DE19811460A1

DE19811460A1 - Shape measurement unit for precise measuring or testing accuracy of shape or deviation of workpiece surface

Info

Publication number: DE19811460A1
Application number: DE1998111460
Authority: DE
Inventors: Rainer Ziegenbein
Original assignee: MAHR GmbH
Current assignee: MAHR GmbH
Priority date: 1998-03-17
Filing date: 1998-03-17
Publication date: 1999-09-30
Anticipated expiration: 2018-03-18
Also published as: DE19811460C2

Abstract

The sensor is an alignment sensor (2) and is designed in such a manner, that the dimension determined by the sensor, is measured in a direction, which is aligned at right angles to the surface of the ideal body. The positioning unit (4) is a moving unit, which linearly moves the alignment sensor relative to the workpiece (5). The surface shape is determined along a measurement line. The measurement is displaced on the workpiece surface in order to sweep over the surfaces.

Description

Die Erfindung betrifft eine Formmesseinrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.The invention relates to a shape measuring device the features of the preamble of claim 1.

Zur Formmessung an planen oder rotationssymmetri schen oder im Einzelnen auch anderweitig geformten Werk stücken, sind Formmessmaschinen in Gebrauch, die die Werkstückoberfläche punktweise an- oder abtasten. Der sich bspw. durch eine Berührung zwischen einem Tastkörper und der Werkstückoberfläche ergebende Tastpunkt wird auf der Werkstückoberfläche sukzessive verlagert, so dass nach und nach die interessierenden Oberflächenbereich erfasst werden.For shape measurement on plan or rotationally symmetrical work or in some other form pieces, shape measuring machines are in use, which the Touch or scan the workpiece surface point by point. Of the by a touch between a probe and the touch point resulting from the workpiece surface opens successively shifted the workpiece surface so that gradually the surface area of interest be recorded.

Dazu ist bspw. aus der DE 43 45 091 A1 eine Formmessmaschine bekannt, bei der das Werkstück auf einem Drehtisch zu lagern ist. Die Formmessmaschine weist außer dem einen Messtaster auf, der in drei zueinander recht winkligen Raumrichtungen Y, Z, R in Bezug auf das Werk stück verstellbar gehalten ist. Der Taster enthält einen Tastkörper, der zur Erfassung der jeweiligen Oberflächen koordinaten eines Punkts der Werkstückoberfläche diese antastet. Sollen größere Oberflächenbereiche erfasst werden, müssen viele Einzelpunkte angetastet werden.For this purpose, for example from DE 43 45 091 A1 Shape measuring machine known in which the workpiece on a The turntable must be stored. The shape measuring machine points out the one probe that is right in three to each other angular spatial directions Y, Z, R in relation to the work piece is held adjustable. The button contains one Probe body that is used to record the respective surfaces coordinate a point of the workpiece surface this touches. Should larger surface areas be recorded many individual points must be touched.

Darüber hinaus ist es aus der DE 196 43 074 A1 und aus der DD 1 06 769 bekannt, Werkstückoberflächen in einem optischen Messverfahren flächenhaft zu erfassen. Dazu wird ein paralleles kohärentes Lichtbündel in ein Refe renzlichtbündel und ein Messlichtbündel aufgeteilt. Dies erfolgt mit einem computergenerierten Hologramm, das ein Abbild einer idealen Werkstückoberfläche darstellt und eine Beugungsoptik bildet. Nach Reflexion des Messlicht bündels von der Werkstückoberfläche wird dieses an einer geeigneten Beugungsstruktur mit dem Referenzlichtstrahl wieder vereinigt. Die Abweichungen der realen Werkstück oberfläche von der Idealgestalt erzeugen nun ein charak teristisches Bild, das mit einer CCD-Kamera aufgenommen wird. Die CCD-Kamera erfasst somit die Werkstückoberflä che im Ganzen, wodurch sich eine relativ schnelle Messung ergibt. Allerdings setzt die Auflösung der CCD-Kamera dem Verfahren Grenzen. Es können mit dem Sensor nur relativ kleine Dimensionsbereiche abgedeckt werden, was eine geringe Flexibilität bedeutet.In addition, it is from DE 196 43 074 A1 and from known from DD 1 06 769, workpiece surfaces in one to measure optical measurement methods over a wide area. To becomes a parallel coherent light beam into a refe boundary light beam and a measuring light beam divided. This is done with a computer generated hologram, the one Represents an ideal workpiece surface and forms a diffractive lens. After reflection of the measuring light bundle of the workpiece surface this is on a suitable diffraction structure with the reference light beam reunited. The deviations of the real workpiece surfaces of the ideal shape now create a character Teristic image taken with a CCD camera becomes. The CCD camera thus captures the workpiece surface overall, which results in a relatively quick measurement results. However, the resolution of the CCD camera sets that Procedure limits. It can only be relative with the sensor small dimensional areas are covered, what a low flexibility means.

Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung eine Formmesseinrichtung zu schaffen, die eine schnelle und präzise Vermessung ausgewählter Oberflächen gestattet.Proceeding from this, it is an object of the invention Shape measuring device to create a fast and precise measurement of selected surfaces allowed.

Diese Aufgabe wird mit einer Formmesseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. This task is done with a shape measuring device solved the features of claim 1.

Die erfindungsgemäße Formmesseinrichtung geht davon aus, dass das Werkstück und der Sensor relativ zueinander bewegt werden. Abweichend von bekannten Formmessmaschi nen, die Oberflächenkoordinaten lediglich in einem Punkt oder an einer Stelle erfassen, ist jedoch ein optischer oder mechanischer Sensor vorgesehen, der entlang einer Linie des Werkstücks mehrere oder viele Messwerte gleich zeitig und lückenlos erfasst. Soll bspw. ein zylindri sches Werkstück auf Formabweichungen geprüft werden, ist die Linie eine Mantellinie des Zylinders. Die Formabwei chung der gesamten Zylinderoberfläche wird mit einer einzigen Zylinderumdrehung erfasst, wenn der Liniensensor eine Mantellinie des Zylinders gleichzeitig messen kann. Die Messzeit ist gegenüber der punktweisen Einzelerfas sung von Messwerten an Antaststellen deutlich reduziert.The shape measuring device according to the invention proceeds from this from that the workpiece and the sensor are relative to each other be moved. Deviating from known form measuring machines NEN, the surface coordinates only in one point or capture at one point is an optical one or mechanical sensor provided along a Line of the workpiece several or many measured values the same timely and seamlessly recorded. For example, a cylinder workpiece is checked for shape deviations the line is a generatrix of the cylinder. The shape deviation the entire cylinder surface is covered with a single cylinder revolution detected when the line sensor can measure a surface line of the cylinder at the same time. The measuring time is compared to the point-by-point individual recording measurement values at probing points significantly reduced.

Mit der linienweisen Erfassung der Messwerte wird zugleich die Basis für eine hohe Messgenauigkeit und insbesondere eine hohe Auflösung und hohe Flexibilität geschaffen. Beispielsweise kann der Durchmesser eines zu vermessenden Zylinders innerhalb weiter Grenzen gewählt sein. Dies bedeutet, dass mit ein und derselben Messan ordnung unterschiedliche Werkstücke vermessen werden können, ohne dass an der Messanordnung Modifikationen erforderlich wären.With the line-by-line recording of the measured values at the same time the basis for high measuring accuracy and especially high resolution and high flexibility created. For example, the diameter may be too measuring cylinder selected within wide limits be. This means that with one and the same Messan order different workpieces can be measured can, without making any modifications to the measuring arrangement would be required.

Außerdem können entlang der Linie sehr viele Mess werte aufgenommen werden, ohne dass der technische Auf wand dazu ins Unermessliche steigen würde. Der Linien sensor ist vorzugs- und typischerweise ein Sensor, der für jeden entlang der Linie aufzunehmenden Messwert eine Zelle aufweist. Die Anzahl der Zellen legt dann die Mess wertdichte fest. Die Messwertdichte in Richtung der Rela tivbewegung des Liniensensors und des Werkstücks hängt hingegen bei schrittweiser Positionierung allein von der Dichte der Positionierschritte und bei der schnelleren kontinuierlichen Positionierung nur von der Messwertauf nahmefrequenz ab. Im Gegensatz dazu ist bei rein opti schen ruhenden Messverfahren, wie sie weiter oben erläu tert sind, für jeden aufzunehmenden Oberflächenpunkt jeweils eine entsprechende Aufnahmezelle erforderlich. Wird die Oberfläche mit einer CCD-Matrix-Kamera aufgenom men, ist schon dadurch die Punkte- oder Messwertdichte begrenzt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich wesentlich höhere Messwertdichten in akzeptabler Messzeit erzielen. Die Form der Werkstückoberfläche kann somit genauer erfasst werden.In addition, a great many measurements can be made along the line values are recorded without the technical would rise immeasurably. The lines sensor is preferred and typically a sensor that one for each measurement value to be recorded along the line Has cell. The number of cells then determines the measurement value density fixed. The measured density in the direction of the Rela tive movement of the line sensor and the workpiece hangs however, with gradual positioning alone from the Density of positioning steps and at the faster continuous positioning only from the measured value decrease frequency. In contrast, at purely opti quiescent measurement methods, as explained above are tert for each surface point to be recorded a corresponding receiving cell is required. The surface is recorded with a CCD matrix camera is the point or measurement density limited. With the method according to the invention significantly higher measured value densities in an acceptable measuring time achieve. The shape of the workpiece surface can thus be recorded more precisely.

Mit der erfindungsgemäßen Formmesseinrichtung lässt sich die Höhe erfassen, die ein Oberflächenpunkt über der Oberfläche eines gedachten oder vorgegebenen Idealkörpers hat. Bspw. sind dies die Radiusabweichungen bei einem zylindrischen Werkstück im Vergleich zu einem mathema tisch exakten Zylinder. Bei einer planen Oberfläche ist es die Höhe der realen Werkstückoberfläche über einer ge dachten vollkommen ebenen Fläche. Die erfassten Dimensio nen sind somit jeweils rechtwinklig zu der Oberfläche des gedachten oder vorgegebenen Idealkörpers ausgerichtet. Auf diese Weise entsteht bei der Messung ein Datensatz, der die Formabweichungen von dem Idealkörper beschreibt. Aus diesem lassen sich auch die Absolutwerte der Koor dinaten der Werkstückoberfläche bestimmen. Die Oberfläche des Idealkörpers, d. h. die Sollform des Werkstücks kann relativ kompliziert und aus mehreren Flächenabschnitten zusammengesetzt sein, deren einzige Gemeinsamkeit eine Linie, bspw. eine Gerade ist, die sich entlang der Ober fläche unverändert seitlich verschieben lässt. Bspw. ist dies eine Gerade für Zylinder (Mantellinie) mit kreisför miger, elliptischer oder anderweitiger Grundfläche, für Kegel (Mantellinie) mit beliebiger Grundfläche, für Pris men und für sonstige Flächen, die unendlich viele seit lich voneinander beabstandete Geraden enthalten. Dies gilt entsprechend für anderweitige nichtgerade vorgege bene Linien. With the shape measuring device according to the invention capture the height that a surface point is above the Surface of an imaginary or given ideal body Has. E.g. these are the radius deviations in one cylindrical workpiece compared to a mathema table exact cylinder. With a flat surface it is it is the height of the real workpiece surface over a ge thought completely flat surface. The captured dimensions NEN are therefore perpendicular to the surface of the imagined or given ideal body aligned. In this way, a data record is created during the measurement, which describes the shape deviations from the ideal body. The absolute values of the Koor can also be derived from this Determine the data of the workpiece surface. The surface the ideal body, d. H. the target shape of the workpiece can relatively complicated and made up of several surface sections be composed, the only commonality one Line, for example, is a straight line that runs along the upper surface can be moved sideways unchanged. E.g. is this is a straight line for cylinders (surface line) with circular miger, elliptical or other base, for Cone (surface line) with any base, for pris and for other areas that have been in infinite numbers straight lines spaced apart. This applies accordingly to other not even specified flat lines.

Die Verschiebung zwischen dem Werkstück und dem Liniensensor erfolgt vorzugsweise quer zu der von dem Sensor erfassten Linie der Werkstückoberfläche. Dies gilt sowohl für die Erfassung von planen Oberflächen als auch für die Erfassung von gewölbten Oberflächen, wie bspw. Zylindern. Die Verschiebung kann sowohl mit einer Drehpo sitioniereinrichtung (Zylindermessung), wie bspw. einem Drehtisch, als auch mit einer linearen Verschiebeinrich tung (Planmessung) erfolgen. Allgemein ist der gedachte Idealkörper, der den Bezugs- und Vergleichskörper für die Messung des realen Körpers bildet, vorzugsweise ein Kör per mit zweidimensionaler Oberfläche. Dies bedeutet, dass sich ein Koordinatensystem finden lässt, in dem eine Koordinate für den betrachteten Bereich der Fläche kon stant ist. Eine Relativbewegung zwischen dem Sensor und dem Werkstück findet in einer Richtung statt, deren Rich tungsvektor in jedem Bahnpunkt parallel zu der Oberfläche des Idealkörpers gerichtet ist.The displacement between the workpiece and the Line sensor is preferably transverse to that of the Sensor detected line of the workpiece surface. this applies for the detection of flat surfaces as well for the detection of curved surfaces, such as Cylinders. The shift can be done both with a rotary sitioning device (cylinder measurement), such as a Rotary table, as well as with a linear sliding device tion (plan measurement). General is the thought Ideal body that is the reference and comparison body for the Measurement of the real body, preferably a body per with two-dimensional surface. This means that a coordinate system can be found in which a Coordinate for the area under consideration con is constant. A relative movement between the sensor and the workpiece takes place in a direction whose rich tion vector in each path point parallel to the surface of the ideal body is directed.

Prinzipiell kann die Linie, entlang derer die Mess werte aufgenommen werden, gekrümmt sein, so dass die Messwerte auf der Werkstückoberfläche bspw. entlang eines sichelförmigen Wegs aufgenommen werden. Vorzugsweise liegt die Linie jedoch in einer Ebene, die bezüglich des Idealkörpers rechtwinklig auf dessen Oberfläche steht. Es ergibt sich dadurch ein vereinfachter Sensoraufbau und eine übersichtliche Messwertaufnahme. Bei zylindrischen oder planen Idealkörpern ist die sich ergebende Abtastli nie des Liniensensor eine Gerade. Sollen sphärisch ge wölbte Flächen bspw. Kugeloberflächen abgetastet werden, ist die Abtastlinie ein Kreisbogen der in der obengenann ten rechtwinklig zu der Oberfläche des Idealkörpers ausge richteten Ebene liegt.In principle, the line along which the measurement values are recorded, are curved so that the Measured values on the workpiece surface, for example along a crescent-shaped path. Preferably however, the line lies in a plane that is in relation to the Ideal body is perpendicular to its surface. It this results in a simplified sensor structure and a clear measurement recording. With cylindrical or plan ideal bodies is the resulting scan never a straight line of the line sensor. Should be spherical curved surfaces, for example spherical surfaces, are scanned, the scan line is an arc of a circle in the above ten perpendicular to the surface of the ideal body level.

Der Idealkörper, mit dem das Werkstück verglichen wird, ist vorzugsweise in Form eines Hologramms vorgege ben, das bspw. nur die Linie des Idealkörpers abbildet, die an dem Werkstück durch den Liniensensor zeitgleich erfasst wird. Die Messwertaufnahme und somit der Ver gleich mit dem vollständigen Idealkörper erfolgt durch Relativdrehung oder -bewegung zwischen Liniensensor und Werkstück.The ideal body with which the workpiece is compared is preferably given in the form of a hologram ben, which for example only depicts the line of the ideal body, on the workpiece at the same time through the line sensor is recorded. The measured value recording and thus the ver takes place with the complete ideal body Relative rotation or movement between line sensor and Workpiece.

Die Bewegung kann sowohl kontinuierlich als auch schrittweise erfolgen. Das bspw. fest vorgegebene Holo gramm der Abtastlinie erzeugt durch die Relativbewegung zwischen Werkstück und Liniensensor die vollständige abzutastende Fläche des Idealkörpers durch die Relativbe wegung. Es können dadurch sehr einfache Hologramme ver wendet werden, die kostengünstig computergenerierbar sind. Bspw. ist das Hologramm einer Mantellinie eines Zylinders ein Streifen, mit einem Muster aus quer ange ordneten Strichen. Ein streifenförmiges Hologramm (Git ter), das lediglich ein Abbild einer Oberflächenlinie des Idealkörpers ist, ist erheblich einfacher herzustellen und somit kostengünstiger als das Hologramm der Oberflä che des gesamten Idealkörpers. Außerdem sind die Genau igkeitsanforderungen letztlich weniger gravierend. Bspw. ist in Querrichtung, d. h. quer zu dem streifenförmigen Hologramm, keinerlei Genauigkeit gefordert. Das Hologramm ist im Wesentlichen nur eindimensional. Ein zweidimensio nales Hologramm, das die räumliche Gestalt der abzuta stenden Oberfläche komplett enthält, wäre wesentlich aufwendiger herzustellen. Damit kann trotz der erforder lichen mechanischen Relativbewegung zwischen dem Linien sensor und dem zu vermessenden Werkstück letztlich eine gesteigerte Messqualität und Präzision erreicht werden. Bei gleicher Anzahl von Einzelzellen an dem Sensor lassen sich im Vergleich zu Aufnahmeverfahren mit Matrixkamera um mehrere Größenordnungen verbesserte Messwertdichten erreichen. Bspw. können entlang der Linie, die der Li niensensor vorgibt, bis zu 10 000 Einzelmesswerte ohne Weiteres aufgenommen werden. Eine solche Messwertdichte ist sonst nicht oder kaum erreichbar. The movement can be both continuous and gradual. The fixed holo, for example grams of the scan line generated by the relative movement the complete between workpiece and line sensor area of the ideal body to be scanned by the Relativbe movement. It can ver very simple holograms be used, the inexpensive computer-generated are. E.g. is the hologram of a generatrix one Cylinder a stripe, with a pattern from across arranged strokes. A stripe-shaped hologram (Git ter), which is only an image of a surface line of the Ideal body is much easier to manufacture and therefore less expensive than the hologram of the surface surface of the entire ideal body. Besides, they are exact Ultimately, quality requirements are less serious. E.g. is transverse, i.e. H. across the stripe Hologram, no accuracy required. The hologram is essentially only one-dimensional. A two-dimensional nales hologram that shows the spatial shape of the abta complete surface would be essential to produce more complex. So despite the required mechanical relative movement between the lines sensor and the workpiece to be measured ultimately one increased measurement quality and precision can be achieved. Leave the sensor at the same number of individual cells compared to recording methods with a matrix camera Measured value densities improved by several orders of magnitude to reach. E.g. can along the line that the Li sensor specifies up to 10,000 individual measured values without More will be included. Such a density of measured values is otherwise not or hardly accessible.

Die Abbildung einer vorzugsweise in einer Ebene lie genden Linie der Oberfläche des Idealkörpers kann auch durch ein oder mehrere reflektierenden Elemente gebildet sein. Ist der Sensor ein interferenzoptischer Sensor, kann die abgebildete Linie durch Interferenz mit der von dem Werkstück erfassten Linie verglichen werden. Für Werk stückoberflächen, die in Längsrichtung der Messlinie gerade sind, ergibt sich bspw. ein entsprechend gerades reflektierendes Element. Dies kann ein ebener Spiegel oder bei unterschiedlichen Lichtweglängen im Messlicht strahl Spiegel mit treppenartig gestuft angeordneten Elementen sein. Ist die Werkstückoberfläche in Längsrich tung der Messlinie gewölbt, sind die Spiegelelemente auf einer entsprechend gekrümmten Linie angeordnet. Die Krüm mung dieser Linie bestimmt sich durch die Krümmung der Werkstückoberfläche und gegebenenfalls zusätzlich durch unterschiedliche Lichtweglängen im Messlichtstrahl.The illustration of a lie preferably in one plane This line of the surface of the ideal body can also formed by one or more reflective elements be. If the sensor is an interference optical sensor, the line shown can be interfered with by the line detected on the workpiece. For work piece surfaces in the longitudinal direction of the measurement line are even, there is, for example, a correspondingly straight line reflective element. This can be a flat mirror or with different light path lengths in the measuring light beam mirror with step-like arrangement Elements. Is the workpiece surface in the longitudinal direction direction of the measuring line, the mirror elements are on arranged in a correspondingly curved line. The Krüm This line is determined by the curvature of the Workpiece surface and if necessary additionally different light path lengths in the measuring light beam.

Der Liniensensor ist, soweit er eine Abbildung der Sollform (Idealkörper) einer Linie der Werkstückoberflä che enthält, in diesem Sinne werkstückspezifisch. Es werden jedoch eine Vielzahl unterschiedlicher Messungen möglich, wenn die werkstückspezifischen Teile des Linien sensors abnehmbar/auswechselbar ausgebildet sind.The line sensor is, as far as it is an illustration of the Target shape (ideal body) of a line of the workpiece surface che contains, in this sense workpiece-specific. It however, are a variety of different measurements possible if the workpiece-specific parts of the line detachable / replaceable sensors are formed.

Weitere vorteilhafte Einzelheiten von Ausführungs formen der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung, der zugehörigen Beschreibung und Unteransprüchen. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung ver anschaulicht. Es zeigen:Further advantageous details of execution forms of the invention result from the drawing, the associated description and subclaims. In the Drawing are embodiments of the invention ver vividly. Show it:

Fig. 1 ein Formmessgerät mit linienweiser Messwert aufnahme, in einer Ausführungsform zum Vermessen von zylindrischen Außenflächen, in einer perspektivischen schematisierten Darstellung, Fig. 1 is a form measuring instrument with line-wise recording of measured values, in one embodiment for measuring cylindrical outer surfaces, in a perspective schematic representation,

Fig. 2, 3 und 4 jeweils ein Werkstück und einen entsprechenden Messkopf des Formmessgeräts nach Fig. 1, in schematisierten Seitenansichten, Fig. 2, 3 and 4 are each a workpiece and a corresponding measuring head of the form measuring instrument according to Fig. 1, in schematic side views,

Fig. 5 einen Messkopf für das Formmessgerät nach Fig. 1, zum Vermessen von Bohrungen bzw. deren Wandungen bspw. nach Fig. 2, in schematisierter Schnittdarstel lung, Fig. 5, for example, a measuring head for the form measuring instrument according to Fig. 1, for measuring bores or their walls. FIG. 2, in a schematic development Schnittdarstel,

Fig. 6 einen Messkopf zum Vermessen von Bohrungen mit kegelstumpfförmigen oder konischen Bereichen, in schematisierter Darstellung, Fig. 6 shows a measuring head for measuring holes with frusto-conical or conical sections, in a schematic representation;

Fig. 7 eine alternative Messanordnung zur linien weisen Vermessung von Oberflächen, in schematisierter Darstellung, Fig. 7 shows an alternative arrangement for measuring lines have measurement of surfaces, in a schematic representation;

Fig. 8 einen Messkopf zum Vermessen von Bohrungen bzw. deren Wandungen bspw. nach Fig. 2, mit einem in Einzelelemente aufgeteilten Reflektorelemente zum Ausgleich unterschiedlicher Lichtweglängen im Messlichtstrahl und im Referenzlichtstrahl, in schematisierter Schnittdar stellung, Fig. 8, for example, a measuring head for measuring bores or their walls. FIG. 2, with a position which is divided into individual elements reflector elements to compensate for different optical path lengths in the measurement light beam and reference light beam, in a schematic Schnittdar,

Fig. 9 einen Messkopf zum Vermessen in Messrichtung (Sensorlängsrichtung) nicht geraden Flächen, mit einem in Einzelelemente aufgeteilten Reflektorelemente zum Abbilden der Krümmung der Linie der Oberfläche des Werkstücks, in schematisierter Schnittdarstellung, Fig. 9 a measuring head for measuring in the measuring direction (longitudinal direction of the sensor) are not straight surfaces, with a split into individual elements reflector elements for mapping the curvature of the line of the surface of the workpiece, in schematic sectional representation,

Fig. 10 eine abgewandelte Ausführungsform eines Bohrungsmesskopfs mit nicht rechtwinklig auf die Werkstück oberfläche auftreffendem Messlichtstrahl, in schematisier ter Seitenansicht, Fig. 10 shows a modified embodiment of a measuring head with bore surface is not perpendicular to the workpiece incident measurement light beam, in schematisier ter side view,

Fig. 11 einen Messkopf nach Fig. 10 mit einer abge wandelten, insbesondere für enge Bohrungen geeigneten Optik, in schematisierter Seitenansicht, Fig transformed with a abge. 11 shows a measurement head of FIG. 10, in particular for narrow bores suitable optics, in a schematic side view,

Fig. 12 einen Messkopf mit dem Grundprinzip nach Fig. 11, jedoch mit Brechungsoptik anstelle der Beugungs optik, in schematisierter Seitenansicht,12 shows a measuring head with the basic principle shown in FIG. 11, but optic. Diffraction optics instead of diffraction, in a schematic side view,

Fig. 13 einen Messkopf mit Tiefensonde zum vermes sen von innenkonischen Flächen, in schematisierter Seiten ansicht, Figure 13 view. A measuring head with depth probe for vermes sen of inner conical surfaces in a schematic side,

Fig. 14 und 15 einen Messkopf mit Messsonde in einer schematisierten Seitenansicht und in einer Ansicht mit Blick auf die Unterseite, Fig. 14 and 15, a measuring head with a measuring probe in a schematic side view and in a view looking toward the underside,

Fig. 16 den Messkopf nach Fig. 14 in einer detail lierten Prinzipdarstellung und in einem anderen Maßstab, Fig. 16 shows the probe of Fig. 14 in detail a schematic diagram and profiled in a different scale,

Fig. 17 die Sonde mit dem Strahlengang nach Fig. 12 in längs geschnittener Darstellung,17 shows the probe with the optical path of FIG. 12 cut in a longitudinal illustration.

Fig. 18 die Sonde nach Fig. 17 in einer Vorder ansicht,17 view Fig. 18, the probe according to Fig. A front,

Fig. 19 die Sonde nach den Fig. 17 und 18 in einer Ansicht von unten, Fig. 19, the probe of Figs. 17 and 18 in a view from below,

Fig. 20 die zur Erzeugung eines blattförmigen Licht strahls vorgesehene Laseroptik, in einer Prinzipdarstel lung, und Fig. 20, the lung of producing a sheet-shaped light beam provided for the laser optics in a Prinzipdarstel, and

Fig. 21 einen optischen Phasenschieber zur Erzeu gung einer Phasenmodulation in einem Lichtstrahl, zur Ermöglichung bzw. Erleichterung der Auswertung des er zeugten Interferenzbildes. Fig. 21 shows an optical phase shifter for generating a phase modulation in a light beam, to enable or facilitate the evaluation of the interference image it generates.

In Fig. 1 ist eine Formmessmaschine 1 veranschau licht, die einen optischen Liniensensor 2 trägt. Die Formmessmaschine 1 weist ein Grundgestell 3 auf, auf dem ein Drehtisch 4 zur Aufnahme von Werkstücken 5 gelagert ist, deren Oberfläche wenigstens bereichsweise zu ver messen ist. Der Drehtisch 4 ist dazu geeignet, das Werk stück 5 um eine im vorliegenden Beispiel vertikale Achse 6 zu drehen, die mit der Symmetrieachse des Werkstücks 5 übereinstimmt.In Fig. 1, a shape measuring machine 1 is illustrated light, which carries an optical line sensor 2 . The shape measuring machine 1 has a base frame 3 , on which a rotary table 4 for receiving workpieces 5 is mounted, the surface of which is to be measured at least in regions. The turntable 4 is suitable for rotating the workpiece 5 about a vertical axis 6 in the present example, which coincides with the axis of symmetry of the workpiece 5 .

Auf dem Grundgestell 3 ist außerdem eine Positio niereinrichtung 7 gelagert, die einen in Y-Richtung ver schiebbaren Schlitten 8 trägt. Eine Y-Positioniereinrich tung 9 gestattet das gezielte Verfahren und Einstellen von gewünschten Positionen des Schlittens 8. Der Schlit ten 8 trägt eine vertikal aufragende Säule 11, an der in Z-Richtung verfahrbar ein weiterer Schlitten 12 vertikal verstellbar gelagert ist. An diesem ist eine dritte Füh rung für die R-Richtung mit einem Schlitten 14 gelagert. Dieser trägt letztendlich den als optischen Liniensensor ausgebildeten Messkopf 2.On the base frame 3 , a positioning device 7 is also mounted, which carries a slide 8 ver which can be pushed in the Y direction. A Y-Positioniereinrich device 9 allows the targeted movement and setting of desired positions of the carriage 8th The Schlit th 8 carries a vertically towering column 11 on which a further carriage 12 is vertically adjustable mounted on the movable in the Z direction. A third guide for the R direction is mounted on this with a slide 14 . This ultimately carries the measuring head 2, which is designed as an optical line sensor.

Der Messkopf 2 tastet die Oberfläche des Werkstücks 5 mit einem Lichtbündel 15 ab, das in einer Vertikalebene liegt. Die von dem Lichtbündel 15 definierte Ebene ist vorzugsweise parallel zu der Achse 6. Im Idealfall liegt die Achse 6 in dieser Ebene. Die Achse 6 ist außerdem parallel zu der Z-Richtung, entlang derer der Schlitten unter anderem bewegbar ist.The measuring head 2 scans the surface of the workpiece 5 with a light beam 15 which lies in a vertical plane. The plane defined by the light bundle 15 is preferably parallel to the axis 6 . Ideally, axis 6 lies in this plane. The axis 6 is also parallel to the Z direction, along which the carriage can be moved, among other things.

Der Messkopf 2 nimmt seine Messwerte an jeder Stelle auf, an der das Lichtbündel 15 das Werkstück 5 trifft. In Fig. 1 ist der Messkopf 2 nicht in Abtastposition ver anschaulicht. Durch entsprechendes Verstellen entlang der Y- und der Z-Achse kann das Lichtbündel 15 auf die zylin drische Außenseite 5' des Werkstücks gebracht werden. The measuring head 2 records its measured values at every point where the light beam 15 hits the workpiece 5 . In Fig. 1, the measuring head 2 is not illustrated in the scanning position. By appropriate adjustment along the Y and Z axes, the light beam 15 can be brought to the cylindrical outside 5 'of the workpiece.

Damit erfasst das Lichtbündel 15 eine Mantellinie der zylindrischen Außenseite 5'. Durch Drehung des Werkstücks 5 um die Achse 6 wird nach und nach der gesamte Umfang des Werkstücks 5 abgetastet.The light beam 15 thus detects a surface line of the cylindrical outside 5 '. By rotating the workpiece 5 about the axis 6 , the entire circumference of the workpiece 5 is gradually scanned.

Die Funktionsweise des Messkopfs 2 wird nachfolgend anhand eines zum Vermessen von Bohrungen eingerichteten Messkopf 2 veranschaulicht, wie er in Fig. 2 und 5 dar gestellt ist. Zu dem Messkopf 2 gehört ein Laser 21, der ggfs. mittels einer geeigneten vorgeschalteten Optik 22 ein Lichtbündel 23 erzeugt. Dieses ist parallel und kohä rent und im Querschnitt linienförmig. Während es in einer Querrichtung bis zu mehreren (vielen) Zentimetern breit sein kann, ist es in der dazu rechtwinkligen Querrichtung allenfalls wenige Millimeter, vorzugsweise weniger als ein Millimeter dick.The functioning of the measuring head 2 is illustrated below with reference to a measuring head 2 set up for measuring bores, as shown in FIGS. 2 and 5. The measuring head 2 includes a laser 21 which , if necessary, generates a light beam 23 by means of suitable upstream optics 22 . This is parallel and coherent and linear in cross-section. While it can be up to several (many) centimeters wide in a transverse direction, it is at most a few millimeters, preferably less than one millimeter thick, in the transverse direction perpendicular to it.

In dem Strahlengang des Lasers 21 ist ein Strahl teiler 24 angeordnet, der das Lichtbündel 22 in ein Mess bündel 25 und ein Referenzbündel 26 aufspaltet. Das Mess lichtbündel wird zu einer Sonde 27 geführt, die in eine zu vermessende Bohrung 28 des Werkstücks 5 eingeführt wird. Die Sonde 27 ist eine dünne, d. h. bspw. weniger als ein Millimeter dicke Glasplatte oder eine Platte aus einem geeigneten anderen durchsichtigen Material. Die Glasplatte weist an ihrer dem Strahlteiler 24 zugewandten Seite ein schmales Lichteintrittsfenster 29 auf, das von dem blattförmigen Messlichtstrahl 25 getroffen wird. An der Eintrittsfläche 29 ist eine Beugungsoptik 31 angeord net, die durch ein Streifenmuster gebildet sein kann. Die Beugungsoptik 31 kann auch als holographisch Abbildung einer Mantellinie einer idealen Zylinderfläche angesehen werden.In the beam path of the laser 21 , a beam splitter 24 is arranged, which splits the light beam 22 into a measuring beam 25 and a reference beam 26 . The measuring light beam is guided to a probe 27 which is inserted into a bore 28 of the workpiece 5 to be measured. The probe 27 is a thin, ie less than one millimeter thick glass plate or a plate made of a suitable other transparent material. On its side facing the beam splitter 24, the glass plate has a narrow light entry window 29 which is struck by the sheet-shaped measuring light beam 25 . At the entry surface 29 , a diffraction lens 31 is angeord net, which can be formed by a stripe pattern. The diffraction optics 31 can also be viewed as a holographic image of a surface line of an ideal cylinder surface.

Die Sonde 27 weist an ihrer dem Lichteintrittsfen ster 29 gegenüberliegenden Seite eine Absorbtionsstruktur 32 auf, die die Reflektion von ungebeugtem Licht verhin dert. Dadurch ist für die Sonde 27 nur ein gebeugtes Lichtbündel 33 erster Ordnung von Bedeutung, das von der Beugungsanordnung 31 erzeugt worden ist. Das Lichtbündel 33 trifft auf eine weitere, an einer Längskante der Sonde 27 angeordnete Beugungsstruktur 34, die das Licht des Messlichtbündels rechtwinklig zu der Wandung der Bohrung 28 aus der Sonde 27 austreten lässt. Das Lichtbündel wird somit in sich selbst zurückreflektiert, durchläuft die Beugungsanordnungen 34, 31 und kehrt zu dem Strahlteiler 24 zurück.The probe 27 has on its side opposite the light entry window 29 an absorption structure 32 which prevents the reflection of undeflected light. As a result, only a first order diffracted light bundle 33 , which has been generated by the diffraction arrangement 31 , is important for the probe 27 . The light bundle 33 strikes a further diffraction structure 34 which is arranged on a longitudinal edge of the probe 27 and which allows the light of the measurement light bundle to exit the probe 27 at right angles to the wall of the bore 28 . The light beam is thus reflected back into itself, passes through the diffraction arrangements 34 , 31 and returns to the beam splitter 24 .

Das Referenzlichtbündel 26 wird von einem fest oder bedarfsweise auch (mittels einer Phasenverstelleinrich tung) beweglich angeordneten Spiegel 36 in sich selbst zurückreflektiert und gelangt ebenfalls zu dem Stahltei ler 24 zurück. Dieser überlagert das Referenzlichtbündel 26 mit dem von dem Werkstück 5 zurückreflektierten und zweifach gebeugten Messlichtbündel 25. Das sich ergebende Lichtbündel 37 enthält Information über die Abweichung der Mantellinie der zylindrischen Bohrung 28 des realen Werkstücks 5 von der Form einer Mantellinie bei einem idealen Hohlzylinder (Idealkörper). Die Information wird als Hell-Dunkel-Muster von einer CCD-Zeilenkamera 38 aufgenommen, die von dem überlagerten Lichtbündel 37 getroffen wird. Die CCD-Zeilenkamera 38 kann im Einzelnen sehr viele, d. h. Zehntausend und mehr Einzelzellen ent halten, die eine entsprechend feine Auswertung des Licht bündels 37 und somit eine entsprechend dichte Messwert aufnahme an der Innenfläche der Bohrung 28 ermöglichen.The reference light beam 26 is reflected back in itself by a fixed or if necessary also (by means of a phase adjustment device) movably arranged mirror 36 and also returns to the steel part 24 . This superimposes the reference light bundle 26 with the measurement light bundle 25 reflected back from the workpiece 5 and twice diffracted. The resulting light bundle 37 contains information about the deviation of the surface line of the cylindrical bore 28 of the real workpiece 5 from the shape of a surface line in an ideal hollow cylinder (ideal body). The information is recorded as a light-dark pattern by a CCD line camera 38 , which is struck by the superimposed light bundle 37 . The CCD line camera 38 can hold a great many, ie ten thousand and more individual cells, which enable a correspondingly fine evaluation of the light bundle 37 and thus a correspondingly dense measurement value recording on the inner surface of the bore 28 .

Um den gesamten Umfang der Bohrung 28, d. h. die gesamte Wandung abzutasten, wird dem Werkstück 5 eine Drehbewegung um die Längsmittelachse der Bohrung 28 er teilt, die in Fig. 2 und 5 durch eine strichpunktierte Linie 39 angedeutet ist.In order to scan the entire circumference of the bore 28 , ie the entire wall, the workpiece 5 is rotated about the longitudinal central axis of the bore 28 , which is indicated in FIGS. 2 and 5 by a dash-dotted line 39 .

Alternativ kann der Messkopf 2 gegen das Werkstück 5 gedreht werden. Alternatively, the measuring head 2 can be turned against the workpiece 5 .

Die insoweit beschriebene Formmesseinrichtung arbei tet wie folgt:
Soll ein Werkstück 5 vermessen werden, wird dies zunächst auf dem Drehtisch 4 montiert und der Messkopf 2 wird an das Werkstück 5 heran bzw. in entsprechende Boh rung 28 hineingefahren. Die Zeilenkamera erfasst nach Einschalten des Lasers 21 sofort eine Linie der Werkstück oberfläche und gibt eine der Anzahl der CCD-Zellen ent sprechende Anzahl von Messwerten ab, die die Abweichungen der realen Werkstückoberfläche von dem Idealkörper auf der von dem Licht des Messkopfs 2 getroffenen Linie cha rakterisieren. Durch Drehen des Werkstücks wird nun nach und nach die gesamte Zylinderfläche überstrichen und vermessen.The shape measuring device described so far works as follows:
If a workpiece 5 is to be measured, this is first mounted on the turntable 4 and the measuring head 2 is brought up to the workpiece 5 or moved into the corresponding drilling 28 . The line camera detects a line of the workpiece surface immediately after switching on the laser 21 and outputs a number of measured values corresponding to the number of CCD cells, which show the deviations of the real workpiece surface from the ideal body on the line cha hit by the light of the measuring head 2 characterize. By rotating the workpiece, the entire cylinder surface is gradually swept and measured.

Bei dem in Fig. 5 veranschaulichten Messkopf kann in einer verbesserten Ausführungsform auf die Erzeugung eines blattförmigen Lichtstrahls 23 verzichtet und an stelle dessen ein Lichtstrahl mit rundem Querschnitt verwendet werden. Dieser wird von dem Strahlteiler 24 ebenfalls in ein Referenzlichtbündel 26 und ein Mess lichtbündel 25 aufgeteilt, die dann jeweils einen kreis förmigen Querschnitt aufweisen. Das kreisförmige Mess lichtbündel 25 trifft die Sonde 27, wobei nur der Aus schnitt des Lichtbündels 25 in die Sonde 27 eindringt, der auf das Lichteintrittsfenster 24 fällt. Der restliche Teil des Lichtbündels 25 gehen an der Sonde 27 vorbei. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass zum Vermessen der Bohrung 25 lediglich die Sonde 27 in der Bohrung 28 ge dreht werden muss, während die restlichen Teile des Mess kopfs 2 in Ruhe bleiben können. Die Beugungsoptik 31 an dem Lichteintrittsfenster 29 stellt auch hier wieder einen Ausschnitt aus dem vollständigen Hologramm der zylindrischen Innenfläche einer zylindrisch idealen Boh rung dar. Durch das Rotieren der Sonde 27 um die Achse 39 wird auch die Beugungsoptik 31 mit im Kreis geführt, die dadurch das vollständige Hologramm der Innenfläche gewis sermaßen abtastet oder im Zeitmultiplex entstehen lässt.In the measuring head illustrated in FIG. 5, in an improved embodiment the generation of a sheet-shaped light beam 23 can be dispensed with and a light beam with a round cross section can be used instead. This is also divided by the beam splitter 24 into a reference light bundle 26 and a measuring light bundle 25 , which then each have a circular cross section. The circular measuring light bundle 25 hits the probe 27 , with only the section of the light bundle 25 penetrating into the probe 27 , which falls on the light entry window 24 . The remaining part of the light bundle 25 go past the probe 27 . This arrangement has the advantage that only the probe 27 in the bore 28 has to be rotated to measure the bore 25 , while the remaining parts of the measuring head 2 can remain at rest. The diffraction optics 31 on the light entry window 29 again represent a section of the complete hologram of the cylindrical inner surface of a cylindrically ideal bore. By rotating the probe 27 about the axis 39 , the diffraction optics 31 are also guided in a circle, which thereby to a certain extent scanned the entire hologram of the inner surface or created it in a time-division multiplex.

Mit der beschriebenen Sonde ist ebenso die Abtastung der Mantelfläche eines Zylinders möglich, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Außerdem kann eine Planfläche nach Fig. 4 oben abgetastet werden, weil die Wölbung der abzutastenden Fläche bezüglich der Richtung der Relativbe wegung zwischen Sonde und Werkstück eine untergeordnete Rolle spielt.With the probe described, it is also possible to scan the outer surface of a cylinder, as shown in FIG. 3. In addition, a flat surface according to FIG. 4 can be scanned above because the curvature of the surface to be scanned plays a subordinate role with respect to the direction of the relative movement between the probe and the workpiece.

In Fig. 6 ist ein weiterhin Ausführungsbeispiel eines Messkopfs 2 veranschaulicht, das, soweit es mit dem Aus führungsbeispiel nach Fig. 5 übereinstimmt, ohne erneute Erläuterung mit den gleichen Bezugszeichen wie das Aus führungsbeispiel nach Fig. 5 versehen ist. Die Beschrei bung gilt entsprechend.In Fig. 6 a further embodiment of a measuring head 2 is illustrated, which, insofar as it corresponds to the exemplary embodiment according to FIG. 5, is provided with the same reference numerals as the exemplary embodiment from FIG. 5 without renewed explanation. The description applies accordingly.

Der Unterschied zu den vorbeschriebenen Ausführungs formen liegt hier in der Sonde 27, die einen rechteckigen Abschnitt 27a und einen sich daran anschließenden tra pezförmigen Abschnitt 27b aufweist. Entsprechend ist ihre längere, der Bohrungswandung zugewandte Kante geknickt, und zwar so, dass die Kante wie bei den vorstehend be schriebenen Beispielen parallel zu der Bohrungswandung ausgerichtet ist. Die Bohrung 28 setzt sich aus einem zylindrischen und aus einem konischen Abschnitt 28a, 28b zusammen. Entsprechend ist die Beugungsoptik 34 in einen an dem rechteckigen Abschnitt 27a der Sonde 27 angeord neten Bereich 34a und einen Bereich 34b unterteilt, der in dem trapezförmigen Abschnitt 27b der Sonde 27 angeord net ist. Die Beugungsoptiken 34a, 34b sind so ausgebil det, dass das aus der Sonde 27 austretende Licht recht winklig auf die Bohrungswandung trifft. Der reflektierte Lichtstrahl läuft in sich selbst zurück, wobei sich ent sprechend der Funktion der vorbeschriebenen Ausführungs beispiele an der CCD-Zeilenkamera 38 wieder ein Bild ergibt, das die Abweichung der Bohrung 28 von der Ideal form kennzeichnet.The difference to the above-described execution forms here is in the probe 27 , which has a rectangular section 27 a and an adjoining tra peziform section 27 b. Correspondingly, its longer edge facing the bore wall is kinked, in such a way that the edge is aligned parallel to the bore wall, as in the examples described above. The bore 28 is composed of a cylindrical and a conical section 28 a, 28 b. Accordingly, the diffractive optic 34 is divided into a rectangular on the portion 27a of the probe 27 angeord Neten a region 34 and a region 34 b, of the b in the trapezoidal portion 27 of the probe is net angeord 27th The diffraction optics 34 a, 34 b are so ausgebil det that the light emerging from the probe 27 strikes the wall of the bore at a right angle. The reflected light beam runs back in itself, with the function of the above-described embodiment examples on the CCD line camera 38 again resulting in an image which characterizes the deviation of the bore 28 from the ideal shape.

Der Grundgedanke einer linienhaften Oberflächenabta stung mittels einer interferenzoptischen Einrichtung, die lediglich einen linienhaften Ausschnitt aus dem Hologramm einer vollständigen Idealkörperfläche oder eine anderwei tige Abbildung derselben aufweist, lässt sich auch mit der Ausführungsform nach Fig. 7 verwirklichen. Das Werk stück 5 kann eine zylindrische oder eine plane zu ver messende Oberfläche 5' aufweisen. Der Messkopf 2 weist eine kohärente Parallellichtquelle, bspw. einen Laser 21 mit nachgeschalteter Optik 22 zum Aufweiten des Licht strahls zu einem parallelen Lichtbündel 23 auf. Dieses fällt durch eine Beugungsoptik 31, die ein Teil des Lichts als ungebeugtes Bündel 41 und einen anderen Teil des Lichts als gebeugtes Bündel 42 erster Ordnung durch gehen lässt. Die Beugungsoptik 31 ist ein schmales strei fenförmiges Hologramm einer aus der Oberfläche 5' eines entsprechenden Idealkörpers herausgegriffenen Linie. Bspw. wird es durch eine Folge von Querstrichen gebildet. Es erzeugt blatt- oder streifenförmige Lichtbündel, so dass die gebeugte Welle auf der Werkstückoberfläche 5' le diglich einen schmalen, fast linienhaften Streifen, be leuchtet. Das von der Werkstückoberfläche 5' reflektierte Licht wird mit einer entsprechenden Beugungsoptik 44 mit dem Lichtbündel 41 vereinigt, das als Referenzlichtbündel dient. Das so gebildete Lichtbündel 45 wird direkt oder über Spiegel 46, 47 zu einer CCD-Zeilenkamera 38 gelei tet, der eine bildgebende Optik 48 vorgeschaltet sein kann.The basic idea of a linear surface scan by means of an interference optical device, which only has a linear section of the hologram of a complete ideal body surface or another image thereof, can also be realized with the embodiment according to FIG. 7. The work piece 5 may have a cylindrical or a plane surface 5 'to be measured. The measuring head 2 has a coherent parallel light source, for example a laser 21 with downstream optics 22 for expanding the light beam to form a parallel light bundle 23 . This falls through a diffraction optic 31 , which allows part of the light to pass through as an undiffracted bundle 41 and another part of the light as a first order diffracted bundle 42 . The diffraction optics 31 is a narrow strip-shaped hologram of a line picked out from the surface 5 'of a corresponding ideal body. E.g. it is formed by a series of dashes. It produces sheet-like or strip-like light bundles, so that the diffracted shaft on the workpiece surface 5 'only illuminates a narrow, almost linear strip. The light reflected from the workpiece surface 5 'is combined with a corresponding diffractive optic 44 with the light bundle 41 , which serves as a reference light bundle. The light bundle 45 thus formed is sent directly or via mirrors 46 , 47 to a CCD line camera 38 , which can be preceded by an imaging optics 48 .

Es ist aus den vorstehenden Ausführungsbeispielen ersichtlich, dass die Hologramme eine Beugungsoptik bil den, die die Form der abzutastenden Oberflächenlinie gewissermaßen auf die ebene bzw. linienhafte Form des Spiegels 36 transformiert oder abbildet. Dementsprechend kann eine Verbesserung und Vereinfachung der Sonde 27 nach Fig. 8 erzielt werden, wenn jeder Lichtstrahl in dem Messlichtbündel 25 und in dem Referenzlichtbündel 26 einen gleich langen Weg zurücklegt. Dazu kann der Spiegel 36 in viele Einzelelemente 36a bis 36n aufgeteilt werden, die jeweils für sich rechtwinklig zu dem Referenzlicht bündel 26 ausgerichtet sind und die jeweils in einer solchen Entfernung zu dem Strahlteiler 24 angeordnet sind, dass die Lichtwege (25, 26) gleich werden. Die Beugungsgitter 29, 34 dienen nurmehr der Ablenkung des Lichtbündels 25, 33, wohingegen der Spiegel 36 als dis kretisiertes Abbild der Ideallinie angesehen werden kann, mit der die Messoberfläche verglichen wird. Die Anzahl n der Einzelelemente 36i, in die der Spiegel 36 unterteilt ist, legt die Auflösung fest. Deshalb wird es als vor teilhaft angesehen wenigstens so viele Einzelelemente 36i vorzusehen, wie CCD-Elemente an der Kamera vorhanden sind. Die Einzelelemente 36i sind auf einer Geraden 36' angeordnet, die insoweit die Ideallinie des Idealkörpers festlegt.It can be seen from the above exemplary embodiments that the holograms form a diffractive optic which, as it were, transforms or reproduces the shape of the surface line to be scanned to the flat or linear shape of the mirror 36 . Accordingly, an improvement and simplification of the probe 27 according to FIG. 8 can be achieved if each light beam in the measurement light bundle 25 and in the reference light bundle 26 travels the same distance. For this purpose, the mirror 36 can be divided into many individual elements 36 a to 36 n, which are each aligned at right angles to the reference light bundle 26 and which are each arranged at such a distance from the beam splitter 24 that the light paths ( 25 , 26 ) become the same. The diffraction gratings 29 , 34 only serve to deflect the light beam 25 , 33 , whereas the mirror 36 can be regarded as a discretized image of the ideal line with which the measurement surface is compared. The number n of the individual elements 36 i into which the mirror 36 is divided determines the resolution. Therefore, it is considered to be advantageous to provide at least as many individual elements 36 i as there are CCD elements on the camera. The individual elements 36 i are arranged on a straight line 36 ', which so far defines the ideal line of the ideal body.

Aus Fig. 9 ist eine Ausführungsform des Liniensen sors 2 ersichtlich, der auf der Ausführungsform nach Fig. 8 beruht. Die zu vermessende Oberfläche des Werk stücks 5 ist in Längsrichtung (=Längsmittelachse 39) der Sonde 27 nicht gerade. Das Beugungsgitter 29 stimmt mit dem Beu gungsgitter 29 der Sonde 27 nach Fig. 8 überein. Das Beugungsgitter 34 ist jedoch so ausgelegt, dass in einem mittleren Bereich 34a, der einem sphärisch gewölbten Bereich 5a der Werkstückoberfläche zugeordnet ist, das Licht senkrecht auf die (doppelt) gewölbte Werkstückober fläche trifft. Der Spiegel 36 ist entsprechend geformt. Die Einzelelemente 36i sind derart angeordnet, dass die Linie 36'' die Oberflächenlinie des Werkstücks nachzeich net. Die Einzelelemente 36i sind dabei jeweils in einem Abstand zu dem Strahlteiler 24 bzw. seiner lichtteilenden Fläche angeordnet, der in einem vorgegebenen Verhältnis zu der jeweiligen Lichtweglänge im Messlichtstrahl 25 steht.From Fig. 9 an embodiment of the Liniensen sensor 2 can be seen, which is based on the embodiment of FIG. 8. The surface to be measured of the workpiece 5 is not straight in the longitudinal direction (= longitudinal central axis 39 ) of the probe 27 . The diffraction grating 29 coincides with the diffraction grating 29 of the probe 27 of FIG. 8 correspond. However, the diffraction grating 34 is designed such that in a central region 34 a, which is assigned to a spherically curved region 5 a of the workpiece surface, the light strikes the (double) curved workpiece surface perpendicularly. The mirror 36 is shaped accordingly. The individual elements 36 i are arranged such that the line 36 ″ traces the surface line of the workpiece. The individual elements 36 i are each arranged at a distance from the beam splitter 24 or its light-dividing surface, which is in a predetermined ratio to the respective light path length in the measurement light beam 25 .

Soll auf eine Aufteilung des Spiegels 36 in Einzel elemente verzichtet werden, kann die Ausführungsform nach Fig. 10 Anwendung finden. Die Besonderheit liegt hier darin, dass auf das Beugungsgitter 34 verzichtet worden ist. An der Längskante 27a der Sonde 27 tritt das Licht in spitzem Winkel zu der Werkstückoberfläche aus der Sonde 27 aus und in diese wieder ein. An dem dem Beu gungsgitter 29 gegenüberliegenden Ende der Sonde 27 ist ein in Einzelelemente 51i (i=1 bis n) unterteilter Spie gel 51 angeordnet, der den Lichtstrahl 33 in sich selbst zurückreflektiert. Jeder Lichtstrahl des Messlichtbündels 25 legt hier eine gleichlange Wegstrecke zurück.If there is no need to divide the mirror 36 into individual elements, the embodiment according to FIG. 10 can be used. The special feature here is that the diffraction grating 34 has been dispensed with. The light at the longitudinal edge 27a of the probe 27 occurs at an acute angle to the workpiece surface from the probe 27, and in this again. Where the diffraction grating 29 the opposite end of the probe 27 is located a (up to n i = 1) divided into individual elements 51 i Spie gel 51, which reflects back the light beam 33 within itself. Each light beam of the measuring light bundle 25 covers an equally long distance here.

Bei einer vereinfachten Ausführungsform nach Fig. 11 enthält die Sonde 27 keinen auf Totalreflexion beru henden Lichtwellenleiter, wie es bei den vorbeschriebenen Liniensensoren 2 der Fall ist. Die Sonde 27 weist einen nicht weiter veranschaulichten Träger auf, der das Beu gungsgitter 29 und den Spiegel 51 trägt, selbst aber keine optische Funktion aufweist. Im Gegensatz zu der Sonde 27 nach Fig. 10, bei der bei einer großen Länge wegen der unterschiedlichen Brechungsindizes von Luft und Glas und auftretender Totalreflektion der Winkel des Lichtbündels 33 zu der Längsachse 39 nicht zu spitz sein durfte, sind hier sehr lange und schlanke Sonden 27 mög lich.In a simplified embodiment according to FIG. 11, the probe 27 does not contain an optical waveguide based on total reflection, as is the case with the line sensors 2 described above. The probe 27 has a carrier, not further illustrated, which carries the diffraction grating 29 and the mirror 51 , but itself has no optical function. In contrast to the probe 27 according to FIG. 10, in which the angle of the light bundle 33 to the longitudinal axis 39 was not allowed to be too acute in the case of a large length due to the different refractive indices of air and glass and the total reflection occurring, here are very long and slim probes 27 possible.

Dies gilt auch für die Ausführungsform nach Fig. 12, bei der das Beugungsgitter 29 durch ein Prisma 29' ersetzt ist, das die gleiche Funktion erfüllt. Diese besteht in der Ablenkung des Lichtstrahls 26 zu der Werk stückoberfläche hin. Diese wird von dem Messlichtbündel unter einem spitzen Winkel getroffen. Das reflektierte Licht trifft rechtwinklig auf einen Spiegel 51', der im Gegensatz zu dem Spiegel 51 durchgehend glatt, d. h. unge stuft ausgebildet ist. Die Neigung des Spiegels 51' ist auf das Brechungsvermögen des Prismas 29' abgestimmt. Wegen des einfachen und in weiten Grenzen an äußere Gege benheiten anpassbaren Aufbaus handelt es sich bei dem Liniensensor 2 nach Fig. 12 um eine vorteilhafte Ausführungsform.This also applies to the embodiment according to FIG. 12, in which the diffraction grating 29 is replaced by a prism 29 'which fulfills the same function. This consists in the deflection of the light beam 26 towards the workpiece surface. This is struck by the measuring light beam at an acute angle. The reflected light strikes a mirror 51 'at right angles, which, in contrast to the mirror 51, is designed to be continuously smooth, that is to say stepped. The inclination of the mirror 51 'is matched to the refractive power of the prism 29 '. Because of the simple structure which can be adapted to external conditions, the line sensor 2 according to FIG. 12 is an advantageous embodiment.

Diese kann in einigen Fällen noch weiter vereinfacht werden. Die Sonde 27, die einen Vorsatz zu dem aus Licht quelle 21, Strahlteiler 24, Spiegel 36 und Kamera 38 gebildeten Interferometer I bildet, dient dazu, das Mess lichtbündel auf die Werkstückoberfläche zu leiten und das reflektierte Licht zu dem Interferometer zurückzuleiten. Bei der Ausführungsform nach Fig. 13, die der Untersu chung konischen Innenfläche dient, wird die Sonde 27 (allein) durch ein an einem Träger gehaltenes Prisma 29 gebildet. Bis zu dem Prisma 29 ist das Messlichtbündel 25 parallel zu der zu vermessenden Bohrung geführt. Damit ist es möglich, Messungen am Boden praktisch beliebig tiefer Bohrungen vorzunehmen.In some cases this can be further simplified. The probe 27 , which forms an attachment to the interferometer I formed from light source 21 , beam splitter 24 , mirror 36 and camera 38 , serves to guide the measurement light beam onto the workpiece surface and to guide the reflected light back to the interferometer. In the embodiment according to FIG. 13, which serves to investigate the conical inner surface, the probe 27 (alone) is formed by a prism 29 held on a carrier. Up to the prism 29 , the measuring light bundle 25 is guided parallel to the bore to be measured. This makes it possible to carry out measurements on the ground at practically any depth.

Die praktische Ausführung eines Liniensensors 2 mit einer Sonde 27 nach Fig. 12 ist aus den Fig. 14 bis 19 ersichtlich. Das Interferometer I ist in einem Kopf 53 oder Gehäuse zusammengefasst, von dem sich die schlanke Sonde 27 weg erstreckt. Die Sonde 27 ist auswechselbar an dem Kopf 53 befestigt. Dies ermöglicht eine schnelle Anpassung an unterschiedliche Messaufgaben. Die Sonde kann dabei einen längeren Schaftabschnitt 54 aufweisen, an den sich ein aktiver Teil 55 mit einem Lichtaustritts fenster 56 anschließt.The practical design of a line sensor 2 with a probe 27 according to FIG. 12 can be seen from FIGS. 14 to 19. The interferometer I is combined in a head 53 or housing, from which the slim probe 27 extends. The probe 27 is replaceably attached to the head 53 . This enables quick adaptation to different measuring tasks. The probe can have a longer shaft section 54 to which an active part 55 with a light exit window 56 connects.

Der Aufbau des Kopfs 53 geht aus Fig. 16 hervor. Er enthält die Lichtquelle 21, die paralleles kohärentes Licht abgibt. Die Lichtquelle 21 weist eine Laserdiode 61 auf der zur Parallelisierung und Strahlaufweitung zwei Zylinderlinsen 63, 64 vorgesetzt sind. Außer dem Strahl teiler und dem Referenzspiegel 36 enthält der Kopf 53 die CCD-Zeilenkamera 38, der die bildgebende Optik 48 vor geschaltet ist. Zu dieser gehören zwei Zylinderlinsen 61, 62, zwischen denen eine Blende 63 angeordnet ist. Ein in dem Strahlengang angeordneter Konvexspiegel 64 ermöglicht eine kompakte räumliche Anordnung der Bestandteile.The structure of the head 53 is shown in FIG. 16. It contains the light source 21 , which emits parallel coherent light. The light source 21 has a laser diode 61 on which two cylindrical lenses 63 , 64 are placed for parallelization and beam expansion. In addition to the beam splitter and the reference mirror 36 , the head 53 contains the CCD line camera 38 , which is connected to the imaging optics 48 before. This includes two cylindrical lenses 61 , 62 , between which an aperture 63 is arranged. A convex mirror 64 arranged in the beam path enables a compact spatial arrangement of the components.

Die Sonde 27 ist gesondert und in einem anderen Maßstab in den Fig. 17 bis 19 veranschaulicht. Die Sonde 27 ist von zwei im Abstand von 0,01 bis 0,02 mm zueinander gehaltenen spiegelnden Seitenelementen 71, 72 gebildet, die miteinander ein Spalt 73 festlegen und somit einen Hohlwellenleiter definieren. In dem Spalt 73 ist ein lichtdurchlässiges Medium als Prisma 29 und als Abstandshalter 74 angeordnet. Der Abstandshalter 74 ist in optisch inaktiven Zonen der Sonde 27 angeordnet. Der endseitige Spiegel 51 kann ebenfalls als Abstandshalter wirken.Probe 27 is separate and illustrated on a different scale in Figs. 17-19. The probe 27 is formed by two reflecting side elements 71 , 72 which are held at a distance of 0.01 to 0.02 mm from one another and which define a gap 73 with one another and thus define a hollow waveguide. A translucent medium is arranged in the gap 73 as a prism 29 and as a spacer 74 . The spacer 74 is arranged in optically inactive zones of the probe 27 . The end mirror 51 can also act as a spacer.

Die Sonde 27 ist prinzipiell als Dreischichtstruktur aufgebaut. Dieses Aufbauprinzip kann auch für weite Teile der übrigen Optik angewendet werden. Wie Fig. 20 ver anschaulicht, kann die zweite Zylinderlinse 64 zwischen zwei, den Lichtweg festlegenden Reflektor- oder Leitele menten 76, 77 angeordnet sein. Die optischen Elemente können durch einen lichtdurchlässigen Kunststoff gebildet sein.In principle, the probe 27 is constructed as a three-layer structure. This principle of construction can also be used for large parts of the rest of the optics. As shown in FIG. 20, the second cylindrical lens 64 can be arranged between two elements 76 , 77 defining reflector or guide elements. The optical elements can be formed by a translucent plastic.

Um eine Absolutmessung der Abweichungen des Werk stücks von der Sollform durchführen zu können, ist es erforderlich festzustellen, ob es sich an jeder Stelle, bei der eine Abweichung festgestellt wird, um ein Übermaß oder um ein Untermaß handelt. Die CCD-Kamera 38 stellt ein Streifenmuster fest. Um die Streifen als Messwerte interpretieren zu können, wir eine Bezugsmessung an dem gleichen Werkstück an der gleichen Stelle vorgenommen. Dazu dient entweder ein Frequenzmodulator oder ein Pha senmodulator. Ist der Laser frequenzmodulierbar, wird jede Linie erst mit einer Lichtwellenlänge und dann mit einer zweiten Lichtwellenlänge gemessen. Beide Messungen ergeben unterschiedliche Streifenmuster, aus denen sich die Absolutmesswerte bestimmen lassen.In order to be able to carry out an absolute measurement of the deviations of the workpiece from the target shape, it is necessary to determine whether it is an oversize or an undersize at every point where a deviation is detected. The CCD camera 38 detects a stripe pattern. In order to interpret the strips as measured values, a reference measurement is carried out on the same workpiece at the same location. Either a frequency modulator or a phase modulator is used for this. If the laser can be frequency modulated, each line is first measured with one light wavelength and then with a second light wavelength. Both measurements result in different stripe patterns from which the absolute measured values can be determined.

Im einfacheren Fall wird ein Laser mit fester Fre quenz verwendet. Zur Richtungsbestimmung der Abweichun gen, die durch das von der Kamera aufgenommene Strichmu ster charakterisiert sind, dient ein Phasenmodulator. Dieser enthält bspw. einen Aktuator, mit dem der Refe renzspiegel in Richtung des Referenzlichtbündels gering fügig linear verstellbar ist. Der Antrieb kann ein Piezo antrieb sein.In the simpler case, a laser with a fixed fre quenz used. To determine the direction of the deviation gene by the streak recorded by the camera are characterized, a phase modulator is used. This contains, for example, an actuator with which the ref reference mirror in the direction of the reference light beam is low is linearly adjustable. The drive can be a piezo be driving.

Es ist auch möglich in dem Strahlengang des Mess lichtbündels 25 oder des Referenzlichtbündels 26 einen Phasenschieber anzuordnen. Dieser kann durch eine opti sche Parallelplatte gebildet sein, die eine Drehschwin gung ausführt. Bedarfsweise kann auch das Interferometer I in Bezug auch die Sonde 27 bewegt werden.It is also possible to arrange a phase shifter in the beam path of the measuring light bundle 25 or the reference light bundle 26 . This can be formed by an opti cal parallel plate that executes a rotary vibration. If necessary, the interferometer I can also be moved with respect to the probe 27 .

In Fig. 21 ist ein Phasenmodulator veranschaulicht, mit dem eine Änderung der Länge eines Lichtwegs und damit eine Beeinflussung der Phase des durchlaufenden Licht bündels möglich ist. Leitelemente 76, 77 sind aus Silizi um ausgebildet und begrenzen den Lichtweg seitlich. Bspw. Das Leitelement 77 ist an dem Gehäuse befestigt. Das Leit element 76 ist unterbrochen. Die Leitelemente 76, 77 werden durch den zwischen ihnen angeordneten Kunststoff auf Abstand gehalten, der als Lichtleiter dient und/oder optische Elemente, wie Linsen, Spiegel, Strahlteiler usw. bildet. Das Leitelement 76 ist mit einem Piezoelement 78 verklebt, das zwei Elektroden 79 trägt. Wird eine Span nung angelegt, ändert es seine geometrische Form und somit die Form, d. h. insbesondere die Länge des von den Leitelementen 76, 77 festgelegten Lichtwegs.In Fig. 21 a phase modulator is illustrated with which a change in the length of a light path and thus an influence on the phase of the light beam passing through is possible. Guide elements 76 , 77 are made of silicon and laterally limit the light path. E.g. The guide element 77 is attached to the housing. The guide element 76 is interrupted. The guide elements 76 , 77 are kept at a distance by the plastic arranged between them, which serves as a light guide and / or forms optical elements such as lenses, mirrors, beam splitters, etc. The guide element 76 is glued to a piezo element 78 which carries two electrodes 79 . If a voltage is applied, it changes its geometric shape and thus the shape, ie in particular the length of the light path defined by the guide elements 76 , 77 .

Insbesondere zur Formmessung an hochpräzise zu be arbeitenden oder bearbeiteten Oberflächen 5', ist eine Formmesseinrichtung 1 geschaffen, die die Oberfläche eines Werkstücks flächenweise abtastet, indem in einer Messung die Oberflächenform entlang einer Messlinie er fasst wird. Die Messlinie wird auf der Werkstückoberflä che verlagert, um Flächen zu überstreichen.In particular for shape measurement on high-precision surfaces 5 'to be machined or machined, a shape measuring device 1 is created which scans the surface of a workpiece area by area by measuring the surface shape along a measurement line in a measurement. The measuring line is shifted on the workpiece surface to cover areas.

Claims

1. shape measuring device ( 1 ) for measuring or checking the shape accuracy or shape deviation of surfaces ( 5 ') of workpieces ( 5 ),
with a sensor ( 2 ) which detects the surface ( 5 ') of the workpiece ( 5 ) at one point at least with respect to one dimension,
with a positioning device ( 4 ) by means of which the sensor ( 2 ) and the workpiece ( 5 ) can be displaced in relation to one another in a direction which is aligned parallel to the surface of an ideal body
characterized by
that the sensor is a line sensor ( 2 ), which simultaneously records measured values along a line on the surface of the workpiece without gaps.

2. Shape measuring device according to claim 1, characterized in that the line sensor ( 2 ) is ausgebil det such that the dimension detected by the sensor is measured in a direction that is oriented perpendicular to the surface of the ideal body.

3. Shape measuring device according to claim 1, characterized in that the positioning device ( 4 ) is a displacement device that rela tively linearly shifts the line sensor ( 2 ) to the workpiece ( 5 ).

4. Shape measuring device according to claim 1, characterized in that the positioning device ( 4 ) is a displacement device which linearly displaces the workpiece ( 5 ) relative to the line sensor ( 2 ).

5. shape measuring device according to claim 1, characterized in that the positioning device (4) is a Drehpositioniereinrichtung (4) rotating the line sensor (2) relative to the workpiece (5).

6. shape measuring device according to claim 1, characterized in that the positioning device (4) is a Drehpositioniereinrichtung (4) rotating the workpiece (5) relative to the line sensor (2).

7. Shape measuring device according to claim 1, characterized in that the line along which the line sensor ( 2 ) records its measured values lies in a flat surface which is oriented at right angles to the surface of the ideal body.

8. Shape measuring device according to claim 1, characterized in that the line along which the line sensor ( 2 ) records its measured values is a straight line.

9. Shape measuring device according to claim 1, characterized in that the line sensor ( 2 ) delivers a finite number of measured values, each of which relates to a section of the line.

10. Shape measuring device according to claim 1, characterized in that the line sensor ( 2 ), if necessary in connection with a connected evaluation device, defines a scanning line on which each measured value is zero, and that the ideal body by relative positioning of the line sensor ( 2 ) and Workpiece is virtually generated by the spatial trace of the zero measured values.

11. Shape measuring device according to claim 10, characterized in that the measured values output by the line sensor ( 2 ) are the deviations of the workpiece surface ( 5 ') from the ideal body.

12. Shape measuring device according to claim 1, characterized in that the line sensor ( 2 ) is a non-contact sensor.

13. Shape measuring device according to claim 12, characterized in that the line sensor ( 2 ) is an optical sensor.

14. Shape measuring device according to claim 13, characterized in that the line sensor ( 2 ) contains an image of at least one line of the surface of the ideal body.

15. Shape measuring device according to claim 14, characterized characterized that the illustration is a holographic Illustration of a line of the surface of the ideal body is.

16. Shape measuring device according to claim 15, characterized in that the line sensor ( 2 ) contains a Zeilenka mera ( 38 ) which takes an image which is generated by superimposing on a hologram of a reference light beam with light from the surface line to be measured of the workpiece is reflected.

17. Shape measuring device according to claim 14, characterized characterized that the figure by a reflexie element is formed.

18. Shape measuring device according to claim 17, characterized characterized that the reflective element several Contains individual reflectors, being those of the positions line of a line of the individual reflectors Surface of the ideal body corresponds.

19. Shape measuring device according to claim 14, characterized characterized in that the optical measuring device interference optical measuring device.

20. Shape measuring device according to claim 19, characterized characterized that the figure in the beam path of the measuring light beam or in the beam path of the Refe limit light beam is arranged.

21. Shape measuring device according to claim 19, characterized characterized that a to the shape measuring device the workpiece surface to be measured The probe belongs to at least part of the beam path of the measuring light beam and which is exchangeable forms is.

22. Shape measuring device according to claim 14, characterized marked that the part containing the figure the shape measuring machine is designed to be exchangeable.

23. Shape measuring device according to claim 19, characterized characterized that in the interference optical measurement direction a phase modulation device in the form of a Device for influencing the frequency of the light source or a phase shifter in the beam path of the measuring light beam or the reference light beam is arranged.

24. Shape measuring device according to claim 23, characterized characterized that an actuator for phase modulation is provided with which the length of the light path of the beam path of the reference light beam or the measuring light beam is changeable.