GLASENAPP, Carsten (Sperberstrasse 12, Oberkochen, 73447, DE)
| Patentansprüche 1. Optische Anordnung zur berührungslosen Ermittlung der Eigenschaft einer Körperoberfläche (2), wie Krümmung, Verlauf, Kontur, Lage oder Rauhigkeit, umfassend: Mittel zur Ausbildung eines Spaltes (5) zwischen der Körperoberfläche (2) und einer Referenzkante (4), wobei die Referenzkante (4) die Richtung einer an die Körperoberfläche (2) gelegten Tangente definiert, und die Abstände zwischen der Körperoberfläche (2) und der Referenzkante (4), in Richtung der Normalen der Tangente betrachtet, Spaltbreiten (a) definieren, eine Einrichtung zur Abbildung des Spaltes (5) auf einen ortsauflösenden Detektor (9), - eine mit dem Detektor (9) verbundene Auswerteeinrichtung, ausgebildet zur Ermittlung von in Richtung der Tangente nebeneinander liegender Spaltbreiten (a) anhand der Ausgangssignale des Detektors (9), und zur Ermittlung der Eigenschaft der Körperoberfläche (2), wie Krümmung, Verlauf, Kontur, Lage oder Rauhigkeit, anhand der entlang der Tangente nebenein- ander liegender Spaltbreiten (a). 2. Optische Anordnung nach Anspruch 1 , ausgebildet zum Messen der Eigenschaft anhand der als physikalische Größen ermittelten Spaltbreiten (a), oder - zum Prüfen der Eigenschaft durch Vergleich der ermittelten Spaltbreiten (a) mit Soll- Spaltbreiten, jeweils nach der Lichtspaltmethode oder dem Triangulationsverfahren. 3. Optische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die Ausdehnung der Refe- renzkante (4) kleiner ist als die Ausdehnung der Körperoberfläche (2) in Richtung der Referenzkante (4), ausgestattet mit einer Einrichtung zur Längsverschiebung der Referenzkante (4) in Richtung der Tangente. 4. Optische Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, ausgestattet mit einer Einrichtung zur Parallelverschiebung der Referenzkante (4) und damit zur Parallelverschiebung des Spaltes (5) senkrecht zur Tangente. 5. Optische Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, ausgestattet mit einer Zwangsführung bei der Verschiebung der Referenzkante (4), bevorzugt in Form einer mechanischen - 18 - Gerad- oder Kurvenführung, wobei die Referenzkante (4) in einem vorgegebenen, der Spaltbreite (a) entsprechenden Abstand zur Körperoberfläche (2) verbleibt. 6. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, mit einer Regeleinrichtung, ausgebildet zur Einhaltung des Abstandes zwischen der Referenzkante (4) und der Körperoberfläche (2) auf Basis einer kontinuierlichen oder periodischen Abstandsmessung. 7. Optische Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welcher der De- tektor (9) mindestens eine Zeile aus einer Vielzahl von Einzelsensoren aufweist und die Verwendung von Subpixelalgorithmen zur Bestimmung der Lage und der Ausdehnung der Intensitätsverteilung auf den Einzelsensoren vorgesehen ist. 8. Optische Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche mit einer Lichtquelle, deren Strahlung, bevorzugt durch eine fokussierende Optik hindurch, auf den der Referenzkante (4) gegenüber liegenden Bereich der Körperoberfläche (2) gerichtet ist. 9. Optische Anordnung nach Anspruch 8, bei welcher als Lichtquelle eine Leuchtdiode (10) vorgesehen ist, die bevorzugt Licht einer bestimmten Wellenlänge mit homogener Intensität abstrahlt. 10. Optische Anordnung nach Anspruch 8, bei welcher als Lichtquelle eine breitbandige Lichtquelle (10) in Kombination mit einer diffraktiven Linse vorgesehen ist, die eine in Abhängigkeit von der Wellenlänge verschiedene Lage der Fokuslinie erzeugt. 11. Optische Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welcher die Referenzkante (4) an einer Lehre (3) ausgebildet ist, die Lichtquelle in die Lehre (3) integriert ist, dem Detektor (9) eine Abbildungsoptik (8) mit definiertem Abbildungsmaßstab vorge- ordnet ist, der Detektor (9) und die Abbildungsoptik (8) Bauteile einer Kamera (7) sind, und die Kamera (7) und die Lehre (3) in einem vorgegebenen Abstand zueinander als Baueinheit verbunden sind. 12. Optische Anordnung nach Anspruch 11 , ausgestattet mit einer Einrichtung zur Messung und Regelung des Abstandes zwischen der Lehre und dem Körper, an dem die Körperoberfläche (2) ausgebildet ist. - 19 - 13. Optische Anordnung nach Anspruch 11 oder 12, bei welcher der Abbildungsoptik (8) ein Polarisationsfilter vorgeordnet ist. 14. Optische Anordnung nach Anspruch 1 1 oder 12, ausgestattet mit einer Einrichtung zur Abstandsmessung, mit welcher Messungen in axialer Richtung im Halbraum +/-x, +/-y, +z des Koordinatensystems X,Y,Z vorgesehen sind. 15. Optische Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welcher die Referenzkante austauschbar oder in ihrer Größe verstellbar ist. 16. Optische Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welcher die Bestimmung von Verlauf, Kontur, Lage oder Rauhigkeit der Körperoberfläche (2) aus der Interpretation des Aufgrund von Lichtbeugung entstanden Kamerabildes vorgesehen ist. - 20 - |
Optische Anordnung zum berührungslosen Messen oder Prüfen einer Körperoberfläche
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Optische Anordnung zum berührungslosen Messen oder Prüfen von Eigenschaften einer Körperoberfläche, wie Krümmung, Verlauf, Kontur, Rauhigkeit, Lage. Die erfindungsgemäße Anordnung ist sowohl zur Qualitätskontrolle von techni- sehen Oberflächen durch Vermessung, Vergleich mit Referenzoberflächen als auch zur Vermessung von Mikrostrukturen an Oberflächen geeignet.
Stand der Technik Verfahren zum Vermessen von Geometrien und Oberflächenstrukturen zwecks Überprüfung von Fertigungstoleranzen an Werkstücken sind beispielsweise in Form von taktilen Meßverfahren bekannt.
Bei diesen Verfahren wird das Werkstück mechanisch angetastet, die Bewegungen des Tasters mittels Maßstäben detektiert und aus den dabei gewonnenen Meßwerten auf die Werkstückform bzw. auf Abweichungen von der Sollformen geschlossen.
Zwar haben diese Verfahren einen hohen Entwicklungsstand erreicht und zeichnen sich daher durch vielseitige Variations- und Anwendungsmöglichkeiten aus. Nachteilig sind je- doch zum einen die zwingende Berührung des Tasters mit dem Werkstück, die insbesondere bei weichen Materialien oder bei empfindlichen, wie beispielsweise optischen Oberflächen nicht erwünscht ist, und zum anderen die verhältnismäßig langen Meßzeiten, die den Ablauf industrieller Fertigungsprozesse behindern. Bekannt sind weiterhin Verfahren optischer Art zum berührungsfreien Vermessen von Oberflächenkonturen, zur Bestimmung der Rauhigkeit von Oberflächen oder des Durchmessers von Bohrlöchern.
Dabei wird Licht auf die zu vermessende oder zu prüfende Oberfläche fokussiert und das von der Oberfläche reflektierte oder gestreute Licht ausgewertet. Um aus den Ergebnissen auf zwei- oder dreidimensionale Konturen schlußfolgern zu können, sind eine Vielzahl wiederholter Punktmessungen in Verbindung mit einer jeweiligen Verschiebung der Meßanordnung erforderlich. Daher sind diese Verfahren ebenfalls in oft unerwünschter Weise zeitauf- wendig.
Eine in DD 148 982 B1 beschriebene Meßanordnung bewertet das Vorhandensein zulässiger oder unzulässiger Spaltbreiten bei der Prüfung von rotationssymmetrischen Bauteilen, insbesondere im Zusammenhang mit Kolbenringen für Verbrennungsmotoren oder Verdich- tungsringen für Kompressoren.
Dabei wird der zu prüfende Ring in einen Lehrring eingespannt und Licht auf den Spalt zwischen dem zu prüfenden Ring und dem Lehrring gerichtet. Das durch den Spalt dringende Licht mittels eines Fotoempfängers in ein analoges elektrisches Signal gewandelt und dieses der Bewertung der Spaltbreite zugrundegelegt. Das Prüfen oder Vermessen von Körpergeometrien und Oberflächentopographien ist mit dieser Anordnung nicht möglich.
Beschreibung der Erfindung Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, mit der in verhältnismäßig kurzer Zeit bei geringem technischem Aufwand Körpergeometrien und Oberflächentopographien vermessen oder geprüft werden können.
Erfindungsgemäß umfaßt eine optische Anordnung zur berührungslosen Ermittlung der Eigenschaft einer Körperoberfläche, wie Krümmung, Verlauf, Kontur, Lage oder Rauhigkeit:
Mittel zur Ausbildung eines Spaltes zwischen der Körperoberfläche und einer Referenzkante, wobei die Referenzkante die Richtung einer an die Körperoberfläche gelegten Tangen- te definiert, und die Abstände zwischen der Körperoberfläche und der Referenzkante, in Richtung der Normalen der Tangente betrachtet, Spaltbreiten definieren, eine Einrichtung zur Abbildung des Spaltes auf einen ortsauflösenden Detektor, eine mit dem Detektor verbundene Auswerteeinrichtung, ausgebildet zur Ermittlung von in Richtung der Tangente nebeneinander liegender Spaltbreiten anhand der Ausgangssignale des Detektors, und zur Ermittlung der Eigenschaft der Körperoberfläche, wie Krümmung, Verlauf, Kontur oder Rauhigkeit, anhand der entlang der Tangente nebeneinander lie- genden Spaltbreiten.
In alternativen Ausgestaltungen kann die erfindungsgemäße optische Anordnung, je nach Auslegung der Auswerteeinrichtung, ausgebildet sein zum Messen der Eigenschaften auf Basis der als physikalische Größen ermittelten Spaltbreiten oder zum Prüfen der Eigen- Schäften durch Vergleich der ermittelten Spaltbreiten mit Soll-Spaltbreiten.
Die Ausdehnung der Referenzkante in Richtung der Tangente entspricht im speziellen Fall der Ausdehnung der Körperoberfläche in dieser Richtung, das heißt der zwischen der Referenzkante und der Körperoberfläche ausgebildete Spalt erstreckt sich über die gesamte Ausdehnung der Körperoberfläche in dieser Richtung. Der Spalt wird insgesamt zur Auswertung auf den Detektor abgebildet.
Ist dagegen in Richtung der Tangente gesehen die Ausdehnung der Referenzkante kleiner als die Ausdehnung der Körperoberfläche, weist die erfindungsgemäße Anordnung eine Einrichtung zur Verschiebung der Referenzkante in dieser Richtung auf. Damit wird erreicht, daß die Referenzkante zeitlich nacheinander verschiedenen Teilbereichen der Körperoberfläche gegenübersteht. Der sich dabei jeweils in Richtung der Tangente ausbildende Spalt wird zur Auswertung auf den Detektor abgebildet.
In dieser Weise ist die eindimensionale Kontur der Körperoberfläche in Richtung der Referenzkante bestimmbar. Soll darüber hinaus die Struktur auch mehrdimensional in Form einer Topographie der Körperoberfläche bestimmt werden, ist in einer entsprechenden Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung zusätzlich eine Einrichtung zur Parallelverschiebung der Referenzkante senkrecht zur Tangentenrichtung vorgesehen. Damit wird erreicht, daß die Referenzkante zeitlich nacheinander den verschiedensten Teilbereichen der Körperoberfläche gegenübersteht und der dabei jeweils ausgebildete Spalt zur Auswertung auf den Detektor abgebildet wird.
Im Zusammenhang mit der Verschiebung der Referenzkante kann eine Zwangsführung vor- gesehen sein, die beispielsweise als mechanische Gerad- oder Kurvenführung ausgebildet ist und dazu dient, die Referenzkante während ihrer Fortbewegung in einem konstanten Abstand zur Körperoberfläche zu führen, der einer vorgegebenen Spaltbreite entspricht. Es ist denkbar und liegt ebenfalls im Rahmen der Erfindung, wenn alternativ zu einer Zwangsführung oder auch zusätzlich dazu eine Regeleinrichtung vorhanden ist, die zur Einhaltung des Abstandes zwischen der Referenzkante und der Körperoberfläche auf Basis einer kontinuierlichen oder periodischen Abstandsmessung ausgebildet ist.
Der Detektor besteht aus einer Vielzahl von Einzelsensoren, die entweder in einer Zeile oder in mehreren parallelen Zeilen angeordnet sind.
Die elektronischen Ausgangssignale derjenigen Sensoren des Detektors, auf die der Spalt abgebildet wird bzw. die aufgrund der Abbildung beleuchtet sind, sind ein Maß für die Spaltbreite. Die Spaltbreite und Lage des Spaltes wird dabei durch Auswertung der Intensitätsverteilung als Äquivalent der Ausgangssignalstärken bestimmt. Zur Auswertung der Intensitätsverteilung werden vorteilhaft Subpixel-Algorithmen genutzt. Derartige Auswertung sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden deshalb hier nicht näher erläutert. Mit der Sub- pixelauswertung kann die Intensitätsverteilung genauer bestimmt werden als mit der alternativ ebenfalls möglichen Auswertung der Intensitätsverteilung unter Berücksichtigung der Abstände von Einzelsensoren.
Als Detektoren kommen beispielsweise CCD-Sensoren zur Anwendung, die in der Regel aus in Zeilen und Spalten, seltener aus nur in einer Zeile angeordneten lichtempfindlichen Fotodioden, auch als Pixel bezeichnet, bestehen.
In einer besonders bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen optischen Anordnung ist der Referenzkante eine Lichtaustrittsöffnung zugeordnet, von der aus das von einer Lichtquelle kommende Licht, bevorzugt durch eine fokussierende Optik hindurch, auf die der Referenzkante gegenüberliegende Körperoberfläche gerichtet ist. Dabei ist die Lichtaustrittsöffnung in der Relation zu dem Detektor so positioniert, daß das austretende Licht als Beleuchtungslicht bei der Abbildung des Spaltes auf den Detektor dient.
Als Lichtquelle kann eine Leuchtdiode vorgesehen sein, die bevorzugt Licht einer bestimmten Wellenlänge mit homogener Intensität abstrahlt und beispielsweise über einen Lichtleiter mit der Lichtaustrittsöffnung verbunden ist.
Alternativ kommt jedoch auch eine breitbandige Lichtquelle in Kombination mit einer diffrak- tiven Linse zur Anwendung, um eine in Abhängigkeit von der Wellenlänge verschiedene Lage der Fokuslinie zu erzeugen. Auf dieser Basis sind Messungen in axialer Richtung möglich.
- A - Besonders vorteilhaft ist die Referenzkante an einer Lehre ausgebildet, und die Lichtquelle ist in die Lehre integriert.
Dem Detektor sollte eine Abbildungsoptik mit definiertem Abbildungsmaßstab vorgeordnet sein. Unter Zugrundelegung dieses Abbildungsmaßstabes einerseits und der Abstände der Pixel auf der Empfangsfläche des Detektors andererseits wird mittels eines Bildauswertungsprogramms die Breite des Spaltes bestimmt.
Im bevorzugten Fall sind der Detektor und die Abbildungsoptik Bauteile einer Kamera, und die Kamera und die Lehre sind in einen vorgegebenen Abstand fest miteinander verbunden.
Um die optische Abtastung der Körperoberfläche bei Anwendungsfällen mit erschwerter Zugänglichkeit zu ermöglichen, kann im Strahlenverlauf zwischen dem Spalt und der Abbildungsoptik mindestens ein Umlenkspiegel vorgesehen sein.
Um unerwünschte Reflexionen bei der optischen Abtastung der Körperoberfläche zu unterdrücken, kann der Abbildungsoptik ein Polarisationsfilter vorgeordnet sein. So werden vor allem die Reflexionen nicht mit auf den Detektor abgebildet, die eine Polarisationsrichtung parallel zur Körperoberfläche haben und das Auswertungsergebnis verfälschen könnten.
Zur Bestimmung der Krümmung, des Verlaufs, der Kontur oder der Rauhigkeit von Körperoberflächen oder ausgewählter Bereiche von Körperoberflächen, die im Wesentlichen plan sind, ist die Referenzkante als eine Gerade ausgeführt.
Im Rahmen der Erfindung liegt jedoch ebenfalls eine Ausführung, bei welcher die Referenzkante ringförmig ausgebildet und die Körperoberfläche die Innenfläche eines die Referenzkante zentrisch umschließenden Kreiszylinders ist, wobei zwischen der Referenzkante und der Körperoberfläche ein ringförmiger Spalt ausgebildet ist, und - eine Einrichtung zur Abbildung des ringförmigen Spaltes auf einen ortsauflösenden Detektor vorhanden ist.
Dabei ist auch hier die Referenzkante an einer Lehre ausgebildet, die in diesem Fall die Form eines runden Lehrdorns hat. Die Lichtaustrittsfläche ist ebenfalls ringförmig ausgebil- det und der Referenzkante zugeordnet.
Vorteilhafter Weise ist auch hierbei eine Einrichtung zum Verschieben des Lehrdorns einschließlich Referenzkante und Lichtaustrittsfläche in Richtung der Mittenachse der zylindrischen Innenfläche vorhanden. In dieser Ausführungsform ist die erfindungsgemäße optische Anordnung besonders zum berührungsfreien Vermessen oder Prüfen des Durchmessers, der Position, der Lage oder der Form von Bohrlöchern geeignet. Insbesondere kann mit der Verschiebung des Lehr- dorns in Richtung der zylindrischen Innenfläche eine dreidimensionale Oberflächentopographie der Bohrung erstellt werden.
Als Detektor dient hier ebenfalls eine CCD-Kamera mit Optik, welche im fixen Abstand mit dem Lehrdorn verbunden ist. Aus dem Abbildungsmaßstab der Optik und dem Abstand der Pixel zueinander kann somit aus dem Kamerabild auf den Durchmesser, Form und der Lage des Bohrlochs geschlossen werden.
In den Erfindungsgedanken eingeschlossen sind auch Ausgestaltungen, bei denen die Referenzkante austauschbar oder in ihrer Größe verstellbar ist und Ausgestaltungen, bei denen die Bestimmung von Verlauf, Kontur, Lage oder Rauhigkeit der Körperoberfläche aus der Interpretation des Aufgrund von Lichtbeugung entstanden Kamerabildes vorgesehen ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
Fig.1 die erfindungsgemäße optische Anordnung in einer Prinzipdarstellung,
Fig.2 die erfindungsgemäße optische Anordnung nach Fig.1 in einer Ausgestaltung zum berührungslosen Messen oder Prüfen der Innenflächen von Aussparungen, insbesondere von Bohrungen, Fig.3 Beispiele zum berührungslosen Messen oder Prüfen von Außenflächen oder an
Innenflächen an technischen Körpern,
Fig.4 ein erstes Beispiel einer Abbildung des Spaltes auf dem Detektor, Fig.5 ein zweites Beispiel einer Abbildung des Spaltes auf dem Detektor,
Fig.6 die optische Anordnung nach Fig.2 in einer Ausgestaltung, in der sie insbesondere zum berührungslosen Messen oder Prüfen des Durchmessers, der Position, der Ausrichtung bzw. Lage, der Formhaltigkeit oder der Rauheit eines Bohrlochs mit besonders stark reflektierender Innenfläche geeignet ist, Fig.7 die Strahlengänge bei der Messung oder Prüfen eines Bohrlochs mit der in Fig.6 gezeigten Ausgestaltung. Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Aus Fig.1 ist symbolisch ein Körper 1 dargestellt, für dessen Körperoberfläche 2 die Krümmung, der Verlauf, die Kontur oder Rauhigkeit gemessen oder geprüft werden soll. Der Körperoberfläche 2 gegenüber steht eine Lehre 3 mit einer Referenzkante 4. Zwischen der Re- ferenzkante 4 und der Körperoberfläche 2 ist ein Spalt 5 mit der Spaltbreite a ausgebildet.
Die Lehre 3 ist über eine Abstandshalterung 6 mit einer Kamera 7 verbunden, welche eine Abbildungsoptik 8 und einen ortsauflösenden Detektor 9 umfaßt.
Zwecks Erläuterung der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Anordnung sei angenommen, daß die Körperoberfläche 2, die in diesem Ausführungsbeispiel im wesentlichen plan ist, in den Koordinatenrichtungen Y,Z eines kartesischen Koordinatensystems X,Y,Z ausgedehnt ist, während sich die Spaltbreite a in Richtung X erstreckt. Die Referenzkante 4 erstreckt sich dann in Richtung Y bzw. senkrecht zur Zeichenebene X,Z, und der Spalt 5 liegt in der Ebene X, Y.
In die Lehre 3 ist eine Leuchtdiode 10 integriert, welcher in Abstrahlrichtung des von ihr ausgehenden Lichtes eine fokussierte Optik 11 vorgeordnet ist. Die Leuchtdiode 10 gibt vorzugsweise Licht einer bestimmten Wellenlänge, beispielsweise 500 nm, mit homogener In- tensität ab.
Weiterhin ist der Referenzkante 4 eine Lichtaustrittsöffnung 12 zugeordnet, durch welche hindurch das Licht der Leuchtdiode 10 das Meßobjekt in der Höhe des Spaltes 5 beleuchtet. Der beleuchtete Spalt 5 wird durch eine transparente Halteplatte 13 hindurch mittels der Abbildungsoptik 8 auf den ortsauflösenden Detektor 9 angebildet, wobei die Abbildungen der Referenzkante 4 und des Bereiches der Körperoberfläche 2, der der Referenzkante 4 gegenüber liegt, die Meßmarken für die Spaltbreite bilden.
Der Detektor 9 weist eine Vielzahl von Einzelsensoren auf, auch als Pixel bezeichnet, die entweder in nur einer Zeile oder in einer Matrix aus mehreren Zeilen und Spalten angeordnet sind. Der Abbildungsmaßstab der Abbildungsoptik 8 ist auf die Abstände der Pixel im Detektor so abgestimmt, daß die elektronischen Ausgangssignale der bei der Abbildung des Spaltes 5 auf den Detektor 9 beleuchteten Pixel ein Äquivalent für die Spaltbreite a sind.
Ist die transparente Halteplatte 13 als Polarisationsfilter ausgebildet, so werden störende Reflexionen, die eine Polarisationsrichtung parallel zur Körperoberfläche 2 haben, in vorteilhafter Weise nicht mit auf den Detektor abgebildet. Die Ausdehnung des Spaltes 5 in Richtung Y ist auf die Anzahl der parallel nebeneinander liegenden Sensorzeilen des Detektors 9 abgestimmt. Verfügt der Detektor 9 über nur eine Sensorzeile, hat die Referenzkante 4 eine Ausdehnung, die dem Empfangsbereich der Sensoren dieser Zeile in Richtung Y entsprechen. Verfügt der Detektor 9 über mehrere in Rich- tung Y nebeneinander liegende Sensorzeilen, so ist die Referenzkante 4 dem Empfangsbereich dieser Sensoren entsprechend ausgedehnt.
Dem Detektor 9 ist eine zeichnerisch nicht dargestellte Auswerteeinrichtung nachgeordnet, die ausgebildet ist zur Ermittlung einer Vielzahl von in Richtung Y nebeneinander liegender Spaltbreiten a anhand der von dem Detektor abgegebenen Ausgangssignale und zur Ermittlung der Eigenschaft der Körperoberfläche anhand der Differenzen der in Richtung Y nebeneinander liegenden Spaltbreiten a.
Mit der Auswerteeinrichtung werden anhand der Spaltbreiten a jeweils Krümmung, Verlauf, Kontur, Lage oder Rauhigkeit der Körperoberfläche 2 in dem Bereich ermittelt, welcher der Referenzkante 4 gegenüberliegt. Um größere Bereiche der Körperoberfläche 2 zum Zweck der Bestimmung der Spaltbreiten a abzutasten, ist eine Einrichtung zur Verschiebung der erfindungsgemäßen Anordnung und des Körpers 1 relativ zueinander in den Richtungen Y und/oder Z vorgesehen.
So kann beispielsweise der Körper 1 feststehend angeordnet sein, während die erfindungsgemäße Anordnung beweglich mit der Verschiebeeinrichtung verbunden ist. Mit der Verschiebung in den Richtungen Y und/oder Z läßt sich die Spaltbreite a für Bereiche der Körperoberfläche 2 ermitteln, deren Ausdehnung größer ist als die Ausdehnung der Referenz- kante 4. Auf dieser Basis werden über weite Bereiche der Körperoberfläche 2 die bereits genannten Eigenschaften wie Krümmung, Verlauf, Kontur oder Rauheit bestimmt.
Die Verschiebeeinrichtung ist zeichnerisch nicht dargestellt, kann jedoch mit Geradführungen realisiert werden, die an sich aus dem Stand der Technik bekannt sind. Dabei kann eine mechanische Zwangsführung vorgesehen sein, die dafür sorgt, daß der Abstand zwischen der Körperoberfläche 2 und der Referenzkante 4 während der Verschiebung konstant bleibt.
Alternativ zu einer mechanischen Zwangsführung kann jedoch auch eine Regeleinrichtung vorgesehen sein, die zur Einhaltung des Abstandes zwischen der zwischen der Körperober- fläche 2 und der Referenzkante 4 auf Basis einer kontinuierlichen oder periodischen Abstandsmessung ausgebildet ist. Eine erforderliche Korrektur der Spaltbreite a erfolgt durch Nachstellung in Richtung X. Während das Ausführungsbeispiel nach Fig.1 die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Anordnung im Zusammenhang mit der Bestimmung der Eigenschaften einer an einem Körper 1 außen liegenden, im wesentlichen planen Körperoberfläche 2 beschreibt, zeigt Fig.2 anhand eines zweiten Ausführungsbeispiels die Wirkungsweise beim berührungslosen Mes- sen oder Prüfen der Eigenschaften einer innen liegenden Körperoberfläche 2. Der Übersichtlichkeit halber werden in Fig.2 für dieselben Baugruppen auch dieselben Bezugszeichen wie in Fig.1 verwendet.
Der hier in einem Querschnitt dargestellte Körper 1 weist eine Aussparung 14 auf, bei- spielsweise ein Bohrung oder ein Langloch. Die Lehre 3 ist hier, im Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach Fig.1 , als Lehrdorn ausgebildet, der in die Aussparung 14 eintaucht.
Die Richtung Y entspricht auch in diesem Fall der Richtung einer an die Körperoberfläche 2 gelegten Tangente, die Richtung X entspricht der Richtung der Normalen zur Tangente. Die Spaltbreiten a werden wiederum in Richtung X gemessen.
Auch hierbei ist in die Lehre 3 eine Leuchtdiode 10 integriert, wobei im Lichtweg von der Leuchtdiode 10 bis zum Spalt 5 eine fokussierende Optik 11 vorgesehen ist. Auch hier kann ein Lichtleiter 15 vorgesehen sein.
Um Bereiche der Körperoberfläche 2 abtasten zu können, die in ihrer Ausdehnung größer sind als die Ausdehnung der Referenzkante 4, kann auch hier eine Einrichtung zur Verschiebung der erfindungsgemäßen Anordnung und des Körpers 1 relativ zueinander in Richtung der Tangente und/oder in Richtung Z vorgesehen sein, vorteilhaft auch hier wieder in Verbindung mit einer Zwangsführung.
Fig.3 zeigt verschiedene Ausführungsbeispiele zur Positionierung und Führung der Lehre 3 bzw. der erfindungsgemäßen Anordnung relativ zu verschiedenen Bereichen der Körperoberfläche 2 am Körper 1.
So ist beispielsweise die Lehre 3.1 zur berührungslosen Abtastung einer außen liegenden planen Körperoberfläche 2.1 vorgesehen und zu diesem Zweck in der Richtung R1 verschiebbar.
Die Lehre 3.2, ausgebildet als Lehrdorn wie in Fig.2 gezeigt, ist zur Abtastung einer innen liegenden gekrümmten Körperoberfläche 2.2 vorgesehen, beispielsweise einer in den Körper 1 eingebrachten Bohrung 16. Dazu wird die Lehre 3.2 auf einer Kreisbahn in Richtung R2 bewegt, wobei der Abstand zwischen der Referenzkante 4 und der Körperoberfläche 2.2 mittels Zwangsführung oder Abstandsregelung konstant gehalten wird. Die Lehre 3.3 dient zur Abtastung der innen liegenden gekrümmten Körperoberfläche 2.3 eines in den Körper 1 eingebrachten Langloches 17. Die Fortbewegung der hier ebenfalls als Lehrdorn ausgebildeten Lehre 3.3 erfolgt in der Richtung R3, wobei ebenfalls der Ab- stand zwischen Referenzkante 4 und Körperoberfläche 3.3 konstant gehalten wird.
Die Fortbewegungsrichtungen R1 , R2 und R3 entsprechen dabei stets der Richtung der an die jeweilige Körperoberfläche 2.1 , 2.2, 2.3 gelegten Tangenten, während die Spaltbreite a in Richtung der Normalen gemessen wird.
In Fig.3 erfolgt die Abtastung der Körperoberflächen 2.1 , 2.2 und 2.3 in der Zeichenebene, d.h. die Krümmung, Verlauf, Kontur oder Rauhigkeit der Körperoberflächen 2.1 , 2.2 und 2.3 werden in der zur Erläuterung gewählten Darstellung lediglich in der Zeichenebene bestimmt. Zur darüber hinaus gehenden Bestimmung auch außerhalb der Zeichenebene bzw. zur Bestimmung der Oberflächentopographien werden die Lehren 3.1 , 3.2 bzw. 3.3 in die Zeichenebene hinein bzw. aus der Zeichenebene heraus verschoben. Durch aneinanderreihen mehrerer Konturlinien wird so eine dreidimensionale Topographie der zu vermessenden oder zu prüfenden Körperoberflächen 2.1 , 2.2 und 2.3 erstellt.
So ist sinngemäß auch das berührungslosen Messen oder Prüfen von Körperoberflächen 2 an Kegelinnen- und Kegelaußenwänden möglich.
Generell sollte die Form der Lehre auf die zur vermessenden Konturen des Prüflings abgestimmt sein. Für Bohrlöcher sind runde Formen zu wählen, wobei es zweckmäßig ist, Lehren mit verschiedenen Durchmessern für verschiedene Lochdurchmesser zu verwenden, da der Meßfehler mit steigendem Lichtspalt wächst. Diesbezüglich ist in den Erfindungsgedanken eingeschlossen: ein Set an Lehren mit verschiedenen Durchmessern, oder eine Lehre mit einer Wechselblende, bei welcher durch das Auswechseln einer Blen- denscheibe der Außendurchmesser an den Durchmesser des zu vermessenden Bohrlochs angepaßt wird, oder eine variable Lehre, bei der nach dem Prinzip einer inversen Irisblende der Außendurchmesser stufenlos variiert werden kann.
Je nach Ausgestaltung ermöglicht die erfindungsgemäße Anordnung die Messung oder Prüfung sowohl nach der Lichtspaltmethode als auch nach dem Prinzip der Triangulationsmessung.
- 10 - Bei der Lichtspaltmethode hat die Referenzkante sinngemäß die Funktion der Meßkante eines an sich bekannten Haarlineals. Die Lehre wird so positioniert, daß die Referenzkante der zu vermessenden oder zu prüfenden Körperoberfläche gegenübersteht oder auch auf diese aufgesetzt wird, und der sich dabei ausbildende Spalt wird wie bereits beschrieben unter Beleuchtung im Gegenlicht als Lichtspalt auf den ortsauflösenden Detektor abgebildet und die Abbildung mittels Bildauswerteverfahren quantitativ oder qualitativ bewertet.
Mit anderen Worten: Bei wachsendem Lichtspalt wechselt der Sensor fließend seine Meßmethode. Aus dem Lichtspaltsensor wird ein Triangulationssensor. Der Triangulationssensor bestimmt aus der Lage der Lichtintensitätsverteilung der Körperoberfläche auf dem Kamerachip seinen Abstand zum Mittelpunkt bzw. der Referenzkante der Lehre.
Beim Triangulationsverfahren bilden der Spalt sowie die beiden Strahlen, die einerseits von der Referenzkante und andererseits von dem der Referenzkante gegenüberliegenden Be- reich der Körperoberflächen kommen, ein Dreieck. Die Kenntnis des Abstandes zwischen der Referenzkante und dem Detektor an der Lehre sowie der Positionen der Abbildungen der im Gegenlicht beleuchteten Referenzkante und des der Referenzkante gegenüberliegenden Bereiches der Körperoberflächen werden anhand der an sich bekannten Triangulationsbeziehungen zur Bewertung der Spaltbreite genutzt.
Durch die Verwendung einer fokussierenden Beleuchtungseinheit kann die Bestimmung kleiner Spaltbreiten nach dem Prinzip der Lichtspaltmethode, die Bestimmung von größeren Spaltbreiten nach dem Prinzip des Triangulationsverfahrens erfolgen ohne daß sich die beiden Methoden in unerwünschter Weise gegenseitig beeinflussen. Das Beleuchtungslicht sollte fokussiert auf den betreffenden Bereich der Körperoberflächen gerichtet sein, um die gewünschte Meßgenauigkeit zu erzielen. Dabei wird die Tiefenmeßgenauigkeit durch die Größe der Fokuslinie bestimmt.
Der Meßbereich läßt sich als Funktion der Genauigkeit in Abhängigkeit der Spaltbreite a ausdrücken. Für Spaltbreiten a < 100 μm kann die Meßgenauigkeit durch den Schattenwurf des Lehrdorns beeinflußt sein. Bei Spaltbreiten a > 100 um ist die Strahltaille der Beleuchtung definierend für die erzielbare Genauigkeit. Für die jeweilige Anwendung ist die Lage und
Ausdehnung der Fokuslinie der Beleuchtungsoptik auf die erforderliche Meßgenauigkeit bzw. nötigen Meßbereich anzupassen. So erzielen kurze Brennweiten eine hohe Meßgenau- igkeit mit geringerer Ausdehnung des Meßbereiches, längere Brennweiten einen größeren
Meßbereich mit geringerer Genauigkeit.
Optional kann eine diffraktive Beleuchtungsoptik mit einer spektral durchstimmbaren Lichtquelle vorgesehen sein, womit sich der Meßbereich ohne eine Verringerung der zu erzielen-
- 1 1 - den Meßgenauigkeit erweitern läßt. Begründet ist dies durch die lineare Abhängigkeit zwischen Wellenlänge und Brennweite bei diffraktiven Linsen. Somit kann die Lage der Fokuslinie durch die Wahl der Wellenlänge bestimmt werden. Die durchstimmbare Lichtquelle kann in Form von mehreren Lichtquellen mit verschiedener Wellenlänge, einem multispektralem Laser oder einer Weißlichtquelle im Zusammenwirken mit einem Spektralfilter realisiert werden.
Mehrere Lichtquellen verschiedener Wellenlängen oder eine spektral durchstimmbare Lichtquelle sind auch deshalb sinnvoll, weil verschiedene Materialien und Oberflächen unter- schiedliche Reflexionseigenschaften bezüglich des Lichts einer Wellenlänge haben.
Auch können Fremdlichteinflüsse mittels eines Farbfilters vor der Abbildungsoptik geblockt werden.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht in der Eignung zum sekundenschnellen kontaktfreien Überprüfen der Sollgeometrien oder topographischen Vermessung von Geometrien.
Ein weiteres Anwendungsgebiet ist der Einsatz in Koordinatenmeßmaschinen. Da die Spalt- breite a genau ermittelt werden kann, ist es möglich, schnell und berührungsfrei die Position, die Lage und die Oberflächenstruktur eines beliebigen Werkstückes im Koordinatensystem einer Koordinatenmeßmaschine zu bestimmen.
In diesem Anwendungsfall ist die erfindungsgemäße Anordnung bevorzugt mit einer Einrich- tung zur Messung und Regelung des Abstandes zwischen der Lehre und dem Werkstück in axialer Richtung ausgestattet, um mögliche Kollisionen zu verhindern. Die bereits erwähnte Abstandsregelung in Richtung der Spaltbreite a kann auch hier dazu dienen, eine Kollisionsgefahr frühzeitig zu erkennen. Die Verwendung eines axialen Abstandsensor erweitert die Einsatzmöglichkeit der beschriebenen Anordnung dahingehend, daß Messungen im gesam- ten Halbraum +/-x, +/-y und +z des Koordinatensystems X, Y, Z durchgeführt werden können.
Ist bei einer oben bereits beschriebenen Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung die Referenzkante ringförmig an einem kreisrunden Lehrdorn ausgebildet und die Körperoberfläche die Innenfläche eines die Referenzkante zentrisch umschließenden
Kreiszylinders, wobei zwischen der Referenzkante und der Körperoberfläche ein ringförmiger Spalt ausgebildet ist, und ist
- 12 - eine Einrichtung zur Abbildung des ringförmigen Spaltes auf einen ortsauflösenden Detektor vorhanden, wird eine vertikale Lichtverteilung innerhalb eines zu bewertenden Bohrlochs auf der horizontalen Ebene des Detektors abgebildet. Um aus der mit dem Detektor aufgenommenen Intensitätsverteilung auf den Durchmesser bzw. die Form des Bohrlochs schließen zu können, muß die Lichtverteilung im Bohrloch sowie deren Ausbreitung definiert sein.
Liegt bei einer Beleuchtung der Bohrlochinnenwand der Intensitätsschwerpunkt der Lichtverteilung auf der Objektebene der Abbildungsoptik, entspricht der Intensitätsschwerpunkt in der Abbildung auf dem Detektor der Position der Bohrlochwand. Fig.4 zeigt hierzu ein Beispiel.
Dieser Fall betrifft vor allem bei Spaltbreiten a > 1 mm und einem Bohrlochdurchmesser von 10 mm zu.
Für kleine Spaltbreiten a < 1 mm bei demselben Bohrlochdurchmesser liegt der Intensitätsschwerpunkt der Lichtverteilung im Bohrloch unterhalb der Objektebene der Abbildungsoptik. In diesem Fall liegt die Position der Bohrlochwand auf der abfallenden Flanke der Intensitätsverteilung in der Abbildung. Hierzu zeigt Fig.5 ein Beispiel.
In dem nachfolgend anhand Fig.6 beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die erfindungsgemäße Anordnung zum berührungslosen Messen oder Prüfen der Oberflächenrauhigkeit, des Durchmessers, der Position oder der Formhaltigkeit eines Bohrlochs 18 mit einer stark reflektierenden Innenfläche 19 dargestellt.
Soweit es der Übersichtlichkeit dient, wurden in Fig.6 für dieselben Baugruppen, die schon in Fig.1 oder Fig.2 zu sehen sind, auch dieselben Bezugszeichen verwendet. Das betrifft den Körper 1 , hier mit dem Bohrloch 18, die Lehre 3 mit einer kreisförmig gekrümmten Referenzkante 4, einen Spalt 5 mit der Spaltbreite a, in diesem Fall ausgebildet zwischen der Refe- renzkante 4 und der Innenfläche 19 des Bohrlochs 18, sowie eine Abstandshalterung 6, welche die Lehre 3 mit einer Kamera 7 verbindet. Die Lehre 3 ist hier ebenso wie bereits weiter oben beschrieben als Lehrdorn ausgebildet, der in die Bohrung 18 eintaucht.
Die Kamera 7 umfaßt wiederum eine Abbildungsoptik 8 und einen ortsauflösenden Detektor 9. Weiterhin sind eine Leuchtdiode 10, eine fokussierende Optik 11 , eine Lichtaustrittsöffnung 12, eine Halteplatte 13 sowie einen Lichtleiter 15 vorhanden. Die Leuchtdiode 10 ist in die Lehre 3 integriert, die fokussierende Optik 11 befindet sich im Lichtweg zwischen der Leuchtdiode 10 und dem Spalt 5, die Referenzkante 4 ist fest in der Fokusebene F der fo- kussierten Optik 11 angeordnet. Der Lichtleiter 15 dient zur Übertragung des von der
- 13 - Leuchtdiode ausgehenden Meßlichtes und zu dessen Abstrahlung in Richtung auf die Innenfläche 19.
Die Richtung Y entspricht in diesem Fall der Richtung einer an die Innenfläche 19 der Boh- rung 18 gelegten Tangente, während die Richtung X der Richtung der Normalen zur Tangente definiert. Die jeweilige Spaltbreite a wird in Richtung X gemessen. Um die Innenfläche 19 bis in die Tiefe der Bohrung abtasten zu können, ist eine (zeichnerisch nicht dargestellte) Einrichtung zur Verschiebung der erfindungsgemäßen Anordnung einschließlich der Lehre 3 relativ zum Körper 1 in Richtung Z vorhanden.
Abweichend von den Ausführungsbeispielen nach Fig.1 und Fig.2 hat hier die Innenfläche 19 stark reflektierende Eigenschaften.
Zur Messung wird die Lehre 3 und damit die Referenzkante 4 in die Bohrung 18 eingeführt, wobei das von der Leuchtdiode 10 über den Lichtleiter 15 abgestrahlte homogene Licht die Innenfläche 19 beleuchtet. Die reflektierende Eigenschaft der Innenfläche 19 führt dazu, daß von der Innenfläche 19 reflektiertes Licht auf die Referenzkante 4 trifft und von dieser gestreut wird. Das von der Referenzkante 4 gestreute Licht wird mittels der Abbildungsoptik 8, die in einem definierten Abstand von der Lehre 3 fest angeordnet ist, auf den Detektor 9 der Kamera 7 abgebildet.
Dabei entstehen auf dem Detektor 9 zwei ringförmige Abbildungen der Referenzkante 4: eine erste ringförmige Abbildung entsteht über den Strahlengang 20, der, von der in Fig.7 gezeigten Position 23.3 ausgehend, den direkten Weg des Lichtes vom Umfang der Refe- renzkante 4 zum Detektor 9 beschreibt; eine zweite ringförmige Abbildung entsteht über den Strahlengang 21 , der, in Abhängigkeit von der in Fig.7 gezeigten Position 23.1 , den Weg des von der Referenzkante 4 gestreuten und an der spiegelnden Innenfläche 19 reflektierten Lichtes zum Detektor 9 beschreibt.
Aus der Verknüpfung der Positionen der beiden Abbildungen auf dem Detektor 9 mit dem Abbildungsmaßstab der Abbildungsoptik 8 wird in einer nachgeschalteten Auswerteeinrichtung der Durchmesser der Bohrung 18 ermittelt.
Fig.7 dient zur Erläuterung der Bestimmung der Positionen der beiden Abbildungen auf dem Detektor 9. Bezogen auf das Zentrum der kreisförmigen Referenzkante 4 können der Radius r Le hre der Referenzkante 4 und der Radius r Re fiex der Reflexion an der Innenfläche 19 bestimmt werden. Aus den Reflexionsgesetzen folgt, dass der in Fig.7 eingezeichnete Abstand S gleich dem Abstand S' ist. Folglich kann der Radius r Objekt der Bohrung 18 aus der Bezie-
- 14 - hung r Ob] e k t = (f R e f iex + r Leh re)/2 bestimmt werden. Der Durchmesser d der Bohrung 18 ergibt sich dann aus d O b ]e kt = r Re fiex + lehre-
Neben den oben genannten beiden Abbildungen der Referenzkante 4 entsteht auf dem De- tektor 9 eine weitere ringförmige Abbildung aufgrund des Strahlenganges 22, der den Weg des Lichtes von der Position 23.2, die an der Innenfläche 19 von dem über den Lichtleiter 15 abgestrahlten Licht beleuchtet ist, zum Detektor 9 beschreibt. Aus dem Vergleich der Lage über die Strahlengänge 21 und 22 gewonnenen Abbildungen werden in einer nachgeordne- ten Auswerteeinrichtung Schlußfolgerungen einerseits auf die Lage der Innenfläche 19 und andererseits auf einen Verkippungswinkel zwischen der Bohrlochmittenachse A relativ zur Fokusebene F gezogen. Aufgrund dieser Information ist es möglich, die Ausrichtung des Meßobjektes bzw. des Bohrlochs 18 relativ zur Lehre 3 bzw. zu der erfindungsgemäßen optischen Anordnung zu Beeinflussen und unerwünschte Abweichungen zu korrigieren.
Die aufgrund des Strahlenganges 22 entstehende Abbildung erscheint auf dem Detektor 9 zwischen den beiden Abbildungen der Referenzkante 4 und ist bezüglich ihrere Intensität abhängig vom Reflexionsvermögen bzw. von der Rauhigkeit der Innenfläche 19. Unter der Annahme, dass die Innenfläche 19 das Licht zu 100% reflektiert bzw. die Rauhigkeit der Innenfläche 19 gleich „null" ist, ist dieses Bild nicht sichtbar, da das Licht komplett von der gesamten Innenfläche 19 reflektiert wird. Dagegen steigt in Abhängigkeit von der Rauhigkeit und von der Wellenlänge des Lichtes der Anteil des Lichtes, der an der Innenfläche 19 gestreut wird, was zur Folge hat, dass das Bild dieser beleuchteten Zone um so deutlicher sichtbar wird.
Die in Fig.7 eingetragenen Positionen 23.1 , 23.2 und 23.3 sind lediglich Positionen in der Zeichenebene des dargestellten Querschnittes der Lehre 3 und des Bohrlochs 18. Da Referenzkante 4 kreisförmig umläuft und damit auch die Positionen 23.1 , 23.2 und 23.3 kreisförmig innerhalb des Bohrlochs 18 umlaufen, sind auch die jeweiligen Abbildungen kreisförmig.
Aus der Anwendung der erfindungsgemäßen optischen Anordnung ergeben sich folgende Vorteile:
1. Es können auch Objekte mit Rauhigkeiten vermessen werden, die in ihrer Ausdehnung kleiner sind als die Wellenlänge des Beleuchtungslichtes.
2. Es kann eine Aussage über die Rauhigkeit des Objektes getroffen werden durch Ver- gleich der Intensitäten der von den Positionen 23.1 , 23.2 und 23.3 erhaltenen Abbildungen.
3. Aus der Integration und dem Vergleich der aus zwei beliebigen Positionen innerhalb des Bohrlochs 18 mittels der Strahlengänge 21 und 22 gewonnenen Abbildungen kann erstens auf die Lage der Innenfläche 19 und zweitens auf einen Verkippungs-
- 15 - winkel zwischen der Bohrlochmittenachse A relativ zur Fokusebene F und damit auf eine Verkippung des Meßobjektes relativ zur Lehre 3 bzw. zu der erfindungsgemäßen optischen Anordnung geschlußfolgert werden.
Insofern ist die in Fig.6 und Fig.7 beispielhaft gezeigte Ausführung der erfindungsgemäßen optischen Anordnung besonders vorteilhaft zum berührungslosen Messen oder Prüfen des Durchmessers, der Position, der Ausrichtung bzw. Lage und der Formhaltigkeit von Bohrungen mit Oberflächen geringer Rauheit geeignet.
- 16 - Bezugszeichenliste
1 Körper
2,2.1,2.2,2.3 Körperoberfläche
3,3.1,3.2,3.3 Lehre
4 Referenzkante
5 Spalt
10 6 Abstandshalterung
7 Kamera
8 Abbildungsoptik
9 Detektor
10 Leuchtdiode
15 11 fokussierende Optik
12 Lichtaustrittsöffnung
13 Halteplatte
14 Aussparung
15 Lichtleiter
20 16 Bohrung
17 Langloch
18 Bohrloch
19 Innenflächen
20,21,22 Stahlengänge
25 23.1,23.2,23.3 Positionen
a Spaltbreite
A Bohrlochmittenachse
F Fokusebene
30 X, Y, Z Richtungen
R1, R2, R3 Bewegungsrichtungen
-17-