DE9004842U1 - Surface measuring device - Google Patents

Surface measuring device

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Description

2921.0 ,&Zgr; - "1 - : 03.04.19902921.0 ,&Zgr; - "1 - : 03.04.1990

BeschreibungDescription

5 Die Erfindung betrifft ein Gerät zum Ausmessen der Mikrokontur von Werkstückoberflächen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.5 The invention relates to a device for measuring the microcontour of workpiece surfaces according to the preamble of claim 1.

Derartige Geräte sind für unterschiedliche Anforderungen im Einsatz.Such devices are used for different requirements.

Zuweilen wäre es vorteilhaft, wenn man die Mikrokontur einer Werkstückoberfläche nach verschiedenen Verfahren ausmessen könnte, z. B. einmal auf optischem Wege, das andere Mal auf taktilem Wege, oder einmal auf taktilem Wege, das andere Mal auf elektrischem Wege. Ein derartiges komplexeres Ausmessen der Mikrokontur wird bisher in der Praxis nicht durchgeführt, da zum einen hierdurch die Meßzeit mindestens verdoppelt wird, zum anderen auch die beiden Sätze von Meßwerten nicht ohne weiteres einander zugeordnet werden können. Hierzu müßten die verschiedenen Fühler auf exakt gleiche Ausgangsstellung einjustiert werden, was gerade bei nach verschiedenen Meßprinzipien arbeitenden Fühlern große Schwierigkeiten bereitet.Sometimes it would be advantageous if the microcontour of a workpiece surface could be measured using different methods, e.g. once optically and another time tactilely, or once tactilely and another time electrically. Such complex microcontour measurement has not yet been carried out in practice, because on the one hand it would at least double the measuring time and on the other hand the two sets of measured values cannot be easily assigned to one another. To do this, the different sensors would have to be adjusted to exactly the same starting position, which is particularly difficult with sensors that work according to different measuring principles.

Durch die vorliegende Erfindung soll daher ein Gerät zum Ausmessen der Mikrokontur von Werkstückoberflächen geschaffen werden, mit welchem die Mikrokontur ohne nennenswerte Vergrößerung der Meßzeit und ohne aufwendige Justierung der Fühlerausgangslagen unter Verwendung unterschiedlicher Meßprinzipien ausgemessen werden kann.The present invention therefore aims to provide a device for measuring the microcontour of workpiece surfaces, with which the microcontour can be measured without a significant increase in the measuring time and without complex adjustment of the sensor starting positions using different measuring principles.

Wie eingangs schon dargelegt, können sich die verschiedenen Meßprinzipien grundsätzlich unterscheiden, z. B. berührungsloses optisches Ausmessen, berührungsloses elektrischesAs already explained at the beginning, the different measurement principles can differ fundamentally, e.g. non-contact optical measurement, non-contact electrical

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Ausmessen, elektrisches Ausmessen unter elektrisch leitendem Kontakt, taktiles Ausmessen. Bei den verschiedenen Fühlern kann es sich aber auch um solche handeln, die nach dem gleichen Grund-Meßprinzip arbeiten, sich jedoch in ihrer Arbeitscharakteristik unterscheiden, z. B. zwei mechanische Tastspitzen, die sich in der Geometrie der Tastspitze, der Federvorspannung oder der Dämpfung unterscheiden, oder zwei optische Fühler, die sich in der Größe des ausgeleuchteten Flecks der Werkstückoberfläche unterscheiden usw..Measuring, electrical measuring under electrically conductive contact, tactile measuring. The different sensors can also be those that work according to the same basic measuring principle, but differ in their operating characteristics, e.g. two mechanical probe tips that differ in the geometry of the probe tip, the spring preload or the damping, or two optical sensors that differ in the size of the illuminated spot on the workpiece surface, etc.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.Advantageous further developments of the invention are specified in the subclaims.

Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 2 wird erreicht, daß die Ausgangssignale der verschiedenen Fühler, die zu einem vorgegebenen Zeitpunkt erhalten werden, dem gleichen Punkt der Werkstückoberfläche zugeordnet sind. Die Interpretation und Auswertung der Fühlerausgangssignale gestaltet sich somit besonders einfach, auch ein Ableiten eines kontrastreicheren Meßsignales durch Zusammenfassen der beiden Fühlerausgangssignale in vorgegebener Weise, z. B. durch UNDen.The development of the invention according to claim 2 ensures that the output signals of the various sensors, which are received at a given time, are assigned to the same point on the workpiece surface. The interpretation and evaluation of the sensor output signals is thus particularly simple, as is deriving a higher-contrast measurement signal by combining the two sensor output signals in a given way, e.g. by ANDing.

Bei einem Meßgerät gemäß Anspruch 3 können die Fühler in ihrem der Werkstückoberfläche benachbarten Endabschnitt etwas größere Abmessungen haben, was für manche Fühlertypen oder Fühlertypkombinationen notwendig ist.In a measuring device according to claim 3, the sensors can have slightly larger dimensions in their end section adjacent to the workpiece surface, which is necessary for some sensor types or sensor type combinations.

Bei einem Meßgerät gemäß Anspruch 4 kann man jeweils im Einzelfalle einstellen, welcher der Fühler als erster die Werkstückoberfläche abtastet, und welcher hinterherläuft. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des vorherlaufenden Fühlers die Arbeitsweise des nachlaufenden Fühlers gesteuert wird.In a measuring device according to claim 4, it is possible to set in each individual case which sensor scans the workpiece surface first and which follows. This is particularly advantageous if the operation of the following sensor is controlled depending on the output signal of the preceding sensor.

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Hat man für den Fühlerträger einen zugeordneten Stellmotor, so kann man jeweils am Ende einer Abtastlinie, bei welcher sich die Richtung der Relativbewegung zwischen Abtastkopf und Werkstück ändert, den Fühlerträger so umsetzen, daß 5 wieder derselbe Fühler der vorweglaufende Fühler ist.If an actuator is assigned to the sensor carrier, the sensor carrier can be repositioned at the end of a scanning line in which the direction of the relative movement between the scanning head and the workpiece changes so that the same sensor is again the leading sensor.

Gemäß Anspruch 5 erreicht man auf elektronische Weise sehr einfach eine Zuordnung der jeweils zu einem Punkt der Werkstückoberfläche gehörenden Fühlerausgangssignale.According to claim 5, an assignment of the sensor output signals belonging to a point on the workpiece surface can be achieved very easily in an electronic manner.

Ein Meßgerät gemäß Anspruch 7 läßt sich dann vorteilhaft einsetzen, wenn Änderungen in der Mikrokontur der Oberfläche mit elektrischen Widerstandsänderungen oder Änderungen der magnetischen Eigenschaften einhergehen.A measuring device according to claim 7 can be used advantageously when changes in the microcontour of the surface accompany changes in electrical resistance or changes in the magnetic properties.

Entsprechend findet ein Meßgerät gemäß Anspruch 8 dann Verwendung, wenn Änderungen in der Mikrokontur der Werkstückoberfläche mit Änderungen der optischen Eigenschaften einhergehen.Accordingly, a measuring device according to claim 8 is used when changes in the microcontour of the workpiece surface are accompanied by changes in the optical properties.

Hierbei kann man die Bohrung der hohlen Tastspitze auch sehr klein wählen, sodaß man wegen des praktisch verschwindenden Abstandes zwischen dem Ende der Tastspitze und der Werkstückoberfläche eine beugungsfreie Ausmessung der Reflektivität der Oberfläche bekommt: Man hat dann ein optisches Nahfeld-Lichtmikroskop sehr hoher Auflösung, wie es in der Zeitschrift Science, Bd. 241, Seiten 25 und 26 beschrieben ist, mit einer Tastspitze kombiniert.The hole in the hollow probe tip can also be chosen to be very small, so that a diffraction-free measurement of the surface's reflectivity is obtained due to the practically negligible distance between the end of the probe tip and the workpiece surface: This results in an optical near-field light microscope of very high resolution, as described in the journal Science, Vol. 241, pages 25 and 26, combined with a probe tip.

Ist ein derartiges Meßgerät gemäß Anspruch 9 ausgebildet, so übernimmt die Tastspitze zugleich die Aufgaben eines optischen Elementes, welches den verwendeten Lichtstrahl scharf auf die Werkstückoberfläche abbildet und auch unter großem Winkel von der in der Regel matten Werkstückoberfläche reflektiertes Licht wieder einsammelt.If such a measuring device is designed according to claim 9, the probe tip simultaneously takes on the tasks of an optical element, which projects the light beam used sharply onto the workpiece surface and also collects light reflected at a large angle from the generally matt workpiece surface.

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Bei einem Meßgerät gemäß Anspruch 10 dient die vom Werkstück entfernte Stirnfläche der Tastspitze ebenfalls als den Lichtstrahl gestaltende Linse.In a measuring device according to claim 10, the front surface of the probe tip remote from the workpiece also serves as a lens shaping the light beam.

Verwendet man in Verbindung mit einem taktilen Fühler des Meßgerätes einen Stellungsgeber, wie er im Anspruch 11 angegeben ist, so erhält man bei mechanisch noch recht einfachem Aufbau des Stellungsgebers ein sehr präzises und einfach digital auswertbares Fühlerausgangssignal.If a position sensor as specified in claim 11 is used in conjunction with a tactile sensor of the measuring device, a very precise and easily digitally evaluable sensor output signal is obtained with a position sensor that is still mechanically quite simple.

Bei einem Meßgerät gemäß Anspruch 12 läßt sich die Fähigkeit der Tastspitze, raschen Änderungen der Oberfläche zu folgen, auf einfache Weise einstellen.
15In a measuring device according to claim 12, the ability of the probe tip to follow rapid changes in the surface can be easily adjusted.
15

Dabei erfolgt die Dämpfungseinstellung Einstellung gemäß Anspruch 13 in Abhängigkeit von der lokalen Kontur der Werkstückoberfläche.The damping adjustment is carried out according to claim 13 depending on the local contour of the workpiece surface.

Gemäß Anspruch 14 erfolgt die Einstellung der Dämpfung der Tastspitze in Abhängigkeit vom Ausgangssignal eines vorherlaufenden anderen Fühlers.According to claim 14, the adjustment of the damping of the probe tip is carried out depending on the output signal of another preceding sensor.

Eine steuerbare Dämpfung eines taktilen Fühlers läßt sich gemäß Anspruch 15 elektrisch sehr präzise in weitem Umfang bei insgesamt kleinen Dämpfungsraten einstellen.According to claim 15, a controllable damping of a tactile sensor can be electrically adjusted very precisely over a wide range with overall small damping rates.

Bei einem Meßgerät gemäß Anspruch 16 erhält man eine aktive Dämpfung durch eine parallel oder entgegen der normalen Vorspannkraft wirkende Zusatzkraft. Ist diese aktive Dämpfungseinrichtung so beschaffen, daß sie auf Zug und Druck arbeitet, kann man sie durch Daueransteuerung für Zug auch dazu verwenden, die Tastspitze von der Werkstückoberfläche bleibend abzuheben. Dies ermöglicht zum einen ein rasches 5 Verfahren des Abtastkopfes über nicht auszumessende Ober-In a measuring device according to claim 16, active damping is achieved by an additional force acting parallel or against the normal pre-tension force. If this active damping device is designed in such a way that it works on tension and compression, it can also be used to permanently lift the probe tip off the workpiece surface by continuously controlling it for tension. This enables the scanning head to be moved quickly over surfaces that are not to be measured.

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flächenabschnitte und gestattet auch ein wahlweises Ausmessen der Werkstückoberfläche nur mit dem anderen Fühler.surface sections and also allows optional measurement of the workpiece surface using only the other sensor.

Verwendet man als weiteren Fühler einen Fühler gemäß An-5 spruch 17, werden die lokalen mechanischen Eigenschaften der Werkstückoberfläche gemessen.If a sensor according to claim 17 is used as an additional sensor, the local mechanical properties of the workpiece surface are measured.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments with reference to the drawing. In this drawing:

Fig. 1: einen vertikalen Schnitt durch einen Abtastkopf eines Gerätes zum Ausmessen der Mikrokontur von Werkstückoberflächen, welcher zwei nach unterschiedlichem Meßprinzip arbeitende Fühler trägt, sowie durch einen gegenüberliegenden Abschnitt eines Werkstückes;Fig. 1: a vertical section through a scanning head of a device for measuring the microcontour of workpiece surfaces, which carries two sensors operating according to different measuring principles, as well as through an opposite section of a workpiece;

Fig. 2: eine schematische seitliche Darstellung eines abgewandelten Abtastkopfes mit zwei nach unterschiedlichem Meßprinzip arbeitenden Fühlern sowie diesen unmittelbar zugeordneter elektrischer Schaltkreise;Fig. 2: a schematic side view of a modified scanning head with two sensors operating according to different measuring principles and electrical circuits directly associated with them;

Fig. 3: ein Blockschaltbild einer Auswerteschaltung, die zusammen mit einem Abtastkopf gemäß Fig. 1 oder Fig. 2 verwendbar ist;Fig. 3: a block diagram of an evaluation circuit that can be used together with a scanning head according to Fig. 1 or Fig. 2;

Fig. 4: einen Längsschnitt durch einen weiter abgewandeltenFig. 4: a longitudinal section through a further modified

Abtastkopf mit zwei unterschiedlichen Fühlern; 30Scanning head with two different sensors; 30

Fig. 5: einen transversalen Schnitt durch den Abtastkopf nach Fig. 4 längs der dortigen Schnittlinie V-V;Fig. 5: a transverse section through the scanning head according to Fig. 4 along the section line V-V there;

Fig. 6: ein Blockschaltbild einer Betriebsschaltung für eine elektrisch steuerbare DämpfungseinrichtungFig. 6: a block diagram of an operating circuit for an electrically controllable damping device

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des Abtastkopfes nach den Figuren 4 und 5;of the scanning head according to Figures 4 and 5;

Fig. 7: eine schematische Darstellung einer abgewandelten elektrisch gesteuerten Dämpfungseinrichtung für 5 den Abtastkopf nach den Figuren 4 und 5;Fig. 7: a schematic representation of a modified electrically controlled damping device for 5 the scanning head according to Figures 4 and 5;

Fig. 8: einen Längsschnitt durch eine abgewandelte Tastspitze für einen Abtastkopf;Fig. 8: a longitudinal section through a modified probe tip for a scanning head;

Fig. 9: einen Längsschnitt durch eine weiter abgewandelte Abtastspitze;Fig. 9: a longitudinal section through a further modified scanning tip;

Fig. 10: eine Aufsicht auf die Unterseite eines weiterFig. 10: a plan view of the underside of a further

abgewandelten Abtastkopfes; 15modified scanning head; 15

Fig. 11: einen Längsschnitt durch einen hochauflösendenFig. 11: a longitudinal section through a high-resolution

Stellungsgeber, der in einem Abtastkopf mit mechanischer Tastspitze zur Stellungsmessung der letzteren verwendbar ist; und
20Position sensor which can be used in a scanning head with a mechanical probe tip to measure the position of the latter; and
20

Fign. 12-14: Längsschnitte durch weiter abgewandelte Tastspitzen für einen Abtastkopf.Figs. 12-14: Longitudinal sections through further modified probe tips for a scanning head.

In Figur 1 ist ein Abtastkopf insgesamt mit 10 bezeichnet,In Figure 1, a scanning head is designated as 10,

der zum hochgenauen Ausmessen von Oberflächenrauhheitenfor highly accurate measurement of surface roughness

und Oberflächenstrukturen auf der Oberfläche eines Werkstückes dient.and surface structures on the surface of a workpiece.

Der Abtastkopf 10 hat ein Gehäuse 14, welches im wesentlichen becherförmig ist. In eine untere Öffnung 16 des Gehäuses 14 ist eine Ringspule 18 fest eingesetzt, welche ein axiales Magnetfeld erzeugt. Die Ringspule 18 arbeitet mit einem ringförmigen Permanentmagneten 20 zusammen, der auf die Außenseite eines Objektivringes 22 aufgeklebt ist. Der Objektivring 22 hält ein Objektiv 24. Die durch den Permanent-The scanning head 10 has a housing 14 which is essentially cup-shaped. A ring coil 18 which generates an axial magnetic field is firmly inserted into a lower opening 16 of the housing 14. The ring coil 18 works together with a ring-shaped permanent magnet 20 which is glued to the outside of a lens ring 22. The lens ring 22 holds a lens 24. The magnetic field generated by the permanent magnet 20 is

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magneten 20, den Objektivring 22 und das Objektiv 24 gebildete Einheit durchsetzt unter radialem Spiel die Ringspule 18 und ist von zwei parallel zueinander verlaufenden Blattfedern 26, 28 getragen, deren in Figur 1 links gelegener 5 Abschnitt brillenförmig ausgebildet ist, so daß das Objektiv 24 frei bleibt, während der rechts gelegene Abschnitt streifenförmig ist und an seinem äußersten Ende durch Schrauben 30 an einem Steg 32 des Gehäuses 14 festgelegt ist. Die Blattfedern 26, 28 bilden so eine elastische Parallelogramm-Aufhängung für das Objektiv 24.The unit formed by the magnet 20, the lens ring 22 and the lens 24 passes through the ring coil 18 with radial play and is supported by two leaf springs 26, 28 running parallel to one another, the section of which on the left in Figure 1 is designed in the shape of a pair of glasses so that the lens 24 remains free, while the section on the right is strip-shaped and is fixed at its outermost end to a web 32 of the housing 14 by screws 30. The leaf springs 26, 28 thus form an elastic parallelogram suspension for the lens 24.

Im in Fig. 1 rechts gelegenen Abschnitt der Umfangswand des Gehäuses 14 ist ein im Roten arbeitender Halbleiter-Laser 34 befestigt. Der von diesem abgegebene Laserstrahl durchsetzt einen halbdurchlässigen Meßspiegel 36 und gelangt auf einen Umlenkspiegel 38. Der Laserstrahl durchquert dann das Objektiv 24 und wird von diesem auf die Werkstückoberfläche abgebildet.A semiconductor laser 34 operating in the red is attached to the right-hand section of the peripheral wall of the housing 14 in Fig. 1. The laser beam emitted by this passes through a semi-transparent measuring mirror 36 and reaches a deflection mirror 38. The laser beam then passes through the lens 24 and is projected onto the workpiece surface by it.

Das von dort reflektierte Laserlicht wird vom Objektiv 24 gesammelt und gelangt über den Umlenkspiegel 38 wieder zum Meßspiegel 36. Dieser spaltet einen Teil des reflektierenden Meßlichtes ab und richtet es über ein flaches Doppelprisma 4 0 auf eine fotoelektrische Wandleranordnung 44, deren Mitte bei 46 angedeutet ist. Die fotoelektrische Wandleranordnung 44 erzeugt ein Ausgangssignal, welches von der Lage des auftreffenden Lichtes bezüglich der Mittellinie 46 abhängt. Dieses Ausgangssignal gelangt auf einen Eingangsverstärker 48 einer dem Abtastkopf 10 zugeordneten, insgesamt mit 50 bezeichneten Betriebsschaltung. Die Betriebsschaltung 50 enthält nicht näher gezeigte Schaltkreise, welche die Abweichung des momentan erhaltenen Ausgangssignales der Wandleranordnung von demjenigen Signal ermitteln, welches bei Auftreffen des Meßlichtes auf die Mittellinie 46 erhalten wird. Entsprechend der Differenz dieser beidenThe laser light reflected from there is collected by the lens 24 and returns to the measuring mirror 36 via the deflection mirror 38. This splits off part of the reflected measuring light and directs it via a flat double prism 40 onto a photoelectric converter arrangement 44, the center of which is indicated at 46. The photoelectric converter arrangement 44 generates an output signal which depends on the position of the incident light with respect to the center line 46. This output signal reaches an input amplifier 48 of an operating circuit assigned to the scanning head 10 and designated overall by 50. The operating circuit 50 contains circuits (not shown in detail) which determine the deviation of the output signal of the converter arrangement received at the moment from the signal which is received when the measuring light hits the center line 46. According to the difference between these two

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Signale erzeugt die Betriebsschaltung 50 ein Fehlersignal für einen Leistungsverstärker 52, welcher die Ringspule 18 speist. Der Speisestrom für die Ringspule 18 wird so lange erhöht oder erniedrigt, bis der Meßlichtfleck wieder 5 auf der Mittellinie 46 der Wandleranordnung 44 liegt.Signals, the operating circuit 50 generates an error signal for a power amplifier 52, which feeds the toroidal coil 18. The feed current for the toroidal coil 18 is increased or decreased until the measuring light spot is again 5 on the center line 46 of the converter arrangement 44.

Dies ist dann der Fall, wenn der Abstand zwischen Objektiv 24 und der ausgeleuchteten Stelle der Werkstückoberfläche exakt der Objektiv-Brennweite entspricht.This is the case when the distance between lens 24 and the illuminated point on the workpiece surface exactly corresponds to the lens focal length.

Aus der soweit gegebenen Beschreibung ist ersichtlich, daß das Objektiv 24 beim Bewegen des Abtastkopfes 10 über die Oberfläche des Werkstückes 12 so axial wandert, wie dies dem Oberflächenprofil des Werkstückes 12 entspricht. Durch einen mit dem Objektivring 22 zusammenarbeitenden Stellungsgeber (nicht gezeigt) oder durch Messen des zum Abgleich erforderlichen Speisestromes für die Ringspule 18 läßt sich somit ein sich gemäß dem Oberflächenprofil änderndes elektrisches Signal erzeugen. Für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung sei angenommen, daß dieses Signal (gegebenenfalls nach Korrektur für Nichtlinearitäten im durch die Ringspule 18, den Permanentmagneten 20 und die Blattfedern 26, 28 gebildeten Linsen-Stellsystem) von der Größe des Ringspulen-Speisestromes abgeleitet ist. Dieses Meßsignal wird auf einer Leitung 54 bereitgestellt. From the description given so far, it is clear that when the scanning head 10 is moved, the lens 24 moves axially over the surface of the workpiece 12 in a way that corresponds to the surface profile of the workpiece 12. By means of a position sensor (not shown) working with the lens ring 22 or by measuring the supply current for the ring coil 18 required for adjustment, an electrical signal that changes according to the surface profile can thus be generated. For the purposes of the present description, it is assumed that this signal (possibly after correction for non-linearities in the lens positioning system formed by the ring coil 18, the permanent magnet 20 and the leaf springs 26, 28) is derived from the size of the ring coil supply current. This measurement signal is provided on a line 54.

In Fig. 1 ist ferner ein Speisekreis für den Halbleiter-Laser 34 mit 56 bezeichnet.In Fig. 1, a feed circuit for the semiconductor laser 34 is also designated 56.

In seinem in Fig. 1 unten rechts liegenden Abschnitt ist das Gehäuse 14 mit einem nach außen offenen Schlitz 58 versehen, in welchem ein Winkelhebel 60 auf einem Stift 62 verschwenkbar gelagert ist. Der lange, schräg nach unten verlaufende Hebelarm 64 trägt eine Tastspitze 66, 5 während am in Fig. 1 horizontal verlaufenden zweiten HebelarmIn its section located at the bottom right in Fig. 1, the housing 14 is provided with an outwardly open slot 58 in which an angle lever 60 is pivotably mounted on a pin 62. The long, downwardly extending lever arm 64 carries a probe tip 66, 5 while the second lever arm, which runs horizontally in Fig. 1

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68 eine Zugfeder 70 angreift. Diese drückt die Tastspitze 66 ständig in Anlage an die Werkstückoberfläche.68 a tension spring 70 engages. This presses the probe tip 66 constantly against the workpiece surface.

Durch den zweiten Hebelarm 64 wird ferner das Betätigungsglied 72 eines insgesamt mit 74 bezeichneten Stellungsgebers angetrieben. Dessen Ausgangssignal gelangt auf eine Betriebsschaltung 76, die auf einer Leitung 78 ein (gegebenenfalls bezüglich Nichtlinearitäten korrigiertes), der vertikalen Stellung der Tastspitze 86 zugeordnetes elektrisches Signal bereitstellt.The second lever arm 64 also drives the actuating element 72 of a position sensor, designated overall by 74. Its output signal reaches an operating circuit 76, which provides an electrical signal (possibly corrected for non-linearities) on a line 78 that is associated with the vertical position of the probe tip 86.

An den Hebelarm 68 ist ferner ein elektrisch steuerbares Dämpfungselement 80 angekoppelt, welches von einer Betriebsschaltung 82 her erregt wird. Das Dämpfungselement 80 kann zum Beispiel eine Wirbelstrombremse oder ein elektromechanisches aktives Element sein. Die Betriebsschaltung 82 kann von der Betriebsschaltung 50 her ein Steuersignal erhalten, welches entweder der Stellung oder der Geschwindigkeit oder Beschleunigung des Objektives 22 zugeordnet ist, wie durch die gestrichelt zwischen der Betriebsschaltung 50 und der Betriebsschaltung 82 eingetragene Steuerleitung angedeutet.An electrically controllable damping element 80 is also coupled to the lever arm 68 and is excited by an operating circuit 82. The damping element 80 can be, for example, an eddy current brake or an electromechanical active element. The operating circuit 82 can receive a control signal from the operating circuit 50 which is associated with either the position or the speed or acceleration of the objective 22, as indicated by the control line shown in dashed lines between the operating circuit 50 and the operating circuit 82.

Nachdem das Objektiv 24 bei Bewegung des Werkstückes 12 in Richtung des Pfeiles 84 die Werkstückoberfläche vor der Tastspitze 66 abtastet, kann man auf diese Weise die Dämpfung des durch Tastspitze 66, Winkelhebel 60 und Zugfeder 7 0 gebildeten schwingungsfähigen Systems und damit die Ansprechzeit des mechanischen Tastfühlers gemäß der aktuellen optisch ausgemessenen Oberflächenkontur variieren, der die Tastspitze unmittelbar darauf folgen muß.After the lens 24 scans the workpiece surface in front of the probe tip 66 when the workpiece 12 is moved in the direction of the arrow 84, the damping of the oscillating system formed by the probe tip 66, angle lever 60 and tension spring 70 and thus the response time of the mechanical probe can be varied in accordance with the current optically measured surface contour, which the probe tip must immediately follow.

Bei dem abgewandelten Abtastkopf 10 gemäß Fig. 2 trägt eine Halteplatte 86 einen zu Schwingungen anregbaren horizontalen Balken 88, der hier als piezoelektrischer SchwingerIn the modified scanning head 10 according to Fig. 2, a holding plate 86 carries a horizontal beam 88 which can be excited to oscillate and which is used here as a piezoelectric oscillator.

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mit Elektroden 90, 92 gezeigt ist. Die Tastspitze 76 ist am freien Ende des Balkens 8 8 angebracht und aus lichtdurchlässigem Werkstoff, zum Beispiel Glas optischer Qualität hergestellt.with electrodes 90, 92. The probe tip 76 is attached to the free end of the beam 8 8 and is made of a translucent material, for example optical quality glass.

Der piezoelektrische Balken 88 ist über einen Meßkreis 94, der den Verlustwinkel bzw. die Leistungszufuhr der schwingenden Fühlerteile mißt, mit einem Frequenzgenerator 9 6 verbunden. Die Amplitude des von diesem abgegebenen Stromes läßt sich über einen einstellbaren Widerstand 9 8 vorgeben. Das Ausgangssignal des Meßkreises 94 wird auf einer Leitung 100 bereitgestellt.The piezoelectric beam 88 is connected to a frequency generator 96 via a measuring circuit 94, which measures the loss angle or the power supply of the oscillating sensor parts. The amplitude of the current emitted by this can be specified via an adjustable resistor 98. The output signal of the measuring circuit 94 is provided on a line 100.

Die Amplitude der Schwingung des freien Endes des Balkens 88 ist vorzugsweise so bemessen, daß die Tastspitze 66 auch bei der höchsten zu erwartenden Unebenheit der Werkstückoberfläche nicht auf letztere aufschlägt. Die Dämpfung der schwingenden Fühlerteile ist abhängig vom momentanen Abstand zwischen der Spitze der Tastspitze und der Werkstückoberfläche, so daß das Ausgangssignal des Meßkreises 94 charakteristisch für den Verlauf der Werkstückoberfläche ist.The amplitude of the oscillation of the free end of the beam 88 is preferably dimensioned such that the probe tip 66 does not hit the workpiece surface even if the unevenness of the workpiece surface is as high as can be expected. The damping of the oscillating sensor parts depends on the current distance between the tip of the probe tip and the workpiece surface, so that the output signal of the measuring circuit 94 is characteristic of the shape of the workpiece surface.

Stellt man die Amplitude der Schwingung der Tastspitze so ein, daß letztere noch auf die Werkstückoberfläche auftrifft, kann man die lokale Härte aus dem auf der Leitung 100 stehenden Signal erkennen.If the amplitude of the oscillation of the probe tip is adjusted so that the latter still hits the workpiece surface, the local hardness can be determined from the signal on line 100.

Eine an der Halteplatte 86 angebrachte horizontale Tragplatte 102 trägt einen optischen Fühler 104, der in Fig. 2 nur schematisch wiedergegeben ist und ähnlich aufgebaut sein kann wie der vorstehend unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschriebene optische Fühler mit dem Objektiv 24. Es kann dies aber auch ein einfacher aufgebauter Fühler sein, der nur einen Halbleiter-Laser, einen Strahlteilerspiegel und eine Wand-5 leranordnung umfaßt und nur die Intensität des von derA horizontal support plate 102 attached to the holding plate 86 carries an optical sensor 104, which is only shown schematically in Fig. 2 and can be constructed in a similar way to the optical sensor with the lens 24 described above with reference to Fig. 1. However, this can also be a sensor of simpler construction, which only comprises a semiconductor laser, a beam splitter mirror and a converter arrangement and only measures the intensity of the light emitted by the

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Oberfläche reflektierten Lichtes mißt, wie er unter Bezugnahme auf die Figuren 4 und 5 noch erläutert wird.surface, as will be explained with reference to Figures 4 and 5.

Fig. 3 zeigt eine Auswerteschaltung zur Verwendung mit 5 einem Abtastkopf, der zwei nach verschiedenem Meßprinzip arbeitende Fühler 106, 108 aufweist. Die Ausgangssignale dieser Fühler werden über A/D-Wandler in Schreib/Lesespeicher 112, 114 eingelesen. Die Adressierung der Zellen dieser Speicher erfolgt in Abhängigkeit von der Relativstellung zwischen Abtastkopf und Werkstück. Hierzu ist ein inkremental arbeitender Weggeber 116 vorgesehen, der mit dem Eingang eines Zählers 118 verbunden ist. Es versteht sich, daß der Weggeber 116 neben den Zählimpulsen noch ein Richtungssignal auf den Zähler 118 überstellt. Statt dessen kann man auch einen analogen Weggeber in Verbindung mit einem nachgeschalteten Analog/Digitalwandler verwenden.Fig. 3 shows an evaluation circuit for use with a scanning head that has two sensors 106, 108 that operate according to different measuring principles. The output signals of these sensors are read into read/write memories 112, 114 via A/D converters. The cells of these memories are addressed depending on the relative position between the scanning head and the workpiece. For this purpose, an incrementally operating displacement sensor 116 is provided, which is connected to the input of a counter 118. It goes without saying that the displacement sensor 116 also transmits a direction signal to the counter 118 in addition to the counting pulses. Instead, an analog displacement sensor can also be used in conjunction with a downstream analog/digital converter.

Das Ausgangssignal des Zählers 118 gelangt zum einen direkt auf die Adreßklemmen des Schreib/Leisespeichers 112, zum anderen auf den einen Eingang eines Subtrahierkreises 120, dessen zweiter Eingang mit einem Festwertspeicher 122 verbunden ist. Dessen Inhalt entspricht dem Abstand zwischen den Achsen der beiden Fühler 106, 108.The output signal of the counter 118 is applied directly to the address terminals of the write/read memory 112 and to one input of a subtraction circuit 120, the second input of which is connected to a read-only memory 122. Its content corresponds to the distance between the axes of the two sensors 106, 108.

Der Ausgang eines Taktgebers 124 ist über einen Inverter 126 mit dem ersten Eingang eines UND-Gliedes 128 verbunden, dessen zweiter Eingang mit dem Ausgang des Subtrahierkreises 120 verbunden ist. Ein zweites UND-Glied 130 erhält an seinen Eingängen das Ausgangssignal des Taktgebers 124 bzw. das Ausgangssignal des Zählers 118. Die Ausgangssignale der UND-Glieder 128, 130 gelangen über ein ODER-Glied 132 auf die Adressierklemmen des Schreib/Lesespeichers 114. Dieser wird somit alternierend mit Adressiersignalen beaufschlagt, von denen das eine der Stellung des Fühlers 106, das andere der Stellung des Fühlers 108 entspricht.The output of a clock generator 124 is connected via an inverter 126 to the first input of an AND gate 128, the second input of which is connected to the output of the subtraction circuit 120. A second AND gate 130 receives at its inputs the output signal of the clock generator 124 or the output signal of the counter 118. The output signals of the AND gates 128, 130 reach the addressing terminals of the read/write memory 114 via an OR gate 132. This is thus alternately supplied with addressing signals, one of which corresponds to the position of the sensor 106, the other to the position of the sensor 108.

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Das Ausgangssignal des Taktgebers 124 bzw. des Inverters 126 dient zugleich zum Einstellen der Lesephase bzw. der Schreibphase der Schreib/Lesespeicher 112, 114. Auf diese Weise ist gewährleistet, daß die Ausgangssignale der Fühler 106, 108 jeweils in die ihrer momentanen Stellung entsprechenden Zellen der Schreib/Lesespeicher geschrieben werden, für die Signalverarbeitung jedoch genau einem Oberflächenpunkt entsprechende Signale aus den Schreib/Leisespeichern 112, 114 abgerufen werden. Diese Signale gelangen auf die Eingänge eines Rechenkreises 134, der die Signale gemäß einer vorgegebenen Vorschrift zusammensetzt, zum Beispiel UNDet. Das Ausgangssignal des Rechenkreises 134 wird über einen Digital/Analogwandler 13 6 auf die y-Klemme eines x-y-Schreibers 138 gegeben. Dessen x-Klemme erhält über einen weiteren D/A-Wandler 140 das dem ersten Fühler 106 zugeordnete Stellungssignal.The output signal of the clock generator 124 or the inverter 126 is also used to set the reading phase or the writing phase of the read/write memories 112, 114. This ensures that the output signals of the sensors 106, 108 are each written into the cells of the read/write memories corresponding to their current position, but that signals corresponding to exactly one surface point are called up from the read/write memories 112, 114 for signal processing. These signals are fed to the inputs of a computing circuit 134, which combines the signals according to a predetermined rule, for example UNDet. The output signal of the computing circuit 134 is fed to the y terminal of an x-y recorder 138 via a digital/analog converter 136. Its x-terminal receives the position signal assigned to the first sensor 106 via another D/A converter 140.

Damit schreibt der x-y-Schreiber 138 ein Oberflächenprofil des Werkstückes 12, welches gegenüber der einfachen Abtastung nur unter Verwendung des Fühlers 106 oder des Fühlers 108 im Kontrast verbessert ist. Diese Kontrastverbesserung beruht darauf, daß Änderungen in der Oberflächenkontur eines Werkstückes oft mit der Änderung anderer physikalischer Eigenschaften einhergehen, zum Beispiel Änderungen im Reflexionsvermögen, Änderungen in der elektrischen Leitfähigkeit usw. .The x-y recorder 138 thus writes a surface profile of the workpiece 12 which is improved in contrast compared to simple scanning using only the sensor 106 or the sensor 108. This contrast improvement is based on the fact that changes in the surface contour of a workpiece are often accompanied by changes in other physical properties, for example changes in reflectivity, changes in electrical conductivity, etc.

Bei dem abgewandelten Abtastkopf nach Fig. 4 sind obenstehend schon beschriebene Bestandteile wieder mit denselben Bezugszeichen versehen. Diese Bestandteile werden nicht nochmals detailliert beschrieben.In the modified scanning head according to Fig. 4, the components already described above are again provided with the same reference numerals. These components will not be described again in detail.

Der Hebelarm 64 ist nun durch eine Blattfeder 70' gegen das Werkstück 12 vorgespannt, und der zweite Hebelarm 68 ist als dünne steife Fahne aus elektrisch leitendemThe lever arm 64 is now pre-tensioned against the workpiece 12 by a leaf spring 70', and the second lever arm 68 is designed as a thin, rigid flag made of electrically conductive

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Material vorgesehen und durchsetzt eine schlitzförmige Öffnung 142 in der Tragplatte 102. Zu beiden Seiten des Hebelarmes 68 befinden sich Spuleneinheiten 144, die mit einer Hochfrequenzquelle verbindbar sind und zusammen mit dem elektrisch leitenden Hebelarm 68 eine Wirbelstrombremse darstellen. Die mit einer solchen Bremse erzielte Bremskraft wächst im wesentlichen proportional zur Leitfähigkeit des Metalles, aus dem der Hebelarm gefertigt ist und zum zwischen den Spuleneinheiten 144 liegenden Volumen der Metallfahne. Die Bremskraft wächst ferner im wesentlichen quadratisch mit der Dicke der Metallfahne, der Frequenz der angelegten Wechselspannung und der Amplitude des von den Spuleneinheiten 144 aufgebauten Magnetfeldes. Eine Einstellung der Stärke der vom Dämpfungselement 80 bewerkstelligten Dämpfung läßt sich somit einfach über die Frequenz und Amplitude des Speisestromes für die Spuleneinheiten 144 realisieren.Material and passes through a slot-shaped opening 142 in the support plate 102. On both sides of the lever arm 68 there are coil units 144 which can be connected to a high frequency source and together with the electrically conductive lever arm 68 represent an eddy current brake. The braking force achieved with such a brake increases essentially in proportion to the conductivity of the metal from which the lever arm is made and to the volume of the metal flag lying between the coil units 144. The braking force also increases essentially quadratically with the thickness of the metal flag, the frequency of the applied alternating voltage and the amplitude of the magnetic field built up by the coil units 144. The strength of the damping achieved by the damping element 80 can thus be easily adjusted via the frequency and amplitude of the supply current for the coil units 144.

In den Figuren 4 und 5 ist auch der Aufbau eines einfachen optischen Fühlers wiedergegeben: Der halbdurchlässige Meßspiegel 36 wirft einfach das von der Werkstückoberfläche reflektierte Licht auf einen einfachen fotoelektrischen Wandler 44, der nur ein einziges, der empfangenen Lichtmenge zugeordnetes Ausgangssignal bereitstellt.Figures 4 and 5 also show the structure of a simple optical sensor: The semi-transparent measuring mirror 36 simply projects the light reflected from the workpiece surface onto a simple photoelectric converter 44, which provides only a single output signal associated with the amount of light received.

Die Tastspitze 66 ist aus Glas mit optischer Qualität hergestellt, wobei die Spitze der Tastspitze kugelförmig abgerundet ist, wie bei 14 6 gezeigt, während die vom Werkstück abliegende Stirnfläche der Tastspitze 66 als konvexe Linsenfläche 148 ausgebildet ist. Damit bildet die Tastspitze 66 zugleich eine Linse zum scharfen Fokussieren des vom Halbleiter-Laser 34 abgegebenen Lichtstrahles auf einen Punkt der Werkstückoberfläche und zum Wiedersammeln von der Werkstückoberfläche zurückgeworfenen Lichtes. Dieser optische Fühler ist in Fig. 4 und 5 insgesamt mit 150 bezeichnet.The probe tip 66 is made of optical quality glass, the tip of the probe tip being spherically rounded, as shown at 14 6, while the end face of the probe tip 66 remote from the workpiece is designed as a convex lens surface 148. The probe tip 66 thus simultaneously forms a lens for sharply focusing the light beam emitted by the semiconductor laser 34 onto a point on the workpiece surface and for recollecting light reflected from the workpiece surface. This optical sensor is designated overall by 150 in Fig. 4 and 5.

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Fig. 6 zeigt Einzelheiten der Ansteuerung des Wirbelstrom-Dämpfungselementes 80 in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des optischen Fühlers 150:Fig. 6 shows details of the control of the eddy current damping element 80 depending on the output signal of the optical sensor 150:

Das Ausgangssignal des Fühlers 150 wird über einen Koppelkondensator 152 auf ein durch einen Kondensator 154 und einen einstellbaren Widerstand 156 gegebenes RC-Glied gegeben. Dessen Ausgang ist mit der negativen Eingangsklemme eines Differenzverstärkers 158 verbunden. Dessen positive Eingangsklemme erhält über einen einstellbaren Widerstand 160 ein Referenzsignal.The output signal of the sensor 150 is passed via a coupling capacitor 152 to an RC element consisting of a capacitor 154 and an adjustable resistor 156. Its output is connected to the negative input terminal of a differential amplifier 158. Its positive input terminal receives a reference signal via an adjustable resistor 160.

Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 158 gelangt auf eine Steuerklemme eines in seiner Arbeitsfrequenz steuerbaren Frequenzgenerators 162. Dessen Ausgangssignal gelangt über einen Verstärker 164 mit steuerbarem Verstärkungsfaktor auf die beiden Spuleneinheiten 144.The output signal of the differential amplifier 158 reaches a control terminal of a frequency generator 162 whose operating frequency can be controlled. Its output signal reaches the two coil units 144 via an amplifier 164 with a controllable gain factor.

Die Einstellung des Verstärkungsfaktors des Verstärkers 164 erfolgt durch das über einen einstellbaren Widerstand 166 abgeschwächte Ausgangssignal des Differenzverstärkers 158.The gain factor of the amplifier 164 is adjusted by the output signal of the differential amplifier 158, which is attenuated by an adjustable resistor 166.

Bei der oben beschriebenen Betriebsschaltung läßt sich die Ansprechzeit des taktilen Fühlers über den Widerstand 156, die Grunddämpfung über den einstellbaren Widerstand 160 und das Verhältnis zwischen den Dämpfungsbeiträgen von Amplitude und Frequenz des die Spuleneinheit 150 beaufschlagenden Speisestromes über den Widerstand 166 einstellen.In the operating circuit described above, the response time of the tactile sensor can be adjusted via the resistor 156, the basic attenuation via the adjustable resistor 160 and the ratio between the attenuation contributions of the amplitude and frequency of the supply current applied to the coil unit 150 via the resistor 166.

Anstelle des oben beschriebenen Wirbelstrom-Dämpfungselementes oder zusätzlich zu diesem kann man auch ein aktives Dämpfungselement 80 verwenden, wie es in Fig. 7 wiedergegeben ist. Dieses enthält eine Magnetspule 168, die mitInstead of the eddy current damping element described above or in addition to it, an active damping element 80 can also be used, as shown in Fig. 7. This contains a magnetic coil 168 which is connected to

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einem Kern 17 0 aus Weicheisen oder Permanentmagnetmaterial zusammenarbeitet, der mechanisch mit dem Winkelhebel 60 verbunden ist. Die Erregung der Magnetspule 168 erfolgt in Abhängigkeit von der Änderung des Ausgangssignales des optischen Fühlers 150. Hierzu ist der Fühler 150 über einen einstellbaren Widerstand 172 und einen Differenzierkreis 174 mit dem Eingang eines Gleichstromverstärkers 17 6 verbunden, dessen Ausgang an die Magnetspule 168 angeschlossen ist.a core 17 0 made of soft iron or permanent magnet material, which is mechanically connected to the angle lever 60. The magnetic coil 168 is excited depending on the change in the output signal of the optical sensor 150. For this purpose, the sensor 150 is connected via an adjustable resistor 172 and a differentiating circuit 174 to the input of a direct current amplifier 17 6, the output of which is connected to the magnetic coil 168.

Zusätzlich kann man die Erregung der Magnetspule 168 auch in Abhängigkeit von der Beschleunigung der beweglichen Tasterteile durchführen, indem man einen weiteren Gleichstromverstärker 178, dessen Ausgang ebenfalls an die Magnetspule 168 angeschlossen ist, über einen einstellbaren Widerstand 180 und einen zweimal differenzierenden Rechenkreis 182 mit einem der Ist-Stellung des Tasters zugeordneten Signal beaufschlagt, welches von dem Stellungsgeber 74 abgeleitet sein kann, falls gewünscht aber auch vom optischen FühlerIn addition, the magnetic coil 168 can also be excited depending on the acceleration of the moving button parts by applying a further DC amplifier 178, whose output is also connected to the magnetic coil 168, via an adjustable resistor 180 and a twice differentiating computing circuit 182, with a signal associated with the actual position of the button, which can be derived from the position sensor 74, but if desired also from the optical sensor.

150. Statt dessen kann man auch einen direkt auf Beschleunigungen ansprechenden Fühler verwenden, der auf dem Winkelhebel 60 angeordnet ist.150. Instead, you can also use a sensor that responds directly to accelerations and is arranged on the angle lever 60.

Fig. 8 zeigt eine abgewandelte Tastspitze 66, die aus elektrisch isolierendem Material gefertigt ist und eine zentrale Bohrung 184 aufweist. In diese ist ein elektrisch leitender Einsatz 186 eingesetzt, dessen unteres Ende wieder die kugelförmige Spitze 146 aufweist und dessen oberes Ende über einen flexiblen Draht 188 mit einem Widerstands-Meßkreis 190 verbunden ist. Dieser kann dann in der Praxis zum Beispiel anstelle des Fühlers 106 in der Schaltung nach Fig. 3 verwendet werden.Fig. 8 shows a modified probe tip 66, which is made of electrically insulating material and has a central bore 184. An electrically conductive insert 186 is inserted into this, the lower end of which again has the spherical tip 146 and the upper end of which is connected to a resistance measuring circuit 190 via a flexible wire 188. This can then be used in practice, for example, instead of the sensor 106 in the circuit according to Fig. 3.

Bei der weiter abgewandelten Tastspitze 66 nach Fig. 9 5 ist die unten liegende kegelförmige Fläche der TastspitzeIn the further modified probe tip 66 according to Fig. 9 5, the conical surface of the probe tip at the bottom is

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66 insgesamt mit einer dielektrischen Schicht 192 überzogen. Der Einsatz 186 ist nun an einen Kapazitäts-Meßkreis 194
angeschlossen, der nun anstelle des in Fig. 3 dargestellten Fühlers 106 eingesetzt werden kann.
0566 is coated with a dielectric layer 192. The insert 186 is now connected to a capacitance measuring circuit 194
which can now be used instead of the sensor 106 shown in Fig. 3.
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Bei einer weiter abgewandelten Tastspitze kann in diese
ein magnetfelempfindlicher Sensor eingesetzt sein.With a further modified probe tip, this
A magnetic field sensitive sensor must be used.

Bei dem weiter abgewandelten Abtastkopf 10 nach Fig. 10In the further modified scanning head 10 according to Fig. 10

sind schon beschriebene Teile wieder mit denselben Bezugszeichen versehen. Der optische Fühler 150 und die vom Winkelhebel 60 getragene Tastspitze 66 sind auf einem kreisförmigen Fühlerträger 19 6 angeordnet, der um eine Achse A drehbar auf der Tragplatte 102 angeordnet ist. Die Achsen T und O von Tastspitze 66 und optischem Fühler 150 haben gleichen Abstand von der Fühlerträgerachse A und liegen einander
bezüglich der letzteren diametral gegenüber. Durch Drehen
des Fühlerträgers 196 um 180° lassen sich somit die Fühlerachsen ineinander überführen.Parts already described are again provided with the same reference numerals. The optical sensor 150 and the probe tip 66 carried by the angle lever 60 are arranged on a circular probe carrier 19 6 which is arranged on the support plate 102 so as to be rotatable about an axis A. The axes T and O of the probe tip 66 and the optical sensor 150 are at the same distance from the probe carrier axis A and lie opposite one another.
diametrically opposed to the latter. By turning
By rotating the sensor carrier 196 by 180°, the sensor axes can be transferred into each other.

Zum Verstellen des Fühlerträgers 196 zwischen seinen beiden Arbeitsstellungen ist ein Motor 198 vorgesehen, der in
Fig. 10 nur schematisch angedeutet ist und von einer zentralen Steuerung des Oberflächen-Meßgerätes jeweils am Ende einer Abtastlinie so angesteuert wird, daß die Fühlerachsen vertauscht werden.To adjust the sensor carrier 196 between its two working positions, a motor 198 is provided, which is
Fig. 10 is only indicated schematically and is controlled by a central control of the surface measuring device at the end of each scanning line in such a way that the sensor axes are swapped.

Fig. 11 zeigt Einzelheiten eines hochauflösenden Stellungsgebers 74. Ein Gehäuse 200 hat im wesentlichen zylindrische 0 Gestalt und ist mit einer Zwischenwand 202 versehen. In
letzterer und einer Bodenwand 204 ist eine Stellstange
206 geführt, welche zugleich das Eingangsglied des Stellungsgebers darstellt. Auf die Unterseite der Zwischenwand
202 und die Oberseite der Bodenwand 204 sind Spiegel 208,Fig. 11 shows details of a high-resolution position sensor 74. A housing 200 has a substantially cylindrical shape and is provided with an intermediate wall 202. In
the latter and a bottom wall 204 is an adjusting rod
206, which also represents the input element of the position sensor. On the underside of the partition
202 and the top of the bottom wall 204 are mirrors 208,

210 aufgesetzt, die exakt parallel zueinander ausgerichtet210, which are aligned exactly parallel to each other

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sind und die Stellstange 206 frei hindurchtreten lassen. Die Spiegel 208, 210 bilden einen optischen Resonator, in welchem durch Halbleiter-Laser 212, 214 ein stehendes Lichtwellenfeld erzeugt werden kann. Hierzu sind die Halbleiter-Laser 212 und 214 über Bohrungen 216, 218 der Zwischenwand 212 angeordnet, und die darunter liegenden Bereiche des Spiegels 208 sind halbdurchlässig ausgebildet.and allow the adjusting rod 206 to pass through freely. The mirrors 208, 210 form an optical resonator, in which a standing light wave field can be generated by semiconductor lasers 212, 214. For this purpose, the semiconductor lasers 212 and 214 are arranged above holes 216, 218 in the intermediate wall 212, and the areas of the mirror 208 lying underneath are semi-transparent.

In dem zwischen den Spiegeln 208, 210 liegenden Raum trägt die Stellstange 208 eine exakt planparallele kreisförmige Scheibe 220, die auf ihren beiden Stirnflächen halbdurchlässige fotoelektrische Schichten 222, 224 trägt. Diese stehen über nicht näher gezeigte Schleifringe oder flexible Drähte mit einem externen Auswertekreis in Verbindung, der die gerade erhaltenen Widerstände der Schichten 222, 224 mißt.In the space between the mirrors 208, 210, the adjusting rod 208 carries an exactly plane-parallel circular disk 220, which carries semi-transparent photoelectric layers 222, 224 on both of its end faces. These are connected via slip rings or flexible wires (not shown in detail) to an external evaluation circuit, which measures the resistances of the layers 222, 224 that have just been obtained.

Vorzugsweise ist der Abstand zwischen den beiden Schichten 222, 224 ein geradzahliges Vielfaches der Lichtwellenlänge vermehrt oder vermindert um eine Viertel Wellenlänge. Man erhält so um 90° phasenverschobene Ausgangssignale der beiden Schichten 222, 224, aus denen in an sich bekannter Weise die Bewegungsrichtung der Stellstange 206 abgeleitet werden kann.Preferably, the distance between the two layers 222, 224 is an even multiple of the wavelength of light increased or reduced by a quarter wavelength. This gives output signals of the two layers 222, 224 that are phase-shifted by 90°, from which the direction of movement of the actuating rod 206 can be derived in a manner known per se.

Wird die Stellstange 20 6 um eine größere Strecke verschoben, so erhält man den Hauptanteil der Verschiebung einfach durch Zählen der Maxima in den Ausgangssignalen der Schichten 222, 224, die einfach durch in Sättigung getriebene 0 Verstärker in Zählimpulse umgewandelt werden können. Zwischenstellungen lassen sich durch amplitudenmäßige Auswertung des jeweils erhaltenen Widerstandswertes der Schichten 222, 224 ableiten.If the adjusting rod 20 6 is displaced by a greater distance, the main part of the displacement is obtained simply by counting the maxima in the output signals of the layers 222, 224, which can easily be converted into counting pulses by amplifiers driven into saturation. Intermediate positions can be derived by amplitude-based evaluation of the resistance value obtained in each case of the layers 222, 224.

5 Die oben beschriebenen Oberflächen-Meßgeräte hatten jeweils5 The surface measuring instruments described above each had

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2921.0 ._ ,1S :_ : :-.· . .-· : : 03.04.19902921.0 ._ , 1S :_ : :-.· . .-· : : 03.04.1990

einen Abtastkopf mit zwei nach unterschiedlichem Prinzip arbeitenden Fühlern. Es versteht sich, daß man analog auch Abtastköpfe aufbauen kann, die drei oder mehr nach unterschiedlichem Meßprinzip arbeitende Fühler aufweisen, 5 wodurch man eine weitere Verbesserung des Kontrastes in der Darstellung der Oberflächenkontur erzielt und/oder eine noch angepaßtere Steuerung eines bevorzugten Fühlers, dessen Ausgangssignal für sich allein für die Darstellung der Oberflächenkontur verwendet wird, durch zugeordnete Hilfsfühler erhält.a scanning head with two sensors that work according to different principles. It goes without saying that it is also possible to build scanning heads that have three or more sensors that work according to different measuring principles, 5 whereby a further improvement in the contrast in the representation of the surface contour is achieved and/or an even more customized control of a preferred sensor, the output signal of which is used alone for the representation of the surface contour, is obtained by means of associated auxiliary sensors.

Bei der in Figur 12 gezeigten Abtastspitze 66 hat man eine Grundstuktur, die der Tastspitze nach Figur 8 bzw. 9 entspricht. Diese Tastspitze ist auf ihrer Achse wegen des Einsatzes 186 nicht durchsichtig, und um zu der taktilen und elektrischen Ausmessung der Werkstückoberfläche zusätzlich noch eine optische Ausmessung vornehmen zu können, ist in den Hauptkörper der Tastspitze 66 ein abgewinkelter Lichtleiter 226 eingekittet, der mit einem optischen Fühler 150 zusammenarbeitet, wie er ähnlich obenstehend unter Bezugnahme auf die Figuren 2 sowie 4 und 5 beschrieben wurde,The scanning tip 66 shown in Figure 12 has a basic structure that corresponds to the scanning tip according to Figure 8 or 9. This scanning tip is not transparent on its axis due to the insert 186, and in order to be able to carry out an optical measurement in addition to the tactile and electrical measurement of the workpiece surface, an angled light guide 226 is cemented into the main body of the scanning tip 66, which works together with an optical sensor 150, similar to that described above with reference to Figures 2 and 4 and 5.

In Abwandlung dieses Ausführungsbeispieles kann man gemäß Figur 13 den Lichtleiter auch als aufgedampfte umlaufende Oberflächenschicht ausbilden oder gemäß Figur 14 den metallischen Einsatz 186 als dünne Seele eines zugleich die Tastfunktion übernehmenden größeren Durchmesser aufweisenden Lichtleiters 226 ausbilden.In a modification of this embodiment, the light guide can also be designed as a vapor-deposited, circumferential surface layer according to Figure 13 or, according to Figure 14, the metallic insert 186 can be designed as a thin core of a light guide 226 with a larger diameter that also takes over the touch function.

Den Ausführungsbeispielen nach den Figuren 12-14 ist gemeinsam, daß sie gestatten, die Werkstückoberfläche gleichzeitig taktil, elektrisch und optisch auszumessen. Hierdurch erhält man eine noch größere Flexibilität im Einsatz und durch nochmals Korrelationsmöglichkeiten zwischen nach 5 verschiedenen physikalischen Meßprinzipien gewonnenenThe embodiments according to Figures 12-14 have in common that they allow the workpiece surface to be measured simultaneously tactilely, electrically and optically. This provides even greater flexibility in use and through further correlation possibilities between the values obtained according to 5 different physical measuring principles.

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2921.0 .:.,.■- 19 V..· : ■.■■'".* 03.04.19902921.0 .:.,.■- 19 V..· : ■.■■'".* 03.04.1990

Meßsignalen einen nochmals verbesserten Kontrast zwischen Oberflächenabschnitten unterschiedlicher Geometrie und unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften.Measurement signals provide an even better contrast between surface sections of different geometry and different physical properties.

Es versteht sich, daß man bei den Tastspitzen nach den Figuren 12-14 auch die elektrische Meßfunktion weglassen kann, wenn gewünscht.It goes without saying that the electrical measuring function can be omitted from the probe tips shown in Figures 12-14 if desired.

Claims (17)

2921.0 .;..."..' - 1 - 03.04.1990 Ansprüche2921.0 .;..."..' - 1 - 03.04.1990 Claims 1. Gerät zum Ausmessen der Mikrokontur von Werkstückoberflächen, mit einem Abtastkopf (10), der einen taktil oder berührungslos mit der Werkstückoberfläche zusammenarbeitenden Fühler (104) aufweist, und mit einer Einrichtung zum Erzeugen einer Relativbewegung zwischen Abtastkopf (10) und Werkstück (12), dadurch gekennzeichnet, daß der Abtastkopf (10) mindestens einen weiteren mit der Oberfläche des Werkstückes (12) zusammenarbeitenden Fühler (106) aufweist, welcher eine von der Arbeitscharakteristik des ersten Fühlers (104) abweichende Arbeitscharakteristik hat.1. Device for measuring the microcontour of workpiece surfaces, with a scanning head (10) which has a sensor (104) which works tactilely or contactlessly with the workpiece surface, and with a device for generating a relative movement between the scanning head (10) and the workpiece (12), characterized in that the scanning head (10) has at least one further sensor (106) which works with the surface of the workpiece (12) and which has a working characteristic which differs from the working characteristic of the first sensor (104). 2. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,2. Measuring device according to claim 1, characterized in daß die Achsen des ersten Fühlers (104) und der weiteren Fühler (106) zusammenfallen.that the axes of the first sensor (104) and the further sensors (106) coincide. 3. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,3. Measuring device according to claim 1, characterized in daß die Achsen von erstem Fühler (104) und weiterem Fühler (106) kleinen Abstand voneinander aufweisen.that the axes of the first sensor (104) and the further sensor (106) are spaced slightly apart from one another. 4. Meßgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Fühler (150) und ein weiterer Fühler4. Measuring device according to claim 3, characterized in that the first sensor (150) and a further sensor (60-74) hintereinanderliegend auf einem verstellbaren Fühlerträger (196) angeordnet sind, wobei letzterer vorzugsweise durch einen Motor (19 8) zwischen seinen verschiedenen Arbeitsstellungen umstellbar ist.
30(60-74) are arranged one behind the other on an adjustable sensor carrier (196), the latter preferably being adjustable between its different working positions by a motor (19 8).
30 5. Meßgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Relativstellung zwischen Werkstück (12)5. Measuring device according to claim 3, characterized in that the relative position between the workpiece (12) und Abtastkopf (10) messender Stellungsgeber (116-122) mehrere Ausgangssignale bereitstellt, deren Differenzen 5 den in Abtastrichtung gemessenen Abständen der weiterenand scanning head (10) measuring position sensor (116-122) provides several output signals, the differences of which 5 correspond to the distances measured in the scanning direction of the further 2921.0 -J : ".■ ' .: -' "-2 "'-'· "- 03.04.19902921.0 - J : ".■ ' .: -'"-2"'-'·"- 03.04.1990 Fühler (106) vom ersten Fühler (104) entsprechen.Sensor (106) from the first sensor (104). 6. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1-5, gekennzeichnet durch einen das Ausgangssignal des ersten Fühlers6. Measuring device according to one of claims 1-5, characterized by an output signal of the first sensor (104) und das Ausgangssignal mindestens eines weiteren Fühlers (106) zusammenfassenden Rechenkreis (134).(104) and a computing circuit (134) combining the output signal of at least one further sensor (106). 7. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1-6, wobei der erste Fühler ein taktil mit der Werkstückoberfläche zusammenarbeitender Fühler ist, der eine Tastspitze (66) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Tastspitze (66) einen mittigen Einsatz (186) aus elektrisch leitendem Material aufweist, welches direkt oder über eine Isolierschicht (192) mit der Werkstückoberfläche in Berührung steht, oder einen magnetfeldempfindlichen Einsatz aufweist.7. Measuring device according to one of claims 1-6, wherein the first sensor is a sensor which cooperates tactilely with the workpiece surface and which has a probe tip (66), characterized in that the probe tip (66) has a central insert (186) made of electrically conductive material which is in contact with the workpiece surface directly or via an insulating layer (192), or has a magnetic field-sensitive insert. 8. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1-6, wobei der erste Fühler ein taktil mit der Werkstückoberfläche zusammenarbeitender Fühler mit einer Tastspitze (66) ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Tastspitze (66) hohl ist oder zumindest auf ihrer Achse aus lichtdurchlässigem Material gefertigt ist oder einen zu ihrer Spitze führenden Lichtleiter (226) aufweist; und daß der zweite Fühler (150) ein optischer Fühler ist, der durch die Tastspitze (66) hindurch mit der Werkstückoberfläche zusammenarbeitet.8. Measuring device according to one of claims 1-6, wherein the first sensor is a sensor which cooperates tactilely with the workpiece surface and has a probe tip (66), characterized in that the probe tip (66) is hollow or is made of a translucent material at least on its axis or has a light guide (226) leading to its tip; and that the second sensor (150) is an optical sensor which cooperates with the workpiece surface through the probe tip (66). 9. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der Werkstückoberfläche zusammenarbeitende Endabschnitt (146) der Tastspitze (66) kalottenförmig ist, vorzugsweise kugelkalottenförmig ist.9. Measuring device according to one of claims 1-8, characterized in that the end section (146) of the probe tip (66) which cooperates with the workpiece surface is dome-shaped, preferably spherical dome-shaped. 10. Meßgerät nach Anspruch 9, wobei die Tastspitze (66) zumindest in der Nachbarschaft ihrer Achse aus lichtdurchlässigem Material gefertigt ist, dadurch gekennzeichnet, 5 daß die von der Werkstückoberfläche abliegende Stirnfläche10. Measuring device according to claim 9, wherein the probe tip (66) is made of light-permeable material at least in the vicinity of its axis, characterized in that the end face remote from the workpiece surface 2921.0 -" . - 3 - ,.." 03.04. 19902921.0 -" . - 3 - ,.." 03.04. 1990 (148) der Tastspitze (66) als Linsenfläche geformt ist.(148) of the probe tip (66) is shaped as a lens surface. 11. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1-10, wobei der erste Fühler ein taktil mit der Werkstückoberfläche zusammenarbeitender Fühler mit einer Tastspitze (66) ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Lage der Tastspitze (66) messender Stellungsgeber (74) aufweist: zwei unter Abstand parallel zueinander angeordnete Spiegel (208, 210), eine Einrichtung (212, 214) zum Erzeugen eines stehenden Lichtwellenfeldes zwischen diesen Spiegeln und eine durch das Eingangsglied (206) des Stellungsgebers (74) parallel zu den Wellenfronten des Lichtfeldes verschiebbare zumindest teilweise lichtdurchlässige Fühlplatte (220-224), die zumindest auf einer ihrer Oberflächen eine zumindest zum Teil lichtdurchlässige fotoleitende Schicht (222, 224) trägt.11. Measuring device according to one of claims 1-10, wherein the first sensor is a sensor with a probe tip (66) that works tactilely with the workpiece surface, characterized in that a position sensor (74) that measures the position of the probe tip (66) has: two mirrors (208, 210) arranged parallel to one another at a distance, a device (212, 214) for generating a standing light wave field between these mirrors and an at least partially light-permeable sensor plate (220-224) that can be moved by the input element (206) of the position sensor (74) parallel to the wave fronts of the light field, which has an at least partially light-permeable photoconductive layer (222, 224) on at least one of its surfaces. 12. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1-11, wobei der erste Fühler ein taktil mit der Werkstückoberfläche zusammenarbeitender Fühler mit einer Tastspitze (66) ist, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Tastspitze (66) ein Dämpfungselement (80) mit steuerbarer Dämpfungscharakteristik verbunden ist.12. Measuring device according to one of claims 1-11, wherein the first sensor is a sensor with a probe tip (66) that interacts tactilely with the workpiece surface, characterized in that a damping element (80) with controllable damping characteristics is connected to the probe tip (66). 13. Meßgerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung des Dämpfungselementes (80) in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des ersten Fühlers und/oder von der Geschwindigkeit und/oder der Beschleunigung der Tastspitze (66) erfolgt.13. Measuring device according to claim 12, characterized in that the control of the damping element (80) takes place in dependence on the output signal of the first sensor and/or on the speed and/or the acceleration of the probe tip (66). 14. Meßgerät nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung des Dämpfungselementes (80) in Abhängigkeit vom Ausgangssignal eines oder mehrerer der weiteren Fühler (106) erfolgt, oder in Abhängigkeit 5 von einmal oder mehrmals differenzierten derartigen Ausgangs-14. Measuring device according to claim 12 or 13, characterized in that the control of the damping element (80) is carried out as a function of the output signal of one or more of the further sensors (106), or as a function of such output signals differentiated once or several times. 2921.0 - 4 - r 03.04.19902921.0 - 4 - r 03.04.1990 Signalen.signals. 15. Meßgerät nach einem der Ansprüche 12-14, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungselement (80) eine Wirbelstrombremse ist, bei welcher die Amplitude und/oder die Frequenz des Spulen-Speisestromes gesteuert wird.15. Measuring device according to one of claims 12-14, characterized in that the damping element (80) is an eddy current brake in which the amplitude and/or the frequency of the coil supply current is controlled. 16. Meßgerät nach einem der Ansprüche 12-15, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungselement (80) einen Elektromagneten (168, 170) aufweist und die Amplitude und/oder die Phasenlage des Speisestromes gesteuert wird.16. Measuring device according to one of claims 12-15, characterized in that the damping element (80) has an electromagnet (168, 170) and the amplitude and/or the phase position of the supply current is controlled. 17. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1-16, dadurch gekennzeichnet, daß einer der weiteren Fühler aufweist:17. Measuring device according to one of claims 1-16, characterized in that one of the further sensors has: eine schwingend über der Werkstückoberfläche gelagerte Fühlnadel (66'), Mittel (88-92, 96) zum In-Vibration-Versetzen der Fühlnadel (66') sowie Mittel (94) zum Messen des Verlustwinkels des schwingenden Systems.a feeler needle (66') mounted so as to oscillate above the workpiece surface, means (88-92, 96) for setting the feeler needle (66') into vibration and means (94) for measuring the loss angle of the oscillating system.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP1010965A2 (en) * 1998-12-16 2000-06-21 Super Silicon Crystal Research Institute Corp. Sensor for measuring degree of flatness

Cited By (2)

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EP1010965A3 (en) * 1998-12-16 2000-10-18 Super Silicon Crystal Research Institute Corp. Sensor for measuring degree of flatness

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