Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Messgerät zum Erfassen der Form, der Rauhigkeit oder des

Abstandes der Oberfläche eines Prüfkörpers, wobei der Prüfkörper mittels einer optisch arbeitenden Abtasteinrichtung, die eine Abtastfläche aufweist und welche in einer vertikalen Achse und in einer horizontalen Achse relativ zum Prüfkörper verschiebbar ist, punktförmig abtastbar ist.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Erfassen der Form, der Rauhigkeit oder des Abstandes der Oberfläche eines Prüfkörpers mittels eines Messgerätes, wobei der Prüfkörper mittels einer optisch arbeitenden Abtasteinrichtung, die eine Abtastfläche aufweist und welche in einer vertikalen Achse und in einer horizontalen Achse relativ zum Prüfkörper verschoben werden kann, punktförmig abgetastet wird.

Bei einem Formmessgerät wird ein Tastelement über die Prüflingsoberfläche bewegt und dabei die exakte Geometrie des Prüflings und / oder die Anweichung des Prüflings von einer Idealgestalt ermittelt. Dabei wird in vorgegebenen zeitlichen oder örtlichen Ab- ständen Punktweise gemessen. Aus den so entstandenen Profilen werden danach die

Merkmalswerte, wie beispielsweise Geradheit, Ebenheit oder Rundheit berechnet. Die Abtastung ist sowohl taktil als auch optisch möglich.

In der Offenlegungsschrift DE 19808273 Al ist ein Tastsystem beschrieben, mit dem diese Abtastung optisch vorgenommen wird. Die Schrift bezieht sich dabei auf eine interferometrische Messeinrichtung zum Erfassen der Form rauer Oberflächen. Es ist eine räumlich kohärente Strahlerzeugungseinheit vorgesehen, die eine zeitlich kurzkohärente und breitbandige Strahlung abgibt. Ein Teil der Strahlung wird dabei auf die Oberfläche des zu vermessenden Objektes projiziert und wird von diesem reflektiert. Der reflektierte Anteil kann dann mit einem Referenzstrahl interferieren. Das sich ergebende Signal wird mittels entsprechender Sensoren detektiert. In einer Auswertevorrichtung wird daraus ein Wegunterschied für jeden Messpunkt errechnet, so dass daraus die Form bzw. Formabweichung eines Prüfkörpers erfasst werden kann.

Die Fahrgeschwindigkeit wird bei taktiler Abtastung u.a. begrenzt durch das mechanische Übertragungsverhalten des Tastsystems, welches insbesondere von der Tastkugel, dem Tasterschaft, der Messkrafterzeugung und dem Induktivsystem gebildet wird.

Neben den taktilen Abtastsystemen mit einem Induktivsystem sind auch kapazitiv arbeitende Systeme bekannt.

Der Vorteil der optischen Abtastung liegt darin, dass die mögliche Abtastgeschwindigkeit nicht mehr durch die mechanischen Eigenschaften des abtastenden Elementes begrenzt ist. Dadurch ist es möglich, deutlich mehr Oberflächenpunkte als bisher in eine gesamthafte Beurteilung der Formabweichung des Prüflings einzubeziehen. Typischerweise erfolgt die Oberflächenabtastung, je nach Grundgeometrie des Prüfkörpers, in festgelegten Mustern.

Bei der Abtastung müssen die Einzelpunkte so nahe beieinander liegen, dass ein so genannter Aliasingeffekt vermieden wird. Dieser Effekt kann auftreten, wenn am Prüfkörper Oberflächenänderungen auftreten, deren räumliche Frequenz größer ist als die räumliche Abtastfrequenz. Dabei kann eine niederfrequente Oberflächenänderung vorgetäuscht werden, die in Wirklichkeit nicht vorhanden ist. Um diesen Effekt zu vermeiden, ist anzustreben, dass die räumliche Abtastfrequenz mindestens der doppelten Frequenz der räumlichen Oberflächenänderungen entspricht. In der Praxis wird daher häufig mit einer Überlappung der Messpunkte gearbeitet. Da der optische Abtastpunkt,

der Spot, klein ist, üblicherweise beträgt der Durchmesser der Abtastfläche zwischen 1 und 20 μm, beträgt die Messzeit entsprechend lang.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Messgerät bereitzustellen, mit dem die Messzeit reduziert werden kann ohne die Genauigkeit zu verschlechtern. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, dazu ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen.

Vorteile der Erfindung

Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Abtastfläche der Abtasteinrichtung in Richtung der Hauptachse des Prüfkörpers oder quer zur Hauptbewegungsrichtung gedehnt ist. Damit kann erreicht werden, dass ein Prüfkörper in Richtung seiner Hauptachse mit weniger Messpunkten abgetastet werden kann. Die zur Erfassung seiner Form erforderliche Punktdichte kann dadurch deutlich reduziert werden, was in

Folge die ansonsten erforderliche Messzeit reduziert.

Weist die Abtastfläche der Abtasteinrichtung eine gestreckte, beispielsweise elliptische Form auf, wobei eine Hauptachse Z der Ellipse im Wesentlichen parallel zur Hauptachse des Prüfkörpers oder quer zur Hauptbewegungsrichtung ausgerichtet ist, kann bereits in einfacher Art und Weise eine schnellere Abtastung des Prüfkörpers erzielt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Abtastfläche der Abtasteinrichtung eine im Wesentlichen rechteckige Form auf, wobei die Hauptachse Z des Rechtecks im Wesentlichen parallel zur Hauptachse des Prüfkörpers oder quer zur

Hauptbewegungsrichtung ausgerichtet ist.

Dabei ist der Strahlengang zur Erzeugung einer nicht runden Abtastfläche durch das Design der optischen Elemente in der Abtasteinrichtung festgelegt. Aspherisch geschliffene Linsen können beispielsweise eine Dehnung der Abtastfläche erzeugen.

Optische Anordnungen mit Zylinderlinsen können beispielsweise einen Linienfokus erzeugen, der eine im Wesentlichen rechteckige Form aufweist.

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In einer weiteren Ausführungsvariante kann vorgesehen sein, dass zur Auswertung der vom Prüfkörper reflektierten Anteile des Strahlenganges Teile des Strahls mittels einer oder mehrerer Masken ausgeblendet sind. Damit kann erreicht werden, dass durch Anpassung der Masken die Geometrie der aktiv ausgewerteten Abtastfläche an die erforderliche Geometrie der Messaufgabe und / oder des Prüfkörpers angepasst werden kann.

Eine besonders flexible Anpassung kann dabei erzielt werden, wenn zur Auswertung Teile des Strahls, der vom Prüfkörper reflektierten Anteile des Strahlenganges mittels einer Auswerteeinheit rechnerisch ausgeblendet sind.

Weist die Abtasteinrichtung mehrkanalige Sensoren auf, die zumindest teilweise nicht runde Abtastflächen aufweisen, kann eine besonders effiziente Abtastrate erzielt werden, wodurch die Messzeit zusätzlich, entsprechend der Anzahl der verfügbaren Sensoren verkürzt werden kann. Weiterhin kann auch eine höhere Flexibilität errecht werden, wenn die Abtastflächen der Sensoren unterschiedliche Geometrien aufweisen. Durch Umschaltung auf den jeweiligen Sensor kann mit geringem Rüstaufwand die, für den Prüfkörper günstigste Messgeometrie eingestellt werden.

Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Abtastung mit einer in Richtung der Hauptachse des Prüfkörpers oder quer zur Hauptbewegungsrichtung gedehnten Abtastfläche durchgeführt wird. Damit kann der Prüfkörper deutlich schneller entlang von festgelegten Abtastmustern mit einer hinreichend hohen Punktdichte abgetastet werden.

Insbesondere ist dies von Vorteil, wenn die Oberflächenabtastung des Prüfkörpers entlang von festgelegten Abtast-Linien und / oder wendeiförmig um die Hauptachse des Prüfkörpers in Form einer Abtast- Wendel durchgeführt wird. Damit können recht schnell Formabweichungen eines Prüfkörpers ermittelt werden. Zylinder- oder Kegelformen lassen sich beispielsweise somit entlang der Achse bzw. der Mantellinie besonders schnell erfassen, da eine größere Wendelsteigung erlaubt ist.

Zeichnung

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausfuhrungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 in schematischer Darstellung ein Messgerät zum Erfassen der Form eines

Prüfkörpers,

Figur 2a in schematischer Darstellung eine Abtastung eines Prüfkörpers in Form von Abtast-Linien,

Figur 2b in schematischer Darstellung eine Abtastung eines Prüfkörpers in Wendelform, Figur 3 eine nicht runde Abtastfläche.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Messgerät 1, welches im Wesentlichen aus einer Abtasteinrichtung 50 besteht, die in einer vertikalen Achse 30 und in einer horizontalen Achse 40 verschiebbar gehalten ist. Die Verschiebung erfolgt üblicherweise mittels hier nicht dargestellten hochpräzisen Linearantrieben.

Im gezeigten Beispiel ist der hinsichtlich seiner Form zu prüfende Prüfkörper 10 auf einem Drehtisch 20 fixiert. Seine Hauptachse, bei zylindrischen oder kegelförmigen Körpern insbesondere die Mittelachse des Prüfkörpers fällt dabei mit der Drehachse des Drehtisches 20 zusammen.

Die Abtasteinrichtung kann in Form eines mechanischen Abtastsystems ausgebildet sein, bei dem eine Abtastkugel behutsam an die Oberfläche des Prüfkörpers herangeführt wird und dabei der Weg mittels in der vertikalen und horizontalen Achse 30, 40 integrierter Weggeber gemessen und in einer Auswertevorrichtung gespeichert wird.

Bei optisch arbeitenden Systemen wird der Wegunterschied in Folge von

Formabweichungen interferometrisch bestimmt. Die Abtasteinrichtung 50 erzeugt dabei auf der Oberfläche des Prüfkörpers 10 eine Abtastfläche 53, bei der das reflektierte Licht ausgewertet wird.

In typischerweise Weise erfolgt die Oberflächenabtastung in zuvor festgelegten Abtastmustern, die je nach Grundgeometrie des Prüfkörpers unterschiedlich ausgestalten sein können.

Figur 2a zeigt beispielsweise in schematischer Darstellung eine Abtastung eines Prüfkörpers 10 in Form von Abtast-Linien 51. Der Prüfkörper 10, im gezeigten Beispiel ein zylindrischer Körper wird dabei linienförmig an verschiedenen Stellen entlang seines Umfangs parallel zur Mittelachse abgetastet. In bestimmten Abständen erfolgt zusätzlich eine radiale Abtastung entlang des gesamten Umfangs. Dabei ist es erforderlich, dass die

Abtastfläche 53 jeden Messpunktes dicht beieinander liegt, so dass der oben beschriebene Aliasingeffekt vermieden wird. In der Praxis wird daher häufig mit einer Überlappung der Messpunkte gearbeitet.

Figur 2b zeigt als weiteres Beispiel in schematischer Darstellung eine Abtastung eines

Prüfkörpers 10 in Wendelform. Die Abtasteinrichtung 50 folgt dabei in Form einer Abtast- Wendel 52 der Oberfläche des Prüfkörpers 10. Dabei kann bei runden Abtastflächen 53, je nach geforderter Genauigkeit nur eine gewisse Steigung der Abtast- Wendel 52 zugelassen werden.

Es ist daher zweckmäßig, die Abtastfläche 53 derart zu gestalten, dass die Abtastpunkte in Richtung der Hauptachse des zu messenden Prüfkörpers 10 oder quer zur relativen Hauptbewegungsrichtung gedehnt sind.

Figur 3 zeigt gemäß der Erfindung eine nicht runde Abtastfläche 53, die im gezeigten

Beispiel eine elliptische Form aufweist. Dabei ist eine Hauptachse Z 53.1 der Abtastfläche 53 gegenüber der Hauptachse Y 53.2 gedehnt und in Richtung der Hauptachse des Prüfkörpers 10 ausgerichtet. Dies ermöglicht beispielsweise bei einem Abtastmuster, wie es in Figur 2b dargestellt ist, dass der Prüfkörper mit einer größeren Wendelsteigung abgetastet werden kann.

Der Strahlengang zur Erzeugung einer nicht runden Abtastfläche 53 kann durch das Design der optischen Elemente in der Abtasteinrichtung 50 festgelegt sein. Hier kommen

insbesondere aspherisch geschliffene Linsen und /oder Zylinderlinsen zum Einsatz, die den Messstrahl entsprechend deformieren.

Eine vorwiegend rechteckige Form der Abtastfläche 53 der Abtasteinrichtung 50 kann beispielsweise einfach erreicht werden, wenn ein kollimierter Lichtstrahl, ggf. mittels eines Ablenkspiegels umgelenkt, durch eine Zylinderlinse tritt. Dadurch wird ein Linienfokus erzielt, dessen Hauptachse Z 53.1 im Wesentlichen parallel zur Hauptachse des Prüfkörpers oder quer zur Hauptbewegungsrichtung ausgerichtet ist.

In einer weiteren Ausführungsvariante kann vorgesehen sein, dass zur Auswertung der vom Prüfkörper 10 reflektierten Anteile des Strahlenganges Teile des Strahls mittels einer oder mehrerer Masken ausgeblendet sind. Ein ähnlicher Effekt kann auch erzielt werden, wenn zur Auswertung Teile des Strahls, der vom Prüfkörper 10 reflektierten Anteile des Strahlenganges mittels einer Auswerteeinheit rechnerisch ausgeblendet sind.

In bestimmten Ausführungsvarianten weist die Abtasteinrichtung 50 mehrkanalige Sensoren auf, die zumindest teilweise nicht runde Abtastflächen besitzen. Damit kann zum einen eine besonders effiziente Abtastrate erzielt werden, wodurch die Messzeit zusätzlich, entsprechend der Anzahl der verfügbaren Sensoren verkürzt werden kann. Andererseits kann auch eine höhere Flexibilität errecht werden, wenn die Abtastflächen der Sensoren unterschiedliche Geometrien aufweisen. Durch Umschaltung auf den jeweiligen Sensor kann mit geringem Rüstaufwand die, für den Prüfkörper günstigste Messgeometrie eingestellt werden.

In einer anderen Bauform kann das Messgerät 1 in Form eines kartesischen Koordinaten- messgerätes ausgeführt sein. Weiterhin denkbar ist der Einsatz in Abtastvorrichtungen, die in Fertigungsmaschinen integriert sind. Ebenso denkbar ist auch eine Abtastung einer raumschrägen ebenen Fläche. Selbst auf einem 2D-Linienmessgerät oder einem SD- Messgerät ist der Einsatz solcher Tastsysteme vorteilhaft.

Mit der beschriebenen Vorrichtung und dem Verfahren kann eine erhöhte Abtastgeschwindigkeit beim Abtasten von Prüfkörpern erzielt werden, ohne dass die erforderliche Genauigkeit zur Berechnung einer Soll-Ist- Abweichung der Geometrie des Prüfkörpers

reduziert wird. Es können zu dem eine hohe Flexibilität hinsichtlich der Anpassung an Grundgeometrie des Prüfkörpers 10 bzw. an die Messaufgabe erreicht werden.