DE3687614T2

DE3687614T2 - Optischer messapparat.

Info

Publication number: DE3687614T2
Application number: DE8686307066T
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: 1993-05-19
Anticipated expiration: 2006-09-13
Also published as: EP0215656A3; GB2180337A; EP0215656A2; EP0215656B1; ATE85115T1; GB8522749D0; DE3687614D1; US4753532A

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Meßvorrichtung und ist insbesondere - jedoch nicht ausschließlich - für die Messung von Dimensionen wellenartiger Komponenten, etwa Durchmesser, Unrundheiten, Längen zwischen Schultern, Konzentrizitäten, Geradlinigkeits- und Gewindeeigenschaften, verwendbar. Es können auch Dimensionen von nicht wellenartigen Komponenten gemessen werden, vorausgesetzt, daß sie zur optischen Projektion geeignet sind.
Die britische Patentschrift Nr. 20 58 344 offenbart eine elektrooptische Vorrichtung zur Untersuchung eines länglichen Werkstückes, etwa einer Nockenwelle, mit Abstand voneinander aufweisenden Vorsprüngen, die zwischen Zentren gehalten und gedreht wird. Es ist ein Sensorkopf vorgesehen, der eine Lichtquelle, eine Linse zur Formung eines Bildes von einer Kante oder von einem Rand eines Nockenwellenvorsprungs auf einem Fotodiodenfeld und eine Ausleseeinheit umfaßt. Für Komponenten mit in großem Umfang variierenden Dimensionen, etwa Ventilen, sind mehrere Sensoren vorzusehen, die den zu messenden besonderen Dimensionen angepaßt sind. Die Vorrichtung ist daher nicht unmittelbar zur Messung von unterschiedlichen Komponenten mit in großem Umfang variierenden Größen verwendbar.
Auch die britische Patentanmeldung Nr. 20 78 945 offenbart ein optisches Meßsystem, bei dem Fotodetektoren verwendet werden. Die Vorrichtung ist insbesondere auf die Verfahren zur Analyse der auf einem Fotodetektorfeld erzeugten Lichtspur bzw. Lichtmusterung bezogen, und es sind keine Maßnahmen getroffen, die Vorrichtung ohne weiteres zur Verwendung in Zusammenhang mit unterschiedlichen Teilen bzw. Komponenten mit unterschiedlichen Dimensionen anzupassen. Die US-A-37 49 500 offenbart eine automatische optische Abtastmeßvorrichtung zur Kalibrierung bzw. Messung linearer Dimensionen von Gegenständen unter Verwendung eines Paares unabhängig einstellbarer Laserlichtstrahlen, die die Arme eines Tastgreifers (englisch: caliper) bildet, die entgegengesetzte bzw. einander gegenüberliegende Ränder des Gegenstandes suchen. Jeder Lichtstrahl wird durch einen Fotodetektor erfaßt, der sich synchron mit dem Strahl bewegt, und das Ausgangssignal steuert ein Servo-Rückkopplungssystem, um den Strahl so zu positionieren, daß er teilweise von einem Rand bzw. einer Kante des Gegenstandes unterbrochen wird. Der Abstand zwischen den beiden auf diese Weise positionierten Lichtstrahlen wird mittels elektronischer und optischer Techniken gemessen. Die Lichtquellen und die zugehörigen Fotodetektoren sind an jeweiligen Meßschlitten angebracht, die bei jeder Meßoperation angetrieben werden, um jeden Tastlichtstrahl so zu positionieren, daß ein vorbestimmter Anteil des Lichtstrahls durch den Rand des Werkstücks unterbrochen oder abgeblockt wird. Wenn der Lichtstrahl sich oberhalb des Randes oder der Kante des Werkstückes befindet, wird er vollständig durchgelassen und von dem zugehörigen Fotodetektor detektiert, wohingegen keine Detektion stattfindet, wenn sich der Lichtstrahl unterhalb des Randes des Werkstücks befindet und vollständig abgeblockt ist. Die Stärke des Fotodetektorsignals ist derart eingerichtet, daß eine Messung der Position des Lichtstrahls relativ zu dem Rand des Werkstücks herangezogen wird, um den jeweiligen Tastschlitten zu justieren.
Die vorliegende Erfindung stellt eine optische Meßvorrichtung zur Bestimmung einer Vielzahl von Dimensionen eines Gegenstands an linear voneinander beabstandeten Stellen des Gegenstandes bereit, umfassend eine Meßstation, in der eine Linearmessung zwischen einander gegenüberliegenden Rändern bzw. Randabschnitten des Gegenstandes ausführbar ist, eine Einrichtung zur Bewegung des Gegenstandes durch die Meßstation, derart, daß die zu messenden Stellen an dem Gegenstand nacheinander der Meßstation dargeboten werden, wobei sich die zu messenden Dimensionen quer zu der Bewegungsbahn erstrecken, eine an einer Seite der Meßstation vorgesehene Lichtquelleneinrichtung, die einen Lichtstrahl durch die Meßstation quer zu der Bewegungsbahn des Gegenstandes aussendet, um die zu messende Dimension des Gegenstandes zu überspannen, zwei fotoelektrische Einrichtungen, die Abbildungen der jeweiligen Ränder des Gegenstandes in der Meßstation empfangen und Signale erzeugen, aus denen die Dimension zwischen den Rändern berechnet werden kann, zwei an der der Lichtquelleneinrichtung abgewandten bzw. entgegengesetzten Seite der Meßstation vorgesehene Linseneinrichtungen, die Bilder von einander gegenüberliegenden Rändern des mittels der Lichtquelle in der Meßstation beleuchteten, auszumessenden Gegenstandes auf die beiden fotoelektrischen Einrichtungen respektive fokussieren bzw. abbilden, zwei separate Halteeinrichtungen für die beiden Linseneinrichtungen und die fotoelektrischen Einrichtungen, wobei eine der Halteeinrichtungen eine der Linseneinrichtungen und die dieser zugeordnete fotoelektrische Einrichtung - und die andere Halteeinrichtung die andere Linseneinrichtung und die dieser zugeordnete fotoelektrische Einrichtung trägt, Mittel zur Justierung der Halteeinrichtungen relativ zueinander zwecks Anpassung an unterschiedliche Gegenstandsgrößen und eine auf die Abbildungen auf den beiden fotoelektrischen Einrichtungen ansprechende Einrichtung zur Anzeige der Dimension zwischen den gegenüberliegenden Rändern des Gegenstandes, wobei die fotoelektrischen Einrichtungen ausgedehnte Felder bzw. Reihen von parallel zueinander angeordneten fotoelektrischen Elementen umfassen und die auf die Abbildungen ansprechende Einrichtung Mittel zur Bestimmung der Dimension zwischen den gegenüberliegenden Rändern des Gegenstandes entsprechend den Stellen der längs der Felder von fotoelektrischen Elementen fokussierten Abbildungen der Ränder umfaßt.
Aufgrund der Verwendung ausgedehnter fotoelektrischer Felder (englisch: arrays) für den Empfang bzw. die Aufnahme des Bildes kann ein großer Meßbereich von Objekten ausgenutzt werden, ohne mechanische Einstellungen an der Vorrichtung vornehmen zu müssen. Es kann daher eine Sequenz von Messungen innerhalb des durch die Länge der Felder determinierten Bereiches an Stellen längs eines Gegenstandes mit variierenden Abmessungen über dessen Länge durchgeführt werden, ohne mechanische Einstellungen der Vorrichtung zwischen Meßvorgängen vornehmen zu müssen. Die Meßreihe kann daher - verglichen mit dem Fall der genannten Druckschrift D1 - mit beträchtlich höherer Geschwindigkeit durchgeführt werden.
Eine fixierte Trägerstruktur kann vorgesehen sein, die parallele Führungsmittel aufweist, um die jeweiligen Halteeinrichtungen abzustützen und bei deren Bewegungen zwangsweise parallel zueinander zu führen, wobei Mittel zur Justierung jeder der Halterungen relativ zu der Trägerstruktur vorgesehen sind, um die Möglichkeit der Justierung der Halteeinrichtungen relativ zueinander vorzusehen.
Die Mittel zur Justierung jeder der Halteeinrichtungen relativ zu der Trägerstruktur umfassen näher spezifiziert eine Schraubenspindel oder Führungsschraube, die mit ihrem einen Ende drehbeweglich an der fixierten Struktur angebracht ist und sich parallel zu den Führungsmitteln erstreckt, wobei jede Halteeinrichtung eine Gewindebohrung zur Aufnahme einer betreffenden Schraube aufweist, wobei durch Drehen der Führungsschraube die Justierung der Haltevorrichtungen relativ zu der fixierten Struktur - und auf diese Weise relativ zu der anderen Halteeinrichtung - erfolgt.
Alternativ stehen die beiden Halteeinrichtungen oder Stützeinrichtungen mit einem gemeinsamen Antriebsmechanismus zur Bewegung der Halteeinrichtungen in entgegengesetzte Richtungen in Eingriff. Die Halteeinrichtungen oder Stützeinrichtungen weisen beispielsweise einander gegenüberliegende und sich parallel zu der Bewegungsrichtung der Halteeinrichtungen erstreckende längliche Zahnstangen auf, und ein Antriebsmechanismus ist mit einem Antriebsritzel versehen, welches simultan mit den beiden Zahnstangen in Eingriff steht, so daß sich die Zahnstangen bei Drehung des Ritzels in entgegengesetzte Richtungen bewegen.
Die Einrichtung zur Bewegung des Gegenstandes durch die Meßstation kann in jeder der oben erwähnten Anordnungen Stützmittel zur Abstützung des Gegenstandes in einer relativ zu der Meßstation ausgerichteten Stellung des Gegenstandes und eine Einrichtung zur Bewegung der Stützmittel unter einem bestimmten Winkel zu einer quer zu der Meßlinie an der Meßstation verlaufenden Linie umfassen, wobei sich das auf der fotoelektrischen Detektoreinrichtung erzeugte Bild des Gegenstandes nach und nach längs der Detektoreinrichtung bewegt, wenn der Gegenstand nach und nach durch die Meßstation bewegt wird.
Die Einrichtungen zum Bewegen der Stützmittel für den zu messenden Gegenstand umfassen gemäß einer näheren Spezifizierung einen Quertriebmechanismus, Mittel zur Halterung des Mechanismus auf einer Neigung relativ zur Horizontalen und Mittel zur Halterung der Stützmittel des Gegenstandes an dem Quertriebmechanismus, um den Gegenstand in der gewünschten Ausrichtung zur Meßstation zu halten, und um den Gegenstand quer durch die Meßstation sowie gleichzeitig längs der Meßlinie unter Beibehaltung der gewünschten Ausrichtung zu führen.
Die Mittel zur Halterung des Quertriebmechanismus können beispielsweise eine erste Rampe zur Halterung des Mechanismus unter einem Neigungswinkel zur Horizontalen umfassen, wobei die Stütze des Gegenstandes an ihrer Unterseite eine entsprechende geneigte Rampe aufweist, um den sich horizontal auf dem Seitentriebmechanismus erstreckenden Gegenstand abzustützen, so daß der Gegenstand bei seiner Horizontalbewegung durch die Meßstation auch eine Vertikalbewegung längs der Meßlinie ausführt.
Bei jeder der oben genannten Anordnungen können Mittel zur Bestimmung der Lage oder Positionierung der Komponente bzw. des Gegenstandes in der Meßstation relativ zu einer vorbestimmten Positionierung der Komponente vorgesehen sein.
Diese Mittel zur Lagebestimmung können einen Wandler mit großem Meßbereich bzw. einen Längenwandler umfassen, der auf die Bewegung der Stütze der Komponente anspricht.
Ferner kann die Einrichtung zur Bewegung bzw. für den Vorschub der Komponente durch die Meßstation bei jeder der oben erwähnten Anordnungen einen Schrittmotor umfassen, und es kann eine Zähleinrichtung vorgesehen sein, die die Anzahl der ausgeführten Schritte des Schrittmotors zählt, um den Vorschub der Komponente durch die Meßstation zu bestimmen.
In einer weiteren Ausgestaltung kann die Einrichtung zur Bewegung der Komponente durch die Meßstation eine von einem Motor getriebene Schraubenspindel oder Führungsschraube enthalten, welche Kodiermittel zur Zählung von Umdrehungen der Schraubenspindel für die Bestimmung des Vorschubs der Komponente aufweist.
Es können Mittel zur Drehung des Werkstückes um eine mit der Meßlinie koinzidente Achse vorgesehen sein, um eine Messung an einer Gewindeform oder einer anderen gewundenen bzw. spiraligen Form an der Komponente zu ermöglichen.
Die beiden Linseneinrichtungen können bei irgendeiner der oben erwähnten Anordnungen geneigt verlaufende optische Achsen haben, wobei eine Einrichtung an der Stelle vorgesehen ist, an der die Achsen koinzidieren, um den Lichtstrahl von dem in der Meßstation beleuchteten Gegenstand zwischen den beiden Linseneinrichtungen aufzuteilen.
Die Einrichtung zur Aufteilung des Lichtstrahls zwischen den beiden Linseneinrichtungen kann beispielsweise einen Strahlteiler umfassen.
Alternativ kann eine Linseneinrichtung zu dem Lichtweg von der Lichtquelle ausgerichtet sein, um nicht unmittelbar davon zu empfangen, wobei die andere Linseneinrichtung eine schräg zu diesem Weg verlaufende optische Achse haben kann, und wobei ein Spiegel an einer Stelle vorgesehen sein kann, an der die Achse koinzident mit dem Weg ist, um Licht von der Lichtquelle zu der anderen Linseneinrichtung zu reflektieren.
In jeder der oben erwähnten Anordnungen können Reflektoreinrichtungen zwischen den beiden Linseneinrichtungen und zwei fotoelektrischen Feldeinrichtungen vorgesehen sein, um verlängerte Lichtwege zwischen den Linseneinrichtungen und Feldeinrichtungen zu realisieren und somit eine Vergrößerung der Abbildung des in der Meßstation gemessenen und auf die fotoelektrischen Feldeinrichtungen projizierten Gegenstandes zu erhalten.
Im letzteren Fall können Mittel zur Bewegung der Reflektoreinrichtungen zu dem Linsensystem bzw. der fotoelektrischen Feldeinrichtung hin und von dem Linsensystem bzw. der fotoelektrischen Feldeinrichtung weg vorgesehen sein, um die Vergrößerung der Abbildung zu variieren.
Nachfolgend werden einige spezifische Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Meßvorrichtung gemäß der Erfindung,
Fig. 2 eine Detailansicht, gesehen in Richtung des Pfeiles A in Fig. 1,
Fig. 3 eine Detailansicht eines weiteren Teiles der Vorrichtung gemäß Fig. 1,
Fig. 4 eine der Darstellung in Fig. 1 entsprechende Ansicht der Vorrichtung, jedoch in einer anderen Einstellposition,
Fig. 5 eine Vorderansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 1,
Fig. 6 eine Detailansicht eines Teils der Vorrichtung gemäß Fig. 5, gesehen in Richtung des Pfeiles B, und
Fig. 7 bis 9 Darstellungen weiterer Modifikationen der Vorrichtung.
Die folgende Beschreibung betrifft eine optische Meßvorrichtung, in die ein Computer einbezogen ist, welcher zur Steuerung der Messung von Dimensionen wellenartiger Teile einschließlich Durchmesser, Unrundheiten oder Ovalmaßen, Längen zwischen Schultern, Konzentrizitäten, Geradlinigkeits- und Gewindeeigenschaften, programmierbar ist. Der Computer hat eine Sichtanzeigeeinheit zur Anzeige eines Bildes des Meßgegenstands und ferner einen Drucker zum Drucken/Zeichnen der gewonnenen Meßergebnisse. Es können auch Dimensionen von nicht wellenartigen Teilen gemessen werden, vorausgesetzt, sie eignen sich für die optische Projektion.
Hauptvorteile optischer Messungen gegenüber Messungen mittels Berührungswandlern sind:
(A) ein vermindertes Risiko von Beschädigungen von Teileflächen, da die Messung berührungslos erfolgt;
(B) die Fähigkeit zur Detailmessung, etwa von Kehlungsradien oder schmalen Nuten.
Der nachstehend beschriebene Meßvorgang weist diese Vorteile auf und bietet ferner:
(A) Flexibilität, da die Positionen, an denen Messungen vorgenommen werden, durch Software und nicht durch Hardware bestimmt werden;
(B) es sind keine Normalkomponenten bzw. Hauptnormale für die Meßkalibrierung erforderlich;
(C) vereinfachte Software für Ausnehmungen und Konturen, da keine Prüfradiuskorrektur erforderlich ist;
(D) eine hohe Meßgeschwindigkeit im Vergleich zu Berührungsmessungen.
Die grundlegende Arbeitsweise besteht darin, daß ein Bild eines Teils der zu messenden Komponente auf einen oder mehrere lichtempfindliche Detektoren projiziert wird, wobei das Bild im Vergleich zu der tatsächlichen Komponente vergrößert, von gleicher Größe oder verkleinert sein kann.
In der folgenden Beschreibung umfaßt der Begriff "Licht" sowohl sichtbare Strahlung als auch Infrarotstrahlung. Jeder lichtempfindliche Detektor umfaßt eine Anzahl von Lichtsensoren mit zugehörigen elektronischen Schaltungen zur Steuerung der Sensoren und zur Auslesung der Signale von den Sensoren, wobei alle diese Teile in Form eines integrierten Schaltkreises ausgebildet sind, der an dem Computer der Vorrichtung angeschlossen ist. Derartige Einrichtungen sind in Form von Fotodiodenfeldern oder CCD-Arrays bekannt und kommerziell erhältlich.
Das zu messende Teil wird durch die Meßebene bewegt, und Messungen werden an einer Reihe von Positionen längs des Teiles beim jeweiligen Durchgang durch die Meßebene ausgeführt. Die Meßwerte von den lichtempfindlichen Detektoren werden mit Meßwerten von den Detektoren verglichen, die erhalten werden, wenn sich ein Referenzteil bzw. Einstellteil bekannter Größe in der Meßebene befindet. Folglich können der Durchmesser (einer wellenartigen Komponente) oder die Höhe (anderer Komponenten) gemessen werden. Die axiale Position längs der Komponente bzw. des Teiles, an dem die Messung durchgeführt worden ist, wird entweder durch Verwendung eines Wandlers mit großem Meßbereich bzw. eines Wandlers zur Messung großer Distanzen an der Linearbewegungsstufe oder durch Zählung der Anzahl von ausgeführten Schritten des Schrittmotors, der die axiale Position kontrolliert, oder durch die Verwendung eines Wellenkodierers, der an der Schraube oder Spindel des Schraubenspindel- oder Kugelspindelmechanismus angebracht ist, bestimmt.
Unter Bezugnahme auf die Draufsicht, Fig. 1, ist die Komponente 1 in einer Haltevorrichtung befestigt und wird längs der "x" -Achse durch die Meßebene 2 bewegt. Der Teil der Komponente in und nahe der Meßebene wird mittels der Lichtquelle 3 beleuchtet, die eine Lampe und eine Kollimationslinse oder Kollimationslinsen umfaßt. Licht, das an der Komponente vorbeiläuft, tritt in ein Gehäuse 4 ein, welches die auf einer Basis 4a in dem Gehäuse angeordneten bildformenden optischen Elemente und die lichtempfindlichen Detektoren enthält. Ein Strahlteiler 5 reflektiert die Hälfte des Lichts zur Linse 6 hin und läßt die andere Hälfte zur Linse 7 hin durch. Hinter diesen Linsen positionierte telezentrische Blenden 8, 9 stellen sicher, daß nur Licht parallel oder nahezu parallel zu den optischen Achsen der Linsen die lichtempfindlichen Detektoren erreicht. Diese Anordnung stellt einerseits sicher, daß die optische Vergrößerung unabhängig von Variationen der Objektpositionierung längs der "y"-Richtung ist, und ferner, daß Licht, welches von der Oberfläche der Komponente reflektiert wird und andernfalls Meßfehler verursachen würde, ausgeschlossen wird.
Spiegel 10, 12 und 11, 13 werden dazu herangezogen, die optischen Pfade zu zwei lichtempfindlichen Detektoren 14, 15 hin zu falten bzw. Umzulenken. Die lichtempfindlichen Detektoren 14, 15 liegen in den Bildebenen der Linsen 6, 7. Durch diese Anordnung wird die Gesamtgröße des Systems für Anwendungen mit hoher Auflösung (da hohe Vergrößerung und lange optische Wege) reduziert. Noch bedeutender ist, daß aufgrund dieser Anordnung die Felder (arrays) und deren jeweilige Linsen an gemeinsamen Halterungen 16, 17 angebracht werden können.
Der Meßumfang des Systems (d. h. der Bereich von Komponentendurchmessern), die gemessen werden können, ist beträchtlich größer als der Meßbereich für jeden Detektor. Hat jeder Detektor beispielsweise 2000 Sensorelemente und ist die Systemauflösung 2 um, dann weist jeder Detektor einen Meßbereich von 4 mm und darausfolgend einen Durchmesser-Meßbereich von 8 mm auf. Durch Justierung der Positionen jeder der Linsen/Detektor-Anordnung mittels eines im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 2 zu beschreibenden Mechanismus wird jedenfalls ein Meßbereich von 8 mm innerhalb eines Maximums erhalten, das durch die Höhe von Spiegeln 10, 11, 12, 13 und durch die Größe des Leuchtfeldes bestimmt ist. Typischerweise kann ein Bereich von 50 mm ausgenutzt werden, der - wenn erforderlich - erweitert werden kann.
Nachstehend wird auf Fig. 2 Bezug genommen. Jede der Halterungen für eine Linsen/Feld-Anordnung umfaßt Befestigungsblöcke 16, 17 mit einer zentralen, vertikalen Bohrung, die zumindest teilweise mit einem Gewinde versehen ist. Eine vertikale Schraube 18 mit einem Drehknopf an einem Ende weist ein angepaßtes Gewinde auf. Die Drehung dieser Schraube hat zur Folge, daß der Befestigungsblock angehoben oder abgesenkt wird. Fest angeordnete Führungsstangen 19, 20 verhindern eine seitliche Bewegung des Blocks 16, 17. Nach Justierung wird die Vorrichtung wie vorstehend beschrieben rekalibriert bzw. nachgeeicht.
Durch die oben beschriebene simultane Einstellung der Linse und des Detektors wird sichergestellt, daß sich der Detektor jederzeit auf der optischen Achse der Linse befindet und daß die Apertur bzw. Öffnung der Linse klein gehalten ist, was beides zu einer höheren Genauigkeit führt als die alternative Anordnung, bei der eine große Linsenapertur verwendet wird und wobei nur die Detektoren bewegt werden. Da die Linsen und Sensoren sehr nahe bei einander angeordnet sind, werden die Wirkungen irgendwelcher thermisch induzierter Störungen in dem System reduziert.
Spiegel 10, 11 sind mittels eines Trägers 21 (Fig. 3) gehalten, der sich um Zwecke einer Winkel-Grobeinstellung des Spiegels um einen Pflock 22 dreht. Eine Feineinstellung wird mittels einer in 21 eingegliederten biegsamen Drehhalterung 23 und einer Klemmschraube 24 ermöglicht. Diese Feineinstellungen werden vorgenommen, um sicherzustellen, daß sich die Komponente aus Sicht der beiden Detektoren an identischen axialen Positionen in bezug auf die Längsrichtung der Komponente befindet. Dies ist insbesondere für die Messung von Durchmessern schmaler Nuten oder Auskehlungen oder anderer derartiger Merkmale an der Komponente erforderlich.
Spiegel 12, 13 haben eine gemeinsame Halterung 25, die längs eines Führungsweges 25a bewegbar sind und die gemäß Fig. 4 in einer Stellung an der Basis 4a gesichert sind, um die Auflösung und somit den Meßbereich durch Verminderung der optischen Vergrößerung zu vergrößern. Ferner werden Linsen 6, 7 für eine korrekte Fokussierung bei der neu eingestellten Vergrößerung justiert.
Die axiale Lage der Komponente wird mittels einer Motor/ Schraubspindel-Anordnung oder einer Motor/Kugelspindel- Anordnung oder einer anderen Linearbewegungseinrichtung verändert, und diese axiale Position wird überwacht, indem entweder ein Schrittmotor verwendet und dessen Schrittzahl gezählt wird oder ein Wellen-Kodierer auf der Schraubspindel herangezogen wird oder indem - für maximale Genauigkeitsanforderungen - ein Linearwandler mit großem Meßbereich herangezogen wird.
Eine Ansicht der Halteeinrichtung für die Komponente ist in Fig. 5 gezeigt. Die Komponente 1 ist zwischen Zentrierungen 26, 27 gehalten, von denen eine, 26, mittels eines Motors 28, vorzugsweise Schrittmotors, angetrieben werden kann, um die Komponente für bestimmte Messungen (z. B. Unrundheit) zu drehen. Die andere Zentrierung, 27, ist federbelastet (Einzelheiten sind nicht gezeigt), um die Komponente fest zu halten. Sie umfaßt ferner ein kalibriertes Einspannteil 29 in Form eines abgestuften Kegels, welches zur Kalibrierung der Meßeinrichtung herangezogen wird und welches ferner zur Kontrolle der Kalibrierung während jedes Meßzykluses herangezogen werden kann. Beide Zentrierungen können längs einer Führung hinsichtlich ihrer Position zwecks Anpassung an die Länge der Komponente justiert werden, und sie sind in einem T-Schlitz 31 in der Führung 30 befestigt. Es können auch alternative Methoden zur Halterung der Komponenten, etwa V-Halterungen oder Prismen, herangezogen werden. Die Führung 30 ist über zwei Keilunterlagen 32, 34 und eine lineare Quertriebseinheit 33 mit der Basis 35 oder dem Fundament 35 verbunden. Der lineare Quertrieb ist typischerweise eine mittels eines Schrittmotors 36 angetriebene Kugel/Spindel- Einrichtung oder Schrauben/Spindel-Einrichtung.
Die Keilunterlagen 32, 34 dienen dazu, die Komponente bei ihrer Bewegung durch die Meßebene 2 zu heben, während die Komponentenachse in der horizontalen Ebene gehalten wird. Die Keilunterlagen können einfache Keile gemäß Fig. 5 oder einstellbar sein, indem ein Schwenkzapfen und Abstandshalter oder eine Sinustischanordnung (englisch: sine table arrangement) herangezogen wird.
Unter der Annahme eines idealen Ansprechverhaltens des Lichtdetektors wird die Auflösung des Systems mit diesen Keilunterlagen um einen Faktor "N" erhöht oder verbessert, wenn "N" Meßwerte über eine axiale Distanz "x" längs der Komponente gemittelt werden, wobei
X = nr/tanα,
worin "r" die Nominalauflösung des Systems (d. h. die Detektorfeldauflösung dividiert durch die optische Vergrößerung), "n" eine ganze Zahl und "α" den Winkel der Keile 32, 34 bezeichnet.
Diese Verbesserung ist wirksamer als die Verbesserung, die durch einfache Mittlung einer Vielzahl von Meßwerten erhalten wird, da sie proportional zu N ist, wohingegen die letztere proportional zu N ist. Das letztere Verfahren geht auch davon aus, daß auch eine Quelle von Zufallsvariationen bezüglich der Meßwertgröße vorliegt, die zumindest mit "r" vergleichbar ist, und dies trifft nicht notwendigerweise zu.
Für typische Werte von
r = 5 um
x = 0,5 mm
n = 1
wird α = 0,01 rad
erhalten.
Es tritt eine Einbuße von nutzbarem Meßbereich auf, und zwar aufgrund der Bewegung der Komponente in der vertikalen Ebene, während sie horizontal verschoben wird. Diese Einbuße beträgt Xtan α, worin X der horizontale Gesamtvorschub ist. Somit ergibt sich für dieses System:
Auflösung = r/N
Bereich = r Ns - X tan α
= r (Ns-X/x),
worin Ns die Zahl von Sensoren in dem Detektor bezeichnet und n = 1.
Für typische Werte von Ns = 2000, X = 200 mm, x = 0,5 mm und N = 10 ergibt sich somit eine zehnfache Auflösungsverbesserung bei einer Meßbereichseinbuße von 20%. Dies entspricht einer achtfachen Auflösungsverbesserung für einen gegebenen Meßbereich.
Ein Wert von N = 10 entspricht dem praktisch nutzbaren Maximum mit den derzeit verfügbaren Feldern (arrays), da Abweichungen von dem idealen Feld-Ausgangssignal (z. B. Unterschiede bezüglich der Empfindlichkeit von Dioden, Rauschen) weitere Verbesserungen begrenzen. Schließlich umfaßt die Haltevorrichtung oder der Aufspanntisch einen Zapfen 37 in der Meßebene, um den herum die Haltevorrichtung gedreht werden kann, um die Komponente zum Zwecke der Messung von Gewindeeigenschaften korrekt auszurichten.
Eine Weiterentwicklung des optischen Meßsystems hat zu folgenden Verbesserungen geführt, nämlich eine alternative Methode zur Einstellung des vertikalen Versatzes zwischen den beiden Linsenbefestigungsblöcken 16, 17, wie es in Fig. 7 gezeigt ist, wobei ein Ritzel 101 vorgesehen ist, das von einem bei 101a angedeuteten Motor angetrieben wird und mit zwei Zahnstangen 102, 103 in Eingriff steht. Die Zahnstangen sind an vertikalen Linearführungen 104, 105 angebracht, die ihrerseits über Halterungsteile 106, 107 an der Unterseite der Basisplatte 4a abgestützt sind, welche die anderen Elemente des optischen Systems trägt. Die Linsenbefestigungsblöcke 16, 17 sind oberhalb der Zahnstangen über Tragsäulen gehalten. Eine Drehung des mit dem Ritzel verbundenen Motors hat zur Folge, daß eine Zahnstange gehoben und eine Zahnstange abgesenkt wird, so daß der vertikale Versatz zwischen den Linsenbefestigungsblöcken 16, 17 vergrößert oder verkleinert wird. Der Motor ist zweckmäßigerweise eine Schrittmotor, der ein gutes Haltemoment bei Stillstand aufweist, und der unter Verwendung von elektronischen Standardtreibern an den Steuercomputer der Meßeinrichtung angeschlossen werden kann.
Der Strahlteiler 5 kann durch einen kleinen Spiegel 120 ersetzt sein, der an einer justierbaren Halterung angebracht ist, welche an dem Linsenbefestigungsblock 16 befestigt ist (vgl. Fig. 8, 9). Auf diese Weise wird die Lichtintensität auf den lichtempfindlichen Feldern 14, 15 verdoppelt, wodurch die Meßgeschwindigkeit vergrößert wird, da die Felder schneller elektronisch abgetastet werden können.

Claims

1. Optische Meßvorrichtung zur Bestimmung einer Vielzahl von Dimensionen eines Gegenstandes (1) an linear voneinander beabstandeten Stellen des Gegenstandes, umfassend eine Meßstation (2) in der eine Linearmessung zwischen einander entgegengesetzten Randern bzw. Randabschnitten des Gegenstandes ausführbar ist,

eine Einrichtung (36) zur Bewegung des Gegenstandes durch die Meßstation, derart, daß die zu messenden Stellen an dem Gegenstand nacheinander der Meßstation dargeboten werden, wobei sich die zu messenden Dimensionen quer zu der Bewegungsbahn erstrecken,

eine an einer Seite der Meßstation vorgesehene Lichtquelleneinrichtung (3), die einen Lichtstrahl durch die Meßstation quer zu der Bewegungsbahn des Gegenstandes aussendet, um die zu messende Dimension des Gegenstandes zu überspannen, zwei photoelektrische Einrichtungen (14, 15), die Abbildungen der jeweiligen Rander des Gegenstandes in der Meßstation empfangen und Signale erzeugen, aus denen die Dimension zwischen den Randern berechnet werden kann, zwei an der der Lichtquelleneinrichtung abgewandten bzw. entgegengesetzten Seite der Meßstation vorgesehene Linseneinrichtungen (6, 7), die Bilder von einander entgegengesetzten Randern des mittels der Lichtquelle in der Meßstation beleuchteten, auszumessenden Gegenstandes auf die beiden photoelektrischen Einrichtungen respektive fokussieren bzw. scharf abbilden,

zwei separate Halteeinrichtungen (16, 17) für die beiden Linseneinrichtungen und die photoelektrischen Einrichtungen, wobei eine der Halteeinrichtungen eine der Linseneinrichtungen und die dieser zugeordnete photoelektrische Einrichtung- und die andere Halteeinrichtung die andere Linseneinrichtung und die dieser zugeordnete photoelektrische Einrichtung trägt,

Mittel zur Justierung der Halteeinrichtungen relativ zueinander zwecks Anpassung an unterschiedliche Gegenstandsgrößen und

eine auf die Abbildungen auf den beiden photoelektrischen Einrichtungen ansprechende Einrichtung zur Anzeige der Dimension zwischen den entgegengesetzten Rändern des Gegenstandes, dadurch gekennzeichnet, daß die photoelektrischen Einrichtungen ausgedehnte Felder bzw. Reihen von parallel zueinander angeordneten photoelektrischen Elementen (14, 15) umfassen,

daß die auf die Abbildungen ansprechende Einrichtung Mittel zur Bestimmung der Dimension zwischen den entgegengesetzten Randern des Gegenstandes entsprechend den Stellen der längs der Felder von photoelektrischen Elementen fokussierten Abbildungen der Rander umfaßt,

daß die ausgedehnten Felder von photoelektrischen Elementen benachbart zueinander angeordnet sind,

daß sich die optische Achse jeder der Linseneinrichtungen entfernt von dem jeweiligen zugeordneten Feld (14, 15) von photoelektrischen Elementen erstreckt, und

daß Reflektoreinrichtungen (12, 13) vorgesehen sind, die Licht von den Linseneinrichtungen längs eines ausgedehnten Strahlungspfades zu den jeweiligen Feldern von photoelektrischen Elementen reflektieren, um die Große des Bildes des Gegenstandes in der Meßstation bei der Übertragung zu den photoelektrischen Feld-Einrichtungen zu vergrößern.

2. Optische Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine fixierte Trägerstruktur mit parallelen Führungsmitteln (19, 20) vorgesehen ist, um die jeweiligen Halteeinrichtungen (16, 17) abzustützen und bei deren Bewegungen zwangsweise parallel zueinander zu führen, und daß Mittel (18) zur Justierung jeder der Halterungen relativ zu der Trägerstruktur vorgesehen sind, um die Möglichkeit der Justierung der Halteeinrichtungen relativ zueinander vorzusehen.

3. Optische Meßvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (18) zur Justierung jeder der Halteeinrichtungen relativ zu der Trägerstruktur eine Schraubenspindel (18) umfassen, die mit ihrem einen Ende drehbeweglich an der fixierten Struktur (4a) angebracht ist und sich parallel zu den Führungsmitteln (19, 20) erstreckt, wobei jede Halteeinrichtung eine Gewindebohrung zur Aufnahme einer betreffenden Schraube (18) aufweist, wobei durch Drehen der Schraubenspindel die Justierung der Haltevorrichtungen relativ zu der fixierten Struktur- und auf diese Weise relativ zu der anderen Halteeinrichtung erfolgt.

4. Optische Meßvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Halteeinrichtungen (16, 17) mit einem gemeinsamen Antriebsmechanismus (101, 104, 105) zur Bewegung der Halteeinrichtungen in entgegengesetzte Richtungen in Eingriff stehen.

5. Optische Meßvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteeinrichtungen (16, 17) einander gegenüberliegende und sich parallel zu der Bewegungsrichtung der Halteeinrichtungen erstreckende längliche Zahnstangen (104, 105) aufweisen und daß ein Antriebsritzel (101) simultan mit den Zahnstangen in Eingriff steht, so daß sich die Zahnstangen bei Drehung des Ritzels in entgegengesetzte Richtungen bewegen.

6. Optische Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Bewegung des Gegenstandes durch die Meßstation Stutzmittel (26, 27, 30), welche den Gegenstand in Bezug auf die Meßstation ausgerichtet halten, und eine Einrichtung (33, 36) zur Bewegung der Stutzmittel unter einem bestimmten Winkel zu einer quer zu der Meßlinie an der Meßstation verlaufenden Linie umfaßt, wobei sich das auf der photoelektrischen Detektoreinrichtung erzeugte Bild nach und nach längs der Detektoreinrichtung bewegt, wenn der Gegenstand nach und nach durch die Meßstation bewegt wird.

7. Optische Meßvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Bewegung der Stützmittel für den zu messenden Gegenstand einen Quertriebmechanismus (36, 33), Mittel (34, 35) zur Lagerung des Mechanismus in einer geneigten Lage relativ zur Horizontalen und Mittel (32) zur Halterung der Stutzmittel (26, 27, 30) des Gegenstandes an dem Quertriebmechanismus umfaßt, um den Gegenstand in der gewünschten Ausrichtung zur Meßstation zu halten, und um den Gegenstand quer durch die Meßstation sowie gleichzeitig längs der Meßlinie unter Beibehaltung der gewünschten Ausrichtung zu fuhren.

8. Optische Meßvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß, die Mittel zur Lagerung des Quertriebmechanismus eine erste Rampe (34) zur Lagerung des Mechanismus unter einem Neigungswinkel zur Horizontalen umfaßt und daß die Stütze des Gegenstandes an ihrer Unterseite eine entsprechende geneigte Rampe (32) aufweist, um den sich horizontal auf dem Seitentriebmechanismus erstreckenden Gegenstand abzustützen, so daß der Gegenstand bei seiner Horizontalbewegung durch die Meßstation auch eine Vertikalbewegung längs der Meßlinie ausführt.

9. Optische Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Bestimmung der Lage längs der für einen Meßvorgang in der Meßstation positionierten Komponente vorgesehen sind.

10. Optische Meßvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Lagebestimmung einen Wandler umfassen, der auf die Bewegung der Stütze der Komponente in ihrem Bewegungsbereich anspricht.

11. Optische Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Bewegung der Komponente durch die Meßstation einen Schrittmotor (36) umfaßt und daß eine Zähleinrichtung vorgesehen ist, die die Anzahl der ausgeführten Schritte des Schrittmotors zählt, um den Vorschub der Komponente durch die Meßstation zu bestimmen.

12. Optische Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Bewegung der Komponente durch die Meßstation eine von einem Motor getriebene Schraubenspindel enthält, welche Kodiermittel zur Zählung von Umdrehungen der Schraubenspindel für die Bestimmung des Vorschubes der Komponente aufweist.

13. Optische Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Drehung des Werkstückes um eine mit der Meßlinie koinzidente Achse vorgesehen sind, um eine Messung an einer Gewindeform oder einer anderen gewundenen bzw. spiraligen Form an der Komponente zu ermöglichen.

14. Optische Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Linseneinrichtungen (6, 7) geneigt verlaufende optische Achsen haben und daß eine Einrichtung (5) vorgesehen ist, die den Lichtstrahl von dem in der Meßstation beleuchteten Gegenstand auf die beiden Linseneinrichtungen aufteilt.

15. Optische Meßvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strahlteiler (5) zur Aufteilung des Lichtstrahles zwischen den beiden Linseneinrichtungen vorgesehen ist.

16. Optische Meßvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Linseneinrichtung (7) zu dem Strahlungspfad von der Lichtquelle ausgerichtet ist, um Licht unmittelbar von der Lichtquelle zu empfangen, und daß die andere Linseneinrichtung (6) eine schräg zu dem genannten Pfad verlaufende optische Achse hat, wobei ein Spiegel (120) an einer Stelle vorgesehen ist, an der die Achse koinzident mit dem Pfad ist, um Licht von der Lichtquelle zu der anderen Linseneinrichtung zu reflektieren.

17. Optische Meßvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektoreinrichtungen (12, 13) eine gemeinsame Halterung (25) haben, die zu den Linseneinrichtungen bzw. Feldern von photoelektrischen Elementen hin und davon weg verstellbar ist, um die Vergrößerung der Abbildung zu variieren.

18. Optische Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Linseneinrichtungen und den Feldern von photoelektrischen Elementen zusätzliche Reflektoreinrichtungen (10, 11) vorgesehen sind, die justierbar sind, um sicherzustellen, daß die beiden auf die Felder reflektierten Bilder der selben axialen Position längs des Gegenstandes entsprechen.

19. Optische Meßvorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß, Mittel zur drehbaren Lagerung der Reflektoreinrichtungen (10, 11) vorgesehen sind, um den Pfad des auf die Felder zu reflektierenden Lichtes zu justieren.