an edge that is oriented transversely to the really existing edge 9. The difference is, however, that in the case of breakouts during continuous displacement, only single jumps occur which are positive on one or two quadrants 101, 102, 103, 104 and negative on one or two others, while in the case of a true transverse displacement over one compared to the width a continuous change in intensity takes place over the larger distance. The location and size of outbreaks can be determined by appropriate evaluation of the measurement results, for example with electronic data processing. In this case, the software recognizes the discontinuity of the change in the incident luminous flux when moving, for example by forming the quotient from the changes in the measured radiation power and the displacement path.
Das gewünschte Ergebnis der Messung ist im allgemeinen die maximale, als Streulicht reflektierte Strahlungsleistung, die beim Bewegen der Messeinrichtung quer über die Kante 9 auftritt. Sie wird durch Summenbildung der Messergebnisse der einzelnen Quadranten 101, 102, 103, 104 ermittelt. Die Messeinrichtung muss für eine vollständige Vermessung der Kante 9 deshalb so nachgeführt werden, dass die vermessenen Punkte auf der Kante 9 eine lückenlose Reihe bilden. Eine nicht kontinuierliche Vermessung an einzelnen Punkten oder Abschnitten der Kante 9 ist ebenfalls möglich und kann Vorteile in der Mess- geschwindigkeit haben.The desired result of the measurement is generally the maximum radiation power reflected as scattered light, which occurs when the measuring device is moved across the edge 9. It is determined by summing the measurement results of the individual quadrants 101, 102, 103, 104. For a complete measurement of the edge 9, the measuring device must therefore be tracked in such a way that the measured points on the edge 9 form a complete row. A non-continuous measurement at individual points or sections of the edge 9 is also possible and can have advantages in the measurement have speed.
Ein mögliches Vorgehen bei der Abtastung wird im Folgenden beschrieben. Zunächst wird der Messkopf grob auf die Kante 9 oder in deren Umgebung vorpositioniert. Durch Bewegen der Positioniereinrichtung und Auswerten der Summe der Messergebnisse der Quadranten 101, 102, 103, 104 kann festgestellt werden, ob ein maximaler Messwert erreicht wird, der anzeigt, dass die Mitte der Kante 9 erreicht ist. Um die Kante 9 mit der Messeinrichtung zu treffen, ist es erforderlich, eine festgelegte Strecke mit der Messeinrichtung in eine vorgegebene Richtung zu fahren. Wenn die Kante 9 nicht getroffen wurde, wird eine andere Richtung versucht, bis entweder ein eindeutiges Streulichtmaximum einer Kante 9 detektiert wurde oder alle Richtungen kein Ergebnis gebracht haben. Im letzteren Fall muss die Vorpositionierung verbessert werden, oder es ist keine messbare Kante 9 vorhanden, oder das Messsystem arbeitet nicht einwandfrei. Wenn die Kantenmitte erreicht ist, wird die Kantenrichtung festgestellt. Dazu wird in Richtung jeder Bewegungsachse ein in Richtung und Größe definierter Schritt ausgeführt und die daraus resultierende Querbewegung der Kante 9 in zwei Richtungen gemessen. Aus der Größe der beiden Mess- ergebnisse lässt sich durch Verwendung der Formel:A possible procedure for the scanning is described below. First, the measuring head is roughly pre-positioned on the edge 9 or in its vicinity. By moving the positioning device and evaluating the sum of the measurement results of the quadrants 101, 102, 103, 104, it can be determined whether a maximum measurement value is reached which indicates that the center of the edge 9 has been reached. In order to meet the edge 9 with the measuring device, it is necessary to travel a predetermined distance with the measuring device in a predetermined direction. If the edge 9 has not been hit, another direction is attempted until either a clear scattered light maximum of an edge 9 has been detected or all directions have produced no result. In the latter case, the pre-positioning has to be improved, or there is no measurable edge 9, or the measuring system is not working properly. When the center of the edge is reached, the edge direction is determined. For this purpose, a step defined in direction and size is carried out in the direction of each movement axis and the resulting transverse movement of the edge 9 is measured in two directions. From the size of the two measurement results, using the formula:
Alpha = atan (Ergebnis 2 / Ergebnis 1)Alpha = atan (result 2 / result 1)
die Richtung der Kante bezüglich der Achse, an der das Ergebnis erzielt wurde, berechnen. Ebenso ist es möglich, dass die Fehler in der Messung der Querbewegung durch Ausbrüche oder andere Unregelmäßigkeiten der Kante 9 entstehen. Deshalb sollte ein Testschritt in die errechnete Richtung durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass die Berechnung der Kantenrichtung das richtige Ergebnis geliefert hat. Vorteilhaft ist es, die Weite des Testschritts in Größenordnung des Beleuchtungsflecks vorzusehen. Die Messvorrichtung muss in ihrer Position nach dem Schritt immer noch den maximalen Streulichtstrom messen. Dazu wird der Messkopf quer zur vorher errechneten Kantenrichtung bewegt und das Maximum der Strahlungsleistung des Streulichts erneut gesucht. Dann kann entschieden werden, ob die Richtung richtig berechnet wurde oder eine Korrektur erforderlich ist.calculate the direction of the edge with respect to the axis on which the result was obtained. It is also possible that the errors in the measurement of the transverse movement arise due to breakouts or other irregularities in the edge 9. A test step in the calculated direction should therefore be carried out to ensure that the calculation of the edge direction has given the correct result. It is advantageous to provide the width of the test step in the order of magnitude of the illumination spot. The measuring device must be in its Position after the step still measure the maximum stray light flux. For this purpose, the measuring head is moved transversely to the previously calculated edge direction and the maximum of the radiation power of the scattered light is sought again. Then it can be decided whether the direction has been calculated correctly or a correction is necessary.
Um nun weitere Messergebnisse entlang der Kante 9 zu erhalten, wird die Messeinrichtung in die errechnete Richtung weiter verschoben. Dabei wird die Summe der Messergebnisse der Quadranten 101, 102, 103, 104 als Messergebnis herangezogen sowie überprüft, ob sich die Kante 9 quer zur Bewegungsrichtung bewegt hat. Dies ist mit dem oben beschriebenen Vorgehen zur Bestimmung der Querbewegung der Kante 9 möglich. Wenn eine Abweichung festgestellt wird, muss die Richtung mit dem oben beschriebenen Verfahren erneut bestimmt werden. Außerdem muss hin und wieder überprüft werden, ob die Regelung die Messeinrichtung auf der Mitte der Kante 9 bzw. im Maximum der Strahlungsintensität des Streulichts hält. Dies kann ebenso wie beim erstmaligen Überprüfen der richtigen Berechnung der Kantenrichtung durch Bewegen der Messeinrichtung quer zur Kante 9 und anschließende Neubestimmung des Maximums der Strahlungsleistung des Streulichts geschehen. Der Abstand dieser Prüfungen hängt vor allem mit der geforderten Messgenauigkeit zusammen. Für maximale Messgenauigkeit wird die Prüfung nach jedem Schritt durchgeführt. Dies entspricht einer vollständigen Abtastung des Streulichtprofils der Kante 9, wenn die vermessenen Punkte lückenlos auf der Kante 9 liegen. Für die beschriebenen Operationen kann vorteilhaft eine elektronische Steuerung in Form eines Mikrocontrollers implementiert werden.In order to obtain further measurement results along the edge 9, the measuring device is shifted further in the calculated direction. The sum of the measurement results of the quadrants 101, 102, 103, 104 is used as the measurement result and it is checked whether the edge 9 has moved transversely to the direction of movement. This is possible with the procedure described above for determining the transverse movement of the edge 9. If a discrepancy is found, the direction must be determined again using the procedure described above. In addition, it must be checked every now and then whether the control keeps the measuring device on the center of the edge 9 or at the maximum of the radiation intensity of the scattered light. Just as when checking the correct calculation of the edge direction for the first time, this can be done by moving the measuring device transversely to the edge 9 and then redetermining the maximum of the radiation power of the scattered light. The interval between these tests is primarily related to the required measurement accuracy. The test is carried out after each step for maximum measurement accuracy. This corresponds to a complete scanning of the scattered light profile of the edge 9 when the measured points lie on the edge 9 without gaps. An electronic control in the form of a microcontroller can advantageously be implemented for the operations described.
Eine weitere Möglichkeit der Lagebestimmung der Kante 9 ist die Verwendung eines CCD-Chips, auf den die Kante 9 abgebildet wird. Dafür lässt sich beispielsweise ein Algorithmus einsetzen, der untersucht, ob in der Nachbarschaft eines Pixels ein weiteres beleuchtet ist. Dadurch lässt sich die Abbildung der Kante 9' in ihre lateralen Positionen digitalisieren. Aus diesen Daten kann zum Beispiel mittels linearer Regression die Kantenrichtung bestimmt werden. Bei Bewegung der Kante 9 oder der Messeinrichtung und wiederholter Ausführung des Algorithmus lässt sich die Bewegungsrichtung bestimmen. Weitere Verfahren sind denkbar.Another way of determining the position of the edge 9 is to use a CCD chip on which the edge 9 is imaged. For example, an algorithm can be used to investigate whether a pixel is in the neighborhood is further illuminated. This allows the image of the edge 9 'to be digitized into its lateral positions. The edge direction can be determined from this data using linear regression, for example. When the edge 9 or the measuring device moves and the algorithm is executed repeatedly, the direction of movement can be determined. Other methods are conceivable.
Eine andere Möglichkeit zur Verfolgung der Kante 9 besteht darin, zur Beleuchtung einen Strahl mit nicht gleichmäßiger, zum Beispiel gaußscher Intensitätsverteilung zu verwenden. Wenn man die Beleuchtung auf die Kante 9 richtet und die optische Messeinrichtung verfährt, so wird in Querrichtung zur Kante 9 die reflektierte Strahlungsleistung abnehmen, da an der Stelle mit dem höchsten Reflexionsanteil nur eine schwächere Intensität einfällt. In Längsrichtung ist die Differenz beim Verfahren im Allgemeinen geringer. Auf dieser Basis kann die Richtung der Kante durch probeweises Verfahren in Bezug auf die Achsen der Verfahreinrichtung bestimmt werden und in diese Richtung die Kante abgetastet werden. Nach einigen Schritten ist im Allgemeinen erneut probeweises Verfahren der optischen Messeinrichtung quer zur Kantenrichtung erforderlich, um Biegungen und Fehler in der Richtungsbestimmung sowie Fehler der Verfahreinrichtung, zum Beispiel Schrittweitenfehler, Abweichung von der idealen, zum Beispiel rotationssymmetrischen Intensitätsverteilung des Strahls auszugleichen. Ein Vorteil der Variante mit nur einem Fotodetektor ist es, dass das Streulicht vollständig auf den Detektor 11 fällt und keine inaktiven Stege zwischen mehreren Detektorflächen existieren.Another possibility for tracking the edge 9 is to use a beam with a non-uniform, for example Gaussian intensity distribution for illumination. If the illumination is directed towards the edge 9 and the optical measuring device is moved, the reflected radiation power will decrease in the direction transverse to the edge 9, since only a weaker intensity occurs at the point with the highest reflection component. In the longitudinal direction, the difference in the process is generally smaller. On this basis, the direction of the edge can be determined by trial and error in relation to the axes of the moving device and the edge can be scanned in this direction. After a few steps, a trial-and-error procedure of the optical measuring device transversely to the edge direction is generally required again in order to compensate for bends and errors in the direction determination as well as errors in the traversing device, for example step size errors, deviation from the ideal, for example rotationally symmetrical, intensity distribution of the beam. An advantage of the variant with only one photodetector is that the scattered light falls completely on the detector 11 and that there are no inactive webs between several detector surfaces.
Das Verfahren ist auch mit einem Strahl mit gleichmäßiger Intensität und rundem Strahlprofil möglich. Die maximale Reflexion entsteht dabei durch den Effekt, dass die Kante auf einem längeren Stück beleuchtet wird, wenn die Strahlmitte auf der Kantenmitte liegt. Selbstverständlich ist auch eine Kombination aus runder, elliptischer oder ovaler Strahlform und ungleichmäßiger Intensitätsverteilung mit einem Maximum möglich.The process is also possible with a beam with a uniform intensity and a round beam profile. The maximum reflection arises from the effect that the edge is illuminated on a longer piece when the beam center is on the middle of the edge. Of course, a combination of round, elliptical or oval beam shape and uneven intensity distribution with a maximum is also possible.
Eine weitere Möglichkeitn, eine Kante abzutasten, besteht darin, dass der Beleuchtungsfleck die Kante quer oder schräg überstreicht, während Kante und Beleuchtungsfleck eine Relativbewegung in Kantenrichtung ausführen. Die Bewegungen können gleichzeitig oder nacheinander ausgeführt werden. Aus den so erhaltenen Daten werden die Maximalwerte als Messergebnis ermittelt . Diese sind der Lage der maximalen Intensität des Beleuchtungsflecks auf der Schneidenmitte zugeordnet.Another possibility of scanning an edge is that the illuminating spot sweeps across the edge transversely or obliquely, while the edge and illuminating spot perform a relative movement in the edge direction. The movements can be carried out simultaneously or one after the other. The maximum values are determined as the measurement result from the data obtained in this way. These are assigned to the location of the maximum intensity of the lighting spot on the center of the cutting edge.
Dieses Vorgehen kann beispielsweise bei der Abtastung von taumelnden oder in axialer Richtung welligen kreis- oder sichelförmigen Messern oder verbogenen oder quer zur Kante welligen oder schräg zur Vorschubrichtung des Beleuchtungsflecks stehenden Kanten verwendet werden. Die Amplitude des Überstreichens ist dabei vorzugsweise so groß, dass die Stelle maximaler Intensität des Beleuchtungsflecks alle Stellen der Kante erreichen kann.This procedure can be used, for example, when scanning wobbling or circular or crescent-shaped knives that are wavy in the axial direction or bent or wavy edges that are transverse to the edge or that are at an angle to the direction of advance of the illumination spot. The amplitude of the sweep is preferably so large that the point of maximum intensity of the illumination spot can reach all points on the edge.
Damit der Beleuchtungsfleck die Kante überstreicht, können verschiedene Prinzipien zu seiner Bewegung eingesetzt werden. Der Messkopf kann beweglich befestigt werden. Das Messer kann quer zur Schneide beweglich befestigt werden. Der Messkopf kann kippbar befestigt werden, sodass beim Kippen die Kante vom Beleuchtungsfleck quer überstrichen wird. Die Kippwinkel sind dabei vorzugsweise so klein, dass die Messfehler durch den veränderten Winkel vernachlässigbar sind.Various principles can be used to move the lighting spot over the edge. The measuring head can be attached movably. The knife can be fixed movably across the cutting edge. The measuring head can be tilted so that the edge of the illumination spot is swept across when tilted. The tilt angles are preferably so small that the measurement errors due to the changed angle are negligible.
Taumelnde kreis- oder sichelförmige Messer oder wellige, gebogene oder schräge Kanten können auch vermessen werden, indem der Beleuchtungsfleck und der Bereich, von dem Streulicht auf den oder die Detektoren gelenkt wird, so groß gewählt wird, dass bei einer Relativbewegung zwischen Kante und Beleuchtungsfleck die Kante den beleuchteten und abgebildeten Bereich nicht verlässt.Tumbling circular or crescent-shaped knives or wavy, curved or sloping edges can also be measured by the lighting spot and the area from which the stray light shines the detector or detectors is steered so large that the edge does not leave the illuminated and imaged area during a relative movement between the edge and the illumination spot.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, das zur Beleuchtung der Kante verwendete Licht und/oder das von der Kante in das Messgerät reflektierte Licht über einen oder mehrere kipp- oder verschiebbare Umlenkspiegel abzulenken und so ein Überstreichen der Kante zu ermöglichen. Die einfachste Variante ist ein einzelner kippbarer Umlenkspiegel, der vor einem Mess- kopf positioniert wird, bei dem der Beleuchtungsstrahl dasselbe Objektiv passsiert, durch das das reflektierte Licht wieder aufgenommen wird.Another possibility is to deflect the light used to illuminate the edge and / or the light reflected from the edge into the measuring device by means of one or more tiltable or displaceable deflecting mirrors, thus allowing the edge to be swept over. The simplest variant is a single tiltable deflecting mirror that is positioned in front of a measuring head in which the illuminating beam passes through the same lens through which the reflected light is picked up again.
Die Querbewegung des Beleuchtungsflecks über die Kante kann beispielsweise mittels Schwingungen bei Resonanzfrequenz, erzwungenen Schwingungen und/oder entlang einer Führung erfolgen. Der Antrieb bzw. die Schwingungsanregung kann z. B. durch einen Linear-Elektromotor oder einen rotierenden Elektromotor mit einer Übersetzung der Rotation in eine Längsbewegung, z. B. mittels einer Spindel, einer Kulisse auf oder in einem Zylinder, einem Exzenter oder einer Taumelscheibe, oder durch elektromagnetische, elektrostatische oder piezoelektrische Kräfte realisiert werden.The transverse movement of the illumination spot over the edge can take place, for example, by means of vibrations at the resonance frequency, forced vibrations and / or along a guide. The drive or the vibration excitation can, for. B. by a linear electric motor or a rotating electric motor with a translation of the rotation into a longitudinal movement, for. B. by means of a spindle, a backdrop on or in a cylinder, an eccentric or a swash plate, or by electromagnetic, electrostatic or piezoelectric forces.
Die Frequenz der Querbewegung wird bezüglich der Vorschubgeschwindigkeit vorzugsweise so gewählt, dass die Kante zwischen zwei Schwingungen um die Größe des Beleuchtungsflecks vorgeschoben wird. Andere Frequenzen, die eine vollständige oder teilweise Vermessung der Kante zur Folge haben, können ebenfalls sinnvoll sein. Die Frequenz kann z. B. bei Kreismessern so gewählt werden, dass beim nächsten Überstreichen der Kante diese eine Umdrehung und die Breite des Beleuchtungsflecks vorgeschoben wurde. Dadurch kann die Frequenz des Überstrei- chens gesenkt werden. Die Frequenz kann variieren, wenn z. B. einzelne Bereiche der Kante eine genauere Abtastung erfordern.The frequency of the transverse movement is preferably selected with respect to the feed rate in such a way that the edge is advanced between two vibrations by the size of the illumination spot. Other frequencies that result in a complete or partial measurement of the edge can also be useful. The frequency can e.g. B. in circular knives so that the next time the edge was swept one revolution and the width of the spot was advanced. This allows the frequency of the be lowered. The frequency may vary if e.g. B. individual areas of the edge require more accurate scanning.
Eine weitere Möglichkeit der Abtastung von Kreismessern besteht darin, den Beleuchtungsfleck während der Rotation in axialer Richtung mit maximal der Größe des Beleuchtungsflecks in axialer Richtung pro Umdrehung des Kreismessers zu verschieben. Dann werden die Teile der z. B. taumelnden Kante aufgenommen, die sich in der jeweiligen Position des Messkopfes vor dem Messkopf befinden. Indem der gesamte Bereich der vorkommenden Positionen der Kante überstrichen wird, kann die Kante vollständig vermessen werden.Another possibility of scanning circular knives is to shift the illumination spot during the rotation in the axial direction with a maximum of the size of the illumination spot in the axial direction per revolution of the circular knife. Then the parts of the z. B. added wobbling edge, which are in the respective position of the measuring head in front of the measuring head. By sweeping over the entire area of the occurring positions of the edge, the edge can be measured completely.
Analog hierzu kann der Beleuchtungsfleck mehrfach entlang einer welligen oder schrägstehenden Kante geführt werden, wobei der Beleuchtungsfleck zwischen den Durchgängen quer zur Schneide verfahren wird. Auf diese Weise kann die Schneide vollständig erfasst werden.Analogously to this, the lighting spot can be guided several times along a wavy or inclined edge, the lighting spot being moved transversely to the cutting edge between the passages. In this way, the cutting edge can be completely grasped.
Wenn die Kante 9 nicht in einer Ebene liegt, kann eine weitere Bewegungsachse (Fokusachse) eingesetzt werden, die die optische Messeinrichtung in Strahlrichtung bewegt . Ferner wird ein Fokusdetektor benötigt, der erkennt, wenn die Abbildung auf dem Detektor 11 unscharf wird. Dazu wird ein Teil des reflektierten Streulichts zum Beispiel mit einem Strahlteiler 15 (Fig. 1) ausgekoppelt und auf den Fokusdetektor 17 gelenkt. Dieser ist so ausgelegt, dass er erkennen kann, ob die Abbildung der Kante 9 auf oder in der Nähe des Fotodetektors 11 zu liegen kommt. Die Fokusachse wird anhand des Signals des Fokusdetektors 17 so geregelt, dass die Abbildung auf dem Detektor 11 oder in seiner Nähe zu liegen kommt. Dadurch kann eine dreidimensionale Verfolgung und Vermessung einer Kante 9 vorgenommen werden. Der Fokusdetektor 17 kann zum Beispiel mit einer schräggestellten astigmatischen Linse 16 und einer Vier- Quadranten-Diode, auf der sich bei Verschiebung des Fokus je nach Richtung eine ovale Verzerrung des einfallenden Strahls in sagittale oder meridionale Richtung ergibt, ausgerüstet sein. Die Fokusabweichung lässt sich durch die Differenz der Summen der Strahlungsleistungen auf den diagonal gegenüberliegenden Quadranten bestimmen. Dies ist ein in der CD-Spieler-Technik gebräuchliches Verfahren. Ein anderes Verfahren zur Fokusdetektion, welches hier eingesetzt werden kann, ist die Verwendung von zwei Prismen, die das einfallende Licht in Abhängigkeit des Einfallswinkels brechen. Der so geteilte Lichtstrahl wird auf zwei positionsempfindliche Detektoren (PSDs) gelenkt. Da der Winkel des einfallenden Lichtes mit Fokusänderungen einhergeht, werden deren Messergebnisse als Maß für die Fokusabweichung herangezogen. Die Ausgangssignale des Fokusdetektors dienen als Regelgröße für eine Fokuslageregelung mittels der Fokusachse. Die Regelung kann zum Beispiel elektronisch als analoge oder digitale Regelung ausgeführt sein. Das Stellglied ist der Antrieb der Fokusachse, der zum Beispiel mit Schritt- oder Servomotoren und einer Gewindespindel oder mit Linearmotoren realisiert werden kann. Die Reihe der Positionen des Fokusflecks kann zur Bestimmung der dreidimensionalen Form des Kantenverlaufs genutzt werden.If the edge 9 is not in one plane, a further movement axis (focus axis) can be used, which moves the optical measuring device in the beam direction. A focus detector is also required which detects when the image on the detector 11 becomes out of focus. For this purpose, part of the reflected scattered light is coupled out, for example, with a beam splitter 15 (FIG. 1) and directed onto the focus detector 17. This is designed in such a way that it can recognize whether the image of the edge 9 comes to lie on or in the vicinity of the photodetector 11. The focus axis is regulated on the basis of the signal from the focus detector 17 such that the image comes to lie on the detector 11 or in its vicinity. This enables three-dimensional tracking and measurement of an edge 9 to be carried out. The focus detector 17 can be, for example, with an inclined astigmatic lens 16 and a four-quadrant diode, on which each time the focus is shifted directionally there is an oval distortion of the incident beam in the sagittal or meridional direction. The focus deviation can be determined by the difference in the sum of the radiation powers on the diagonally opposite quadrants. This is a common method in CD player technology. Another focus detection method that can be used here is the use of two prisms that refract the incident light depending on the angle of incidence. The light beam split in this way is directed onto two position-sensitive detectors (PSDs). Since the angle of the incident light is accompanied by changes in focus, their measurement results are used as a measure of the focus deviation. The output signals of the focus detector serve as a controlled variable for focus position control using the focus axis. The regulation can, for example, be carried out electronically as an analog or digital regulation. The actuator is the drive of the focus axis, which can be implemented, for example, with stepper or servo motors and a threaded spindle or with linear motors. The series of positions of the focus spot can be used to determine the three-dimensional shape of the edge course.
Eine weitere Möglichkeit der Regelung der Lage des Fokus und/- oder des Bereichs, der auf den Detektor abgebildet wird, in Richtung der Beleuchtng und/oder in Richtung der optischen Achse der Aufnahmeoptik für das reflektierte Licht besteht darin, eine Messung der Lage der Kante in Richtung der Beleuchtung und/oder in Richtung der optischen Achse der Aufnahmeoptik mit anderen Mitteln durchzuführen und aufgrund dieser Messergebnisse die relative Position der Kante zum Messgerät zu regeln. Bei getrennter Beleuchtungs- und Aufnah- meoptik und gleichmäßiger, nicht oder schwach fokussierter Beleuchtung ist dabei vor allem die Richtung der optischen Achse der Aufnahmeoptik relevant. Bei Verwendung einer Version mit Beleuchtung und Aufnahme des reflektierten Lichts durch die selbe Optik fallen die optischen Achsen zusammen.A further possibility of regulating the position of the focus and / or of the area which is imaged on the detector in the direction of the illumination and / or in the direction of the optical axis of the recording optics for the reflected light consists in measuring the position of the edge in the direction of the lighting and / or in the direction of the optical axis of the recording optics with other means and to regulate the relative position of the edge to the measuring device on the basis of these measurement results. In the case of separate lighting and recording optics and uniform, non-focused or weakly focused lighting, the direction of the optical axis of the recording optics is particularly relevant. When using a version with lighting and absorption of the reflected light through the same optics coincide with the optical axes.
Für die geregelte Positionierung können die Kante oder das Messgerät vorzugsweise mittels Elektromotor bewegt werden. Als Messmittel zur Bestimmung der relativen Kantenposition kann beispielsweise eine Lichtschranke verwendet werden, die mechanisch mit dem Messgerät verbunden ist und die von der Kante je nach deren Position mehr oder weniger stark unterbrochen wird.For the controlled positioning, the edge or the measuring device can preferably be moved by means of an electric motor. A light barrier that is mechanically connected to the measuring device and that is more or less severely interrupted by the edge depending on its position can be used, for example, as the measuring means for determining the relative edge position.
Vorteilhaft ist es, die Regelung so auszulegen, dass die Beleuchtung der Kante trotz lateraler Abtastung gleichmäßig beleuchtet bleibt und die mehr oder weniger scharfe Abbildung der beleuchteten Stelle der Kante weitgehend vollständig auf den Detektor abgebildet wird.It is advantageous to design the control in such a way that the illumination of the edge remains uniformly illuminated despite lateral scanning and the more or less sharp image of the illuminated point on the edge is largely completely imaged on the detector.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung wird als Lichtquelle 4 ein Diodenlaser und als Fokussiereinrichtung eine Linse 8 verwendet. Zur Einstellung der Größe des Beleuchtungsflecks wird eine Blende 5 verwendet. Als Detektor kommt eine kreisrunde Vier-Quadranten-Fotodiode 100 zum Einsatz. Die Kantenverfolgung wird von einem MikroController geregelt . Außerdem kann die gesamte in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung modular aufgebaut werden. Die Einrichtungen 4, 5 und 6 lassen sich in einem Lasermodul zusammenfassen, die Fokussiereinrichtung 8 in einem Fokussiermodul und die Einrichtungen 10, 11 und 14 in einem Detektionsmodul . Auch der Fokusdetektor 17 mit den weiteren Einrichtungen 15 und 16 kann in das Detektionsmodul integriert werden. Zur Steuerung der Intensität der Laserdiode 4 kann außerdem ein separates Intensitätsmodul vorgesehen werden, das beispielsweise die vom Strahlteiler 7 abgelenkten Strahlen 13 auswertet. Der Strahlteiler 7 ist Teil eines zentralen Strahlteilermoduls. In a particularly advantageous embodiment, a diode laser is used as the light source 4 and a lens 8 is used as the focusing device. An aperture 5 is used to adjust the size of the lighting spot. A circular four-quadrant photodiode 100 is used as the detector. Edge tracking is controlled by a microcontroller. In addition, the entire device shown in FIG. 1 can be constructed modularly. The devices 4, 5 and 6 can be combined in a laser module, the focusing device 8 in a focusing module and the devices 10, 11 and 14 in a detection module. The focus detector 17 with the further devices 15 and 16 can also be integrated into the detection module. To control the intensity of the laser diode 4, a separate intensity module can also be provided, which for example evaluates the beams 13 deflected by the beam splitter 7. The beam splitter 7 is part of a central beam splitter module.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
1. Verfahren zur Bestimmung des Radius, der Schärfe oder der Form von Kanten, insbesondere von Schneidkanten, oder das Vorhandensein von Ausbrüchen oder dergleichen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Beleuchtungsstrahl auf die Kante gerichtet und die von ihr reflektierte Strahlungsleistung gemessen und daraus der Radius, die Schärfe, die Form der Kante oder das Vorhandensein oder die Größe von Ausbrüchen oder Verschleißmarken bestimmt wird.1. A method for determining the radius, the sharpness or the shape of edges, in particular cutting edges, or the presence of cutouts or the like, characterized in that an illuminating beam is directed onto the edge and the radiation power reflected by it is measured and from this the radius, the sharpness, shape of the edge or the presence or size of breakouts or wear marks is determined.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in Einstrahlrichtung von der Kante zurückreflektierte Strahlungsleistung gemessen wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the radiation power reflected back in the direction of radiation from the edge is measured.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das reflektierte Streulicht mittels eines Strahlteilers aus dem die Kante beleuchtenden Strahlengang ausgekoppelt wird.3. The method according to claim 2, characterized in that the reflected scattered light is coupled out by means of a beam splitter from the beam path illuminating the edge.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Beleuchtungsstrahl durch eine Fokussiereinrichtung auf die Kante gerichtet wird.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the illuminating beam is directed onto the edge by a focusing device.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das reflektierte Streulicht durch dieselbe Fokussiereinrichtung, durch die auch der Beleuchtungsstrahl passiert, wieder aufgenommen wird. 5. The method according to claim 4, characterized in that the reflected scattered light is picked up again by the same focusing device through which the illuminating beam passes.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Beleuchtungsstrahl relativ zur Kante derart bewegt wird, dass er sie der Länge nach überstreicht .6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the illuminating beam is moved relative to the edge in such a way that it sweeps over the length thereof.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Lage der Punkte maximaler Reflexion die Kantenform bestimmt wird.7. The method according to claim 6, characterized in that the edge shape is determined from the position of the points of maximum reflection.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das vom Intensitätsmaximum des Beleuchtungsstrahls zurückreflektierte Streulicht ausgewertet wird.8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the scattered light reflected back from the intensity maximum of the illumination beam is evaluated.
8. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Bestimmung des Radius, der Schärfe oder der Form von Kanten oder des Vorhandenseins von Ausbrüchen odr dergleichen, gekennzeichnet durch eine Lichtquelle, einen Detektor zur Aufnahme des von der Kante reflektierten Lichtanteils und Messung seiner Strahlungsleistung und eine Auswerteeinrichtung.8. Device for performing a method according to one of claims 1 to 7 for determining the radius, the sharpness or the shape of edges or the presence of cutouts or the like, characterized by a light source, a detector for recording the light portion reflected by the edge and Measurement of its radiation power and an evaluation device.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Fokussiereinrichtung zur Bündelung des Lichtstrahls auf die Kante und/oder zur Aufnahme des Streulichts aufweist .9. The device according to claim 8, characterized in that it has a focusing device for focusing the light beam on the edge and / or for receiving the scattered light.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor mindestens eine Fotodiode aufweist.10. The device according to claim 8 or 9, characterized in that the detector has at least one photodiode.
11. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor eine Vier-Quadranten-Fotodiode, einen Sekundärelektronenverfielfacher, eine Avalanche- Fotodiode, eine PIN-Diode oder eine Diodenzeile aufweist. 11. The device according to claim 8 or 9, characterized in that the detector has a four-quadrant photodiode, a secondary electron multiplier, an avalanche photodiode, a PIN diode or a row of diodes.
12. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor einen CCD-Chip oder einen anderen Pixel-Matrix-Fotodetektor aufweist .12. The device according to claim 8 or 9, characterized in that the detector has a CCD chip or another pixel matrix photodetector.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor verstellbar angeordnet ist .13. Device according to one of claims 8 to 12, characterized in that the detector is arranged adjustable.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle ein Laser ist.14. Device according to one of claims 8 to 13, characterized in that the light source is a laser.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle und/oder die Kante verfahrbar und/oder verschwenkbar angeordnet sind.15. Device according to one of claims 8 to 14, characterized in that the light source and / or the edge are arranged to be movable and / or pivotable.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dassy der Durchmesser des Beleuchtungsstrahls oder des Fokusflecks im Strahlengang nach der Fokussiereinrichtung variierbar ist.16. Device according to one of claims 8 to 15, characterized in that y the diameter of the illuminating beam or of the focus spot in the beam path can be varied after the focusing device.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung in Abhängigkeit von den Messsignalen des Detektors die Relativbewegung von Lichtquelle und Kante und/oder den Abstand von Lichtquelle und Kante und/oder die Verstellung des Strahldurchmessers steuert .17. Device according to one of claims 8 to 16, characterized in that the evaluation device controls the relative movement of the light source and edge and / or the distance between the light source and edge and / or the adjustment of the beam diameter depending on the measurement signals of the detector.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen weiteren Detektor zur Regelung der Intensität der Lichtquelle aufweist.18. Device according to one of claims 8 to 17, characterized in that it has a further detector for regulating the intensity of the light source.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Detektor eine Blende angeordnet ist . 19. Device according to one of claims 8 to 18, characterized in that an aperture is arranged in front of the detector.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass sie modular aufgebaut ist und dabei mindestens ein Lasermodul, ein Objektivmodul und ein Detektormodul aufweist.20. Device according to one of claims 8 to 19, characterized in that it is of modular construction and has at least one laser module, one objective module and one detector module.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass sie außerdem ein Strahlteilermodul aufweist.21. The apparatus according to claim 20, characterized in that it also has a beam splitter module.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die anderen Module am Strahlteilermodul befestigt sind.22. The apparatus according to claim 21, characterized in that the other modules are attached to the beam splitter module.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass sie zusätzlich ein Intensitätsmodul zur Regelung der Intensität des Lasermoduls aufweist.23. Device according to one of claims 20 to 22, characterized in that it additionally has an intensity module for regulating the intensity of the laser module.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektivmodul ein Mikroskopobjektiv enthält.24. Device according to one of claims 20 to 23, characterized in that the objective module contains a microscope objective.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektionsmodul mindestens einen Fotodetektor enthält .25. Device according to one of claims 20 to 24, characterized in that the detection module contains at least one photodetector.
26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektionsmodul außerdem eine Fokussiereinrichtung, eine Blende und einen Filter aufweist .26. The apparatus according to claim 25, characterized in that the detection module also has a focusing device, an aperture and a filter.
27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Lasermodul eine Korrektur-Zylinderlinse oder Prismen zur Korrektur des Strahlprofils aufweist . 27. Device according to one of claims 20 to 26, characterized in that the laser module has a correction cylindrical lens or prisms for correcting the beam profile.
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