DE102007020860A1

DE102007020860A1 - XY and angle measurement using combined white light interferometry

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Publication number: DE102007020860A1
Application number: DE102007020860A
Authority: DE
Inventors: Werner Fuchs; Lars Heiser; Erhard Grüner; Marco BÜCHNER
Original assignee: Carl Mahr Holding GmbH
Current assignee: Carl Mahr Holding GmbH
Priority date: 2007-05-02
Filing date: 2007-05-02
Publication date: 2008-11-13
Also published as: WO2008135390A1

Abstract

Erfindungsgemäß wird für die Messung von komplexen 3-D-Objekten, wie beispielsweise Mikrobohrern, ein flächenhaft messendes X-Y-Messsystem mit einem hoch auflösenden Z-scannenden Weißlichtinterferometer kombiniert. Das abbildende Messsystem wird als Monitorsystem für das Weißlichtinterferometer genutzt. Es wird ein flächenhafter Z-Höhenscan des Weißlichtinterferometers ohne mechanische Bewegung der Achsen des Koordinatenmessgeräts durchgeführt. Die X-, Y-, Z-Messwerte sind mit einer Auflösung von besser als ein Mikrometer in X- und Y-Richtung und mit einer Auflösung von viel besser als ein Mikrometer in Z-Richtung. Zur räumlichen Winkelmessung werden ausschließlich die Z-Höhenmesswerte des Weißlichtinterferometers herangezogen.According to the invention for the measurement of complex 3-D objects, such as micro-drills, an areal measuring X-Y measuring system with a high resolving Z-scanning white light interferometer combined. The imaging measuring system is used as a monitor system for used the white light interferometer. It becomes a larger area Z height scan of white light interferometer without mechanical movement of the axes of the coordinate measuring machine carried out. The X, Y, Z readings are at a resolution better than a micrometer in the X and Y directions and with a Resolution much better than a micrometer in the Z direction. For spatial angle measurement are exclusively the Z height readings of the white light interferometer used.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messmaschine, die zur Vermessung von Objekten eingerichtet ist, und ein entsprechendes Verfahren.The The invention relates to a measuring machine for measuring objects is set up, and a corresponding procedure.

Zur Vermessung von Werkstücken sind abbildende Messverfahren bekannt, die auf optischer Basis arbeiten. Das Objekt wird mittels eines Objektivs abgebildet. Die optische Achse des Objektivs bestimmt die Z-Richtung. Rechtwinklig dazu werden X- und Y-Messwerte bestimmt.to Measurement of workpieces are imaging measuring methods known to work on an optical basis. The object is using of a lens. The optical axis of the lens determines the Z direction. At right angles X and Y measured values are determined.

Beispielsweise offenbart die WO 2005/108915 A1 dazu eine Messeinrichtung für die Mikrosystemtechnik, bei der ein weißlichtinterferometrisches Messverfahren mit einem abbildenden Messverfahren kombiniert wird. Zur Durchführung dient ein Objektiv, das sich von interferenzoptischer Messung auf abbildende Messung umschalten lässt. Mit dieser Einrichtung kann sowohl einerseits in X- und Y-Richtung flächenhaft und in Z-Richtung hoch auflösend gemessen werden. Damit lassen sich die Höhenstrukturen auch an gestuften Objekten flächenhaft mit hoher Genauigkeit optisch vermessen.For example, the WO 2005/108915 A1 In addition, a measuring system for microsystems technology, in which a white light interferometric measuring method is combined with an imaging measuring method. A lens that can be switched over from interference-optical measurement to imaging measurement is used for the implementation. With this device, both on the one hand in the X and Y direction areally and in the Z direction high resolution can be measured. In this way, the height structures can also be optically surveyed with a high level of precision even on stepped objects.

Es stellt sich zunehmend die Aufgabe, kleine Objekte mit geneigten Flächen präzise und zuverlässig zu vermessen. Beispielsweise werden Bohrwerkzeuge mit Durchmessern deutlich kleiner als 1 mm bis herab zu Werkzeugdurchmessern von 30 μm hergestellt. Diese Bohrwerkzeuge weisen definierte Schneidkanten und sonstige Funktionsflächen, wie Spanflächen, Freiflächen und dergleichen auf, die präzise vermessen werden müssen. Beispielsweise sind Spanwinkel und/oder Freiwinkel zu bestimmen.It increasingly poses the task of small objects with inclined Measure surfaces precisely and reliably. For example, drilling tools with diameters become much smaller manufactured as 1 mm down to tool diameters of 30 microns. These drilling tools have defined cutting edges and others Functional surfaces, such as clamping surfaces, open spaces and the like, which must be precisely measured. For example, rake angles and / or clearance angles are to be determined.

Insbesondere die Bestimmung von Winkeln unter denen Funktionsflächen geneigt sind, wie beispielsweise Spanwinkel oder Freiwinkel an Stirn und Umfang des Bohrwerkzeugs, bereitet Schwierigkeiten.Especially the determination of angles below those functional surfaces are inclined, such as rake angle or clearance angle to the forehead and scope of the drilling tool, is difficult.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit zur präzisen Werkzeugvermessung insbesondere für Mikrowerkzeuge aufzuzeigen.From that It is an object of the invention, a possibility for precise tool measurement especially for Show micro tools.

Diese Aufgabe wird mit der Messmaschine nach Anspruch 1 und dem Verfahren nach Anspruch 19 gelöst:
Die erfindungsgemäße Messmaschine eignet sich insbesondere zur Werkzeugvermessung aber auch zur Vermessung sonstiger Objekte, insbesondere von Objekten mit Flächen, deren Neigung zu bestimmen ist. Die Messmaschine weist einen bildgebenden Messkopf auf, der eine erste Messebene festlegt. Der bildgebende Messkopf dient vorzugsweise dazu, eine X-Y-Messung des Objekts vorzunehmen. Beispielsweise können in dem aufgenommenen Bild Objektkanten mittel Kantenfinderoutinen ermittelt und ausgemessen werden. Die Messmaschine weist außerdem einen interferometrischen Messkopf auf, der eine zweite Messebene festlegt. Der interferometrische Messkopf dient im Verbund mit einer Auswerteeinrichtung zur Bestimmung der Neigung einer Objektfläche. Mit dem interferometrischen Messkopf gelingt beispielsweise die Messung von Winkeln von Funktionsflächen eines Werkzeugs, wie beispielsweise Spanwinkel, Freiwinkel oder ähnlichem.This object is achieved with the measuring machine according to claim 1 and the method according to claim 19:
The measuring machine according to the invention is particularly suitable for measuring tools but also for measuring other objects, in particular objects with surfaces whose inclination is to be determined. The measuring machine has an imaging measuring head, which defines a first measuring plane. The imaging probe preferably serves to perform an XY measurement of the object. For example, object edges can be determined and measured in the recorded image by means of edge finding routines. The measuring machine also has an interferometric measuring head which defines a second measuring plane. The interferometric measuring head is used in conjunction with an evaluation device for determining the inclination of an object surface. With the interferometric measuring head, for example, it is possible to measure angles of functional surfaces of a tool, such as rake angle, clearance angle or the like.

Der interferometrische Messkopf ist vorzugsweise zu einer flächenhaften Bildaufnahme eingerichtet. Er ermöglicht somit die gleichzeitige Aufnahme von Z-Positionen mehrerer Stellen des Objekts. Wird ein Z-Scan durchgeführt, liegt nach Durchführung des Scans für jedes Pixel eines ausgewählten Bildfelds, eines ausgewählten Flächenbereichs des Objekts oder auch des gesamten Bilds ein gültiger Z-Wert vor, sofern sich die Objektoberfläche im Scan-Berecih befunden hat. Die Auswerteeinrichtung bestimmt aus mehreren solcher Z-Werte die Neigung der Objektoberfläche.Of the interferometric measuring head is preferably a planar Image capture set up. He thus allows the simultaneous Recording Z positions of several points of the object. Becomes a Z-scan performed, after performing the Scans for each pixel of a selected frame, a selected area of the object or the entire image, a valid z-value, if the object surface was in the scan area. The evaluation device determines the number of such Z values Inclination of the object surface.

Der interferometrische Messkopf ist vorzugsweise als Weißlichtinterferometer ausgebildet. Es wird damit eine Z-Auflösung im Submikrometerbereich und die präzise Neigungsbestimmung auch von kleinen Flächen, von beispielsweise lediglich 200 μm mal 200 μm oder kleiner ermöglicht. Alternativ können jedoch auch Interferometer verwendet werden, die nicht mit weißem Licht sondern beispielsweise mit einfarbigem Licht oder Licht wenigstens zweier verschiedener Wellenlängen arbeiten.Of the interferometric measuring head is preferably as a white light interferometer educated. It thus becomes a Z-resolution in the sub-micron range and precise inclination determination even of small areas, for example, only 200 microns by 200 microns or smaller allows. Alternatively, however, can Also interferometers are used that are not white Light but for example with monochrome light or light at least work two different wavelengths.

Die beiden Messköpfe sind vorzugsweise baulich voneinander getrennt. Weder für die Gestaltung des abbildenden Mess kopfs noch für die Gestaltung des interferometrischen Messkopfs müssen Kompromisse eingegangen werden. Sie sind in einem vorgegebenen räumlichen Abstand zueinander angeordnet, wobei ihre beiden optischen Achsen vorzugsweise parallel zueinander orientiert sind. Ebenso sind ihre Messebenen vorzugsweise parallel zueinander orientiert. Mindestens einer der beiden Messköpfe, vorzugsweise der interferometrische Messkopf, ist an einer Justiereinrichtung gehalten, die die Einstellung einer definierten Relativposition zu dem anderen Messkopf gestattet. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Justiereinrichtung Justiermöglichkeiten für die Neigung des interferometrischen Messkopfs um die X-Achse und um die Y-Achse sowie eine Drehung um die Z-Achse gestattet. Damit können beide Messebenen parallel zueinander ausgerichtet werden. Des Weiteren können die X- und Y-Achsen der Messebenen des interferometrischen Messkopfs und des abbildenden Messkopfs parallel zueinander ausgerichtet werden.The Both measuring heads are preferably structurally different from each other separated. Neither for the design of the imaging measuring head still for the design of the interferometric measuring head compromises have to be made. They are in one given spatial distance to each other, wherein their two optical axes are preferably parallel to each other are oriented. Likewise, their measurement levels are preferably parallel oriented to each other. At least one of the two measuring heads, preferably the interferometric measuring head is at an adjusting device held the setting of a defined relative position allowed to the other measuring head. In particular, it is advantageous if the adjusting Justiermöglichkeiten for the inclination of the interferometric measuring head about the X-axis and about the Y-axis and a rotation about the Z-axis allowed. In order to Both measuring levels can be aligned parallel to each other become. Furthermore, the X and Y axes of the measurement planes can of the interferometric measuring head and the imaging measuring head in parallel aligned with each other.

Für das zu vermessende Objekt ist eine Objekthalteeinrichtung vorgesehen, die vorzugsweise zumindest eine Schwenkachse festlegt, mittels derer die Objektfläche, deren Neigung zu bestimmen ist, in eine bestimmte Ausrichtung relativ zu der Messebene zu bringen ist.For the object to be measured is an ob provided jekthalteeinrichtung which preferably defines at least one pivot axis by means of which the object surface whose inclination is to be determined, to bring in a certain orientation relative to the measuring plane.

Wenn das zu vermessende Objekt ein Werkzeug wie beispielsweise ein Bohrer ist, weist die Objekthalteeinrichtung vorzugsweise eine Schwenk- oder Drehachse auf, mit der das Objekt um seine Mittelachse drehbar ist. Des Weiteren ist vorzugsweise wenigstens eine Schwenkachse vorgesehen, mit der das Objekt um eine Querachse drehbar ist. Durch diese Schwenkmöglichkeiten kann die Objektfläche, deren Winkel zu bestimmen ist, in eine Position gebracht werden, in der sie keinen Winkel mit der Messebene einschließt, der größer als beispielsweise 30° wäre. Vorzugsweise ist jeder eingeschlossene Winkel nicht größer als beispielsweise 25°. Dies gilt z. B. für ein Objektiv 50 × 0,5. Damit lässt sich erreichen, dass die zu vermessende Fläche die numerische Apertur des interferometrischen Messkopfs nicht verlässt und somit bei der Messung korrekt erfasst wird.If the object to be measured is a tool such as a drill is preferably, the object holder means a pan or The axis of rotation, with which the object is rotatable about its central axis. Furthermore, at least one pivot axis is preferably provided, with which the object is rotatable about a transverse axis. Through this pivoting possibilities can determine the object surface whose angle is to be determined in be placed in a position where they have no angle with the Includes trade fair level that is greater than for example 30 °. Preferably, everyone is included angles no larger than, for example 25 °. This applies z. B. for a lens 50 × 0.5. This can be achieved that the area to be measured does not leave the numerical aperture of the interferometric probe and thus detected correctly during the measurement.

Die Messköpfe sind vorzugsweise an eine Bildauswerteeinrichtung angeschlossen. Diese dient zur Ermittlung der X-Y-Messwerte anhand der von dem bildgebenden Messkopf gelieferten Bilder. Außerdem kann die Bildauswerteeinrichtung die Winkelbestimmung anhand der von dem interferometrischen Messkopf gelieferten Bilder durchführen. Die Auswerteeinrichtung kann dazu ein gesondertes Winkelbestimmungsmodul enthalten. Dieses Modul kann hard- oder softwaretechnisch realisiert sein und die gewünschten Winkel aus den Bildern extrahieren, die der interferometrische Messkopf liefert.The Measuring heads are preferably connected to an image evaluation device connected. This is used to determine the X-Y measured values the images supplied by the imaging probe. Furthermore the image evaluation device can determine the angle using the perform images supplied by the interferometric probe. The evaluation device can for this purpose a separate angle determination module contain. This module can be implemented in terms of hardware or software be and extract the desired angles from the pictures, the the interferometric measuring head supplies.

Die Bestimmung des Winkels erfolgt vorzugsweise in einer vorgegebenen Richtung. Die Richtung des zu bestimmenden Winkels kann automatisch oder falls gewünscht auch manuell vorgebbar sein. Dazu kann eine Eingabeeinrichtung vorgesehen sein, mittels derer in der Messebene des interferometrischen Messkopfs eine Linie vorzugeben ist, auf der der Winkel gemessen wird.The Determination of the angle is preferably carried out in a predetermined Direction. The direction of the angle to be determined can be automatic or, if desired, also be manually specifiable. To An input device may be provided by means of which in the Measuring plane of the interferometric measuring head to specify a line is where the angle is measured.

Der interferometrische Messkopf liefert nach Durchführung seines Z-Scans einen Bilderstapel, der sofort verarbeitet werden kann. Es ist auch möglich, den Bilderstapel oder Teile desselben oder die aus dem Bilderstapeln oder Teilen desselben ermittelten Z-Werte zwischen zu speichern, um die gewünschte Auswertung später vorzunehmen. Auf diese Weise können mit einem Bilderstapel mehrere Winkel, z. B. mehrere Freiwinkel an verschiedenen Stellen einer Fläche bestimmt werden.Of the interferometric measuring head delivers after performing his Z-scans a stack of images that can be processed immediately. It is also possible to use the image stack or parts of it or the z-values determined from the image stacking or parts thereof between store to the desired evaluation later make. This way you can stack with a picture several angles, z. B. several clearance angle at different locations a surface are determined.

Mit dem interferometrischen Messkopf und dem abbildenden Messkopf werden physikalisch unterschiedlich arbeitende optische Messköpfe miteinander kombiniert. Weißlichtinterferometer arbeiten unabhängig von ihrer optischen Anordnung stets in Auflicht-Hellfeldbeleuchtung. Bei dieser Beleuchtung ist für eine Messwerterfassung an spiegelnden Messobjektoberflächen die Neigung der Oberfläche auf die numerische Apertur begrenzt. Weil bearbeitete technische Oberflächen in der Regel diffus streuen, kann der tatsächliche Grenzwinkel der Messwerterfassung größer als die numerische Apertur des Objektivs sein. Die numerische Apertur des Objektivs ist dabei eine geometrische Kenngröße, die sich bei Objektiven identischer Abmessungen, bspw. Mikroskopobjektiven, aus dem Messabstand und dem Öffnungsradius des Objektivs bestimmt. Große numerische Aperturen bedingen kleine Messabstände. Komplex geformte, insbesondere verdrillte Rotations-Messobjekte, wie beispielsweise Mikrobohrer, verlangen einen Kompromiss zwischen numerischer Apertur und Arbeitsabstand. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird dieser Kompromiss zur Messung von Mikrowerkzeugen mittels Mirau-Objektiven 20 × 0,4/50 × 0,5 und den Messabständen 3,6 mm/1,7 mm gefunden. Makrowerkzeuge erfordern in der Regel einen wesentlich größeren Messabstand, damit den genannten Mirau-Objektiven eine Messung in der Spannut von Makrowerkzeugen geometrisch nicht möglich ist. Hier können Weißlichtinterferometer nach Linnik verwendet werden. Diese ermöglichen eine Vergrößerung des Messabstands auf Kosten der numerischen Apertur.With the interferometric measuring head and the imaging measuring head physically different working optical measuring heads combined together. White light interferometers work independently from their optical arrangement always in reflected-light brightfield illumination. With this lighting is on for a data logging specular surfaces reflect the slope of the surface limited to the numerical aperture. Because worked technical Surfaces usually diffuse diffusely, the actual Limit angle of the data acquisition greater than the be numerical aperture of the lens. The numerical aperture of the Lens is a geometric parameter, in the case of objectives of identical dimensions, for example microscope objectives, from the measuring distance and the opening radius of the lens certainly. Large numerical apertures require small measuring distances. complex shaped, in particular twisted rotation measuring objects, such as Micro drills require a compromise between numerical aperture and working distance. In the present embodiment This compromise is for the measurement of micro tools by means of Mirau lenses 20 × 0.4 / 50 × 0.5 and the measuring distances 3.6 mm / 1.7 mm found. Makeware tools usually require one much larger measuring distance, so that the mentioned Mirau lenses a measurement in the flute of macro tools geometrically impossible. Here can white light interferometer after Linnik be used. These allow an enlargement the measuring distance at the expense of the numerical aperture.

Das erfindungsgemäße Messverfahren eignet sich vorteilhaft zur Messung von Span- und Freiwinkeln an Quer- und Längsschneiden eines Mikrobohrers. Andere Winkel, wie beispielsweise Drallwinkel, können mit dem abbildenden Messkopf gemessen werden.The Measuring method according to the invention is advantageously suitable for measuring chip and clearance angles on transverse and longitudinal cutting a micro drill. Other angles, such as helix angle, can be measured with the imaging probe.

Entsprechende Merkmale und Vorzüge sind für das erfindungsgemäße Verfahren zu verzeichnen. Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der Zeichnung, der Beschreibung oder Ansprüchen. Die Beschreibung beschränkt sich auf wesentliche Aspekte der vorliegenden Erfindung sowie sonstige Gegebenheiten. Die Zeichnung ist ergänzend heranzuziehen. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:Appropriate Features and benefits are for the invention Procedure to record. Further details emerge the drawing, the description or claims. The description is limited to essential aspects of the present Invention and other circumstances. The drawing is supplementary consulted. In the drawing is an embodiment of the invention illustrated. Show it:

1 eine erfindungsgemäße Messmaschine in ausschnittsweiser perspektivischer Darstellung, 1 a measuring machine according to the invention in a fragmentary perspective view,

2 die Messmaschine nach 1 in einer weiteren fragmentarischen Perspektivdarstellung in anderer Größenwiedergabe, 2 the measuring machine after 1 in another fragmentary perspective view in different size rendering,

3 die Fixierung des interferometrischen Messkopfs der Messmaschine nach 2 in einer anderen Perspektivdarstellung, 3 the fixation of the interferometric measuring head of the measuring machine 2 in another perspective view,

4 die Messmaschine nach 1 (ohne interferometrischen Messkopf) in perspektivischer Gesamtansicht, 4 the measuring machine after 1 (without interferometric measuring head) in a perspective overall view,

5 die Objekt-Halteeinrichtung der Messmaschine nach 1 in perspektivischer Darstellung in einer ersten Position zur Messung des ersten Freiwinkels der Querschneide, 5 the object-holding device of the measuring machine after 1 in a perspective view in a first position for measuring the first clearance angle of the transverse cutting edge,

6 die Objekt-Halteeinrichtung nach 5 in einer zweiten Position zur Messung der radiusabhängigen Spanwinkel der Querschneide in perspektivischer Darstellung, 6 the object-holding device after 5 in a second position for measuring the radius-dependent rake angle of the transverse cutting edge in a perspective view,

7 die Messköpfe und eine Auswerteeinrichtung in einer schematischen Blockdarstellung und 7 the measuring heads and an evaluation device in a schematic block diagram and

8 eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung eines Messvorgangs. 8th a graphical representation illustrating a measurement process.

In 1 ist eine Messmaschine 1 im Ausschnitt veranschaulicht, die einen Arm 2 zur Lagerung zweier Messköpfe 3, 4 aufweist. Der Arm 2 ist in zumindest einer Richtung, z. B. in Vertikalrichtung verstellbar gelagert. Zur Verstellung dient beispielsweise eine Motorstelleinrichtung, die auch als „Achse" oder „Vertikalachse" bezeichnet wird.In 1 is a measuring machine 1 in the neckline illustrating an arm 2 for storage of two measuring heads 3 . 4 having. The arm 2 is in at least one direction, z. B. mounted adjustable in the vertical direction. For adjustment, for example, serves an engine control device, which is also referred to as "axis" or "vertical axis".

Der Messkopf 3 ist ein abbildender Messkopf, der eine vorzugsweise vertikale optische Achse 5 festlegt. Er enthält ein Objektiv, eine Kamera und falls erforderlich eine Beleuchtungseinrichtung. Die Beleuchtungseinrichtung kann auch von dem Messkopf 3 getrennt ausgebildet und angeordnet sein. Er legt eine Messebene 6 fest, auf der die optische Achse 5 und somit auch die durch einen Pfeil bezeichnete Z-Richtung senkrecht steht. Die X-Richtung und die Y-Richtung liegen hingegen in der Messebene, wie in 1 weitere Pfeile andeuten.The measuring head 3 is an imaging probe having a preferably vertical optical axis 5 sets. It contains a lens, a camera and if necessary a lighting device. The illumination device may also be of the measuring head 3 be formed and arranged separately. He sets a measurement level 6 firmly, on the optical axis 5 and thus also the Z direction designated by an arrow is vertical. The X-direction and the Y-direction, however, are in the measurement plane, as in 1 indicate further arrows.

Der Arm 2 ist von einer Z-Säule 7 getragen, die vertikal von einer Basis aufragt. Der interferometrische Messkopf 4 ist zwischen der Z-Säule 7 und dem abbildenden Messkopf 3 angeordnet. Der interferometrische Messkopf 4 ist von einer Justiereinrichtung 8 getragen, die ihn mit dem Arm 2 verbindet. Die Justiereinrichtung 8 gestattet, wie durch Pfeile 9, 10, 11 angedeutet ist, eine Justage des Messkopfs 4 um drei verschiedene rechtwinklig zueinander stehende Achsen. Der Pfeil 9 deutet eine Justiermöglichkeit drehend um die optische Achse 12 des Messkopfs 4 an. Die optische Achse 12 ist vorzugsweise parallel zu der optischen Achse 5 zu orientieren. Damit stimmt die Richtung Z1 mit der Z-Richtung überein. Durch Drehung um die optische Achse 12 stimmen die Richtungen Y1, X1 einer Messebene 13 des Messkopfs 4 mit den Richtungen X und Y der Messebene 6 überein.The arm 2 is from a Z-pillar 7 worn vertical from a base. The interferometric measuring head 4 is between the Z-pillar 7 and the imaging probe 3 arranged. The interferometric measuring head 4 is from an adjustment device 8th worn him with his arm 2 combines. The adjustment device 8th allowed, as indicated by arrows 9 . 10 . 11 is indicated, an adjustment of the measuring head 4 around three different perpendicular axes. The arrow 9 indicates an adjustment possibility rotating around the optical axis 12 of the measuring head 4 at. The optical axis 12 is preferably parallel to the optical axis 5 to orient. Thus, the direction Z1 coincides with the Z direction. By rotation about the optical axis 12 the directions Y1, X1 of a measuring plane agree 13 of the measuring head 4 with the directions X and Y of the measurement plane 6 match.

Die 2 und 3 veranschaulichen die Justiereinrichtung 8. Der Messkopf 4 ist in einem Halter 14 um die Z-Achse drehbar gelagert. Ein Fortsatz 15 eines drehbar gelagerten Rings 16, der mit dem Messkopf 4 verbunden ist, greift in eine Ausnehmung 17 und ist in dieser mit Stellschrauben 18, 19 verstellbar.The 2 and 3 illustrate the adjustment 8th , The measuring head 4 is in a holder 14 rotatably mounted about the Z-axis. An extension 15 a rotatably mounted ring 16 , with the measuring head 4 is connected, engages in a recess 17 and is in this with set screws 18 . 19 adjustable.

Wie 3 zeigt, ist der Halter 14 außerdem mittels weiterer Justierschrauben 20, 21, 22 gegen den Arm 2 gespannt. Die Spannung wird beispielweise durch eine geschlitzte Justierhülse und zwei Kugelscheiben je Justierschraube 20 bis 22 erzeugt.As 3 shows is the holder 14 also by means of further adjustment screws 20 . 21 . 22 against the arm 2 curious; excited. The tension is achieved, for example, by a slotted adjusting sleeve and two spherical washers per adjusting screw 20 to 22 generated.

4 veranschaulicht des Weiteren die Objektlagerung. Das Objekt wird hier durch ein Werkzeug, beispielsweise in Form eines Bohrers 23 veranschaulicht. Zur Lagerung dieses Objekts 24 dient z. B. ein Kreuztisch mit zwei zu den optischen Achsen 5, 12 rechtwinkligen Stellrichtungen. Die beiden im Beispiel horizontalen Stellrichtungen sind in 4 durch Pfeile symbolisiert. Sie bilden die Basis einer Objekthalteeinrichtung 25 mit der das Objekt 24 außerdem um mindestens eine, vorzugsweise zwei Achsen schwenkbar gelagert ist. Diese Achsen sind in 4 durch Pfeile 26, 27 symbolisiert. Eine der Achsen ist konzentrische zu dem Bohrer 23 ausgerichtet während die andere (26) radial bzw. quer zu diesem und vorzugsweise horizontal und somit quer zu den optischen Achsen 5, 12 orientiert ist. 4 further illustrates the object storage. The object is here by a tool, for example in the form of a drill 23 illustrated. For storage of this object 24 serves z. As a cross table with two to the optical axes 5 . 12 right-angled directions. The two in the example horizontal positioning directions are in 4 symbolized by arrows. They form the basis of an object holder 25 with the object 24 is also mounted pivotably about at least one, preferably two axes. These axes are in 4 through arrows 26 . 27 symbolizes. One of the axes is concentric to the drill 23 aligned while the other ( 26 ) Radially or transversely to this and preferably horizontally and thus transversely to the optical axes 5 . 12 is oriented.

Die 5 und 6 veranschaulichen verschiedene Schwenkpositionen des Bohrers 23. In der Position nach 5 ist die Mittelachse 28 des Bohrers 23 so weit nach oben geschwenkt, dass die Stirnschneidkante 29 des Bohrers 23 parallel zu den Messebenen 6, 13 orientiert ist. In 6 ist der Bohrer 23 so geschwenkt, dass seine Spanfläche 30 mit den Messebenen 6, 13 nur einen geringen spitzen Winkel einschließt.The 5 and 6 illustrate various pivotal positions of the drill 23 , In the position after 5 is the central axis 28 of the drill 23 pivoted so far upwards that the front cutting edge 29 of the drill 23 parallel to the exhibition levels 6 . 13 is oriented. In 6 is the drill 23 so swung that its rake surface 30 with the trade fair levels 6 . 13 includes only a small acute angle.

Die Messköpfe 3, 4 enthalten jeweils Kameras, die an eine Bildauswerteeinrichtung 31 angeschlossen sind, wie sie in 7 schematisch durch einen strichpunktierten Block angedeutet ist. Sie enthält ein Modul 32 zur X-Y-Messung. Dieses Modul 32 kann beispielsweise ein Softwareprogramm mit Kantenfinderroutinen sowie der zugehörigen Hardware sein. Der interferometrische Messkopf 4 ist hingegen an ein Winkelmessmodul 33 angeschlossen, das zur Bestimmung von Flächenneigungswinkeln dient. Das Winkelmessmodul 33 kann durch ein oder mehrere Softwareroutinen in Verbindung mit der zugehörigen Hardware realisiert werden. An das Bildauswertemodul ist ein Eingabemodul 34 angeschlossen. Dieses dient z. B. zur Vorgabe der Messrichtung zur Bestimmung des gesuchten Winkels durch das Winkelmessmodul 33.The measuring heads 3 . 4 each contain cameras connected to an image evaluation device 31 are connected as they are in 7 is indicated schematically by a dot-dashed block. It contains a module 32 for XY measurement. This module 32 may be, for example, a software program with edge finder routines and the associated hardware. The interferometric measuring head 4 is on the other hand an angle measuring module 33 connected, which serves to determine the surface tilt angles. The angle measuring module 33 can be realized by one or more software routines in conjunction with the associated hardware. To the image evaluation module is an input module 34 connected. This serves z. B. for specifying the measuring direction for determining the desired angle by the angle measuring module 33 ,

Die insoweit beschriebene Messmaschine 1 arbeitet wie folgt:
Zunächst wird die Messmaschine 1 einjustiert. Dazu werden die Messköpfe 3, 4 mittels der Justiereinrichtung 8 parallel ausgerichtet, so dass auch die Messebenen 6, 13 parallel zueinander sind. Außerdem wird der Messkopf 4 um die optische Achse 12 so gedreht, dass seine X1-Richtung mit der X-Richtung des Messkopfs 3 übereinstimmt. Gleiches gilt für die Y1-Richtung.The measuring machine described so far 1 works as follows:
First, the measuring machine 1 adjusted. These are the measuring heads 3 . 4 by means of the adjusting device 8th aligned in parallel, so that the measurement levels 6 . 13 are parallel to each other. In addition, the measuring head 4 around the optical axis 12 turned so that its X1 direction coincides with the X direction of the measuring head 3 matches. The same applies to the Y1 direction.

Als Objekt 24 zur Vermessung dient zur weiteren Veranschaulichung der Bohrer 23. Dieser wird beispielsweise zunächst in das Blickfeld des Messkopfs 3 positioniert. Soll beispielsweise seine Schneidkante 29 vermessen werden, wird der Bohrer 23 in die Position nach 5 geschwenkt. Der Messkopf 3 wird in Z-Richtung nun so verstellt bis die Mess ebene 6 genau auf der Schneidkante 29 liegt. Es kann nun durch Bildaufnahme und Kantenfindung und Kantenvermessung die X-Y-Messung vorgenommen werden.As an object 24 to measure serves to further illustrate the drill 23 , This becomes, for example, first in the field of view of the measuring head 3 positioned. For example, its cutting edge 29 Be measured, the drill becomes 23 in the position after 5 pivoted. The measuring head 3 is now adjusted in the Z direction until the measuring level 6 exactly on the cutting edge 29 lies. The XY measurement can now be performed by image acquisition and edge finding and edge measurement.

Soll nachfolgend die Neigung der an die Schneidkante 29 anschließenden Freifläche 35 vermessen werden, wird der Bohrer 23 ohne zu schwenken in das Sichtfeld des Messkopfs 4 linear verfahren. Seine Messebene 13 liegt auf der gleichen Höhe wie die Messebene 6. Der interferometrische Messkopf 4 führt nun einen Z-Scan durch, indem er die Messebene 13 in mehreren Stufen in Richtung der optischen Achse 12 verstellt. Dabei wird die Freifläche 35 gescannt. 8 veranschaulicht den Vorgang. In jedem Schritt des Scanvorgangs wird ein interferometrisches Bild der Freifläche aufgenommen. Nur diejenigen Teile der Freifläche, die bis auf geringste Bruchteile eines Mikrometers genau in der Messebene 13 liegen, liefern einen gültigen Z-Messwert für den jeweiligen Pixel. Somit lässt sich aus dem im Z-Scan gewonnenen Bilderstapel ein Höhenprofil extrahieren, das in 8 durch Höhenlinien 36 angedeutet sind. Diese dienen lediglich der Veranschaulichung des Messvorgangs. Sie fallen nicht mit den einzelnen Z-Schritten des Messkopfs 4 zusammen und sind im Bild auch nicht zwangsläufig zu sehen.Below is the inclination of the cutting edge 29 subsequent open space 35 Be measured, the drill becomes 23 without pivoting in the field of view of the measuring head 4 linear procedure. His exhibition level 13 is at the same height as the exhibition level 6 , The interferometric measuring head 4 Now perform a Z-scan by looking at the measurement plane 13 in several stages in the direction of the optical axis 12 adjusted. This is the open space 35 scanned. 8th illustrates the process. In each step of the scan, an interferometric image of the free space is taken. Only those parts of the open space that are right down to the smallest fractions of a micrometer in the measurement plane 13 lie, provide a valid Z-measure for each pixel. Thus, a height profile can be extracted from the image stack obtained in the Z-scan 8th through contour lines 36 are indicated. These serve only to illustrate the measuring process. They do not coincide with the individual Z steps of the measuring head 4 together and are not necessarily visible in the picture.

Über das Eingabemodul 34 wird eine Linie 37 vorgegeben, auf der der gesuchte Winkel, im vorliegenden Beispiel ein Freiwinkel, zu bestimmen ist. Die Linie 37 kann dabei durch Eingabe von zwei oder mehreren Punkten vorgegeben oder auch aus einer Bibliothek entnommen werden, die typische Werkzeugformen und deren Formelemente, wie beispielsweise Schneidkanten und Funktionsflächen, wie Spanflächen und/oder Freiflächen und dergleichen, enthält. Entlang der Linie 37 werden nun aus dem Bilderstapel die vorhandenen Z-Werte extrahiert. Diese mit großer Genauigkeit gewonnenen Z-Werte können durch eine Gerade approximiert werden, deren Winkel zu der Messebe ne 13 bestimmt und als Winkelwert an einem Ausgang des Bildauswertemoduls 31 ausgegeben wird.Via the input module 34 becomes a line 37 predetermined, on which the searched angle, in the present example a clearance angle, is to be determined. The line 37 can be specified by entering two or more points or removed from a library containing typical tool shapes and their form elements, such as cutting edges and functional surfaces, such as rake surfaces and / or open spaces and the like. Along the line 37 Now the existing z-values are extracted from the image stack. These Z values obtained with great accuracy can be approximated by a straight line, the angle of which to the reference plane is ne 13 determined and as an angle value at an output of the image evaluation module 31 is issued.

6 veranschaulicht den Messvorgang am Beispiel der Vermessung einer Spanfläche. Nachdem der Spanwinkel bei dem Bohrer 23 relativ groß ist, wird der Bohrer beispielsweise, wie in 6 dargestellt, so geneigt, dass die Spanfläche 30 mit der Messebene 13 einen Winkel kleiner 30° einschließt. Nach Durchführung des Z-Scans sind aus dem Bilderstapel wiederum die Z-Werte der Spanfläche und aus diesen die radiusabhängigen Spanwinkel extrahierbar, d. h. sowohl der Axialspanwinkel als auch der Radialspanwinkel wie auch der effektive Spanwinkel. Der Axialspanwinkel liegt in einer gedachten axial orientierten Ebene, der Radialspanwinkel in einer radial orientierten Ebene und der effektive Spanwinkel in einer rechtwinklig zur Schneidkante stehenden Ebene. 6 illustrates the measurement process using the example of measuring a rake face. After the rake angle at the drill 23 is relatively large, the drill, for example, as in 6 shown, inclined so that the rake face 30 with the trade fair level 13 an angle smaller than 30 °. After carrying out the Z-scan, the Z-values of the rake face are extractable from the image stack and the radius-dependent rake angles can be extracted therefrom, ie both the axial rake angle and the radial rake angle as well as the effective rake angle. The Axialspanwinkel lies in an imaginary axially oriented plane, the Radialspanwinkel in a radially oriented plane and the effective rake angle in a plane perpendicular to the cutting edge plane.

Erfindungsgemäß wird für die Messung von komplexen 3D-Objekten, wie beispielsweise Mikrobohrern, ein flächenhaft messendes X-Y-Messsystem mit einem hoch auflösenden Z-scannenden Weißlichtinterferometer kombiniert. Das abbildende Messsystem wird als Monitorsystem für das Weißlichtinterferometer genutzt. Es wird ein flächenhafter Z-Höhenscan des Weißlichtinterferometers ohne mechanische Bewegung der Achsen des Koordinatenmessgeräts durchgeführt. Die X-, Y-, Z-Messwerte sind mit einer Auflösung von besser als ein Mikrometer in X- und Y-Richtung und mit einer Auflösung von viel besser als ein Mikrometer in Z-Richtung. Zur räumlichen Winkelmessung werden ausschließlich die Z-Höhenmesswerte des Weißlichtinterferometers herangezogen.According to the invention for the measurement of complex 3D objects, such as Micro drills, an areal measuring X-Y measuring system with a high-resolution Z-scanning white light interferometer combined. The imaging measuring system is used as a monitor system for used the white light interferometer. It will be a planar Z-height scan of the white light interferometer without mechanical movement the axes of the coordinate measuring machine performed. The X, Y, Z readings are better with a resolution as a micrometer in the X and Y directions and with a resolution much better than a micrometer in the Z direction. To the spatial Angle measurement will only be the Z height readings used by the white light interferometer.

11: Messmaschinemeasuring machine
22: Armpoor
33: abbildender Messkopfimaging probe
44: interferometrischer Messkopfinterferometric probe
55: optische Achse des abbildenden Messkopfsoptical Axis of the imaging probe
66: Messebene des abbildenden Messkopfsmeasuring plane of the imaging probe
77: z-Säulez column
88th: Justiereinrichtungadjusting
9, 10, 119 10, 11: Pfeilearrows
1212: optische Achseoptical axis
1313: Linieline
1414: Halterholder
1515: Fortsatzextension
1616: Ringring
1717: Ausnehmungrecess
18, 1918 19: Justierschraubenadjusting screws
20, 21, 2220 21, 22: Justierschraubenadjusting screws
2323: Bohrerdrill
2424: Objektobject
2525: Objekt-HalteeinrichtungObject holder
26, 2726 27: Pfeilearrows
2828: Mittelachsecentral axis
2929: StirnschneidkanteEnd cutting edge
3030: Spanflächeclamping surface
3131: BildauswertemodulBildauswertemodul
3232: Modulmodule
3333: WinkelmessmodulAngle measuring module
3434: Eingabemodulinput module
3535: Freiflächeopen space
3636: Höhenliniencontour lines

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2005/108915 A1 [0003]

Claims

Measuring machine ( 1 ) for measuring objects ( 24 ), in particular for tool measurement, with an imaging measuring head ( 3 ), which is a first measurement level ( 6 ) with an interferometric measuring head ( 4 ), which has a second measurement level ( 13 ) with an object holder ( 25 ) for receiving and storing the object to be measured ( 24 ) is set up, with a positioning device, for determining desired relative positions of the measuring heads ( 3 . 4 ) and the object ( 24 ), and with an evaluation device ( 31 ) for determining the inclination of an object surface against the second measuring plane ( 13 ) based on measurements of the interferometric measuring head ( 4 ).

Measuring machine according to claim 1, characterized in that the interferometric measuring head ( 4 ) is set up for a planar image recording.

Measuring machine according to claim 1, characterized in that the interferometric measuring head ( 4 ) forms a white light interferometer.

Measuring machine according to claim 1, characterized in that the two measuring heads ( 3 . 4 ) are structurally separated from each other.

Measuring machine according to claim 1, characterized in that the two measuring heads ( 3 . 4 ) are held at a fixed predetermined distance from each other.

Measuring machine according to claim 1, characterized in that the interferometric measuring head ( 4 ) an optical axis ( 12 ), that the imaging head ( 3 ) an optical axis ( 5 ) and that the two optical axes ( 5 . 12 ) are oriented parallel to each other.

Measuring machine according to claim 1, characterized in that the two measuring planes ( 6 . 13 ) are oriented parallel to each other.

Measuring machine according to claim 1, characterized in that at least one of the measuring heads ( 4 ) on an adjusting device ( 8th ) for setting a defined relative position to the other measuring head ( 3 ) is held.

Measuring machine according to claim 8, characterized in that the adjusting device ( 8th ) allows rotation about the z-axis (z1).

Measuring machine according to claim 8, characterized in that the adjusting device ( 8th ) permits rotation about a first x-axis transverse to the z-axis.

Measuring machine according to claim 8, characterized in that the adjusting device ( 8th ) permits rotation about a first transverse to the z-axis y-axis.

Measuring machine according to claim 1, characterized in that the object holding device ( 25 ) at least one pivot axis ( 26 . 27 ) in order to position the object surface whose inclination is to be determined in an orientation relative to the measuring plane ( 13 ), in which the object surface is the numerical aperture of the interference optical measuring head ( 4 ) does not leave.

Measuring machine according to claim 1, characterized in that the measuring heads ( 3 . 4 ) an image evaluation device ( 31 ) connected.

Measuring machine according to claim 1, characterized in that the image evaluation device ( 31 ) from the imaging head ( 3 ) supplied images xy measured values of the object ( 24 ).

Measuring machine according to claim 1, characterized in that the evaluation device ( 31 ) an angle determination module ( 33 ) for determining area angles from images which the interferometric measuring head ( 4 ).

Measuring machine according to claim 1, characterized in that an input module ( 34 ) is provided, with which the direction of the angle to be determined can be fixed.

Measuring machine according to claim 1, characterized in that the interferometric measuring head ( 4 ) is set up to perform a z-scan.

Measuring machine according to claim 17, characterized that the z-scan delivers a stack of images that from the interferometric Measuring head is evaluated.

Method for determining angles of selected areas ( 30 . 35 ) of objects where the surface of the object ( 24 ) in the field of view of an interference optical measuring head ( 4 ), with the measuring head ( 4 ) carried out a z-scan and from the data obtained in the z-scan the inclination of the object surface to the measuring plane ( 13 ) is determined.

A method according to claim 19, characterized in that the object is positioned so that the surface ( 30 . 35 ) within the numerical aperture of the interferometric measuring head ( 4 ) is orders.

Method according to claim 19, characterized in that the object ( 24 ) is positioned in such a way that the surface ( 30 . 35 ) an inclination to the measuring plane ( 13 ) which is less than 30 ° in each direction.