DE4023236A1 - Verfahren zum bestimmen der lage von raendern an werkstuecken - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Bestimmen der Maßhaltigkeit von Werkstücken mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Aus dem Aufsatz von X.L. Jiang und M. Molitor "Fresnel-Beugung für die Präzisions-Längenmeßtechnik" in Z. Technisches Messen tm, 54. Jahrgang Heft 10/1987, Seiten 375 bis 381 ist es be­ kannt, die Lage einer Werkstückkante aus dem Fresnel-Beugungs­ bild zu bestimmen, wenn diese Werkstückkante mit paralleli­ siertem Laserlicht beleuchtet wird. Das Beugungsbild wird von einem CCD-Zeilenarray aufgefangen und durch einen Rechner aus­ wertet. Nach der Theorie liegt bei der Fresnel-Beugung an einer scharfen, geraden Kante der gesuchte Kantenort bei 25% der Intensität des Lichtes, wenn als 100%-Intensität jene Intensi­ tät angesehen wird, die vorliegt, wenn keine Kante im Bild­ bereich liegt. Nachteilig dabei ist, daß nach einem auf­ wendigen Verfahren die theoretisch berechnete Beugungsfigur mit der realen Intensitätsverteilung auf dem CCD-Zeilenarray iterativ zur Deckung gebracht werden muß. Dazu muß zunächst aus der Intensitätsverteilung die Lage der 100%-Schwelle er­ mittelt und dann daraus bzw. aus den Schnittpunkten der Intensitätsverteilungskurve mit der 100%-Schwelle mit Hilfe eines aus der Anpassung der theoretischen Beugungsfigur an die beobachtete Beugungsfigur errechneten Umrechnungsfaktors die Kantenlage berechnet werden. Nachteilig ist ferner, daß eine in der Nähe der zu überprüfenden Kante liegende zweite Kante das Beugungsbild verändert, so daß dafür das für die Fresnel-Beugung an einer geraden Kante in einer Halbebene ge­ schaffene Auswerteverfahren nicht mehr paßt.

Aus der DE-37 15 922 A1 ist es bekannt, die Dicke eines Fadens aus dem Beugungsbild des Fadens zu bestimmen. Auf die Be­ stimmung der Lage von Kanten ist jenes Verfahren nicht anwend­ bar.

Aus der DE-25 44 296 A1 ist es bekannt, die mittlere Loch­ größe eines gelochten Körpers, insbesondere der Löcher einer Lochmaske für eine Farbfernsehröhre, aus deren Beugungsbild zu bestimmen. Für das Ermitteln der Lage der Kante eines Werkstückes eignet sich das darin beschriebene Verfahren jedoch ebenfalls nicht.

Ein optisches Verfahren mit welchem sich der Abstand zweier Ränder eines Werkstückes bestimmen läßt, ist aus der DE­ 35 43 993 A1 bekannt. Dieses bekannte Verfahren arbeitet mit zwei parallelen Meßstrecken, von denen jede einen licht­ elektrischen Sender und einen lichtelektrischen Empfänger enthält. Zur Bestimmung des Abstandes von zwei Außenkanten eines Werkstückes werden die beiden Meßstrecken in einem Ab­ stand voneinander angeordnet, der etwas kleiner ist als der Abstand der beiden Werkstückkanten, deren Abstand dadurch überprüft wird, daß man das Werkstück so anordnet, daß die eine Werkstückkante im Bereich der einen Meßstrecke und die andere Werkstückkante im Bereich der anderen Meßstrecke liegt. Der Abstand der Werkstückkanten wird geprüft, wenn eine der Werkstückkanten das eine Lichtstrahlenbündel um einen vorge­ gebenen Anteil seines Querschnitts unterbricht, beispielsweise um 50% in dieser Lage wird die vom lichtelektrischen Empfänger der anderen Meßstrecke empfangene Lichtintensität bestimmt und verglichen mit der Lichtintensität, die bei einem genau maß­ haltigen Werkstück auftreten würde. Ist die gemessene Intensi­ tät demgegenüber zu groß, dann haben die beiden Außenkanten des Werkstückes einen zu kleinen Abstand, ist die gemessene Intensität zu klein, haben die beiden Außenkanten des Werk­ stückes einen zu großen Abstand. Auf entsprechende Weise kann man auch den Abstand zweier Innenkanten eines Werkstückes überprüfen, wenn es zwischen den beiden Innenkanten durch­ strahlt werden kann. Das Verfahren eignet sich jedoch nicht für das Überprüfen kleiner Spaltbreiten, bei denen der meß­ technisch erforderliche geringe Abstand der beiden Meß­ strecken nicht eingehalten werden kann. Man könnte dem da­ durch begegnen, daß man die Breite enger Spalte mit nur einer Meßstrecke überprüft durch Messung der Intensität des vom Spalt durchgelassenen Lichtstrahlbündels. Es zeigt sich jedoch, daß eine solche Messung recht ungenau ist und um so ungenauer wird, je kleiner die Spaltbreite ist. Hinzu kommt, daß bei dem bekannten Verfahren Streulicht und Änderungen der Empfindlichkeit der lichtelektrischen Empfänger das Meßergebnis verfälschen und eine Überprüfung der Lage eines Spaltes im Werkstück zusätzlich zu seiner Breite nicht möglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Ver­ fahren und eine Vorrichtung anzugeben, durch welche sich die Maßhaltigkeit von Werkstücken auf verhältnismäßig einfache Weise genauer überprüfen läßt als das mit dem bisherigen, auf einer Intensitätsmessung beruhenden optischen Verfahren mög­ lich war, welches in der Auswertung einfacher ist als das eingangs genannte Verfahren zur Bestimmung der Lage einer einzelnen Kante aus der Fresnel-Beugung und welches nicht nur anwendbar ist für die Bestimmung der Lage einer einzelnen Kante sondern auch für die Bestimmung der Lage von benach­ barten Kanten.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 bzw. im Anspruch 4 angegebenen Merkmalen. Eine zur Durchführung des Verfahrens besonders geeignete Vorrichtung ist Gegenstand des Anspruchs 11. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Im Gegensatz zum Stand der Technik beruht das erfindungsgemäße Verfahren weder auf der bloßen Messung der Restintensität eines durch das Werkstück teilweise unterbrochenen Lichtstrahls noch auf der Auswertung des Fresnel-Beugungsbildes einer einzelnen Kante in einer Halbebene, sondern auf der Auswertung eines Beugungsbildes, welches durch einen beleuchteten Spalt ent­ worfen wird. Das Beugungsbild besteht aus einem zentralen Maximum der Lichtintensität in der Richtung des den Spalt ge­ radlinig durchsetzenden Lichtstrahlenbündels. Zu beiden Seiten des zentralen Maximums findet man Beugungsmaxima mit abnehmen­ der Intensität, welche durch Beugungsminima voneinander ge­ trennt sind. Die Lage der Beugungsminima oder Beugungsmaxima gibt man üblicherweise durch den Winkel an, den die Richtung, in welcher das Beugungsmaximum bzw. Beugungsminimum liegt, mit der Richtung des auf den Spalt auftreffenden Lichtstrahlen­ bündels einschließt. Aus der Theorie der Beugung am Spalt ist bekannt, daß die Lage der Beugungsmaxima und der Beugungs­ minima von der Wellenlänge λ des verwendeten Lichtes und der Spaltbreite b abhängt. Ist α_n die Lage des n-ten Beugungs­ minimums mit n = 1, 2, 3, 4 . . ., dann gilt

Ist der β_n die Lage des n-ten Beugungsmaximums, so gilt

Auf dieser Grundlage ist es möglich, aus der Lage der Beugungsminima und/oder -maxima die Spaltbreite sehr genau zu bestimmen. Mit der Spaltbreite kennt man zugleich die Lage des einen Randes des Spaltes, wenn die Lage des anderen Randes (Referenzrand) als bekannt angenommen wird. Dabei kommt es der Genauigkeit der Bestimmung kleiner Spaltbreiten entgegen, daß das Beugungsbild um so stärker auseinandergezogen wird, je schmaler der Spalt ist. Aus der Tatsache, daß man Beugungsbilder nur mit schmalen Spalten erzeugen kann, folgt aber keineswegs, daß das Ver­ fahren nur zur Bestimmung oder Überprüfung der Breite von schmalen Spalten eingesetzt werden kann.

Vielmehr kann die Erfindung auch zum Bestimmen oder Über­ prüfen der Maßhaltigkeit von breiten Spalten bzw. der Lage von einzelnen Werkstückkanten genutzt werden, indem man die zu überprüfende Kante und eine Referenzkante, deren Lage genau bekannt ist, nebeneinander anordnet, so daß sie ge­ meinsam einen Spalt begrenzen. Da die Lage der Referenzkan­ te bekannt ist, gibt das Beugungsbild in diesem Fall Aus­ kunft über die Lage der gegenüberliegenden Kante des Werk­ stückes. Bei der Referenzkante handelt es sich am besten um den Rand eines gesonderten Gegenstandes, z. B. um eine scharfkantige Blende, welche dicht neben dem Werkstück ange­ ordnet wird, bei dem die Lage eines Randes bestimmt werden soll. Diese Vorgehensweise ist bei praktisch allen Werk­ stücken möglich, deren Rand zwischen einer Lichtquelle und einem Empfänger angeordnet werden kann. Es ist aber auch möglich den Referenzrand am zu untersuchenden Werkstück selbst vorzusehen, vornehmlich dann, wenn es nur auf deren Relativlage ankommt. Aus der erfindungsgemäß bestimmten Lage zweier Ränder oder Kanten eines Werkstücks kann natürlich auch leicht deren Abstand berechnet und kontrolliert werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren liefert nicht nur eine Aus­ sage über die Breite eines Spaltes und damit über die Lage der den Spalt begrenzenden Kanten relativ zueinander, sondern auch über die absolute Lage des Spaltes, denn die Lage der Mitte des Beugungsbildes ist bestimmt durch die Lage der Mitte des Spaltes. Die Lage der Mitte des Beugungsbildes kann unmittelbar aus der Lage des zentralen Intensitäts­ maximums im Beugungsbild entnommen werden, wird vorzugsweise jedoch aus der Lage der zu beiden Seiten des zentralen Maximums liegenden Beugungsmaxima und/oder -minima gewonnen, was zu einer höheren Genauigkeit führt, da das zentrale Maximum im allgemeinen sehr viel breiter ist als die zu bei­ den Seiten anschließenden Beugungsmaxima. Darüberhinaus ist es zweckmässig, das zentrale Intensitätsmaximum auszublenden oder am Ausgang des Empfängers zu unterdrücken, da seine Intensität um eine Größenordnung höher liegt als die Inten­ sität der Beugungsmaxima; es ist deshalb günstiger, die Empfindlichkeit des Empfängers an die Intensität der Beugungs­ maxima, nicht aber an die Intensität des zentralen Maximums anzupassen.

Der Abstand der Beugungsmaxima oder -minima gleicher Ord­ nung ist ein Maß für die Spaltbreite und die Mitte zwischen Minima oder Maxima gleicher Ordnung ist ein Maß für die absolute Lage des Spaltes. Im Prinzip kann man die Spalt­ breite und die absolute Lage des Spaltes aus der Lage des ersten Beugungsmaximums oder des ersten Beugungsminimums bestimmen. Es ist jedoch vorteilhaft, für die Bestimmung Beugungsmaxima und/oder -minima höherer Ordnung zusätzlich heranzuziehen, soweit diese beobachtbar sind, da diese eben­ falls die Information über die Spaltbreite und die absolute Lage des Spaltes enthalten; durch Mittelwertbildung der aus der Lage der Beugungsmaxima und/oder -minima unterschied­ licher Ordnung gewonnenen Maßangaben erhält man eine genauere Aussage über die Maßhaltigkeit des Werkstückes. Erste Ver­ suche haben gezeigt, daß es ohne weiteres möglich ist, durch das erfindungsgemäße Verfahren Maßabweichungen fest­ zustellen, die kleiner sind als 5/1000 mm.

Da das Beugungsbild von der Wellenlänge des verwendeten Lichtes abhängt, verwendet man zweckmäßigerweise eine ein­ farbige Lichtquelle, insbesondere eine Laser-Lichtquelle. Prinzipiell könnte man aber auch mit weißem Licht arbeiten und vor dem Empfänger ein Filter anordnen, welches nur Licht einer Farbe durchläßt.

Es ist ein Vorteil der Erfindung, daß die Genauigkeit des Verfahrens nicht von der Intensität des verwendeten Lichtes abhängt, sondern nur von der Intensitätsverteilung im Beugungsbild. Intensitätsschwankungen der Lichtquelle haben deshalb keinen unmittelbaren Einfluß auf die Meßgenauigkeit; sie haben einen Einfluß auf die Meßgenauigkeit allenfalls da­ durch, daß bei verminderter Intensität möglicherweise weniger Beugungsmaxima beobachtet werden können. Ähnliches gilt für den Einfluß von Streulicht, welches die Meßgenauigkeit nicht beein­ flußt, solange sich die Lichtintensität in einem Beugungsmaximum noch deutlich vom Streulichtpegel abhebt. Dennoch ist es vorteil­ haft, Streulicht auszuschalten, um die Beugungsmaxima leichter beobachten zu können. Streulicht kann einfach dadurch ausge­ schaltet werden, daß man den Spalt mit linear polarisiertem Licht beleuchtet und vor dem Empfänger ein Polarisationsfilter anordnet, dessen Polarisationsrichtung mit der Polarisations­ richtung des auf den Spalt geworfenen Lichtes übereinstimmt. Streulicht mit anderen Polarisationsrichtungen gelangt des­ halb nicht auf den Empfänger.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat als Empfänger einen optisch-elektrischen Wandler, der die räumliche Verteilung der Lichtintensität wenigstens in einer Richtung, nämlich in Richtung quer zur Längsrichtung des Spaltes erfaßt. Es könnte sich dabei um eine einzelne Fotozelle handeln, auf welche das Beugungsbild mit Hilfe eines Drehspiegels oder eines Schwingspiegels abgebildet wird, welcher das Beugungs­ bild abtastet. Vorzugsweise wird jedoch ein statischer Empfänger mit einem optisch-elektrischen Wandler verwendet, welcher wenigstens eine Zeile von Detektorelementen hat, welche von dem gebeugten Licht getroffen werden. Besonders geeignet ist als Wandler ein ladungsgekoppelter Detektor, im allgemeinen als "CCD" (charge coupled device) bezeichnet. Ein CCD hat einerseits eine ausreichende Empfindlichkeit und läßt sich andererseits mit einer für den vorliegenden Verwendungszweck ausreichenden Dichte von Detektorelementen herstellen. Jedes einzelne Detektorelement liefert ein Spannungssignal, dessen Stärke ein Maß für die Lichtintensi­ tät ist, die das Detektorelement empfangen hat. Die Folge der Spannungssignale einer Zeile von Detektorelementen gibt deshalb mit der von der Größe der Detektorelemente gegebenen Auflösung die längs dieser Zeile existierende Intensitäts­ verteilung des Lichtes und damit das Beugungsbild wieder. Fragt man die Detektorelemente der Reihe nach ab, so erhält man ein analoges Spannungssignal, welches unmittelbar die räumliche Intensitätsverteilung des Lichtes wiederspiegelt. Die Auswerteschaltung, die zu der erfindungsgemäßen Vor­ richtung gehört, hat die Aufgabe, die Maxima und die Minima dieser Spannungskurve aufzusuchen, was dadurch erleichtert werden kann, daß man das Signal zuvor glättet, indem man es durch ein Tiefpaßfilter hindurchschickt.

Die Maxima und/oder Minima werden dem jeweiligen Detektor­ element zugeordnet, bei dem sie auftreten. Da jedes Detektor­ element eine feste Position hat, ist dadurch die Lage des jeweiligen Maximums oder Minimums bekannt. Um ein Signal zu gewinnen, welches ein Maß für die Spaltbreite ist, muß die Auswerteschaltung deshalb nur eine Differenzbildung vornehmen, beispielsweise die Differenz der Positionen der beiden Maxima erster Ordnung berechnen, wobei aus mehreren Messungen, ggfs. bei unterschiedlichen Ordnungen, zur Er­ höhung der Genauigkeit Mittelwerte gebildet werden können. Zur Bestimmung der absoluten Lage des Spaltes genügt es beispielsweise, die Mitte zwischen den Maximas erster Ordnung aufzusuchen. Die Rechenoperationen, die die Auswerteschal­ tung durchzuführen hat, sind mithin sehr einfach. Die Digitali­ sierung des durch Abfrage des Wandlers gewonnenen Spannungs­ signals nimmt man zweckmäßigerweise so früh wie möglich vor; am besten führt man es unmittelbar einem Analog-Digital- Wandler zu und glättet es anschließend durch ein digitales Tiefpaßfilter.

Bei Verwendung eines CCD-Wandlers wertet man zweckmäßiger­ weise das zentrale Maximum der Lichtintensität nicht aus, sondern unterdrückt es, damit durch die hohe Intensität dieses zentralen Maximums die an den Bereich des Maximums angrenzenden Detektorelemente nicht mit aufgeladen werden und das Meßergebnis verfälschen.

Als Lichtquelle verwendet man am besten einen Halbleiter- Laser mit Kollimator, welcher einfarbiges, paralleles Licht liefert. Der Laser und die Auswerteschaltung können durch ein extern zugeführtes Signal oder durch ein von der Tätigkeit der Mittel zum Positionieren des Werk­ stücks im Lichtweg abgeleitetes Signal getriggert wer­ den, so daß immer dann, wenn ein Werkstück in der zum Überprüfen der Maßhaltigkeit vorgesehenen Lage positio­ niert ist, ein Lichtimpuls ausgesandt und sein Beugungs­ bild ausgewertet werden können. Bei der hohen Wiederhol­ frequenz, die mit einem Halbleiter-Laser und mit einem CCD-Wandler möglich ist, können im allgemeinen sogar Mehrfachmessungen durchgeführt werden, ohne daß der Arbeitstakt einer Werkzeugmaschine, welche die zu über­ prüfenden Werkstücke an die erfindungsgemäße Vorrich­ tung liefert, verlangsamt werden müßte. Dies soll an einem praktischen Beispiel verdeutlicht werden: Mit einer Vorrichtung, die mit einer Laserdiode und mit einem einzeiligen CCD-Wandler mit 2048 Detektorelementen arbeitet, konnten bei einem Arbeitstakt von 1500 pro Minute 10 Messungen pro Werkstück (d. h. 10 Messungen in ca. 7 ms) durchgeführt werden, wodurch eine hohe Meßgenauigkeit von weit unter 5/1000 mm erreicht werden konnte.

Entsprechend der hohen Arbeitsgeschwindigkeit ist die Erfindung besonders geeignet zum Überprüfen von unter­ einander gleichen Kleinteilen, welche in rascher Folge von einer Werkzeugmaschine geliefert werden, z. B. von elektrischen Steckkontakten mit maulförmiger Einsteck­ öffnung, deren Weite zur Erzielung einer vorgegebenen Kontaktkraft einen vorgegebenen Wert einhalten soll.

Dieses Maul kann durch einen Lichtstrahl durchstrahlt werden und liefert dabei ein Beugungsbild.

Optische Apparaturen reagieren üblicherweise empfindlich auf Verunreinigungen. Das gilt auch im vorliegenden Fall. Werkstücke aus einer laufenden mechanischen Fertigung sind häufig nicht be­ sonders sauber. Die optischen Elemente der Vorrichtung können deshalb durch Staub, Abrieb, Ölnebel und dgl. verunreinigt wer­ den. Es ist deshalb von Vorteil, sie möglichst abzuschirmen, z. B. dadurch, daß man den Wandler, die Lichtquelle, die ihnen zugeordneten weiteren optischen Bauelemente und die Prüfposition für die einzelnen Werkstücke in einer Kammer anordnet, in wel­ cher man einen Überdruck herstellt, sei es dadurch, daß man eine Druckluftleitung in die Kammer einmünden läßt, sei es da­ durch, daß man ein Gebläse vorsieht, welches gefilterte Luft in die Kammer einbläst. Auf diese Weise verhindert man das uner­ wünschte Eindringen von Staub oder Nebeln. Es ist aber auch möglich, den Wandler, die Lichtquelle und die ihnen zugeordne­ ten weiteren optischen Bauelemente in abgeschlossenen Kammern anzuordnen, die durch Fenster Sichtverbindung mit der Prüf­ position haben und nur die Prüfposition in einer offenen Kammer mit Überdruck anzuordnen. Soweit die Werkstücke selbst Ver­ unreinigungen in die Kammer einschleppen, ist von Fall zu Fall zu überprüfen, ob sie vor dem Meßvorgang gereinigt werden müssen.

Angesichts der hohen Prüfgeschwindigkeit wird es in manchen Fällen entbehrlich sein, die Mittel zum Positionieren der Werk­ stücke in der Prüfposition so auszubilden, daß sie die Werk­ stücke insgesamt absolut ruhig stellen. Bei leichten Werk­ stücken kann das jedoch erforderlich sein, insbesondere dann, wenn sie nach Art ihres Aufbaus oder ihrer Anordnung dazu neigen, zu vibrieren. Für diesen Fall empfiehlt es sich, in der Prüfposition eine Festhaltevorrichtung, bei­ spielsweise einen Niederhalter für das zu prüfende Werk­ stück vorzusehen.

Im Hinblick darauf, daß die erfindungsgemäße Vorrich­ tung im Zusammenhang mit einer Werkzeugmaschine ar­ beiten soll, wird es sich in vielen Fällen zwangsläu­ fig ergeben, daß eine schrittweise arbeitende Vorschub­ einrichtung vorgesehen ist, welche die Werkstücke im Takt der Werkzeugmaschine durch die erfindungsgemäße Vor­ richtung hindurchführt. In vielen Fällen werden die Werkstücke untereinander durch einen Steg verbunden sein. Durch die schrittweise arbeitende Vorschubein­ richtung werden die Werkstücke deshalb in manchen Fäl­ len automatisch für den optischen Prüfvorgang positioniert werden. Für die meisten Fälle wird es sich jedoch empfehlen, in der Prüfposition eine Ausrichteinrichtung für die Werkstücke vorzusehen, z. B. Stifte, die in Löcher des Steges eingreifen, an welchem die Werkstücke hängen oder ein Bett zur Aufnahme der Werkstücke, um sicher zu sein, daß diese eine vorbestimmte Ausrichtung im Bezug auf die optische Meßstrecke haben.

In der Prüfposition sieht man mit Vorteil auch ein Refe­ renzteil mit einer Referenzkante vor, deren Lage genau bekannt und vorzugsweise justierbar ist. Diese Referenz­ kante ermöglicht es, die Lage von einzelnen Werkstück­ kanten zu überprüfen, die zu diesem Zweck neben der Referenzkante angeordnet werden und mit dieser zusammen einen Spalt begrenzen.

Stellt die Auswerteschaltung Maßabweichungen fest, die einen vorgegebenen Schwellenwert überschreiten, dann teilt sie das auf irgendeine Weise unter Identifizierung des Werk­ stückes mit. Zweckmäßigerweise werden solche nicht ge­ nügend maßhaltigen Werkstücke körperlich markiert (z. B. durch einen Farbtupfer) oder ausgesondert (z. B. dadurch, daß man sie von einem Steg, welcher mehrere Werkstücke verbindet, abtrennt). Um das zu ermöglichen, ist vorzugsweise ein Schieberegister vorgesehen, in welchem die Kennung nicht­ maßhaltiger Werkstücke für eine gewisse Anzahl von Ar­ beitsschritten zwischengespeichert wird, nämlich bis das jeweilige Werkstück nach einigen Arbeitstakten abseits der optischen Meßstrecke ein Werkzeug erreicht, mit dem es ent­ sprechend markiert oder abgetrennt werden kann.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist es sogar möglich, die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Regelung der Werkzeugmaschine einzusetzen, indem die Auswerteschal­ tung aus der Maßabweichung (Sollwert-Istwert-Abweichung) ein Stellsignal bildet, um die Einstellung der Werkzeug­ maschine mit dem Ziel einer geringeren Maßabweichung zu verändern.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den beige­ fügten Zeichnungen schematisch dargestellt.

Fig. 1 zeigt den Aufbau einer erfindungsgemäßen Vor­ richtung in Blockdarstellung,

Fig. 2 zeigt den optischen Teil der Vorrichtung in einem Gehäuse im Längsschnitt,

Fig. 3 zeigt die Anordnung aus Fig. 2 in einem Längs­ schnitt in einer um 90° gegenüber der Schnitt­ ebene gemäß Fig. 2 verdrehten Ebene, und

Fig. 4 zeigt als Detail die Anordnung eines Referenz­ teils neben einem zu untersuchenden Werkstück.

Fig. 1 zeigt den Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Blockdarstellung. Sie umfaßt eine Lichtquelle 1, ins­ besondere in Gestalt einer Laserdiode, gefolgt von einem Kollimator 2, einem ersten Polarisationsfilter 3, einem zweiten Polarisationsfilter 4, einer Sammellinse 5, bei der es sich auch um eine Mehrfachlinse handeln kann, und einem optisch-elektrischen Wandler 6 in Gestalt eines CCD, an welchen sich eine Auswerteschaltung anschließt. Die bei­ den Polarisationsfilter 3 und 4 stimmen in ihrer Polari­ sationsrichtung überein. In einer zwischen den beiden Polari­ sationsfiltern 3 und 4 befindlichen Prüfposition 7 befindet sich ein zu überprüfendes Werkstück 8 und dicht daneben ein Referenzteil 18. Die benachbarten Ränder des Werkstücks 8 und des Referenzteils 18 begrenzen einen parallelen Spalt 9, der durch paralleles, linear polarisiertes Licht beleuchtet wird. Das Licht wird durch den Spalt gebeugt und durch die Linse 5 auf den optisch-elektrischen Wandler 6 fokussiert, so daß auf dessen Oberfläche ein Beugungsbild des Spaltes 9 entsteht, wobei das zweite Polarisationsfilter 4 dafür sorgt, daß das Beugungsbild nicht durch Streulicht und Fremdlicht überlagert wird.

Der Spalt 9 könnte auch im zu untersuchenden Werkstück selbst ausgebildet sein.

Die dem optisch-elektrischen Wandler 6 folgende Auswerte­ schaltung umfaßt einen Analog-Digital-Wandler 10, ein digitales Tiefpaßfilter 11, einen Maximumdetektor 12, welcher die Lage der Beugungsmaxima im Beugungsbild auf dem optisch­ elektrischen Wandler 6 feststellt, einen Schaltungsteil 13 zur Mittelwertbildung, welcher aus mehreren aufeinanderfolgen­ den Maximumbestimmungen den Mittelwert bildet, einen Verglei­ cher 14, welcher den Mittelwert der Lage des beobachteten Beugungsmaximums mit einem vorgegebenen Sollwert vergleicht, und einer Ausgabeeinheit 15, welche die Abweichung des Mittel­ wertes vom Sollwert anzeigt. Der Vergleicher 14 kann auch ein Rechner sein, der aus der Minimum/Maximum-Bestimmung den Ist-Wert der Spaltbreite errechnet und mit dem Sollwert ver­ gleicht. Mit Vorteil ist zusätzlich ein Schieberegister 16 vor­ gesehen, in welchem die Kennung von Werkstücken 7, bei denen die Abweichung der Lage des beobachteten Beugungsmaximums vom Sollwert eine vorgegebene Schwelle überschreitet, vorübergehend gespeichert wird. Das Schieberegister 16 steuert eine Be­ tätigungsvorrichtung 17, welche dieses Werkstück 7, dessen Kennung im Schieberegister 16 zwischengespeichert ist, zu einem späteren Zeitpunkt aussondert. Darüberhinaus kann der Vergleicher 14 ein Stellglied 19 ansteuern, welches seiner­ seits im Rahmen eines Regelkreises eine Werkzeugmaschine, auf welcher die zu untersuchenden Werkstücke hergestellt oder bearbeitet werden, steuert mit dem Ziel einer geringeren Maß­ abweichung des Werkstücks.

Die Fig. 2 und 3 zeigen, wie die optischen Teile der Vor­ richtung in einem Gehäuse 20 angeordnet sind. Das Gehäuse hat hintereinander drei getrennte Kammern, nämlich eine erste Kammer 21, in welcher sich die Lichtquelle 1, der Kollimator 2 und das erste Polarisationsfilter 3 befinden, eine zweite Kammer 22, in welcher sich das zweite Polarisationsfilter 4, die zylindrische Sammellinse 5 und der als Bildaufnehmer dienende optisch-elektrische Wandler 6 befinden. Zwischen diesen beiden Kammern befindet sich eine Druckkammer 23, in welcher sich die Prüfposition 7 für die zu untersuchenden Werkstücke befindet.

Die erste Kammer 21 und die zweite Kammer 22 sind zur Um­ gebung hin abgeschlossen und weisen zur Druckkammer hin jeweils ein Fenster 24 bzw. 25 auf. Die Druckkammer hat auf der einen Seite einen Eingang für das Einbringen der zu untersuchenden Werkstücke und an der gegenüberliegenden Seite einen Ausgang 27, durch welchen die untersuchten Werk­ stücke die Druckkammer 23 wieder verlassen. An einer zwischen dem Eingang 26 und dem Ausgang 27 gelegenen Seite, vorzugs­ weise an der Unterseite, hat die Druckkammer 23 einen Luft­ einlaßstutzen 28, in welchen gefilterte Luft eingeblasen wer­ den kann, wodurch in der Druckkammer ein Überdruck entsteht, der das Eindringen von Staub oder Nebeln verhindern soll.

Darüberhinaus befinden sich in der Druckkammer 23 und in der zweiten Kammer 22 noch je eine Spaltblende 29 und 30.

Das zu untersuchende Werkstück 8 ist in den Fig. 2 und 3 nur symbolisch angedeutet. Es wird durch ein justierbar in der Prüfposition 7 angebrachtes Referenzteil 18 zu einem Spalt 9 ergänzt (siehe auch Fig. 4).

In Fig. 4 ist dargestellt, wie an einem gehäusefesten Strukturteil 31 das justierbare Referenzteil 18 angebracht ist, welches zur Begrenzung des Spaltes 9 eine scharfe Kante 18a aufweist, der gegenüber der Rand 8a des Werkstücks 8 angeordnet wird, dessen Lage bestimmt werden soll. Um das Werkstück 8 während der Messung ruhig zu halten, ist eine Festhaltevorrichtung vorgesehen, welche aus einem am Struktur­ teil 31 angebrachten Anschlagteil 32 und einem demgegenüber beweglichen Niederhalter 33 besteht, zwischen denen das Werk­ stück 8 eingeklemmt werden kann.

Die dargestellte Vorrichtung eignet sich besonders für Werk­ stücke, die aneinanderhängend einen Strang bilden und als Strang durch die Druckkammer 23 hindurchbewegt werden, wo­ bei in der Darstellung gemäß Fig. 4 die Bewegungsrichtung des Bandes senkrecht zur Zeichenebene steht. Für die Dauer der Messung werden die Werkstücke 8 jeweils zwischen dem Anschlagteil 32 und dem Niederhalter 33 festgelegt, so daß die Bewegung schrittweise erfolgt. Wie Fig. 4 zeigt, ist das Anschlagteil 32 winklig ausgebildet, so daß es den Lichtweg nicht unterbricht.

Claims (24)

1. Verfahren zum Bestimmen der Lage von Rändern an Werk­ stücken durch

• - Beleuchten des Randes mit parallelem Licht und
• - Auffangen und Auswerten eines einfarbigen Beugungs­ bildes des Randes auf einem lichtempfindlichen Empfänger, dadurch gekennzeichnet, daß ein Beugungsbild eines Spaltes entworfen wird, der einerseits durch den zu überprüfenden Rand und andererseits durch einen Rand begrenzt wird, dessen Lage als bekannt angenommen wird (nachfolgend als Referenz­ rand bezeichnet), und daß aus der Lage der Beugungsmaxima und/oder der Beugungs­ minima die Spaltbreite berechnet wird, welche ein Maß für die Lage des Randes in Bezug auf den Referenzrand ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des Spaltes ein gesonderter Gegenstand mit einer den Referenzrand bildenden Kante dicht neben dem Rand des Werkstücks angeordnet wird, dessen Lage bestimmt werden soll.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Referenzrand eine am Werkstück selbst ausge­ bildete Kante verwendet wird.

4. Verfahren zum Überprüfen der Maßhaltigkeit von Werk­ stücken an Stellen, die einen Spalt begrenzen, durch

• - Beleuchten des Spaltes mit parallelem Licht
• - Auffangen eines einfarbigen Beugungsbildes des Spaltes auf einem lichtempfindlichen Empfänger, und
• - Vergleich der Lage der Beugungsmaxima und/oder der Beugungsminima mit der Lage der Beugungsmaxima bzw. -minima im Beugungsbild eines Werkstücks mit genau maßhaltigem Spalt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück und eine gesonderte Referenzkante zur Bildung eines Spaltes dicht nebeneinander angeordnet werden.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Lage der Beugungs­ maxima ausgewertet, das zentrale Maximum dabei jedoch aus­ geblendet oder unterdrückt wird.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß durch Bestimmen des Abstands der Beugungsmaxima und/oder -minima gleicher Ordnung die Spaltbreite und durch Bestimmen der absoluten Lage des Haupt­ maximums und/oder der Beugungsmaxima oder -minima die Lage des Spaltes im Werkstück überprüft wird.

8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Lage von Beugungsmaxima und/oder -minima unterschiedlicher Ordnung bestimmt und daraus ein Mittelwert für die Lage und/oder Breite des Spaltes abge­ leitet wird.

9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Spalt mit linear polarisiertem Licht beleuchtet und nur Licht mit derselben Polarisationsrichtung zum Empfänger durchgelassen wird.

10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Spalt mit Laserlicht bestrahlt wird.

11. Vorrichtung zum Durchführen des in einem der vorstehenden Ansprüche angegebenen Verfahrens gekennzeichnet durch
eine paralleles Licht aussendende Lichtquelle (1),
einen Empfänger, welcher einen optisch-elektrischen Wandler (6) unter Verwendung eines lichtempfindlichen Halbleiters umfaßt, der die räumliche Verteilung der Lichtintensität wenigstens in einer Richtung erfaßt,
eine einen Rechner enthaltende Schaltung (10 bis 16) zum Auswerten des Ausgangssignals des optisch-elektrischen Wandlers (6)
und Mittel zum Positionieren des Werkstücks (8) im Licht­ weg an einer zwischen der Lichtquelle (1) und dem Wandler (6) gelegenen Stelle (nachfolgend als Prüfposition (7) be­ zeichnet).

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (6) ein ladungsgekoppelter Detektor (CCD) ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lichtquelle (1) ein Halbleiter­ laser mit Kollimator (2) ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen der Lichtquelle (1) und der Prüfposition (7) ein erstes Polarisationsfilter (3) und zwischen der Prüfposition (7) und dem Wandler (6) ein zweites Polarisationsfilter (4) liegt und daß beide Pola­ risationsfilter (3, 4) in ihrer Polarisationsrichtung über­ einstimmen.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung (10 bis 16) ein Tiefpaßfilter (11) enthält.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Wandler (6) und dem Tiefpaßfilter (11) ein Analog-Digital-Wandler (10) angeordnet ist und daß das Tiefpaßfilter (11) ein digitales Filter ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, da­ durch gekennzeichnet, daß wenigstens die Prüfposition, (7) ggfs. auch die Lichtquelle (1), der Wandler (6) und die ihnen zugeordneten optischen Bauelemente (2, 3, 4, 5) in einer Kammer (23) angeordnet sind, in welche zur Erzeugung eines Überdrucks eine Zuleitung für unter einem Überdruck stehende Luft einmündet.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, da­ durch gekennzeichnet, daß in der Prüfposition (7) eine Festhaltevorrichtung (32, 33) für das zu prüfende Werk­ stück (8) vorgesehen ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 18, da­ durch gekennzeichnet, daß der Prüfposition (7) eine Ausrichteinrichtung, z. B. Stifte für das Werkstück, (8) zuge­ ordnet ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfposition (7) ein Referenzteil (18) mit einer Referenzkante (18a) zuge­ ordnet ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeich­ net, daß die Lage der Referenzkante (18a) justier­ bar ist.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 21, da­ durch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (10 bis 16) zur vorübergehenden Speicherung der Kennung von Werkstücken (7), deren Maßabweichung eine vorgegebene Schwelle überschreitet, ein Schieberegister (16) enthält.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Schieberegisters (16) eine Be­ tätigungsvorrichtung (17) zum Aussondern des Werkstückes (7) steuert, dessen Kennung im Schieberegister (16) gespeichert ist.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 23, da­ durch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (10 bis 16) zugleich Stellglied eines Regelkreises ist, welches auf eine Werkzeugmaschine einwirkt, die die zu prüfenden Werkstücke liefert.