DE3687029T2

DE3687029T2 - Optische messapparate.

Info

Publication number: DE3687029T2
Application number: DE8686307065T
Authority: DE
Inventors: Philip James Eric Aldred
Original assignee: Tesa Metrology Ltd
Current assignee: Hexagon Metrology Ltd
Priority date: 1985-09-13
Filing date: 1986-09-12
Publication date: 1993-03-04
Anticipated expiration: 2006-09-13
Also published as: EP0216587A2; ATE81907T1; US4747689A; GB8522750D0; DE3687029D1; EP0216587B1; GB2180640A; EP0216587A3

Description

Diese Erfindung betrifft optische Meßvorrichtungen zum Messen der Abmessungen eines weiten Bereichs von Bauteilen. Sie bietet die Vorteile des berührungslosen Messens zusammen mit Flexibilität, da die Messungen und die Meßreihe eher durch Software als durch Hardware definiert sind.
In der U.K.-Patentbeschreibung Nr. 20 58 344 ist ein elektrooptischer Apparat zum genauen Untersuchen eines länglichen Werkstücks, wie zum Beispiel einer Nockenwelle mit beabstandeten Höckern, welche zwischen Zentrierspitzen gehalten ist und gedreht wird, offenbart. Ein Sensorkopf ist vorgesehen, welcher eine Lichtquelle, eine Linse zur Bildung eines Bildes einer Kante eines Nockenwellenhöckers auf einem Fotodiodenfeld und eine Ausleseeinrichtung umfaßt. Zur Nachkalibrierung des Apparats während einer Reihe von Meßvorgängen an einem Bauteil ist keine Vorkehrung getroffen.
In der U.K.-Patentanmeldung Nr. 20 78 945 ist auch ein optisches Meßsystem offenbart, bei welchem Fotodetektoren benutzt werden. Der Apparat betrifft insbesondere die Analysemethoden des auf einem Fotodetektorenfeld erzeugten Lichtmusters. Zur Nachkalibrierung während eines Meßvorgangs ist keine Vorkehrung getroffen.
In der europäischen Patentbeschreibung Nr. 0 029 748 ist ein weiteres elektrooptisches Meßsystem zum Messen der Breite und möglicherweise der Dicke eines gewalzten Streifens offenbart. Zwei optoelektrische Wandler sind oberhalb des Streifens angeordnet und jeder ist geeignet, im wesentlichen die ganze Breite des Streifens zu überblicken. Ein Prozessor ist an die elektrischen Ausgänge der Wandler angeschlossen, um die Lage im Raum der oberen Kanten der zwei Seiten des Streifens zu bestimmen. Zur Nachkalibrierung während der Apparat im Betrieb ist, sind wieder keine Vorkehrungen getroffen.
In der US-A-40 43 673 ist eine berührungslose optische Meßvorrichtung offenbart, in welcher ein Laserstrahl abgelenkt wird, um ein Abtasten in zwei Richtungen zu erzeugen. Der Strahl wird gespalten, und ein Meßanteil tastet einen untersuchten Gegenstand ab, während der andere Anteil eine Kalibrierstrichgitter mit abwechselnd undurchsichtigen und durchsichtigen Banden abtastet. Das sich abwechselnde Durchgehen und Verdunkeln der Strahlen durch das Strichgitter wird dazu benutzt, um Kalibrierpulse zu erzeugen, wobei jeder einen vorherbestimmten Bewegungsschritt des Kalibrierstrahls darstellt. Mit dieser Anordnung wird das Kalibrieren vor einem Meßvorgang ausgeführt, und es ist nicht wirklich möglich, während eines Meßvorgangs zu kalibrieren.
Diese Erfindung stellt eine optische Meßvorrichtung bereit zum Bestimmen einer Mehrzahl von Abmessungen eines Gegenstands an linear beabstandeten Stellen auf dem Gegenstand, umfassend:
eine Meßstation zum Messen einer linearen Abmessung des Gegenstands,
Mittel zum Bewegen des Gegenstands durch die Meßstation, um die zu messenden Stellen nacheinander an der Station zu präsentieren,
eine Lichtquelle auf einer Seite der Meßstation, um einen Lichtstrahl auf die Meßstation zu richten, um den an der Station zu messenden Abschnitt des Gegenstands zu überdecken,
eine langgestreckte fotoelektrische Anordnung, die auf der der Lichtquelle gegenüberliegenden Seite der Meßstation angeordnet ist,
eine Linseneinrichtung zum Fokussieren eines Bildes des zu messenden Abschnitts des Gegenstands auf die fotoelektrische Anordnung, Mittel zum Bestimmen der Abmessung des Gegenstands aus dem auf der Anordnung erhaltenen Bild, ein langgestrecktes Kalibrierstrichgitter, welche in einem optischen Weg der Vorrichtung angeordnet ist, worin Mittel zum Lenken eines Bildes des Kalibrierstrichgitters in die Linseneinrichtung vorgesehen sind, um auf die fotoelektrische Anordnung fokussiert zu werden, um es der Meßbestimmungseinrichtung zu ermöglichen, in Übereinstimmung mit dem Kalibrierstrichgitter kalibriert zu werden, unabhängig davon, ob in der Vorrichtung ein Gegenstand zum Kalibrieren der Anordnung vor oder während eines Meßzyklus eines Gegenstands vorhanden ist oder nicht.
Bevorzugterweise sind Mittel vorgesehen, um sowohl Licht von dem Strichgitter als auch durch die Meßstation hindurchgegangenes Licht zu empfangen, um Licht aus beiden Quellen in das Linsensystem und dann in die fotoelektrische Anordnung zu lenken.
In einer bestimmten Ausführungsform umfaßt die Linseneinrichtung zwei Linsen, welche so angeordnet sind, daß sich ihre optischen Wege quer zueinander ausdehnen, daß zwei langgestreckte Anordnungen vorgesehen sind, um Licht von den Linsen zu empfangen, und daß Mittel dort vorgesehen sind, wo sich die Lichtwege des Linsensystems schneiden, um Licht sowohl vom beleuchteten Gegenstand als auch vom Strichgitter in beide Linsensysteme zu lenken.
In jeder der obigen Ausführungsformen weist das Strichgitter eine Skala mit Markierungen auf, bei welcher der Abstand der Markierungen zwischen jedem Paar von Markierungen für dieses Paar eindeutig ist, um die Identifizierung eines Bildes eines Paars zu ermöglichen, welches Bild bei einem Kalibriervorgang auf das Feld gelenkt wird.
Insbesondere kann das Strichgitter eine erste Skala mit voneinander einen ersten Abstand aufweisenden Markierungen umfassen sowie eine der ersten Skala überlagerte zweite Skala mit Markierungen, die in einem kürzeren Abstand gesetzt sind, um Paare von Markierungen aus den entsprechenden Skalen vorzusehen, welche zum Kalibrieren der Vorrichtung für jedes Paar einen individuellen Abstand aufweisen.
Auch kann in jeder der obigen Ausführungsformen das Strichgitter ferner eine sich längs derselben ausdehnende Referenzlinie für Ausrichtungs/Kalibrierungszwecke aufweisen.
Darüber hinaus kann eine gerade Bezugskante nahe einer Seite des zu messenden Gegenstands angebracht sein, um sich mit dem Gegenstand durch die Meßstation zu bewegen, wodurch Konzentrizität, Zylinderhaftigkeit oder Geradlinigkeit des Gegenstands bestimmt werden kann.
Die Erfindung stellt auch eine optische Meßvorrichtung bereit zum Bestimmen einer Mehrzahl von Abmessungen eines Gegenstands an linear beabstandeten Stellen auf dem Gegenstand, umfassend eine Meßstation zum Messen einer linearen Abmessung des Gegenstands, Mittel zum Bewegen des Gegenstands durch die Meßstation, um die zu messenden Stellen nacheinander zu präsentieren, eine Lichtquelle auf einer Seite der Meßstation zum Lenken eines Lichtstrahls an die Stelle des Gegenstands in der Meßstation quer zu geforderten Meßlinie und zur Bewegungsrichtung des Gegenstands durch die Station, fotoelektrische Anordnungen auf der der Lichtquelle gegenüberliegenden Seite der Meßstation, eine Linseneinrichtung zum Fokussieren eines Bildes des zu messenden Abschnitts des Gegenstands auf die fotoelektrische Anordnung, um ein Bild des Abschnitts des Gegenstands darauf zu formen, und Mittel, um die Abmessung des Gegenstands aus dem auf der Anordnung empfangenen Bild zu bestimmen, worin ein Anzeigeschirm vorgesehen ist, sowie Mittel, welche die Signale aus der fotoelektrischen Anordnung in Bildelemente auf dem Schirm umwandeln, wodurch wiederholte Messungen entlang eines Gegenstands dazu benutzbar sind, ein Bild des Gegenstands auf dem Schirm zu erzeugen.
Das Folgende ist eine Beschreibung einiger bestimmter Ausführungsformen der Erfindung, welche sich auf die beiliegenden Zeichnungen bezieht, in denen:
Fig. 1 eine Draufsicht der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung ist,
Fig. 2 eine in Richtung des Pfeils A gesehene, detaillierte Seitenansicht eines Teils von Fig. 1 ist,
Fig. 3 eine Seitenansicht eines Teils der Vorrichtung ist,
Fig. 4 eine Fig. 1 ähnliche Ansicht ist, welche die Vorrichtung in einer anderen Einstellposition zeigt,
Fig. 5 eine vordere Vorderansicht der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung ist,
Fig. 6 eine detaillierte Ansicht eines Teils der in Fig. 5 gezeigten Vorrichtung in Blickrichtung des Pfeils B ist, und
Fig. 7 bis 10 eine Anzahl von Abänderungen zu der obig beschriebenen Vorrichtung darstellen, und
Fig. 11 bis 15 weitere Abänderungen darstellen.
Die folgende Beschreibung betrifft optische Meßapparate, welche einen Computer enthalten, der dazu programmiert ist, die Messung der Abmessungen länglicher, schaftartiger Bauteile zu steuern, welche Abmessungen enthalten, Durchmesser, Unrundheit, Längen zwischen Schultern, Konzentrizitäten, Geradlinigkeit und Gewindekennzeichen, welche Messungen optische Projektionsgeräte benutzen. Der Computer weist eine visuelle Anzeigeneinrichtung auf, auf welcher ein Bild eines vermessen werdenden Gegenstands erzeugt werden kann, wodurch die Messung desselben und andere Analysen der Messungen angezeigt werden. Ein Drucker/Plotter kann auch vorgesehen sein, um die Ergebnisse der Messungen zu drucken/zu plotten.
In der Beschreibung schließt "Licht" sowohl sichtbare als auch infrarote Strahlung ein. Jeder lichtempfindliche Detektor umfaßt eine Anzahl von Lichtsensoren zusammen mit elektronischen Schaltkreisen zur Steuerung der Sensoren und um die Signale aus den Sensoren auszulesen, wobei alle diese Teile als ein mit dem Computer verbundener, integrierter Schaltkreis ausgebildet sind. Solche Geräte, in der Form von Fotodiodenfeldern oder CCD-Feldern, sind wohlbekannt und im Handel erhältlich.
Im allgemeinen wird das Bauteil, welches vermessen wird, quer durch die Meßebene geführt. Messungen werden an einer Anzahl von Positionen entlang des Bauteils vorgenommen, während jede durch die Meßebene hindurchgeht. Es werden also Ablesungen der lichtempfindlichen Detektoren mit Ablesungen der Detektoren verglichen, wenn sich ein Einstellstück bekannter Größe in der Meßebene befindet und dadurch der Durchmesser (für ein wellenartiges Bauteil) oder die Höhe (für andere Bauteile) gemessen werden kann. Die lichtempfindlichen Detektoren sind mit verarbeitender Elektronik verbunden, welche mit einem Computersystem verbunden ist, welches die entsprechende Messung aus den erhaltenen Signalen berechnet und ebenso dazu benutzt wird, den Betrieb des Meßapparats zu steuern. Die axiale Position entlang des Bauteils, bei welcher die Messung vorgenommen wurde, wird entweder durch die Benutzung eines langreichweitigen Wandlers auf der linearen Längsbewegungsstufe bestimmt oder durch Zählen der Schrittanzahl, welche durch den Schrittmotor (gesteuert vom Computersystem) bewegt wurde, wodurch die axiale Position gesteuert wird, oder durch Benutzung eines Schaftverschlüsselgeräts, welches an der Schraube der Verstellschraubenspindel oder des Kugelumlaufspindelmechanismus angebracht ist.
Mit Bezug auf die Draufsicht Fig. 1 ist das Bauteil 1 in einer Spannvorrichtung angebracht und wird entlang der X-Achse quer durch eine Meßebene 2 geführt. Der Bereich des Bauteils in und nahe der Meßebene wird durch die Quelle 3 beleuchtet, welche eine Lampe und parallel richtende Linsen umfaßt. Licht, welches das Bauteil passiert, tritt in ein Gehäuse 4 ein, welches die bilderzeugende Optik und lichtempfindliche Detektoren auf einer Grundfläche 4a im Gehäuse aufgebaut enthält. Ein Strahlteiler 5 reflektiert die Hälfte des Lichts in Richtung der Linse 6 und läßt die andere Hälfte in Richtung auf die Line 7 durchgehen. Hinter diesen Linsen angebrachte telezentrische Blenden 8, 9 stellen sicher, daß nur Licht, welches zur optischen Achse der Linsen parallel oder beinahe parallel verläuft, die lichtempfindlichen Detektoren erreicht. Diese Anordnung stellt erstens sicher, daß die optische Vergrößerung unabhängig von Veränderungen der Position des Gegenstands entlang der Y-Richtung ist, und auch daß von der Bauteiloberfläche reflektiertes Licht ausgeschlossen ist, welches sonst Meßfehler verursachen würde.
Spiegel 10, 12 und 11, 13 werden dazu benutzt, die optischen Wege auf zwei lichtempfindliche Detektoren 14, 15 umzulenken, welche in den Bildebenen der Linsen 6, 7 liegen. Diese Anordnung verringert die Gesamtgröße des Systems für Hochauflösungsanwendungen (deshalb große Vergrößerung und lange optische Wege), aber noch wichtiger, sie gestattet es den Feldern auf denselben Trägern 16, 17 angebracht zu werden wie die Linsen.
Die Meßumhüllende des Systems (das ist der Bereich der Bauteildurchmesser, der vermessen werden kann) ist beträchtlich größer als der Meßbereich für jeden Detektor. Wenn zum Beispiel jeder Detektor 2000 Fühlelemente aufweist und die Systemauflösung 2 um beträgt, dann ist der Meßbereich jedes Detektors 4 mm, woraus ein Durchmessermeßbereich von 8 mm impliziert wird. Durch Einstellen der Positionen jeder Linsen/Detektoranordnung durch einen mit Bezug auf Fig. 2 unten beschriebenen Mechanismus, wird jeder Meßbereich 8 mm innerhalb eines durch die Höhe der Spiegel 10, 11, 12, 13 und durch die Größe des Beleuchtungsfeldes bestimmten Maximums. Typischerweise kann ein 50-mm-Bereich benutzt werden, und wenn nötig kann er noch ausgedehnt werden.
Mit Bezug auf Fig. 2 weist jeder Befestigungsblock 16, 17 eine vertikale Bohrung auf, welche wenigstens teilweise mit einem Gewinde versehen ist. Die mit ihrem unteren Ende an der Grundplatte 4a angebrachte vertikale Schraube 18 weist an ihrem oberen Ende einen Knopf auf und ein passendes Gewinde zum Eingriff mit der Gewindebohrung. Eine Drehung dieser Schraube verursacht ein Höher- oder Tieferstellen des Befestigungsblocks. Festgelegte Führungsstäbe 19, 20 verhindern eine seitliche Bewegung des Blocks 16, 17.
Ein wie oben beschriebenes, gleichzeitiges Einstellen der Linsen und Detektoren stellt sicher, daß sich der Detektor immer auf der optischen Achse der Linsen befindet und daß die Apertur der Linsen kleiner gehalten wird, wobei beides zu höherer Genauigkeit führt als die alternative Anordnung, in der eine Linse mit großer Apertur benutzt wird und nur die Detektoren bewegt werden. Darüber hinaus verringert die große Nähe von Linsen und Sensoren die Auswirkungen irgendwelcher thermisch hervorgerufener Verzerrungen im System.
Die Spiegel 10, 11 sind auf einem Träger 21 (Fig. 3) angebracht, der zur Winkelgrobeinstellung des Spiegels um einen Zapfen 22 dreht. Die Feineinstellung wird durch einen Biegezapfen 23 und eine Klemmschraube 24, welche in 21 enthalten sind, erreicht. Diese Feineinstellungen werden dazu benutzt sicherzustellen, daß die zwei Detektoren entgegengesetzte Punkte auf dem Bauteil betrachten.
Die Spiegel 12, 13 sind auf einem gemeinsamen Träger 25 befestigt, welcher in einer Gleitbahn, auf der Grundplatte 4a, wie in Fig. 4 gezeigt, in Richtung auf die Felder 14, 15 quer verschoben werden kann, um die Auflösung und dadurch den Meßbereich durch Verringerung der optischen Vergrößerung zu vergrößern. Die Linsen 6, 7 werden auch eingestellt, um einen richtigen Brennpunkt bei der neuen Vergrößerung zu erreichen.
Die axiale Position des Bauteils wird durch eine Motor- Verstellschraubenspindel oder Motor-Kugelumlaufspindel oder eine andere lineare Querverschiebeeinrichtung verändert.
Diese axiale Position wird entweder durch Benutzung eines Schrittmotors und Zählen der Schrittzahl oder durch eine Schaftverschlüsseleinrichtung auf der Schraube oder für größte Präzision durch Benutzung eines langreichweitigen Linearwandlers überwacht.
Eine Seitenansicht der Bauteilbefestigungseinrichtung ist in Fig. 5 gezeigt. Das Bauteil 1 ist zwischen Zentrierungen 26, 27 angebracht, von denen eine 26 durch einen Motor 28, bevorzugterweise ein Schrittmotor, antreibbar ist, um das Bauteil für einige Messungen (zum Beispiel Unrundheit) zu drehen. Die andere Zentrierung 27 wird durch eine Feder beaufschlagt (Details sind nicht gezeigt), um das Bauteil festzuhalten, und beinhaltet auch ein kalibriertes Einstellstück 29 in der Form eines abgestuften Kegels, der dazu benutzt wird, die Messung zu kalibrieren, und ebenso dazu benutzbar ist, die Kalibrierung während jedes Meßdurchgangs zu überprüfen. Die Position beider Zentrierungen kann entlang einer Führungsnut 30 eingestellt werden, um sich der Länge des Bauteils anzupassen, und beide Zentrierungen werden durch Benutzung eines T-Schlitzes 31 in der Führungsnut 30 festgeklemmt. Alternative Methoden zum Festhalten des Bauteils, wie zum Beispiel V-Träger, können auch benutzt werden.
Die Führungsnut 30 ist über zwei Keile 32, 34 mit der Meßbasis 35 und einer linearen Verschiebeeinrichtung 33 verbunden. Die lineare Verschiebeeinrichtung ist typischerweise eine Kugelumlaufspindel oder eine Verstellschraubenspindel, welche durch einen Schrittmotor 36 angetrieben ist.
Der Zweck der Keile 32, 34 ist es, das Bauteil zu heben, wenn es sich durch die Meßebene 2 bewegt, während die Bauteilachse in der horizontalen Ebene beibehalten wird. Die Keile können einfache Keile, wie in Fig. 5 gezeigt, oder einstellbar sein, indem ein Drehgelenk und Abstandhalter oder eine Sinustischanordnung benutzt werden.
Unter Annahme eines idealen Antwortverhaltens des Lichtdetektors wird die Auflösung des Systems mit diesen Keilen durch einen Faktor "N" verbessert, wenn "N" Auslesungen über eine Axialentfernung entlang des Bauteils von "x" gemittelt werden, wobei
x = nr/tanα
in welcher "r" die nominelle Auflösung des Systems (d. h. die Detektorfeldauflösung dividiert durch die optische Vergrößerung) ist, "n" eine ganze Zahl und " " der Winkel der Keile 32, 34 ist.
Diese Verbesserung ist effektiver als die durch einfaches Mitteln mehrfacher Auslesungen erreichte Verbesserung, da sie proportional zu N ist, während die letztere proportional zu ωN ist. Letztere Methode nimmt ferner an, daß irgendeine Quelle von Zufallsveränderungen einer wenigstens mit "r" vergleichbaren Größenordnung vorliegt, was nicht notwendigerweise gültig ist.
Für typische Werte von
r = 5 Micron
x = 0,5 mm
n = 1
erhalten wir α = 0,01 rad.
Wegen der Bewegung des Bauteils in der vertikalen Ebene während seiner horizontalen Querbewegung gibt es einen Verlust von nützlichem Meßbereich. Dieser Verlust beträgt X tanα, wobei X die gesamte horizontale Verschiebung ist. Daher erhält man mit diesem System
Auflösung = r/N
Bereich = r Ns - X tan
= r Ns - X/x
wobei Ns = Anzahl der Sensoren im Detektor n = 1
Daher ergibt sich für typische Werte von Ns=2000 X=200 mm, x=0,5 mm, N=10 eine zehnfache Verbesserung in der Auflösung gegenüber einem 20%igen Verlust an Meßbereich. Dies entspricht einer achtfachen Verbesserung in der Auflösung für einen gegebenen Meßbereich.
Ein Wert von N=10 ist der nützliche, praktische Maximalwert, der mit gegenwärtig erhältlichen Feldern erreicht werden kann, da Abweichungen vom Ideal in der Feldausgabe (d. h. Differenzen der Empfindlichkeit zwischen Dioden, Rauschen) jede weitere Verbesserung begrenzen.
Das letzte Element der Befestigungseinrichtung ist ein Drehbolzen 37 in der Meßebene, um welchen die Befestigung gedreht werden kann, um das Bauteil zur Messung von Gewindekennzeichen richtig auszurichten.
In der obigen Vorrichtung beinhaltet die Kalibrierung der Messung ein auf der Befestigungseinrichtung angebrachtes Einrichtstück 29 bekannter Größe. Dies ist eine beträchtliche Vereinfachung verglichen mit der Anforderung, wenn mit Kontaktsonden für ein kalibriertes Musterbauteil für ein Einrichtstück geeicht wird, aber erfindungsgemäß kann die Methode durch Einschließen des Einrichtstücks in das optische System selbst, wie in der Draufsicht Fig. 7 gezeigt, noch weiter verbessert werden. Zusätzlich zu den vorher beschriebenen Bauteilen 1-17 gibt es eine zweite Quelle parallel gerichteten Lichts 38, ein Strichgitter 39 und einen Spiegel 40. Das Strichgitter 39 weist die in Fig. 10 gezeigte Gestalt auf und umfaßt eine Serie von durchsichtigen und undurchsichtigen Banden. Eine Kante jeder undurchsichtigen Bande, zum Beispiel die Oberkanten in Fig. 10, ist eine Bezugskante, und die durchsichtigen Banden bilden zwei Mengen. Eine Menge ist mit einem Abstand d beabstandet, und die andere Menge, welche mit der ersten abwechselt, weist einen Abstand d-δ auf, wobei δ im Vergleich zu d klein ist und in Fig. 10 etwas übertrieben gezeigt ist. Es gibt eine Anfangsversetzung von d-δ/2 zwischen den zwei Mengen. Die Auswirkung dieser Anordnung besteht darin, daß der Abstand zwischen irgendwelchen zwei aufeinanderfolgenden Bezugskanten, z. B. 40, 41, einmalig ist, wobei auch andere Anordnungen der Banden, die sicherstellen, daß alle Abstände unterschiedlich sind, benutzt werden können. Der Wert von d wird so gesetzt, daß
d < Meßbereich eines der Detektoren.
Es gibt daher immer wenigstens zwei Bezugskanten im Sichtfeld jedes Detektors, und durch das Erfassen der Position und der Abstände dieser Kanten von beiden Detektoren kann die Messung kalibriert werden. Die Anzahl N von Kanten ist so, daß
Nd/2 > größte meßbare Bauteilgröße.
In praxi wird zum Erreichen hoher Genauigkeit das Strichgitter vor der Benutzung kalibriert, um Abweichungen in den wirklichen Kantenpositionen von den in Fig. 10 gezeigten idealen Positionen zu korrigieren, wobei die kalibrierten Werte im Computer gespeichert werden, welcher einen Teil des Meßsystems bildet.
Um das System zu kalibrieren, wird die Beleuchtungsquelle 3 abgeschaltet und die Quelle 38 angeschaltet. Der Strahlteiler 5 wird die Hälfte des Lichts auf die Linse 6 durchlassen und die Hälfte auf die Linse 7 reflektieren. Die optische Weglänge von dem Strichgitter 39 zum Strahlteiler 5 ist gleich derjenigen von der Mittellinie des Bauteils 1 zum Strahlteiler 5, und deshalb ist das Strichgitternbild richtig fokussiert. Die Bewegung des Strichgitters, zum Beispiel durch thermisch verursachte Verzerrungen, wird die Genauigkeit der Kalibrierung nicht beeinflussen. Das Schalten der Beleuchtungsquellen kann durch Steuerung der Leistungsversorgung für die Lampen oder für höhere Geschwindigkeiten durch Blenden bewirkt werden.
Wenn alternativ dazu die Quelle 38 so eingerichtet wird, daß sie heller ist als die Quelle 3, braucht alternativ die Quelle 3 überhaupt nicht abgeschaltet zu werden, da eine automatische Verstärkungsregelung des Lichtdetektorausgangssignals sicherstellt, daß nur Bezugskanten der Strichgitter durch die signalverarbeitende Elektronik erfaßt werden.
Diese Methode der Kalibrierung bietet die Vorteile des Schutzes des Einrichtstücks innerhalb einer Umhüllung und der Verringerung der Meßdurchgangszeiten, da die vorher beschriebene Methode eine zusätzliche axiale Querverschiebung erfordert, um das Einrichtstück in die Meßebene zu bringen.
Ein anderes wichtiges Kennzeichen liegt darin, daß die Kalibrierung zu jedem Zeitpunkt während eines Meßdurchgangs durchgeführt werden kann. Dies erlaubt es, die zwei Linsen-Detektoranordnungen während eines Durchgangs einzustellen, zum Beispiel durch Motorisierung der vorher beschriebenen Schraubeneinstellung und nachfolgende Nachkalibrierung, wodurch die Meßmöglichkeiten des Systems ausgedehnt werden. Dies wird die Messung von Bauteilen mit großen Durchmesserbereichen bei hoher Auflösung ermöglichen. Wenn die Motoren servogesteuert sind, kann auch eine Kontur verfolgt werden, indem die Lichtdetektoren als Nulldetektoren benutzt werden und ein getrennter Wandler zum Messen der Positionen der Linsen-Detektoranordnung benutzt wird.
Eine dritte Steigerungsmöglichkeit für das vorher beschriebene System besteht darin, auf der Aufbaubefestigungseinrichtung eine gerade Bezugskante für hochgenaue Messungen von Bauteilkennzeichen, wie zum Beispiel Zylindrizität, Konzentrizität oder Geradlinigkeit sogar bei Vorliegen von Fehlern in der Geradlinigkeit des axialen Verschiebemechanismus. Tatsächlich kann die Genauigkeitsanforderung an die Fördereinrichtung verringert werden. Fig. 8 zeigt ein Bauteil 1 in Beziehung zur Befestigungsführungsnut 30, welche vorher beschrieben wurde. Die Bauteilträger 26, 27 wurden aus Gründen der Klarheit weggelassen. Eine Platte 42 mit einer geraden Bezugskante 43 ist auf einem Träger 44 angebracht, welcher Träger selbst auf der Führungsschiene durch zwei schwenkbare Tragelemente 45, 46 angebracht ist. Der Zweck der Schwenkelemente ist es, den Platten 42, 44 zu erlauben, in der gezeigten Richtung während des Einbaus und Entfernens der Bauteile gedreht zu werden, um diese Aufgaben leichter zu machen. Die Schwenkelemente sind so angeordnet, daß sich die Platte 42 in der Brennebene 47 der bildformenden Linse befindet und sich deshalb über dem T-Schlitz 31 in der Führungsschiene befindet. Die Platte 42 ist nahe der Bezugskante abgeschrägt 48, um ihre Dicke zu minimieren und deshalb die Qualität des optischen Bildes zu verbessern, während im allgemeinen eine dickere und deshalb stärkere Platte beibehalten wird.
Der Träger 44 beinhaltet eine Anzahl von Schlitzen 49, welche es der Platte 42 gestatten, eine Position frei vom aber nahe am Bauteil einzunehmen, welche es auch anderen zu 42 ähnlichen, aber verschiedene Breiten b aufweisenden Platten gestatten benutzt zu werden, um zur Bauteillänge zu passen.
Es ist für diese Messungen nicht notwendig, daß die Kante 43 zur Bauteilachse genau parallel ist.
Die endgültige Steigerung liegt in einer alternativen Methode der Benutzung des Eichsystems.
Durch das kontinuierliche Verschieben eines Bauteils durch die Meßebene und das Auslesen und Speichern aller Feldauslesungen im Computer kann nachfolgend ein zweidimensionales Bild des Bauteils durch Computergraphik erzeugt werden. Dieses Bild ist dem in einem herkömmlichen optischen Projektor erzeugten äquivalent, aber weist einige wichtige Vorteile auf. Diese beinhalten:
(A) Irgendein Teil des Bildes kann auf dem Graphikschirm durch Software ausgedehnt werden, ohne irgendwelche Verzerrungen hinzuzufügen, da die "Vergrößerung" präzise ist.
(B) Hochgenaue Kopien des Bilds können auf einem zweidimensionalen Plotter oder Drucker erzeugt werden.
(C) Information bezüglich der Abmessungen zwischen irgendwelchen Punkten auf dem Bild kann aus dem Bild gewonnen werden, da Hochauflösungsmessungen direkt im Computer gespeichert werden.
Diese Kennzeichen sind von beträchtlichem Nutzen in der Verbesserung der Genauigkeit und der Leichtigkeit der Untersuchung von Bauteilen, deren Geometrie oder geringe Losgröße herkömmliche optische Projektion und visuelle Untersuchung des entstehenden Bildes zur gegenwärtig bevorzugten Methode der Untersuchung machen.
Eine alternative Methode zum Einstellen der vertikalen Entfernung zwischen den zwei Linsenbefestigungsblöcken 16, 17, wie in Fig. 11 gezeigt, umfaßt ein Ritzel 101, welches durch einen Motor 101a angetrieben wird und mit zwei Zahnstangen 102, 103 kämmt. Die Zahnstangen sind auf vertikalen, linearen Leitschienen 104, 105 angebracht, welche selbst über Halterungen 106, 107 mit der Unterseite der Grundplatte 4a verbunden sind, welche die anderen Elemente des optischen Systems trägt. Die Linsenbefestigungsblöcke 16, 17 sind über den Zahnstangen mittels Säulen 108, 109 angebracht. Eine Drehung des mit dem Ritzel verbundenen Motors führt dazu, daß eine Zahnstange gehoben wird und eine fällt, wodurch die vertikale Entfernung zwischen den Linsenbefestigungsblöcken 16, 17 vergrößert oder verkleinert wird. Der Motor ist bequemerweise eine Schrittmotor, welcher bei Stillstand ein gutes Haltedrehmoment aufweist und welcher durch Benutzung herkömmlicher elektronischer Antriebe mit dem Meßsteuercomputer verbunden werden kann.
Der Strahlteiler 5 kann durch einen kleinen Spiegel 120 ersetzt werden, welcher auf einer einstellbaren Halterung die mit dem Linsenbefestigungsblock 16 verbunden ist, angebracht ist (siehe Fig. 12, 13). Dies verdoppelt die Lichtintensität auf den lichtempfindlichen Feldern 14, 15 und vergrößert deshalb die Meßgeschwindigkeit, da die Felder schneller elektronisch abgetastet werden können.
Eine alternative Methode zum Umschalten zwischen einer Messung, in welcher ein Bild eines Teils des vermessenen Gegenstands auf die lichtempfindlichen Felder fokussiert wird, und der Kalibrierung, bei der ein Bild eines Abschnitts des Strichgitters 39 auf die lichtempfindlichen Felder fokussiert wird, betrifft die Mitwirkung eines "Pendelverkehrs" Spiegels 121, welcher auf einem Gleitelement 122 angebracht ist und zu irgendeiner von zwei Positionen durch ein Stellelemente 123 bewegt wird, welches eine elektrische Spule sein kann (siehe Fig. 12).
Wenn das Gleitelement in die rechte Position (siehe Fig. 14a) bewegt wird, dann kann Licht aus der Lampe 3, welches zur Erleuchtung des vermessenen Objekts benutzt wird, die Linsen 6, 7 und die lichtempfindlichen Felder 14, 15 erreichen, wie vorher beschrieben.
Wenn das Gleitelement in die linke Position bewegt wird, welche durch einen einstellbaren Anschlag 124 bestimmt ist (siehe Fig. 14b), dann blockiert der Träger 125 des Spiegels 121 das Licht aus der Lampe 3, und der Spiegel reflektiert Licht von der Lampe 38 in die Linsen 6, 7. Dann wird ein Bild eines Abschnitts des Strichgitters 39 auf den Feldern 14, 15 gebildet.
Sowohl der Pendelspiegel 121 als auch der alternative Strahlteiler 5 müssen nach einem guten Standard flach ausgebildet sein, um ein Einführen von Fehlern in die Durchmessermessung zu vermeiden. Um dies mit einem Strahlteiler zu erreichen, wird entweder der Gebrauch eines dicken Glasstrahlteilers mit den daraus folgenden "Geisterbildern" oder der Gebrauch einer Emulsionsschicht oder eines dünnen Plastikmembranstrahlteilers, der relativ zerbrechlich ist, impliziert.
Der Spiegel 121, der nur Vorderflächenreflexion benutzt, vermeidet diese Probleme; für höchste Geschwindigkeiten aber ist das vorherige beschriebene System, welches einen Strahlteiler benutzt, vorzuziehen.
Um die Zeit zu verringern, die gebraucht wird, um Kanten auf dem vermessenen Bauteil zu finden, wurde für Längenmessungen ein drittes lichtempfindliches Feld im System aufgenommen, wie in Fig. 12 gezeigt.
Dieses Feld 126 ist horizontal angebracht und am Befestigungsblock 17 befestigt (siehe Fig. 12). Ein Strahlteiler 127 reflektiert die Hälfte der Intensität des auf ihn einfallenden Lichts auf das horizontale Feld 126 und läßt die Hälfte der Intensität auf das vertikale Feld 15 durch, welches für Durchmessermessungen benutzt wird. Sowohl der Strahlteiler 127 als auch das Feld 126 sind mit dem Befestigungsblock 17 verbunden und werden deshalb vertikal bewegt, wenn der Block bewegt wird. Dies ermöglicht es, die Entfernung von der Mitte des Bauteils, bei der die Position der Kante gemessen wird, wie erforderlich auszuwählen. Zum Beispiel können im Fall einer umfänglichen Rille in einem Bauteil die Flächen der Rille an verschiedenen Entfernungen von der Bauteilachse gemessen werden, um jede beliebige Verjüngung der Rille zu bestimmen.
Eine Erweiterung hierzu ist es, ein anderes horizontales Feld und einen Strahlteiler auf dem anderen Linsenbefestigungsblock 16 anzubringen, wodurch die Geschwindigkeit einiger Messungen (wie zum Beispiel die Parallelität einer Seite zu einer anderen oder die Rechteckigkeit auf die Fläche der Bauteilachse), durch Verringerung der Notwendigkeit das Bauteil zu drehen, vergrößert würde.
Der Geschwindigkeitsgewinn, der durch die Benutzung des horizontalen Feldes erreicht wird, ergibt sich daraus, einen beträchtlichen Meßbereich in der axialen Richtung entlang des Bauteils vorzufinden. Dies bedeutet, daß der axiale Antrieb in der "X"-Richtung nur die nominelle Position einer Kante in der Meßebene zu lokalisieren braucht und die wirkliche Position dann durch eine einzige Auslesung unter Benutzung des horizontalen Feldes bestimmt wird. Die vorherige Methode, welche das vertikale Feld benutzt, um eine Durchmesseränderung zu finden, erforderte eine Anzahl von Auslesungen, während das Bauteil axial in kleinen Schritten bewegt wird, ein Verfahren, welches unvermeidlich mehr Zeit in Anspruch nahm.
Die vertikale Bewegung der Felder kann Fehler in die Längenmessungen einführen, wenn die Bewegung nicht ganz genau senkrecht auf der Bauteilachse ist. Diese Fehler können durch eine Abänderung des Strichgitters 39, die in Fig. 15 gezeigt ist, eliminiert werden.
Zusätzlich zu der vorher beschriebenen Reihe von undurchsichtigen Banden, welche dazu benutzt werden, die Messung für Durchmessermessungen zu kalibrieren, wurde eine einzelne vertikale Linie 130 hinzugefügt. Eine Kante dieser Linie (die linke Kante in Fig. 15) ist mit genügender Genauigkeit als Gerade bekannt oder ist kalibriert. Durch Messen der Position des Bildes dieser vertikalen Linie auf dem horizontalen Feld sowohl vor als auch nach vertikaler Bewegung der Felder kann jede beliebige horizontale Komponente dieser Bewegung gemessen und aus der Längenmessung eliminiert werden.
Diese Methode eliminiert auch alle möglichen Fehler, die jedesmal, wenn der Pendelspiegel in die linke Position bewegt wird (Fig. 14b), durch die kleinen Abweichungen in der Position des Pendelspiegels verursacht werden könnten, da nur die Veränderung in der horizontalen Feldauslesung, eher als die absoluten Werte, dazu benutzt wird, die Korrektur vorzunehmen.

Claims

1. Optische Meßvorrichtung zum Bestimmen einer Mehrzahl von Abmessungen eines Gegenstands (1) an linear beabstandeten Stellen auf dem Gegenstand, umfassend:

eine Meßstation zum Messen einer linearen Abmessung des Gegenstands,

Mittel (36) zum Bewegen des Gegenstands durch die Meßstation, um die zu messenden Stellen nacheinander an der Station zu präsentieren,

eine Lichtquelle (3) auf einer Seite der Meßstation, um einen Lichtstrahl auf die Meßstation zu richten, um den an der Station zu messenden Abschnitt des Gegenstands zu überdecken,

eine langgestreckte fotoelektrische Anordnung, die auf der der Lichtquelle gegenüberliegenden Seite der Meßstation angeordnet ist,

eine Linseneinrichtung (6, 7) zum Fokussieren eines Bildes des zu messenden Abschnitts des Gegenstands auf die fotoelektrische Anordnung,

Mittel zum Bestimmen der Abmessung des Gegenstands aus dem auf der Anordnung erhaltenen Bild,

ein langgestrecktes Kalibrierstrichgitter (39), welches in einem optischen Weg der Vorrichtung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (38, 40) zum Lenken eines Bildes des Kalibrierstrichgitters (39) in die Linseneinrichtung (6, 7) vorgesehen sind, um auf die fotoelektrische Anordnung (14, 15) fokussiert zu werden, zum Kalibrieren der Meßbestimmungseinrichtung in Übereinstimmung mit dem Kalibrierstrichgitter, unabhängig davon, ob in der Vorrichtung ein Gegenstand vorhanden ist oder nicht zum Kalibrieren der Anordnung vor oder während eines Meßzyklus eines Gegenstands.

2. Optische Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (5, 120) vorgesehen sind, um sowohl Licht von dem Strichgitter (39) als auch durch die Meßstation hindurchgegangenes Licht zu empfangen, um Licht aus beiden Quellen in das Linsensystem (6, 7) und dann in die fotoelektrische Anordnung zu lenken.

3. Optische Meßvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Linseneinrichtung zwei Linsen (6, 7) umfaßt, welche so angeordnet sind, daß sich ihre optischen Wege quer zueinander ausdehnen, daß zwei langgestreckte Anordnungen (14, 15) vorgesehen sind, um Licht von den Linsen zu empfangen, und daß Mittel (5, 120) dort vorgesehen sind, wo sich die Lichtwege des Linsensystems schneiden, um Licht sowohl vom beleuchteten Gegenstand als auch vom Strichgitter in beide Linsensysteme zu lenken.

4. Optische Meßvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Strichgitter (39) eine Skala mit Markierungen aufweist, bei welcher der Abstand der Markierungen zwischen jedem Paar von Markierungen für dieses Paar eindeutig ist, um die Identifizierung eines Bildes eines Paars zu ermöglichen, welches Bild bei einem Kalibriervorgang auf das Feld gelenkt wird.

5. Optische Meßvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Strichgitter (39) eine erste Skala mit voneinander einen ersten Abstand aufweisenden Markierungen umfaßt sowie eine der ersten Skala überlagerte zweite Skala mit Markierungen, die in einem kürzeren Abstand gesetzt sind, um Paare von Markierungen aus den entsprechenden Skalen vorzusehen, welche zum Kalibrieren der Vorrichtung für jedes Paar einen individuellen Abstand aufweisen.

6. Optische Meßvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Strichgitter (39) ferner eine sich längs derselben ausdehnende Referenzlinie für Ausrichtungs/Kalibrierungszwecke aufweist.

7. Optische Meßvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine gerade Bezugskante (130) nahe einer Seite des zu messenden Gegenstands angebracht ist, um sich mit dem Gegenstand durch die Meßstation zu bewegen, wodurch Konzentrizität, Zylinderhaftigkeit oder Geradlinigkeit des Gegenstands bestimmt werden kann.

8. Optische Meßvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anzeigeschirm vorgesehen ist, sowie Mittel, welche die Signale aus der fotoelektrischen Anordnung in Bildelemente auf dem Schirm umwandeln, wodurch wiederholte Messungen entlang eines Gegenstands dazu benutzbar sind, ein Bild des Gegenstands auf dem Schirm zu erzeugen.