DE2327307A1 - Verfahren und einrichtung zur messung der verwindung von ebenen flaechen - Google Patents

Verfahren und einrichtung zur messung der verwindung von ebenen flaechen

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DE2327307A1
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DE19732327307
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Gerhard Scherf
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Jenoptik AG
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Jenoptik Jena GmbH
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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

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Description

  • Verfahren und Einrichtung zur Messung der Verwindung von ebenen Flächen Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Messung der Verwindung von ebenen Flächen, vorzugsweise vor Führungsflächen an langen Führungsbahnen und dgl. an Meßgeräten und Werkzeugmaschinen.
  • Es sind Verfahren und Geräte bekannt, bei denen die Ebenheit bzw. Geradlinigkeit von langen Führungsbahnen, von Richtplatten usw. durch Antasten mit empfindlichen Libellen, durch mikroskopischen Vergleich mit einem gespannten Stahldraht, mit einem Pluchtungsfernrorr und mit einem Autokollimationsfernrohr und Umlenkspiegel bestimmt wird. Diese Verfahren besitzen Jedoch erhebliche Nachteile, eil das Anbringen dieser Meßgeräte auf der zu prüfenden Führungsbahn, Richtplatte oder dgl. eine direkte Beeinflussung dieser Prüflinge derart nit sich bringt, daß diese zusätzliche deformiert werden. Ebenfalls können weitere Deformationen durch die Körperwärme des Prüfpersonals verursacht werden. Bei allen diesen Verfahren wird jeweils nur an bestimmten Stellen entlang er Führungsbahn d.e Lage der Prüffläche ermittelt. Eine lückenlose, jede Stelle der Prüfflächen berücksichtigende Messung der Ebenheit ist, jedoch nach diesen Verfahren und mit diesen Geräten nicht möglich.
  • Es ist ferner ein optisches Verfahren zur Messung der Ebenheit bzw. Geradlingkeit bekannt, welches auf der 3asis der streifenden Reflexion eines Parallelichtbündels an der prüffläche und der Verwendung dieses Lichtbündels zur Erzeugung von Zweistrahlinterferenzen und der notwendigen Auswertung des Interferenzbildes beruht. bei diesem Verfahren wird der Prüfling meßkraftfrei optisch angetastet, und die Ebenheit bzw. Geradheit der Prüffläche ist längs des gesamten Prüflings ohne Unterbrechung sichtbar. Bei der Verwerdung solcher iterferometer ipt aber entweder die Unebenheit der Prüffläche, d. h. ihre Ungeradheit und Verwindung, nur durch einen komplizierten Geräteaufbau und eine aufwendige Auswertung zu ermitteln oder es wird wie bei einem ebenfalls komplizierten Gerät nur die Geradheit längs eines sehr schmalen Bereiches der Prüffläche gemessen. Lr eine Ermittlung der Verwindung der gesamten Prüflingsfläche müssen jedoch viele nebeneninanderliegende Bereiche der Prüflingsfläche vermessen werden. Das erfordert einen hohen Zeit- und Arbeitsaufwand und eine sehr genaue Parallelverschiebung des Meßgerätes. Auch ist die Auswertung der einzelnen, iurch die Messungen erkaltenen Prüfbilder zwecks Rekonstruktion der Verweindungskurve aus den einzelnen Prüfbildern sehr aufwendig.
  • Es ist deshalb Zweck der Erfindung, ein Verwahren und eine Einrichtung zu schiffen, bei denen die Nachteile des Standes der Technik beseitigt sind und mit denen der Zeit- und Arbeitsaufwand bei der Messung der Verwindung von flächen von Führungen und dgl. verringert ist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein erfahren und eine Einrichtung zur geometrisch-optischen Messung der Verwindung von Flächen zu schaffen, mit welchen die Merwindung der zu prüfenden Flächen gleichzeitig, lfickenlos und unbeeinflußt durch das Meßgerät über die gesamte Länge zu bestimmen ist.
  • brfindungsgemäß wird die Aufgabe der Erfindung bei einem Verfahren zur geometrisch-optischen Messung der Verwindung von ebenen Flächen dadurch gelöst, daß die zu prüfende Flache vorzugsweise in ihrer gesamten Länge von einem teleskopischen-Beleuchtungssystem durch ein paralleles Lichtbündel unter den Einfallswinkel f schräg beleuchtet wird, und daß die beleuchtete Fläche mittels des an ihr reflektierten Lichtbündels durch ein teleskopisches Beobachtungssystem mit zusätzlicher astigmatischer Abbildungsoptik beobachtet oder aufgezei.chnet wird.
  • Bei einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einem Beleuchtungs- und Beobachtungssystem wird die erfindungsgemäße Aufgabe vorteilhaft dadurch gelöst, daß das Beleuchtungssystem zur Beleuchtung der zu prüfenden Fläche des Prüflings eine mit einer Öffnung oder einer optischen Markierung versehene Blende, Mittel zur Beleuchtung der Blende und in optisches System zur Abbildung derselben nach Unendlich besitzt, und daß das Beobachtungssystem ein teleskopisches System und eine zusätzliche astigmatische Abbildungsoptik zur Beobachtung der zu.
  • prüfenden Fläche umfaßt.
  • Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Meßeinrichtung ergibt sich, wenn zur Beleuchtung und Beobachtung der zu prüfenden Fläche des Prüflings ein Autokollimationsfernrohr und ein Spiegel vorgesehen wird, wobei dem Okular des hutokollimationsfernrohres eine astigmatische Abbildungsoptik nachgeschaltet ist.
  • Es ist ferner vorteilhaft, daß die astigmatische Abbildungsoptik eine Zylinderlinsenoptik umfaßt, deren Achse senkrecht zur optischen Achse und paraLbl zur Prüflingsflache verläuft und in Richtung der optischen Achse verschiebbar ist.
  • Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, die Verwindung von langen Führungsflächen mit gewöhnlichem Licht zu bestimmen. Demzufolge hat die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens einen einfachen Aufbau. Im Gegensatz zur bekannten Interferometrischen Einrichtung werden an die Belauchtungaquelle selbst geringere Anforderungen gestellt. Riittel zur Erzeugung von monochromatischem Licht sowie mehrteilige Reflexionsspiegel sind nicht erforderlich. Das weiteren wird eine meßkraftfreie Messung der Verwindung erzielt, und somit ist eine Deformation der zu messenden Flächen durch das Meßgerät selbst nicht vorhanden.
  • Die Erfindung soll nachstehend ar. Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen Fig. 1 eine Einrichtung mit kollimator und kernrohr, Fig. 2 eine Einrichtung mit Autokollimationsferarohr und Umlenkspiegel, Fig. 3- ein Bild der Blende bei unverwundener Fläche und Fig. 4 ein Bild der Blende bei verwundener Fläche des Prüflings.
  • Die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung besitzt als Beleuchtungssystem einen Kollimator zur Erzeugung eines parallelen Strahlenbündels. Diese Beleuchtungseinrichtung umfaßt eine iicitquelle 1, einen die Lichtquelle 1 in die Ebene einer Blende 2 abbildenden Kondensor 3 und ei Kollimatorobjektiv 4, welches ein paralleles Lichtbündel zur ~eleuchtung der zu prüfenden Fläche des Prüflings 5 erzeugt. Hierbei kann die Blende 2 mit einer Öffnung, vorzugsweise mit einer rechteckförmigen Öffnung 6 in Form eines Spaltes oder mit einer optischen Markierung versehen sein. Das parallele Lichtbündel fällt auf den Prüfling 5 unter einem Winkel # ein, der abhängig ist von der Länge der zu prüfenden Fläche des Prüflings 5. So muß bei der Prüfung langer Flächen, z. 3. Flächen langer Führungsbahnen, der Einfallswinkel r möglichst groß gewählt werden. Des weiteren hängt der zu wählende Einfallswinkel # auch von der Oberflächenbeschaffenheit (Rauheit und Reflexionsvermögen) der zu prüfenden Flächen ab. Am Prüfling 5 wird das parallele Lichtbündel nach dem Reflexionsgesetz gerichtet in das im entsprechenden Winkel angeordnete Fernrohr als Beobachtungssystem reflektiert. Dieses auf Unendlich eingestellte Fernrohr umfaßt ein Objektiv 7 und ein Okular 8, wobei das Objektiv 7 in seiner Bildebene ein Bild 9 der Blende 2 entwirft, welches mittels des Okulars 8 wiederum nach Unendlich abgebildet wird und mit dem auf Unendlichaid'o:!lmodierten Aute des Beobachters betrachtet und mit einer in der Bildebene des Obçektivs angeordneten Strichmarke verglichen werden kann.
  • Bei der Einrichtung nach Fig. 1 ist dem Okular 8 eine zusätzliche astigmatische Abbildungsoptik in Form einer Zylinderlinse 10 nachgeschaltet, deren Achse senkrecht zur optischen Achse des Beobachtungssystems und parallel zur Fläche des Prüflings 5 verläuft, d. h. die Zylinderlinse 10 besitzt in einer in der Zeichenebene der Fig. t liegenden Ebene eine optische Wirkung, wohingegen in einer dazu senkrechten Ebene die Zylinderlinse 10 optisch die Wirkung einer planparallelen Platte besitzt. In der Ebene, in der die Zylinderlinse eine optische Wirkung besitzt, bewirkt diese Linse 10 eine Abbildung der Längsdimension der Fläche des Prüflings 5 nach Unendlich.
  • Auf diese Weise wird in dem auf Unendlich aRkoamodierten Auge bzw. einer auf Unendlich eingestellten Fotokamera gleichzeitig in der Papierebene die Längsdimension der Prüffläche und in der zur Papierebene senkrechten und zur optischen Achse des Beobachtungssystems paraUelen Ebene das Bild 9 der Blende 2 scharf abgebildet. It allgemeinen ist ein in Fig, 4 dargestelltes Bild sichtbar. Um eine hohe Meßempfindlichkeit zu erreichen, muß eine starke Vergrößerung des Beobachtungssystems, d. h. ein Objektiv 7 mit großer Brennweite, verwendet werden.
  • Das bedingt aber wieder große Gerätedimensionen. Zwecks Umgehung des letztgenannten Nachteils ordnet man zweckmäßigerweise ein weiteres telesopisches System, welches ein Objektiv 11 und ein Okular 12 umfaßt, hinter der Zylinderlinse 10 an. In der Bildebene des Okulars 12 ist vorteilhaft eine meßbar verschiebbare Strichplatte 13 mit einer Bezugsgeraden angebracht, um eine quantitative Aumvertung zu ermöglichen. Bei richtiger Fokussierung der Zylinderlinse 10 ist durch das Auge des Beobachters ein verkleinertes, scharfes Bild der Fläche des Prüflings 5 in ihrer gesamten Längsausdehnung sichtbar Es ist also insgesamt eine astigmatische Abbildung vorhanden, die ein Bild der Blende 2 und ihrer Offnung oder Markierung liefert, welches in seiner Höhenbegrenzung durch die Länge der zu messenden Fläche -des Prüflings 5 bestimmt wird.
  • Eine doppelte Empfindlichkeit der Messung der Verwindung von Flächen an Prüf lingen 5 und eine Vereinfachung der Einrichtung des Gerätes am Prüfling ist erreichbar, wenn, wie in Fig. 2 dargestellt, Beleucktungs- und Beobachtungssystem in einem Geräteteil nach Art eines Autokollimationsfernrohres vereinigt sind und das vom Autokollimationsfernrohr ausgehende, parallele, an der Fläche des Prüflings 5 reflektierte Lichtbündel-mittels eines Spiegels 14 in das Kernrohr nach nochmaliger Reflexion an der Fläche des Prüflings 5 zurückgeworfen wird.
  • Bei dieser nach dem Autokollimationsprinzip arbeitenden Meßeinrichtung wird ebenfalls eine Lichtquelle 15 mittels eines Kondensors 16 auf die Öffnung 17 bzw. Markierung einer Blende 18 bzw. Strichplatte abgebildet. Im Zusammenwirken mit einem vorgesehenen teildurchlässigen Spiegel 19 und einem Objektiv 20 entsteht ein Beleuchtungssystem, welches wie bei der Einrichtung gemäß Ftg. 1 ein paralleles Lichtbündel erzeugt, welches unter dem Einfallswinkel f auf die Fläche des Prüflings 5 einfällt, so daß deren gesamte Länge ausgeleuchtet wird. Das vom Prüfling 5 gerichtetereflektierte Lichtbündel wird von einem Spiegel 14, der an dem dem Fernrohr gegenüberliegenden Ende des Prüflings 5 angeordnet ist, in sich zurückgeworfen und gelangt nach nochmaliger Reflexion in das Objektiv 20, welches nun als wernrohrobjektiv wirkt.
  • Von hier aus erfolgt die gleiche astigmatische'ixbbildung über ein Okular 21, eine Zylinderlinse 22, ein O-bjektiv 23 und ein Okular 24, w2e sie in der zu Fig. 1 dargestellten EinricA-tung dargestellt ist.
  • Bei beiden Einrichtungen ist der Einfallswinkel # des parallelen Lichtbündels auf die Fläche des Prüflings 5 kontinuierlich variierbar, in dem bei der Einrichtung gemäß Fig. 1 der Winkel zwischen den optischen Achsen des Beleuchtungssystems und des Beobachtungssystems verändert wird. 3ei der Einrichtung gemäß Fig. 2 geschieht dieser durch Kippung des Autokollimationsfernrohrs und des Spiegels 14.
  • Die Messung der Verwindung der Fläche des Prüflings 5 erfolgt durch Ausmessen des Spaltbildes der Blende 2 mit Hilfe der Strichplatte 13 und Auswerten unter Berücksichtigung des Prüfwinkels g Im Falle einer nicht verwundenen Fl.äche ergibt sich ein vollkommen gerades und zur Bezugsgeraden 26 paralleles jild 25 der Blende 2 und 18 in der Strlchpiattenebene, wie es in Fig. 3 dargestellt ist, wobei mit 26 die Bezugsgerade auf der Strichplatte 13 bezeichnet ist. Dabei muß die Bezugsgerade 26 senkrecht zur Achse der Zylinderlinsen 10 und 22 ausgerichtet sein.
  • Besitzt die zu prüfende Fläche des Prüflings 5 eine Verwindung, so weist das Bild 27 der Blende 2 und 18 eine Ungeradheit bzw. eine Unparallelität relativ zur Bezugsgeraden 26 (Fig. 4) auf. Eine quantitative Auswertung dieses Prüfbildes erfolgt in an sich bekannter Weise durch eine meßbare Verschiebung der Strichplatte 13 mit der Bezugsgeraden 26, z. B. mittels einer Okularmeßschraube in einer Richtung, die senkrecht zur Zeichenebene der Zeichnung verläuft.
  • Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es weiterhin in einfacher Weise möglich, eine Prüfung des Ablaufes eines Schlittens auf Werkzeugmaschinen und Meßgeräten durchzuführen.
  • Durch Auflegen eines Spiegels auf den Schlitten und durch Vergleich des Kollimatorspaltbildes, essen Länge proportional ?Vr Länge der Schlittenbewegung zu wählen ist, welche eine bestimmte Gesichtsfeldlänge ergibt, mit der Okularstrichplatte (13) ist die winkelhafte Verkippung des Schlittens senkrecht zur Führungsrichtung in Abhängigkeit von seiner Stellung meßbar. Diese Verkippung des Schlittens ist bedingt durch die Unparallelitat der den Schlitten in waagerechter Ebene tragenden Führungsbahnen.

Claims (4)

  1. Patentansprüche
    Verfahren zur geometrisch-optischen Messung der Verwindung von ebenen Fläche, vorzugsweise von Führungsflächen an langen Führungsbahnen und dgl., dadurch gekennzeichnet, daß die zu prüfende Fläche vorzugsweise in ihrer gesamten Länge von einem teleskopischen Beleuchtungssystem Uu-rch ein paralleles Lichtbündel unter einem Einfallswinkel # schräg beleuchtet wird, und daß die beleuchtete Fläche mittels des an ihr reflektierten Lichtbündels durch ein teleskopisches Beobachtungssystem mit zusätzlicher astigmatischer Abbildungsoptik beobachtet oder aufgezeichnet wird.
  2. 2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Beleuchtung- und Beobachtungssystem, dadurch gekennzeichnet, daß das Beleuchtungssystem zur Beleuchtung der zu prüfenden Fläche des Prüflings t5) eine mit einer Öffnung (6; 17) oder einer optischen Markierung versehene Blende (?; 18), Mittel zur Beleuchtung der Blende (2; 18) und eineoptisches System zur Abbildung derselben nach Unendlich besitzt, und daß das 3eobachtungssystem ein teleskopisches System und eine zusätzliche astigmatische Abbildungsoptik (10; 22) zur Beobachtung der zu prüfenden Fläche umfaßt.
  3. 3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beleuchtung und Beobachtung der Fläche des Prüflings (5) ein Autokollimationsfernrohr und ein Spiegel (14) vorgesehen ist, wobei dem Okular (21) des Autokollimationsfernrohres eine astigmatische Abbildungsoptik (22) nachgeschaltet ist.
  4. 4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die astigmatische Abbildungsoptik (10; 22) eine Zylinderlinsenoptik umfaßt, deren Achse senkrecht zur optischen Achse und parallel zur Prüflingsfläche verlauft und die in Richtung der optischen Achse verschiebbar ist.
    L e e r s e i t e
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