DE4020527C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Meßmaschine zum optischen Ausmessen
des Mikroprofiles von Werkstückoberflächen gemäß
dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 3.
Eine derartige Meßmaschine ist in der DE 38 00 427 A1 beschrieben.
Mit ihr lassen sich Mikroprofile von Werkstückoberflächen
sehr exakt und einfach ausmessen. Wichtig ist
hierbei, daß die Objektivlinse reibungsfrei gelagert ist und gleichzeitig
auf die Achse des Abtastkopfes der Meßmaschine sauber
justiert ist. Dies wird über eine durch das Blattfederpaar
gebildete Parallelogrammführung gewährleistet. Eine Gleitführung
für die Linse würde bei den nur sehr kleinen Linsenverlagerungen
(gemäß dem absolut gesehen kleinen Oberflächenprofil)
zu Verfälschungen führen, da bei jedem Nachführen
der Linse zunächst die Haftreibung der Gleitführung aufgebrochen
werden müßte. Die Nachregelung der Fokusbedingungen
erfolgt unter zusätzlicher Verwendung eines mit dem
Abtastkopf mitbewegten Beschleunigungsfühlers, so daß keine
erschütterungsbedingten Meßfehler auftreten. In der zum
Nachführen verwendeten Regelschaltung ist ein Korrekturspeicher
enthalten, der gemäß dem Ausgangssignal eines
Fühlers adressiert wird, welcher das Reflexionsvermögen der
Werkstückoberfläche am Abtastpunkt mißt.
Aus der DE 31 50 977 A1 ist bekannt, Führungsfehler an
Meßmaschinen, die zum Bestimmen der Makrokontur eines Werkstückes
dienen, unter Verwendung zweier Hilfslagefühler zu
korrigieren, welche die Verkippung und den Versatz eines
einen Abtastkopf tragenden Meßschlittens zu bestimmen
gestatten und mit absolut ebenen und exakt parallel zu in
einer Referenzebene liegenden Koordinaten verlaufenden
Referenzflächen zusammenarbeiten. Zur Berechnung korrigierter
Lagesignale unter Verwendung der Ausgangssignale der Hilfslagefühler
kann man anstelle eines Rechenkreises, der gemäß
der Geometrie der Meßschlittenführung programmiert ist,
auch Korrekturspeicher verwenden, die entsprechende Korrektursignale
enthalten.
Die Verwendung von Korrekturspeichern ist auch in Zusammenhang
mit numerisch arbeitenden Koordinatenantrieben bekannt,
wie die DE 16 38 032 C3 zeigt. Hier werden die Sollwerte für
die x- und y-Stellung des Zeichenkopfes eines xy-Plotters
durch einen mit einem Korrekturspeicher zusammenarbeitenden
Rechner so modifiziert, daß den Koordinatenantrieben inhärente
Positionierfehler, die z. B. auf Nichtlinearitäten
von Leitspindeln und Führungsbahnen beruhen können, kompensiert
werden.
Für manche Anwendungsfälle wäre es vorteilhaft, wenn eine
Meßmaschine der eingangs angesprochenen Art nicht nur sehr
kleine Amplitude aufweisende Mikroprofile von Werkstückoberflächen
ausmessen könnte, sondern auch Oberflächenkonturen
mit größerer Amplitude.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch eine Meßmaschine
gemäß Anspruch 1 und Anspruch 3.
Die erfindungsgemäße optische Meßmaschine enthält weiterhin die durch
das Paar parallel übereinanderliegender Blattfedern gebildete
federnde Aufhängung und Axialführung für die Linse, die
reibungsfrei arbeitet. Zusätzlich sind Vorkehrungen getroffen,
um die seitliche Versetzung der Linsenhalterachse, die bei
größerer Auslenkung erfolgt, so zu
kompensieren, daß insgesamt die richtigen Koordinaten
des Abtastpunktes in der Referenzebene und die richtige
Höhe des Abtastpunktes über der Referenzfläche erhalten
wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteran
sprüchen angegeben.
Gemäß Anspruch 2 und 4 lassen sich auf apparativ einfache, gegen
Störeinflüsse unempfindliche und präzise Weise Korrektursig
nale sehr unterschiedlicher Größe auch bei nichtlinearem
Zusammenhang zwischen der Linsenauslenkung und dem Versatz
der Linsenhalterachse speichern.
Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 5 ist im
Hinblick auf eine einfache Korrektur der Roh-Meßsignale
von Vorteil.
Mit den Weiterbildungen der Erfindung gemäß den Ansprüchen
6 und 7 wird erreicht, daß der Meßstrahl selbst bei ausge
lenktem Linsenhalter so modifiziert wird, daß er an demje
nigen Punkt der Werkstückoberfläche auftrifft, welchen die
Soll-Linsenachse schneidet.
Die im Anspruch 8 angegebenen Kompensationsmotoren zeichnen
sich durch ein rasches Ansprechverhalten, mechanisch ein
fachen Aufbau und geringen Leistungsbedarf aus. Dabei haben
die elektrostriktiven und magnetostriktiven Elemente den
zusätzlichen Vorteil, daß sie eine abgesehen von den ge
wünschten feldinduzierten Längenänderungen starre Anbrin
gung der Linse bzw. des verkippbaren optischen Elementes
ermöglichen.
Mit einer Einrichtung gemäß Anspruch 9 kann man auf ein
fache Weise den Korrekturspeicher für eine beliebige opti
sche Meßmaschine individuell programmieren und so nicht
nur systembedingten sondern auch fertigungsbedingten Meß
fehlern der Meßmaschine Rechnung tragen. Da bei der verwendeten
Kalibrierplatte,
die Höhenlinien durch Kanten der Oberfläche gebildet sind,
kann man diese Unstetigkeiten dazu verwenden, ausgehend
vom Linsenstellungsgeber-Ausgangssignal einen Adreßzähler
automatisch hochzuzählen, der die aufeinanderfolgenden
Speicherzellen des Referenzspeichers adressiert, in welchen
die Koordinaten der Höhenlinien in Abtastrichtung und Ele
vation über der Basisfläche abgespeichert sind.
Gemäß Anspruch 10 kann man zusätzlich auch Korrektursignale
für die Elevation gewinnen, die dann gebraucht werden, wenn
der Abtastkopf nicht exakt senkrecht zur Referenzebene ju
stiert ist.
Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 11 kann
man auf einfache Weise Höhenlinien definieren, die zwischen
den mechanisch in die Kalibrierplatte eingearbeiteten Höhenlinien
liegen und so mehr Zwischenpunkte der Korrektur-Kennlinie
ermitteln als physikalisch auf der Kalibrierplatte vorgesehen
sind. Man kann so auch einfach bei nicht erregtem Linsen
stellmotor eine der Höhenlinien exakt in den Brennpunkt
der Linse stellen, sodaß eine mechanische Höhenfeinjustierung
der Kalibrierplatte nicht notwendig ist.
Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei
spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
In dieser zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer optischen
Meßmaschine zum Bestimmen sowohl des Mikroprofiles
als auch einer gröberen Oberflächenkontur eines
Werkstückes;
Fig. 2 eine schematische vergrößerte Ansicht des Abtast
kopfes der Meßmaschine nach Fig. 1;
Fig. 3 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 2, wobei jedoch
die beweglichen Teile des Abtastkopfes in der
Stellung wiedergegeben sind, die sie über einem
vertieften Abschnitt der Werkstückoberfläche
einnehmen;
Fig. 4 eine vereinfachte schematische Darstellung der
Meßverhältnisse bei einem Abtastkopf, dessen Achse
nicht exakt senkrecht auf der Referenzebene steht;
Fig. 5 eine schematische Darstellung der Auswirkung von
Meßfehlern, welche sich bei einem herkömmlichen
Abtastkopf für große Amplituden des Oberflächen
profiles und bei Verkippungen des Abtastkopfes
ergeben würden;
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Kalibrierkörpers,
mit dessen Hilfe ein Korrekturspeicher der Meß
maschine nach Fig. 1 programmiert wird;
Fig. 7 ein Blockschaltbild eines Korrekturspeicher-Pro
grammierkreises der Meßmaschine nach Fig. 1;
Fig. 8 einen abgewandelten Abtastkopf für eine optische
Meßmaschine zusammen mit einer Ein
richtung zum Kompensieren des bei großer Aus
lenkung erhaltenen seitlichen Versatzes des Lin
senhalters;
Fig. 9 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 8, in der jedoch
eine abgewandelte Versatz-Kompensationseinrich
tung gezeigt ist; und
Fig. 10 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 8, in welcher
eine weiter abgewandelte Versatz-Kompensations
einrichtung wiedergegeben ist.
In Fig. 1 ist eine Meßmaschine zum optischen Ausmessen
des Mikroprofiles von Werkstückoberflächen wiedergegeben,
die ein Maschinenbett 10 aufweist. Ein Koordinatensystem x,
y, z gibt mit seiner xy-Ebene eine Referenzebene vor, die
z-Koordinate entpricht der Höhenkoordinate (Elevation). Auf
dem Maschinenbett 10 ist mittels eines Führungsstabes 12 und
einer Gewindespindel 14, die von einem y-Koordinatenantrieb
16 her in Drehung versetzt wird, ein y-Schlitten 18 ver
schiebbar. Letzterer trägt einen x-Schlitten 20, der auf
einem Führungsstab 22 läuft und durch eine Gewindespindel
23 verstellt wird, die ihrerseits von einem x-Koordinaten
antrieb 24 in Drehung versetzt wird.
Den Koordinatenantrieben 16, 24 sind Stellungsgeber 26,
28 zugeordnet, deren Ausgangssignale die Koordinaten des
jenigen Punktes des das Werkstück tragenden Schlittens 20
angeben, der momentan mit der Achse des Gehäuses 30 eines
insgesamt mit 32 bezeichneten Abtastkopfes zusammenfällt.
Der Abtastkopf 32 ist seinerseits über eine feststehende
Brücke 34 vom Maschinenbett 10 getragen.
Wie insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich, umfaßt der Ab
tastkopf 32 einen hülsenförmigen Linsenhalter 36, der aus
axial magnetisiertem Material besteht und eine Linse 38
trägt. Der Linsenhalter 36 ist durch zwei parallel überei
nander angeordnete Blattfedern 40, 42 an der Brücke 34
befestigt, die zusammen eine Parallelogrammführung für den
Linsenhalter 36 bilden.
Der Linsenhalter 36 durchsetzt unter radialem Spiel eine
Ringspule 44, die von einem Speisekreis 46 her so erregt
wird, daß der Brennpunkt der Linse 38 auf dem gerade aus
geleuchteten Abtastpunkt 48 der zu vermessenden Werkstück
oberfläche 50 liegt.
Hierzu enthält der Abtastkopf 32 einen Halbleiterlaser 52,
der einen Meßstrahl 54 mit kleinem Öffnunungswinkel erzeugt.
Dieser wird durch einen halbdurchlässigen Strahlteiler 56
und über einen voll verspiegelten Umlenkspiegel 58 durch
die Linse 38 auf den Abtastpunkt 48 fokussiert, und das von
dort reflektierte Licht gelangt durch die Linse 38, über den
Umlenkspiegel 58 und den Strahlteiler 56 sowie durch ein
Dachprisma 60 auf einen Wandler 62 mit zwei zur Wandler
mitte symmetrischen photoelektrischen Wandlerhälften. Die
Ausgangssignale der letzteren werden auf die beiden Ein
gänge eines Differenzverstärkers 64 gegeben, dessen Aus
gangssignal auf den Speisekreis 46 gegeben wird. Dieser
regelt seinen Ausgangsstrom so ein, daß sein Eingangssignal
Null wird.
Die Stellung des Linsenhalter 36 wird durch einen Stel
lungsgeber 66 gemessen, der z. B. ein nach dem Tauchspulen
prinzip arbeitender Stellungsgeber sein kann.
Die oben beschriebene Aufhängung des Linsenhalters 36 durch
die beiden Blattfedern 40, 42 hat den Vorteil, daß sie eine
reibungsfreie Axialführung für die Linse 38 darstellt, wel
che sich somit ruckfrei auch um sehr kleine Strecken bewegen
kann, wenn sich die z-Koordinate des Abtastpunktes 48 ändert
und der Speisestrom der Ringspule 44 so nachgeregelt wird,
daß der Abstand zwischen der Linsenebene und dem Abtast
punkt 48 wieder der Brennweite f der Linse 38 entspricht.
Das Ausgangssignal des Stellungsgebers 66 ist, wie aus der
obigen Darlegung ersichtlich, direkt ein Maß für die z-Koor
dinate des Abtastpunktes 48.
Mißt man mit dem in Fig. 2 gezeigten Abtastkopf Oberflä
chenkonturen mit größerem Amplitudenhub aus, so führt die
oben beschriebene Aufhängung des Linsenhalters dazu, daß
- wie in Fig. 3 gezeigt - die dort mit 68 bezeichnete
Achse des Linsenhalters seitlich zur mit 70 bezeichneten
Sollachse des Abtastkopfes (Gehäuseachse oder Linsenachse
bei nicht erregter Ringspule) versetzt ist. In diesem Falle
erhält man einen entsprechenden seitlichen Versatz dx
zwischen dem echten Abtastpunkt 48 und dem Sollabtastpunkt 72
(Schnittpunkt der Sollachse 70 mit der Werkstückoberfläche
50).
Sind die beiden Blattfedern 40, 42 exakt in x-Richtung aus
gefluchtet, erhält man einen Versatz der Linsenhalterachse
68 bei großen Linsenhalterauslenkungen in z-Richtung nur
in x-Richtung, nicht jedoch in y-Richtung. Sind die beiden
Blattfedern 40, 42 nicht exakt in x-Richtung ausgefluchtet,
ergibt sich ein ähnlicher seitlicher Versatz dy auch für
die y-Richtung.
In der Praxis ist es zuweilen unmöglich, die Sollachse 70
des Abtastkopfes 32 exakt senkrecht auf die xy-Ebene auszu
richten. Zuweilen arbeitet man auch absichtlich mit einer
aus der z-Richtung herausgekippten Sollachse 70, nämlich
dann, wenn man für die Nachregelung der Linsenstellung aus
schließlich diffus reflektiertes Licht verwenden will.
Wie aus Fig. 4 ersichtlich, ergibt sich bei gekippter Soll
achse 70 ein zusätzlicher seitlicher Versatz dx in x-Rich
tung, der zu dem anhand von Fig. 3 erläuterten Versatz
hinzukommt, der in Fig. 4 der besseren Übersichtlichkeit
halber weggelassen ist. Dort sind vereinfacht nur die Ver
hältnisse bei Lage des Abtastpunktes 48 in der Referenz
ebene bzw. unterhalb der Referenzebene (gestrichelt) einge
zeichnet. Aus Fig. 4 ist ferner ersichtlich, daß sich bei
gekippter Sollachse 70 auch ein kleiner Meßfehler dz in
z-Richtung ergibt.
Um diese Meßfehler dx, dy und dz auszuräumen, hat die Meß
maschine nach Fig. 1 eine insgesamt mit 74 bezeichnete
Korrekturschaltung.
Die Ausgangssignale der Stellungsgeber 26, 28, 66 werden
durch Analog/Digitalwandler 76, 78, 80 in BCD-codierte Sig
nale umgesetzt. Durch das der z-Koordinate zugeordnete Aus
gangssignal des Analog/Digitalwandlers 80 wird ein Korrek
turspeicher 82 adressiert. Hierbei kann es sich um ROM,
insbesondere EPROM oder EEPROM, oder ein von einem nicht
flüchtigen Massenspeicher, z. B. einer Festplatte, her ein
gelesenes RAM handeln. Der Korrekturspeicher 82 enthält
in seinen Speicherzellen für eine vorgegebene z-Koordinate
jeweils die erforderlichen Korrekturgrößen dx, dy und dz,
die an entsprechenden Ausgängen des Korrekturspeichers be
reitgestellt werden. Diese Korrektursignale werden in Sum
mierkreisen 84, 86, 88 zu den entsprechenden Roh-Meßsigna
len hinzuaddiert und die fehlerkorrigierten Meßsignale
werden auf eine Ausgabeeinheit 90 gegeben, die in der Regel
einen Monitor und einen Plotter umfaßt und die Kontur der
Werkstückoberfläche 50 grafisch ausgibt und/oder rechne
risch auswertet (z. B. Umrechnung in Rauhheitswert).
Zum Einspeichern der Korrektursignale dx, dy und dz in den
Korrekturspeicher 82 dient ein Programmierkreis 82, der
mit den digitalisierten Roh-Meßsignalen beaufschlagt ist
und zudem mit den Datenklemmen des Korrekturspeichers 82
verbunden ist. Sein Aufbau wird später unter Bezugnahme
auf Fig. 7 noch näher erläutert.
Fig. 5 zeigt schematisch, welche Fehler sich ergeben wür
den, wenn man ohne die soeben beschriebene Fehlerkorrektur
eine Werkstückoberfläche 50 mit abwechselnd geradlinig
ansteigenden und abfallenden Oberflächenabschnitten aus
messen würde. Die fehlerbehaftete Meßkurve ist gestrichelt
bei 50′ gezeigt.
Das Einspeichern der Korrektursignale dx, dy, dz kann dann,
wenn nur prinzipbedingte Fehler korrigiert werden sollen,
rechnerisch unter Berücksichtigung der Geometrie der Auf
hängung für den Linsenhalter 36 sowie unter Berücksichti
gung einer fest vorgegebenen Verkippung der Sollachse 70
durch einen entsprechend programmierten Rechner erfolgen.
Um aber auch fertigungsbedingte unterschiedliche Meßfehler
einer speziellen Meßmaschine mit korrigieren zu können,
werden die Korrektursignale dx, dy und dz für jede Meß
maschine experimentell unter Verwendung einer Oberfläche
mit genau bekanntem Oberflächenprofil ermittelt.
Fig. 6 zeigt einen besonders gut geeigneten, insgesamt
mit 96 bezeichneten Kalibrierkörper. Dieser enthält eine Kalibrier
platte 98 mit einer schräg abfallenden oberen Stirnfläche
100, in welche ausgehend von der Mitte in regelmäßigem Ab
stand dreieckigen Querschnitt aufweisende Nuten 102 einge
stochen sind, die senkrecht zur Zeichenebene von Fig. 6
verlaufen. Die Tiefe und die Anzahl der Nuten ist vorzugs
weise so gewählt, daß die verschiedenen Kanten (am Nut
grund und zwischen den Nutflanken und der Stirnfläche 100)
in x-Richtung und z-Richtung unter gleichem Abstand aufei
nanderfolgen.
Anstelle der mechanisch sehr exakt zu bearbeitenden Eich
platte mit abfallender Stirnfläche kann man auch ein unter
dem Stirnflächenwinkel gekippt angeordnetes handelsübliches
Strichgitter verwenden, wie es in Gitterspektrometern
verwendet wird. Man hat hier eine sehr große Anzahl von
äquidistanten Höhenlinien bekannter Lage.
Die Kalibrierplatte 98 ist über einen Piezoaktuator 104 auf
einer Basisplatte 106 angebracht.
Der Piezoaktuator 104 wird von einem steuerbaren Hochspan
nungsgenerator 108 her beaufschlagt, dessen Steuerspannung
durch einen einstellbaren Widerstand 110 vorgegeben werden
kann. Dieser kann auch ein durch einen Rechner steuer
barer Spannungsteiler sein.
Zum Kalibrieren einer Meßmaschine wird der Kalibrierkörper 96 (ggf.
unter Verwendung von festen Anschlagleisten) auf dem Schlitten
20 so angebracht, daß die Stirnfläche 100 in
x-Richtung abfällt und die mittlere der Nuten 102 mit ihrem
Grund in der Referenzebene (z=0) steht.
Nun wird der Schlitten 20 so bewegt, daß die gesamte Ober
seite der Kalibrierplatte 98 unter dem Abtastkopf 32 vorbeige
fahren wird.
Wie aus Fig. 7 ersichtlich, ist an die mit dem Rohsignal
für die z-Richtung beaufschlagten Leiter ein Differenzier
kreis 112 mit integriertem Doppelweggleichrichter ange
schlossen, der somit jedesmal dann einen Ausgangsimpuls
bereitstellt, wenn eine der Kanten der Kalibrierplatte 98 unter
dem Abtastkopf 32 hindurchläuft. Durch diese Impulse wird
ein Adressierzähler 114 angesteuert, dessen Ausgang mit
den Adreßklemmen eines Referenzspeichers 116 verbunden ist.
In diesem sind für jede Kante die Koordinaten (x0 bzw. z0)
gespeichert.
Läßt sich die mittlere Nut 102 mit mechanischen Mitteln
nicht ganz exakt auf die Referenzebene einjustieren, so
kann die restliche Feinkorrektur durch Verstellen des Wi
derstandes 110 erfolgen. Man kann den Widerstand 110 aber
auch dazu verwenden, die Kanten der Kalibrierplattenoberfläche
um eine kleine Strecke in z-Richtung gezielt zu verlagern,
um weitere Zwischenpunkte der Korrektur-Kennlinie dx (z)
zu ermitteln. In diesem Falle muß dann die elektrische
z-Verstellung der Kalibrierplatte 98 zu den im Referenzspeicher
116 abgelegten z0-Werten hinzugerechnet werden. Hierzu
wird über eine Leitung 118 das Steuersignal für den Piezo
aktuator 104 auf einen Analog/Digitalwandler 120 gegeben.
Dieser ist mit den Adreßklemmen eines Festwertspeichers
122 verbunden, in welchem für jede Steuerspannung die ent
sprechende Längenänderung dz0 des Piezoaktuators 104 ab
gelegt ist. In einem Summierkreis 124 werden die Ausgangs
signale von Referenzspeicher 116 und Festwertspeicher 122
addiert.
Ein Subtrahierkreis 126 erhält das Roh-Meßsignal für die
x-Richtung (x) und das entsprechende Referenzsignal (x0)
und berechnet hieraus die Korrekturgröße dx. Ein weiterer
Subtrahierkreis 128 ist mit dem Ausgang des Summierkreises
124 und dem nicht modifizierten z-Meßsignal beaufschlagt
und berechnet den Korrekturwert dz. Diese Werte werden über
einen insgesamt mit 130 bezeichneten Schalter auf Leitungen
bereitgestellt, die mit der dx- bzw. dz-Klemme des Korrek
turspeichers 82 verbunden sind. Auf einer weiteren Leitung
gibt der Programmierkreis 92 ferner dann ein Aktivierungs
signal für eine Einlesesteuerklemme E des Korrekturspeichers
82 ab, wenn von ihm Korrekturwerte berechnet werden.
Hierzu ist der vier Schaltebenen aufweisender Schalter 130
mit vier mechanisch gekoppelten Schaltbrücken 132, 134,
136, 138 vorgesehen. Deren mittlere Schaltstellungen sind
jeweils nicht belegt.
In der ersten und dritten Schaltstellung stellt die Schalt
brücke 134 jeweils eine Verbindung zur Versorgungsspannung
+V her, wodurch das Einlese-Steuersignal E für den Korrektur
speicher 92 bereitgestellt wird. Die entsprechenden ansteigen
den Signalflanken gelangen zugleich auf die Rückstellklemme
R des Adressierzählers 114.
Durch die Schaltbrücke 132 wird wahlweise das x-Meßsignal
bzw. das y-Meßsignal auf den Subtrahierkreis 126 gegeben,
so daß die in Fig. 7 gezeigte Programmierschaltung auch
für die Kalibrierung in y-Richtung verwendet werden kann, wozu
nur der Kalibrierkörper 96 um 90° um die z-Achse gedreht werden
muß und der y-Koordinatenantrieb 26 anstelle des x- Koordi
natenantriebes 24 aktiviert wird.
Die Schaltbrücke 136 gibt das Ausgangssignal des Subtrahier
kreises 126 entsprechend wahlweise auf die Leitung zum dx-
bzw. zum dy-Eingang des Korrekturspeichers 82. Die Schalt
brücke 138 gibt in beiden Endstellungen das Ausgangssignal
des Subtrahierkreises 128 auf die Leitung zum dz-Eingang
des Korrekturspeichers 82. In der Mittelstellung der Schalt
brücken sind die Leitungen vom Programmierkreis 92 zum
Korrekturspeicher 82 nicht mit Signal beaufschlagt.
Bei dem soeben beschriebenen Ausführungsbeispiel erfolgt
eine Korrektur der Roh-Stellungssignale gemäß einer zuvor
experimentell oder rechnerisch ermittelten Korrektur-Kenn
linie für die x-, y- und z-Richtung in Abhängigkeit vom
gemessenen z-Signal.
Bei einer vereinfachten Ausführungsform kann man die Korrek
tur auch nur für die x-Richtung vornehmen und die entspre
chenden Schaltkreise für die y- und z-Richtung weglassen,
wenn die Blattfedern 40, 42 gut parallel zur x-Achse ausge
fluchtet sind und allenfalls eine kleine Verkippung der
Sollachse 70 vorliegt.
Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist aber ein
Ausmessen einer starken Änderung der Oberflächenkontur in
z-Richtung zwangsläufig mit einer Verlagerung des Abtast
punktes 48 in x-Richtung verbunden. Dies bedeutet, daß man
die Fußpunkte derartiger scharfer Rücksprünge und Vorsprünge
nicht mit sehr hoher Präzision auflösen kann.
Bei den abgewandelten Ausführungsbeispielen nach den Fig.
8 bis 10 erfolgt die Korrektur des seitlichen Versatzes
des Linsenhalters 36 bei größeren Auslenkungen der Blatt
federn 40, 42 dadurch, daß man ein optisches Element so
verlagert, daß der Ist-Abtastpunkt 48 auf der Sollachse 70
gehalten wird.
In den Fig. 8 bis 10 sind Bauteile, die obenstehend unter
Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 7 schon erläutert wurden,
wieder mit denselben Bezugszeichen versehen und werden
nicht nochmals im einzelnen beschrieben.
Bei der in Fig. 8 gezeigten Meßmaschine ist am Linsenhal
ter 36 über einen piezoelektrischen Aktuator 140 eine Lin
senfassung 142 angebracht. Der Aktuator 140 erstreckt sich
in x-Richtung und kann die Linse 38 von der Linsenhalter
achse 68 in seitlicher Richtung auf die Sollachse 70 be
wegen. In einem Korrekturspeicher 82, der wieder durch das
digitalisierte (80) Ausgangssignal des z-Stellungsgebers
66 adressiert wird, sind jeweils diejenigen Spannungswerte
in digitaler Form abgelegt, die benötigt werden, um gerade
die erforderliche Kompensationsbewegung vom piezoelektri
schen Aktuator 140 zu erhalten. Das vom Korrekturspeicher
82 ausgegebene digitale Korrektursignal wird in einem Digi
tal/Analogwandler 144 in ein analoges Steuersignal umge
setzt, mit welchem ein Hochspannungsgenerator 146 ange
steuert wird, der den Aktuator 140 speist.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 9 unterscheidet sich
von dem nach Fig. 8 dadurch, daß das Bewegen des Abtast
punktes 48 auf die Sollachse 70 durch Verkippen der Linse
38 erfolgt. Die Linsenfassung 142 ist nun schwenkbar im
Inneren des Linsenhalters 36 angeordnet, wobei die Schwenk
achse 148 vorzugsweise um die Hälfte des maximalen seit
lichen Versatzes dx von der Linsenhalterachse 68 entfernt
ist, wie aus der Zeichnung ersichtlich. Die Linsenfassung
142 ist drehfest mit einem Hebel 150 verbunden, der durch
einen nach dem Tauchspulenprinzip arbeitenden elektromag
netischen Aktuator 152 verstellt werden kann. Dessen Erre
gung kann analog erfolgen wie die Erregung des Aktuators
140 von Fig. 8, indem man den Hochspannungsgenerator 146
durch eine steuerbare Stromquelle ersetzt.
Bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 8 und 9
waren die Aktuatoren 140, 152 so angebracht, daß die durch
sie zu bewegenden Massen möglichst klein sind. Es versteht
sich, daß man die Aktuatoren stattdessen auch zwischen der
Brücke 34 und einem hiervon getrennten Tragteil für die
Blattfedern 40, 42 anbringen kann, wobei dann der gesamte
Abtastkopf verschoben oder verschwenkt wird.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 10 ist der Umlenkspiegel
58 auf einer Welle 154 drehbar angebracht, die wieder einen
Hebel 150 trägt, der durch einen feststehenden elektromag
netischen Aktuator 152 verschwenkbar ist. Der Speisestrom
für den Aktuator 152 wird wieder ausgehend von in einem
Korrekturspeicher abgelegten Werten eingestellt, die so
gewählt sind, daß der Umlenkspiegel 58 gerade soweit verkippt
wird, daß der Abtastpunkt 48 von der Linsenhalterachse 68
auf die Sollachse 70 gelegt wird.
Claims (11)
1. Meßmaschine zum optischen Ausmessen des Mikroprofiles
von Werkstückoberflächen, mit einer Lichtquelle (52),
mit einer durch zwei parallel übereinanderliegende Blattfedern
(40, 42) axial beweglich gelagerten Linse (38)
zum Abbilden der Lichtquelle auf die Werkstückoberfläche
(50) und zum Abbilden des von der Werkstückoberfläche
(50) reflektierten Lichtes auf eine Detektoranordnung
(60, 62, 64), die ein der Außerbrennpunktslage des
Abtastpunktes (48) auf der Werkstückoberfläche (50) zugeordnetes
Ausgangssignal bereitstellt, mit einem auf die
Linse (38) arbeitenden Fokussier-Stellmotor (36, 44),
mit einer Regelschaltung (46), die den Fokussier-Stellmotor (36, 44)
so erregt, daß das Ausgangssignal der Detektoranordnung
(60, 62, 64) dem bei einer Brennpunktslage des Abtastpunktes
(48) erhaltenen Ausgangssignal entspricht, mit einem die
Axialstellung der Linse (38) messenden Linsenstellungsgeber
(66),
welcher ein der Höhenkoordinate (z) des Abtastpunktes (48) entsprechendes Ausgangssignal bereitstellt,
mit Abtastpunkt-Stellungsgebern (26, 28), welche
den Koordinaten (x, y) der Abtastkopfachse (70) in einer
Referenzebene (z = 0) entsprechende Ausgangssignale bereitstellen,
und mit einem Korrekturspeicher (82), der mit
einem den Ist-Meßbedingungen zugeordneten Eingangssignal
beaufschlagt ist und zur Kompensation von Abweichungen
zwischen Ist-Meßbedingungen und Soll-Meßbedingungen dienende
Korrektursignale bereitstellt,
dadurch gekennzeichnet, daß
- - der Korrekturspeicher (82) eingangsseitig mit dem Ausgangssignal des Linsenstellungsgebers (66) beaufschlagt ist und in Abhängigkeit von diesem Signal (z) Korrektursignale (dx, dy, dz) bereitstellt, welche durch die Blattfederaufhängung der Linse (38) und/oder der Grundverkippung der Abtastkopfachse (70) bedingte Verfälschungen der Koordinaten der Abtastkopfachse (70) ausgleichen; und
- - eine Rechenschaltung (84, 86, 88) vorgesehen ist, welche den Ausgangssignalen (x, y, z) der Stellungsgeber (26, 28, 66) die Korrektursignale (dx, dy, dz) hinzufügt.
2. Meßmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Ausgangssignal des Linsenstellungsgebers (66)
auf einen Analog/Digitalwandler (80) gegeben wird und des
sen Ausgangssignal zur Adressierung des digitalen Korrektur
speichers (82) verwendet wird.
3. Meßmaschine zum optischen Ausmessen des Mikroprofiles
von Werkstückoberflächen, mit einer Lichtquelle (52),
mit einer durch zwei parallel übereinanderliegende Blattfedern
(40, 42) axial beweglich gelagerten Linse (38)
zum Abbilden der Lichtquelle auf die Werkstückoberfläche
(50) und zum Abbilden des von der Werkstückoberfläche
(50) reflektierten Lichtes auf eine Detektoranordnung
(60, 62, 64), die ein der Außerbrennpunktslage des
Abtastpunktes (48) auf der Werkstückoberfläche (50) zugeordnetes
Ausgangssignal bereitstellt, mit einem auf die
Linse (38) arbeitenden Fokussier-Stellmotor (36, 44),
mit einer Regelschaltung (46), die den Fokussier-Stellmotor (36, 44)
so erregt, daß das Ausgangssignal der Detektoranordnung
(60, 62, 64) dem bei einer Brennpunktslage des Abtastpunktes
(48) erhaltenen Ausgangssignal entspricht, mit einem die
Axialstellung der Linse (38) messenden Linsenstellungsgeber
(66),
welcher ein der Höhenkoordinate (z) des Abtastpunktes (48) entsprechendes Ausgangssignal bereitstellt,
mit Abtastpunkt-Stellungsgebern (26, 28), welche
den Koordinaten (x, y) der Abtastkopfachse (70) in einer
Referenzebene (z = 0) entsprechende Ausgangssignale bereitstellen,
und mit einem Korrekturspeicher (82), der mit
einem den Ist-Meßbedingungen zugeordneten Eingangssignal
beaufschlagt ist und zur Kompensation von Abweichungen
zwischen Ist-Meßbedingungen und Soll-Meßbedingungen dienende
Korrektursignale bereitstellt,
dadurch gekennzeichnet, daß
- - der Korrekturspeicher (82) eingangsseitig mit dem Ausgangssignal des Linsenstellungsgebers (66) beaufschlagt ist und in Abhängigkeit von diesem Signal (z) Korrektursignale (dx, dy, dz) bereitstellt, welche durch die Blattfederaufhängung der Linse (38) und/oder der Grundverkippung der Abtastkopfachse (70) bedingte Verfälschungen der Koordinaten der Abtastkopfachse (70) ausgleichen; und
- - eine Kompensations-Stelleinrichtung vorgesehen ist, die in Abhängigkeit von den vom Korrekturspeicher (82) bereitgestellten Korrektursignalen (dx, dy, dz) erregt wird, um den Meßlichtstrahl (54) oder das Werkstück entgegen dem Versatz zu bewegen.
4. Meßmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß das Ausgangssignal des Linsenstellungsgebers (66)
auf einen Analog/Digitalwandler (80) gegeben wird und dessen
Ausgangssignal zur Adressierung des digitalen Korrekturspeichers
(82) verwendet wird.
5. Meßmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Ausgangssignale der Abtastpunkt-Stellungsgeber
(26, 28) auf Analog/Digitalwandler (76, 78) gegeben werden
und die Rechenschaltung (84, 86, 88) digitale Summierkreise
aufweist, die mit den digitalisierten Ausgangssignalen der
Stellungsgeber (26, 28, 66) und den digitalen Korrektur
signalen (dx, dy, dz) des Korrekturspeichers (82) beauf
schlagt sind und versatzkompensierte Meßsignale be
reitstellen.
6. Meßmaschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Linse (38) transversal verschiebbar
oder verkippbar mit dem Abtriebsteil (36) des Fokussier-Stell
motors (44, 46) verbunden ist und die Kompensations-Stellein
richtung einen ebenfalls von diesen Abtriebsteil (36) ge
tragenen und an der Linse (38) angreifenden Kompensations
motor (140; 152) aufweist.
7. Meßmaschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß ein optisches Element (58), über welches
die Richtung des Meßlichtstrahles (54) vorgegeben wird,
verkippbar gelagert (154) ist und die Kompensations-Stelleinrich
tung einen an diesem optischen Element (58) angreifenden Kom
pensationsmotor (152) aufweist.
8. Meßmaschine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Kompensationsmotor (140; 152) ein
elektromagnetischer Aktuator, ein elektrostriktiver Aktu
ator oder ein magnetostriktiver Aktuator ist.
9. Meßmachine nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß
zum Programmieren des Korrekturspeichers
mittels eines Kalibrierkörpers (96), welcher eine
Mehrzahl parallel zur Aufstellfläche verlaufender Höhen
linien (104) bekannten Abstandes und bekannter Elevation über
der Basisfläche aufweist, wobei
die Höhenlinien (104) Kanten in der Oberfläche des
Eichkörpers (96) sind, an den Ausgang des Linsenstel
lungsgebers (66) ein Differenzierkreis (112) angeschlossen
ist, dessen Ausgangssignale zum Hochzählen eines Adressier
zählers (114) dienen, mit welchem ein Referenzspeicher (116)
adressiert wird, in welchem die Lagekoordinaten der Höhen
linien (104) abgelegt sind, und daß das Ausgangssignal des
Referenzspeichers (116) und das Ausgangssignal des Abtast
punkt-Stellungsgebers (26, 28) für die jeweilige Abtastrich
tung (x, y) und das Ausgangssignal des Referenzspeichers
(116) auf die Eingänge eines Subtrahierkreises (126) gegeben
werden, dessen Ausgang das Korrektursignal (dx, dy)
für die betrachtete Abtastrichtung bereitstellt, welches
in den Korrekturspeicher (82) eingelesen wird.
10. Meßmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß das Ausgangssignal des Linsenstellungsgebers (66)
und das Ausgangssignal des Referenzspeichers (116) auf
einen zweiten Subtrahierkreis (128) gegeben werden, der
ein Höhen-Korrektursignal (dz) bereitstellt, welches
in den Korrekturspeicher (82) eingelesen wird.
11. Meßmaschine nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeich
net, daß bei Verwendung eines Kalibrierkörpers (96), der eine von einem piezoelek
trischen oder magnetostriktiven Aktuator (104) getragene
Eichplatte (98) aufweist, deren Stirnfläche (100) die
Höhenlinien (104) trägt, der Programmierkreis (92)
einen Summierkreis (124) aufweist, der mit dem Ausgang eines
Festwertspeichers (122), der mit dem digitalisierten Steuer
signal (118, 120) für den Eichplatten-Aktuator (104) adres
siert wird und die Längenänderungen des Aktuators (104)
enthält, die für die verschiedenen Aktuator-Erregerspannungen
oder Erregerströme erhalten werden, und mit dem Ausgang des
Referenzspeichers (116) verbunden ist und ein modifiziertes
Referenzsignal bereitstellt.
Priority Applications (1)
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DE19904020527 DE4020527A1 (de) | 1990-06-28 | 1990-06-28 | Optische messmaschine |
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ID=6409214
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US6185030B1 (en) | 1998-03-20 | 2001-02-06 | James W. Overbeck | Wide field of view and high speed scanning microscopy |
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DE102005039949A1 (de) * | 2005-08-24 | 2007-03-01 | Olympus Soft Imaging Solutions Gmbh | Optische Aufzeichnungs- und/oder Wiedergabeeinheit |
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DE3150977A1 (de) * | 1981-12-23 | 1983-06-30 | Fa. Carl Zeiss, 7920 Heidenheim | Verfahren und einrichtung zur ermittlung und korrektur von fuehrungsfehlern |
DE3800427C2 (de) * | 1988-01-09 | 1997-05-28 | Breitmeier Ulrich | Gerät zum Ermitteln des Abstands eines auf einer Prüffläche liegenden Prüfpunktes von einer Referenzfläche |
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1990
- 1990-06-28 DE DE19904020527 patent/DE4020527A1/de active Granted
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