DE3840820C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kopf zur Ausmessung der Oberflächenmikrokontur eines Werkstückes gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiger Meßkopf ist in der DE-OS 35 36 700 beschrieben. Er ist zur Verwendung an solchen Werkstückoberflächen geeignet, die keine engen Rücksprünge aufweisen. In solche kann der bekannte Meßkopf nicht hineinbewegt werden, da der Meßkopf verhältnismäßig großen Durchmesser aufweisen muß, um die bewegliche Meßoptik und den dieser zugeordneten Stellmotor aufnehmen zu können. Derartige Stellmotoren bestehen üblicherweise aus einem mit der Meßoptik verbundenen hülsenförmigen Permanentmagneten sowie einer diese umgebenden Ringspule.

Für viele Anwendungsfälle wäre es nun vorteilhaft, wenn man in Werkstückoberflächen auch enge Rücksprünge wie Nuten und Bohrungen bezüglich der Oberflächenmikrokontur ausmessen könnte. In anderen Fällen wäre es wünschenswert, bei einer an sich frei zugänglichen Werkstückoberfläche bis in die Nähe einer Oberflächenstufe messen zu können.

Um dies zu ermöglichen, wird durch die vorliegende Erfindung ein Meßkopf angegeben, der in seinem dem Werkstück benachbarten Endabschnitt sehr schlank baut. Die dies ermöglichenden technischen Merkmale sind im Anspruch 1 angegeben.

Bei dem erfindungsgemäßen Meßkopf wird vor die bewegliche Meßoptik ein Bild der Werkstückoberfläche gelegt, welches die Meßoptik genauso verarbeitet wie die echte Werkstückoberfläche. Dieses Bild der Werkstückoberfläche wird unter Verwendung einer nur feststehende Linsen aufweisenden Zusatzoptik erzeugt, die wegen des Fehlens bewegter Teile sehr schlank gebaut werden kann. Diese Zusatzoptik stellt eine Art Lichtleiter dar, der jedoch anders als Glasfaser­ bündel die von der Werkstückoberfläche reflektierten Strah­ len winkelgetreu an die Meßoptik weitergibt.

In der DE-OS 36 10 530 ist ein Gerät zur Messung von Oberflächenstrukturen beschrieben, welches mit einer innenliegenden Zusatzoptik versehen ist, um Galvanometerspiegel umfassende Ablenkeinheiten ohne Verzerrung des optischen Strahlenganges einfügen zu können, welche den Meßlichtstrahl in x- bzw. y-Richtung auslenken und somit ein Abtasten der Werkstückoberfläche ohne mechanischen Antrieb des Werkstückes oder des Meßkopfes ermöglichen. Dieses bekannte Meßgerät eignet sich aber nicht zum Ausmessen von engen Rücksprüngen wie Nuten oder Bohrungen.

In der EP-OS 01 62 973 ist ebenfalls ein Oberflächenmeßgerät beschrieben, welches eine innenliegende Zusatzoptik aufweist, um Aufstellungsorte für asymmetrische Halbblenden im Beleuchtungsstrahlengang und in einem hiervor über einen halbdurchlässigen Spiegel abgezweigten Beobachtungsstrahlengang vorzugeben. Das Meßlicht fällt wieder unter großem Öffnungswinkel auf die Werkstückoberfläche, so daß sich auch dieses bekannte Meßgerät nur zur Vermessung von Werkstückoberflächen ohne enge Rücksprünge eignet.

In der DE-OS 24 12 763 ist ein Gerät zur visuellen Kontrolle enger Bohrungen in Hauptbremszylinder-Gehäusen beschrieben, bei welchem das von einer Lichtquelle erzeugte Beobachtungslicht als schlankes Parallelbündel zu einer am Ende einer kleinen Durchmesser aufweisenden Sonde sitzenden Objektivlinse geleitet wird. Diese bündelt das Beobachtungslicht auf die Bohrungsinnenfläche und wirft das reflektierte Licht als Parallelbündel auf einen Empfänger, dessen Ausgangssignal in Abhängigkeit von der der Sonde aufgeprägten Abtastbewegung auf einem Oszilloskop dargestellt wird. Dieses bekannte Meßgerät gestattet aber kein quantitatives Ausmessen von Mikrokonturen der Werkstückoberfläche.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unter­ ansprüchen angegeben.

Im Prinzip wäre es möglich, das Umformen des Parallelstrah­ lenbündels, welches im Inneren der Zusatzoptik angetroffen wird, in ein auf die Werkstückoberfläche fokussiertes Strahlenbündel unter Verwendung einer werkstückseitigen Linse der Zusatzoptik vorzunehmen, die andere Brennweite aufweist als die meßoptikseitige Linse der Zusatzoptik. Dies mag in manchen Fällen vorteilhaft sein, in denen besonders enge Bohrungen ausgemessen werden sollen. Im Hinblick auf Ausleuchtbedingungen, die exakt den Ausleucht­ bedingungen entsprechen, wie sie von der Meßoptik selbst erzeugt würden, wenn diese mit der Werkstückoberfläche zusammenarbeitete, ist es jedoch vorteilhaft, gemäß Anspruch 2 für die Linsen der Zusatzoptik die gleiche Brennwerte zu wählen, die auch die Meßoptik hat.

Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 3 ermöglicht es auf besonders einfache Weise, Werkstückoberflächen auszumessen, die die Achse der Meßoptik umgeben.

Dabei kann man mit dem in Anspruch 4 angegebenen Anstell­ winkel des Reflexionshologrammes hinterschnittene Bereiche eines Werkstückes besonders gut ausmessen, während sich der im Anspruch 5 angegebene Anstellwinkel des Reflexions­ hologramms besonders gut für das Ausmessen von Bohrungen und anderen im wesentlichen parallel zur Achse der Meßoptik verlaufenden Oberflächenstücken eignet.

Ein Meßkopf, wie er im Anspruch 6 angegeben ist, eignet sich besonders gut zur Ausmessung der Bodenfläche einer engen Sackbohrung. Wählt man dabei einen spitzen Anstell­ winkel der werkstückseitigen Linse der Zusatzoptik, so lassen sich derartige Bodenflächen bis hin zu ihrer Randkante einfach ausmessen.

Feine Unebenheiten der Werkstückoberfläche führen zusätz­ lich zur Reflexion des Laserlichtes auch zur Beugung des Laserlichtes. Diese ist bei einem Meßkopf der hier betrach­ teten Bauart störend, da die verwendete Detektoreinheit ausschließlich auf Brennpunktablagen des Bildes des gerade ausgeleuchteten Punktes der Werkstückoberfläche ansprechen soll. Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 7 oder 8 wird auf sehr einfache Weise erreicht, daß die durch die Unebenheiten der Werkstückoberfläche bedingte Beugung des Laserlichtes ohne Einfluß auf das Meßergebnis bleibt.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigt

Fig. 1 einen axialen Schnitt durch einen Meßkopf zum Ausmessen der Oberflächenmikrokontur der Innen­ fläche einer Zylinderhülse;

Fig. 2 einen axialen Schnitt durch das untere Ende eines abgewandelten Meßkopfes, der zur Ausmessung der Oberflächenmikrokontur einer hinterschnitte­ nen Lauffläche dient;

Fig. 3 einen Schnitt durch das untere Ende eines weiter abgewandelten Meßkopfes, der zur Ausmessung der Oberflächenmikrokontur der Bodenfläche einer kleinen Sackbohrung dient;

Fig. 4 eine zu Fig. 1 ähnliche Schnittansicht, in welcher ein abgewandelter Meßkopf wiedergegeben ist; und

Fig. 5 eine schematische Darstellung des Strahlenganges in einem Teil eines weiter abgewandelten Meßkopfes.

In Fig. 1 ist ein Meßkopf insgesamt mit 10 bezeichnet, der zum optischen Ausmessen der Oberflächenmikrokontur der Innenfläche 12 einer Zylinderhülse 14 dient.

Der Meßkopf 10 hat ein nach oben offenes becherförmiges, innen mehrfach abgestuftes Gehäuse 16, welches durch einen Deckel 18 verschlossen ist.

An den Boden 20 des Gehäuses 16 ist ein Haltering 22 für eine Linse 24 angeformt. Letztere wird durch einen auf den Haltering 22 aufgeschraubten oder aufgeklebten Halte­ ring 26 fixiert.

In der Brennebene der Linse 24 ist eine Lochblende 30 angebracht, deren Apertur 32 den Brennpunkt der Linse 24 unter geringem Abstand umgibt.

Auf der Oberseite der Lochblende 30 ist über eine Mehrzahl von Schraubenfedern 34 ein ringförmiger Permanentmagnet 36 axial bewegbar gelagert. In den Permanentmagneten 36 sind ein unterer Haltering 38 und ein oberer Haltering 40 eingeklebt, die zwischen sich eine Meßlinse 42 ein­ spannen. Die Stärke der Schraubenfedern 34 ist so gewählt, daß der Brennpunkt der Meßlinse 42 normalerweise mit dem Brennpunkt der Linse 24 zusammenfällt.

Der ringförmige Permanentmagnet 36 durchsetzt unter radialem Spiel eine Ringspule 44. Beaufschlagt man diese im einen oder anderen Sinne mit Gleichstrom, läßt sich hierdurch die vom Permanentmagneten 36 getragene Meßlinse 42 unter Kompression bzw. Dehnen der Schraubenfedern 34 nach unten bzw. oben bewegen. Auf diese Weise ist es möglich, den Brennpunkt der Meßlinse 42 auch dann in den Bildpunkt des von der Linse 24 empfangenen Strahlenbündels zu stellen, wenn letzteres kein exaktes Parallelbündel ist.

Über der Ringspule 44 liegt ein einen halbdurchlässigen Spiegel 46 tragendes becherförmiges Tragteil 48 mit einer mittigen Öffnung 50. Auf der Oberseite des Tragteiles 48 ist ein flaches Doppelprisma 52 angeordnet, welches das hinter der Meßlinse 42 und dem Spiegel 46 erhaltene Licht­ bündel in zwei Lichtbündel 54, 56 aufspaltet. Letztere fallen auf zwei Detektoreinheiten 58, 60, die jeweils zwei zu beiden Seiten der Mittelebene der Einheit angeordnete lichtempfindliche Elemente 62, 64 aufweisen.

Die Detektoreinheiten 58, 60 sind auf einer Platte 66 angeordnet, die unter Zwischenschaltung eines Distanzringes 68 auf dem Tragteil 48 ruht. Die Platte 66 trägt auf ihrer Oberseite eine Elektronikeinheit 70, welche die Ausgangs­ signale der Detektoreinheiten 58, 60 verarbeitet und außer­ dem einen auf der Unterseite der Platte 66 angeordneten Halbleiterlaser 72 betreibt. Der vom Halbleiterlaser erzeugte Laserstrahl 74 gelangt über einen Umlenkspiegel 76 und den halbdurchlässigen Spiegel 46 sowie über die Meßlinse 42 und die Linse 24 in einen Kanal 78 der sich auf der Achse der Meßlinse 42 durch einen langen dünnen rohrförmigen Ansatz 80 des Gehäues 16 erstreckt. Am unteren Ende des Kanales 78 ist ein Reflexionshologramm 82 aufgestellt, welches das Laserlicht in eine zur Achse der Meßlinse 42 senkrechte Richtung spiegelt und zugleich bündelt. Als Sammellinsen wirkende Reflexionshologramme sind im Handel erhältlich.

Das vom Reflexionshologramm 82 abgegebene Licht durchquert ein Fenster 84, welches beim unteren Ende des Ansatzes 80 in dessen Umfangswand vorgesehen ist, und fällt dann auf den Punkt M der auszumessenden Innenfläche 12 der Zylinderhülse 14.

Vom ausgeleuchteten Punkt M der Innenfläche 12 gelangt das reflektierte Laserlicht über das Reflexionshologramm 82, die Linse 24, die Meßlinse 42, den Spiegel 46 und das Dop­ pelprisma 52 auf die beiden Detektoreinheiten 58, 60. Liegt der ausgemessene Punkt der Innenfläche 12 exakt im Brennpunkt des Reflexionshologrammes 82, so liegt der dem ausgeleuch­ teten Punkt M der Innenfläche 12 entsprechende Bildpunkt B über der Linse 24 exakt im Brennpunkt der Meßlinse 42. Unter diesen Bedingungen werden die lichtempfindlichen Elemente 62, 64 der Detektoreinheiten 58, 60 jeweils gleich stark bestrahlt, erzeugen somit gleiche Ausgangssignale. Hieran erkennt die Elektronikeinheit 70, daß eine Nachregelung der axialen Stellung der Meßlinse 42 nicht erforderlich ist.

Hat der gerade ausgemessene Punkt M der Innenfläche 12 Abstand vom Brennpunkt des Reflexionshologrammes 82, so wandert entsprechend auch der von der Linse 24 erzeugte Bildpunkt B . Der Bildpunkt B fällt nun nicht mehr mit dem Brennpunkt der Meßlinse 42 zusammen und damit wird eines der lichtempfindlichen Elemente 62, 64 der Detektorheinheit 58, 60 stärker beleuchtet als das andere. Die Elektronikein­ heit 70 regelt nun den Speisestrom der Ringspule 44 so nach, daß die Ausgangssignale der lichtempfindlichen Elemente 62, 64 wieder gleich groß sind, der Brennpunkt der Meßlinse 42 also in den Bildpunkt B des Meßpunktes M geschoben wird. Das Speisesignal für die Ringspule 44 ist somit zugleich ein Maß für die Ablage des Meßpunktes M vom Brenn­ punkt des Reflexionshologrammes 82 und kann z. B. in digita­ ler Form an einer Anzeige 86 dargestellt werden oder über ein Kabel an einen die Messung auswertenden Rechner weiter­ gegeben werden.

Im Hinblick auf eine verbesserte Genauigkeit der Lagemes­ sung der Meßlinse 42 kann man dieser einen Positionsgeber zuordnen, dessen Ausgangssignal dann anstelle des Speise­ signales für die Ringspule 44 ein Maß für die Lage des Meßpunktes M ist.

Hat die Innenfläche 12 sehr kleine und sehr eng benachbarte Unebenheiten, so führen diese zugleich auch zu einer Beugung des Laserlichtes. Diese gebeugten Anteile des Laserlichtes werden durch die Lochblende 30 zurückgehalten und verfälschen somit nicht die Ausgangssignale der Detektoreinheit 58, 60.

Man erkennt, daß man mit dem oben beschriebenen Meßkopf 10, der einen sehr schlanken, auch in enge Öffnungen eines Werkstückes einführbaren Ansatz 80 aufweist, viel kleinere Innenflächen ausmessen kann als mit einem Meßkopf, bei welchem die Meßlinse 42 direkt mit der Werkstückoberfläche zusammenarbeitet.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten abgewandelten Meßkopf schließt die Achse des Reflexionshologrammes 82 mit der Achse der Ansatzes 80 nur einen kleinen spitzen Winkel ein. Auf diese Weise kann man mit dem Meßkopf eine Lauffläche 88 ausmessen, die auf der Innenseite eines Flansches 90 eines Kastenprofiles 92 ausgebildet ist.

Bei dem weiter abgewandelten Meßkopf nach Fig. 3 ist in das untere Ende des Ansatzes 80 eine einen kleinen Durchmesser aufweisende Linse 94 aus Glas eingesetzt, welche das Reflexionshologramm 82 ersetzt. Damit kann man eine Bodenfläche 96 einer Sackbohrung 98 ausmessen, welche in einem Werkstück 100 vorgesehen ist.

Möchte man mit einem derartigen Meßkopf exakt bis in die Kante zwischen Umfangsfläche 102 und Bodenfläche 96 der Sackbohrung 98 messen, so kann man die Linse 94 unter spitzem Winkel zur Achse des Ansatzes 80 anordnen.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 sind die Schrauben­ federn 34 direkt an der Stirnfläche des Halteringes 26 abgestützt. Die Lochblende 30 ist nun in den Ansatz 80 eingefügt, wobei die Apertur 32 nun im gemeinsamen Brenn­ punkt zweier Zwischenabbildungslinsen 104, 106 liegt, die oberhalb bzw. unterhalb der Lochblende 30 angeordnet sind. Auch durch diese Anordnung wird eine Ausblendung diffus an der Werkstücksoberfläche gebeugter Anteile des Laserstrahles erhalten.

Beim weiter abgewandelten Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist die Lochblende 30 zusammen mit den Zwischenabbildungs­ linsen 104 und 106 im hinter der Meßlinse 42 liegenden Teil des Strahlenganges angeordnet. Auch auf diese Weise werden die Beugungsanteile des reflektierten Laserlichtes eliminiert.

Claims (8)

1. Meßkopf zur Ausmessung der Oberflächenmikrokontur eines Werkstückes mit einem Gehäuse, mit einem Laser, mit einer axial verschiebbaren Meßoptik zum Abbilden des Lasers auf die Werkstückoberfläche und zum Abbilden des beleuch­ teten Punktes der Werkstücksoberfläche auf eine Detektor­ einheit, die auf Brennpunktablagen des beleuchteten Punktes der Werkstücksoberfläche anspricht, und mit einem auf die Meßoptik arbeitenden Stellmotor, der in Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Detektoreinheit arbeitet, gekennzeichnet durch eine Zusatzoptik (24, 82; 24, 94), die zwischen der Meßoptik (42) und der Werkstückoberfläche (12) angeordnet ist und eine erste Linse (24) sowie eine zweite werkstückseitige Linse aufweist, wobei der Stellmotor die Meßoptik (42) so einstellt, daß der Brennpunkt der Meßoptik (42) in den Brennpunkt der ersten Linse (24) und der Brennpunkt der zweiten Linse auf die Werkstückoberfläche (12) fällt.

2. Meßkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsen (24, 82; 24, 94) der Zusatzoptik gleiche Brennweite haben wie die Meßoptik (42).

3. Meßkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die werkstückseitige Linse (82) der Zusatzoptik (24, 82) durch ein Reflexionshologramm gebildet ist.

4. Meßkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Normale des Reflexionshologrammes (82) mit der Achse der Meßoptik (42) einen spitzen Winkel einschließt.

5. Meßkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Normale des Reflexionshologrammes (82) mit der Achse der Meßoptik (42) einen Winkel von 45° einschließt.

6. Meßkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die werkstückseitige Linse (94) der Zusatzoptik (24, 94) eine übliche Transmissionslinie ist und ihre Achse mit der Achse der Meßoptik (42) fluchtet oder einen spitzen Winkel mit dieser einschließt.

7. Meßkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die bei Brennpunktablage Null zusammenfallenden Brennpunkte der beweglichen Meßoptik (42) und der ersten Linse (24) der Zusatzoptik (24, 82; 24, 94) in der einen kleinen Durchmesser aufweisenden Apertur (32) einer Lochblende (30) liegen, deren Achse mit der Achse der Meßoptik (42) fluchtet.

8. Meßkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeich­ net durch eine zwischen der Werkstückoberfläche (12) und der Meßoptik (42) oder zwischen der Meßoptik (42) und der Detektoreinheit (58, 60) angeordnete Zwischenoptik mit zwei Zwischenabbildungslinsen (104, 106), die einen gemeinsamen Brennpunkt haben, und durch eine Lochblende (30), deren einen kleinen Durchmesser aufweisende Apertur (32) in dem gemeinsamen Brennpunkt der Zwischenabbildungslinsen (104, 106) liegt.