AT512005A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung des abstands eines punktes auf einer technischen oberfläche - Google Patents

Abstract

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Abstandsmessung eines Punktes (22) auf einer rauigkeitsbehafteten technischen Oberfläche (12) mittels eines Messverfahrens umfasstdie Schritte: Festlegen eines Punktes (22) auf der zur vermessenden technischen Oberfläche (12), für den der Abstandswert bestimmt werden soll, Festlegen eines Messweges (24) um den Punkt (22), Abfahren des Messweges (24) in einer Messeinrichtung, Erfassen einer Anzahl von Messwerten entlang des Messweges, wobei die Messwerte den Abstand zwischen Messsensor und Oberfläche (12) beschreiben, und Verarbeitung der Messwerte mit geeigneten Auswerteverfahren zur Bildung eines Abstandswertes des Punktes (22).

Description

Verfahren zur Bestimmung des Abstands eines Punktes auf einer technischen Oberfläche

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abstandsmessung, insbesondere ein Verfahren zur Bestimmung des Abstands eines Punktes auf einer technischen Oberfläche, wobei üblicherweise die Oberflächenbeschaffenheit (insbesondere die Rauigkeit der Oberfläche) die Wiederholbarkeit einer Abstandsbestimmung negativ beeinflusst. Insbesondere gilt dies bei berührungslosen Messverfahren mit kleiner Messfläche.

Stand der Technik Für das Messen auf rauen Oberflächen gibt es DIN-Normen, z. B. Geometrische Produktspezifikation DIN EN ISO 4287 und 4288, die geeignete Verfahren zur Erfassung von Abstandsmesswerten an technischen Oberflächen angeben. In speziellen Fällen, bei denen der Radius des Tasters einer kontaktbehafteten Messeinrichtung nicht beeinflusst werden kann, oder insbesondere bei berührungslosen optischen Abtastverfahren, bei denen der Durchmesser des optischen Messpunktes sehr klein ist, sind diese Verfahren nach DIN nicht ohne Anpassung anwendbar und bringen nicht die gewünschten wiederholbaren Messergebnisse. Für die berührungslose Abstandsbestimmung sind verschiedene Verfahren bekannt, z.B. kapazitive Sensoren, optische Abstandsbestimmung nach dem chromatisch-konfokalen Prinzip, Interferometrie, Laserprofilometrie oder das DCM 3D von Leica, ein 3D-Messmikroskop mit konfokalen und interferometrischen Technologien. Bei der chromatisch-konfokalen Abstandsbestimmung wird eine weiße Punktlichtquelle, realisiert durch eine sehr kleine Lochblende von nur wenigen Mikrometern Durchmesser, mit einer nicht farbkorrigierten - also dispersiven - Linse auf die zu vermessende Oberfläche fokussiert. Durch die chromatische Dispersion werden die blauen Lichtanteile näher an der Linse fokussiert und die roten weiter weg. Das reflektierte Licht wird über die gleiche Linse wieder abgebildet und mit einem Strahlteiler vom Beleuchtungsstrahlengang ausgekoppelt und auf eine baugleiche Lochblende wie auf der Beleuchtungsseite abgebildet. Nach dem gleichen Prinzip wie beim Konfokalmikroskop wird dadurch das Licht ausgeblendet, das nicht aus der Objektebene kommt. Ein Spektrometer hinter der Lochblende bestimmt dann die dominante Wellenlänge des reflektierten Lichtes. Aus dem Wissen über die Fokusweiten der einzelnen Wellenlängen kann aus der dominanten Wellenlänge direkt der Abstand zur Messoberfläche bestimmt werden. Für die Qualität einer punktuellen Abstandsbestimmung mittels des chromatisch-konfokalen Messverfahrens ist die Beschaffenheit der zu vermessenden Oberfläche mitentscheidend und unbedingt zu berücksichtigen. Die Messflächen können die unterschiedlichsten Oberflächenbeschaffenheiten aufweisen, z.B. poliert, geschliffen, gedreht oder gefräst sein. Zum Teil sind Flächen auch farbig lackiert. All diese Faktoren können eine schnelle und wiederholgenaue Messung beeinflussen, wie sie während eines Produktionsablaufs gefordert ist.

Ferner unterliegt die Wiederholbarkeit des Messergebnisses wegen des relativ kleinen optischen Messpunktes (hier z.B. 4gm Durchmesser) und der technischen (rauen) Oberflächen Streuungen, die sich nicht kompensieren lassen. Auch eine nicht ebene Topologie der Messfläche oder eine schräg stehende Messfläche verhindern eine wiederholbar genaue Messung. Für die berührende und nicht berührende Bestimmung des Abstands in der Höhe fehlen entsprechende Nonnen. Der Abstand eines Punktes von einem anderen Punkt wird berührend, z. B durch die Aufnahme zweier Messwerte mittels eines Messtasters und anschließender Differenzwertbildung bestimmt oder durch die Aufnahme mehrerer Messwerte für jeden Punkt, Bestimmung eines Mittelwertes für jeden Punkt und anschließender Differenzwertbildung aus den Mittelwerten. Hierbei wird das Ergebnis der Messung von der Gestalt des eingesetzten Messwertaufnehmers im Vergleich zur zu vermessenden Oberfläche beeinflusst. Während dies bei berührenden Messwertaufnehmem die Gestalt oder Krümmung des berührenden Bereichs des Messwertaufnehmers ist, ist es bei nicht berührenden Messwertaufnehmern insbesondere die Fläche des Messpunktes. Während zum Beispiel kapazitive Messwertaufnehmer über eine bestimmte Messfläche integrieren, haben optische Messwertaufnehmer mit einem sehr kleinen Messpunkt das Problem, dass sie in den Tälern und an den Spitzen der Oberflächenrauigkeit messen.

Offenbarung der Erfindung

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Abstandsbestimmung eines Punktes auf einer rauigkeitsbehafteten technischen Oberfläche zu entwickeln, mit dem Ziel, die Wiederholgenauigkeit der Messung wesentlich zu erhöhen. Das Verfahren soll bei allen Oberflächenbeschaffenheiten, und insbesondere auch bei kleinen Messflächen, eine zufrieden stellende Messbarkeit und Wiederholgenauigkeit bieten.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur wiederholgenauen Abstandsbestimmung eines Punktes auf einer rauigkeitsbehafteten technischen Oberfläche kann sowohl für berührende als auch für berührungslose Messwerterfassungen angewandt werden. Das Verfahren wird hier am Beispiel einer optischen Messwerterfassung beschrieben und umfasst die Schritte:

Festlegen eines Punktes auf der zu vermessenden technischen Oberfläche, für den der Abstandswert bestimmt werden soll, Festlegen eines Messweges um diesen Punkt, Abfahren des Messweges mit einem Messwertaufnehmer, Erfassen einer Anzahl von Messwerten entlang des Messweges, wobei die Messwerte den Abstand zwischen dem Messwertaufnehmer und der Oberfläche beschreiben, und Verarbeitung der Messwerte mit geeigneten Auswerteverfahren zur Bildung eines Abstandswertes des Punktes.

Zur Vereinfachung der Auswertung der Messwerte kann der Messweg vorzugsweise sowohl in eine Richtung als auch wieder vollständig zurück abgefahren werden.

Das beschriebene Verfahren nutzt die Erfassung von Messwerten entlang eines Messweges um den definierten Punkt herum und Verfahren aus der Frequenzanalyse zur Bildung eines Wertes, der den Abstand des Punktes, für den der Abstandswert bestimmt werden soll, beschreibt. Bei der Messwerterfassung kann der Messwertaufnehmer um den Punkt herum in mehreren zentrischen Bahnen verfahren, vorzugsweise Kreisbahnen oder Spiralbahnen. Wenn zum Beispiel Kreisbahnen als Messweg definiert werden, so werden vorzugsweise mehrere Kreisbahnen abgefahren. Der Abstand zum Punkt, der sich im Zentrum des Messweges befindet und abhängig von der Qualität der Oberfläche bzw. dem zu ihrer Herstellung benutzten Verfahren selbst nicht gemessen werden muss, wird für jede neue Kreisbahn um einen vorgegebenen Faktor erhöht, bis der größte vorgegebene Abstand zum Zentrum erreicht ist. Danach können die zentrischen Bahnen vorzugsweise in gleicherweise mit jeweils sich verringerndem Radius abgefahren werden, bis der Messwertaufnehmer wieder an seinen Ausgangspunkt angekommen ist. Der Messweg wird somit vom Messwertaufnehmer in beiden Richtungen abgefahren.

Die aufgenommenen Messdaten in Form von Abstandswerten beschreiben dabei eine vollständige „periodische Schwingung“, die frequenzanalytisch einfach zu behandeln ist. Eine nicht ebene Oberflächentopologie, z.B. eine schräge Ebene, erzeugt unter anderem Schwingungen mit steigenden Amplituden, die dem steigenden Durchmesser der vermessenen Kreisbahnen entsprechen. Die Rauigkeit addiert sich auf diesen Schwingungsverlauf als „überlagertes Rauschen”. Bei der Auswertung der Messergebnisse werden nun alle Frequenzanteile herausgefiltert und nur noch der Gleichanteil (Offset), auch DC-Wert genannt, betrachtet. Der Gleichanteil entspricht dann dem gesuchten Abstandsmesswert am Punkt, für den der Abstandswert bestimmt werden soll.

Die aufgenommenen Messdaten dürfen eine bestimmte Anzahl nicht unterschreiten, damit das nachfolgende Berechnungsverfahren ein ausreichend genaues Ergebnis liefert. In dem angewendeten Verfahren werden die Daten mit Hilfe eines Näherungsverfahrens für den DC-Wert berechnet. Aufgrund der

Oberflächenbeschaffenheit und des Näherungsverfahrens sind hier im Beispiel 2000 Messdatenpunkte nötig, damit ein stabiler und wiederholgenauer Messwert berechnet werden kann.

Mit entsprechenden Auswerteverfahren wird der Gleichanteil der Messwerte gebildet und dem Abstandswert des Punktes, für den der Abstandswert bestimmt werden soll, zugeordnet. Der Gleichanteil der Messwerte kann durch verschiedene Verfahren bestimmt werden. Beispielsweise durch Bildung eines mathematischen Mittelwertes oder aber durch Anwendung einer Spektralanalyse oder durch die Anwendung einer Fourieranalyse an den aufgenommenen Messwerten.

Vorzugsweise werden die Messwerte entlang des Messweges mit einer konstanten Messfrequenz, sprich einer konstanten Abtastrate aufgenommen. Die Messwerte werden als digitale Signale aufgenommen, wobei die Abtastrate beispielsweise 1000 Hertz beträgt.

Ferner erfolgt die Aufnahme der Messdaten vorzugsweise mit einer konstanten Relativgeschwindigkeit zwischen Werkstück und Messeinrichtung entlang des Messweges.

Als Messweg wird insbesondere ein Weg vorgegeben, der den Punkt, für den der Abstandswert bestimmt werden soll, im Zentrum hat. Der Messweg kann beispielsweise als eine Anzahl von konzentrischen Kreisen mit diesem Punkt als Zentrum beschrieben sein. Andererseits kann der Messweg auch als eine Spirale mit dem Punkt in ihrer Mitte beschrieben sein. Andere Geometrien für den Messweg sind denkbar.

Im Beispiel wird bei der Messung der Messweg sowohl in einer Richtung als auch wieder vollständig zurück abgefahren, wobei während der Bewegung in beide Richtungen Messwerte aufgenommen werden. Die Messwertaufnahme auf dem Weg zurück kann aber auch entfallen und durch eine mathematische Berechnung ersetzt werden. Dabei werden abhängig von dem gefahrenen Messweg die aufgenommenen

Daten mathematisch gespiegelt, um wieder periodische Signale zu erhalten. Dabei ist es nicht erforderlich, den Punkt, für den der Abstandswert bestimmt werden soll, vollständig zu umrunden.

Um den "Charakter” der Messoberfläche zu erfassen sind eine ausreichende Anzahl von Messwerten, beispielsweise 2000 Messwerte, während des Abfahrens des Messweges aufzunehmen. Die Anzahl der Messwerte hängt unter anderem von der verwendeten Methode zur Bestimmung des Gleichanteils (DC-Bestimmung) ab. Insbesondere wenn ein Näherungsverfahren zur Bestimmung des Gleichanteils eingesetzt wird, ist eine Mindestanzahl von Messwerten notwendig, um eine ausreichende Genauigkeit des gesuchten Messwertes zu erhalten.

Die Auswahl des den Wert des Abstands bildenden Verfahrens kann auf bekannten Verfahren der Spektralanalyse beruhen, da die Rauigkeiten auch Frequenzspektren enthalten, die durch die Fertigung bedingt sind (fräsen, schleifen, sägen...). Der DC Wert, den man aus einer Frequenzanalyse erhält, drückt die Wiederholbarkeit und Konstanz des Messwertes am definierten Punkt sehr gut aus. Andere Arten der Bildung des Abstandswertes aus den aufgenommen Messwerten sind möglich, aber erfassen den spektralen Charakter der Oberfläche nicht so gut wie eine Spektralanalyse. Andererseits kann durch andere Verfahren der Bildung des Abstandswertes dem Charakter der Oberfläche begegnet werden, sofern sich keine wesentlichen Frequenzspektren erkennen lassen, z.B. bei einer „verrauschten“ Oberfläche nach Sandstrahlen, etc. Als Verfahren zur Bildung des Abstandswertes könnte in einem solchen Fall die Bildung des geometrischen, arithmetischen, oder harmonischen Mittelwerts gewählt werden.

Die Art des Messweges, insbesondere deren geometrische Form, wie Kreise, Spirale, Ellipsen, spielt eine untergeordnete Rolle, da es bei dem Verfahren wichtig ist, dass der Messweg eine Periodizität oder eine Symmetrie aufweist. Der Messweg sollte daher vorzugsweise dort aufhören wo er begonnen wurde. Dieses ist wichtig für die verwendete Spektralanalyse, um systematische Fehler zu vermeiden.

Andernfalls ist eine erweiterte mathematische Berechnung erforderlich. Dabei werden abhängig von dem gefahrenen Messweg die aufgenommenen Daten mathematisch gespiegelt, um wieder periodische Signale zu erhalten.

Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen:

Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau der Messanordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf die zu vermessende Oberfläche mit einer schematischen Darstellung eines Messweges.

Figur 3 zeigt schematisch die visuelle Darstellung der Messergebnisse als Abstandswerte über der Zeit.

Figur 4 zeigt einen Ablauf des Messverfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.

Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung:

Figur 1 zeigt schematisch einen Messaufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Dargestellt ist ein Werkstück 10, dessen Oberfläche 12 vermessen werden soll, insbesondere soll der Abstand eines Messpunktes 22 zu einer Messeinrichtung 14 bzw. einer Referenzebene bestimmt werden.

Die Messeinrichtung 14 besteht beispielsweise aus einem konfokalen chromatischen Sensor, mit welchem eine chromatisch-konfokale Abstandsmessung durchgeführt wird.

Die Messeinrichtung enthält eine weiße Punktlichtquelle, die einen feinen Lichtstrahl 16 emittiert, der mit einer dispersiven Linse auf die zu vermessende Oberfläche 12 fokussiert wird. Durch chromatische Dispersion werden die unterschiedlichen Frequenzanteile des Weißlichtes unterschiedlich durch die Linse fokussiert, wobei das von der Oberfläche 12 reflektierte Licht 16 Überdieselbe Linse wieder abgebildet und mit einem in der Messeinrichtung 14 befindlichen Strahlteiler vom Beleuchtungsstrahlengang ausgekoppelt und auf einen Bildsensor abgebildet wird.

Der Bildsensor umfasst ein Spektrometer, welches die dominante Wellenlänge des reflektierten Lichtes bestimmt und dadurch den Abstand zur Oberfläche 12 ermitteln kann. In einer mit der Messeinrichtung 14 verbundenen Auswerteinrichtung 18 werden die Messdaten gesammelt und entsprechend ausgewertet. Damit vom Lichtstrahl 16 der Messeinrichtung 14 ein entsprechender Messweg auf der Oberfläche 12 des Werkstücks 10 abgefahren werden kann, sind entweder das Werkstück 10 oder aber die Messeinrichtung 14 oder beide in zwei Raumachsen (x, y) beweglich angeordnet, was durch das Symbol 20 dargestellt ist.

Figur 2 zeigt einen Ausschnitt der Oberfläche 12 des Werkstückes 10 und einen beispielhaft dargestellten Messweg 24. Der Messweg 24 besteht aus drei zum Punkt 22, für den der Abstandswert bestimmt werden soll, konzentrisch angeordneten Kreisen und Verbindungswegen. Die konzentrischen Kreise des Messweges 24 und entsprechende Verbindungsstrecken zwischen den Kreisen werden vom Lichtstrahl 16 der Messeinrichtung 14 abgefahren, zunächst in die eine Richtung, beispielsweise ausgehend vom inneren Kreis bis zum äußeren Kreis und dann zurück denselben Weg in die andere Richtung. Mit Pfeilen dargestellt ist nur der Weg in eine Richtung (Hinweg). Dabei kann der Drehsinn, mit dem die Kreise abgefahren werden, derselbe sein wie auf dem Hinweg. Entlang dieses Messweges 24 werden dann eine große Anzahl von Messwerten, d. h. Abstandsmesswerte zwischen Messeinrichtung 14 und Messoberfläche 12 aufgenommen und in der Auswerteeinrichtung 18 gespeichert.

Figur 3 zeigt mit beispielhafter Darstellung aufgenommene Messwerte in Form eines Zeit-Weg-Diagramms. In diesem Beispiel wurde angenommen, dass die gesamte Oberfläche 12 des Werkstücks 10 schräg zum Lichtstrahl 16 der Messeinrichtung 14 angeordnet ist, so dass der Abstandswert d, der während jeder Kreisbahn aufgenommen wird, stark schwankt und einen sinusförmigen Verlauf des Messsignals mit unterschiedlichen Amplituden, je nach Durchmesser der Kreisbahn, erzeugt. Je größer der Radius der Messkreise, desto größer sind die Amplitudenausschläge durch die schräge Oberfläche 12 des Werkstückes 10. Wenn die Messfläche 12 genau senkrecht zur Messeinrichtung 14 steht, gibt es keine Amplitudenausschläge der Messsignale. Für die Genauigkeit des Messergebnisses ist aber eine exakte Ausrichtung der Messeinrichtung 14 zur Messoberfläche 12 nicht notwendig.

Durch eine ausgewählte Mittelwertbildung der aufgenommenen Messsignale, hier charakterisiert durch die Nulllinie des Graphen, kann der mittlere Abstand des Messweges 24 zur Messeinrichtung 14 bestimmt werden, welcher dann mit ziemlich hoher Genauigkeit mit dem tatsächlichen Abstand des Punktes 22 übereinstimmt.

Das in Figur 3 dargestellte Messsignal ist idealisiert. Auf Grund einer vorhandenen Rauigkeit der Messoberfläche 12 ist dem dargestellten glatten Messsignal noch ein Rauschen in Form von wesentlich kleineren Ausschlägen überlagert, welches durch die Rauigkeit der Oberfläche bestimmt wird. Dieses Rauschen wird durch die Mittelwertbildung über die Messwerte ebenfalls eliminiert oder kann beispielsweise schon bei der Signalerfassung durch einen Tiefpassfilter ausgefiltert werden.

Bei der Auswertung durch Frequenzanalyse ergibt dieses Rauschen bestimmte Frequenzanteile, die einer Rauigkeit, das heißt einer bestimmten Oberflächengüte der Messoberfläche 12 zugeordnet werden können.

Figur 4 zeigt nun ein Flussdiagramm eines typischen Ablaufs der Erfassung der Werte für den Punkt.

Die Aufgabe des Verfahrens ist es, den Abstand eines Punktes 22 auf der zu vermessenden Oberfläche 12 relativ zu einer Bezugsebene oder einem Bezugspunkt zu bestimmen.

Im Verfahrensschritt 30 wird zunächst die Anfangsposition eines vorgegebenen Messweges (vergleiche Figur 2) angefahren. In Fig. 2 ist die Anfangsposition 23 eingetragen.

Im nächsten Verfahrensschritt 32 wird der Messdatenspeicher der Auswerteeinrichtung 18 gelöscht.

Im nächsten Verfahrensschritt 34 wird der Messweg 24 in einer vorgegebenen Abfolge vom Lichtstrahl 16 der Messeinrichtung 14 abgefahren. In Figur 2 wird beispielsweise, ausgehend von der Anfangsposition 23, die erste innere Kreisbahn abgefahren, dann entlang des Verbindungspfeils radial nach außen gefahren und mit der zweiten Kreisbahn fortgefahren und dann radial nach außen und mit der dritten Kreisbahn fortgefahren. Anschließend wird der abgefahrene Messweg 24 zurück abgefahren, bis die Endposition des Messweges, die der Anfangsposition 23 entspricht, wiederum erreicht wird. Während des Abfahrens des Messweges 24 wird eine Vielzahl von Messdaten in Form von Abstandswerten aufgenommen, beispielsweise werden innerhalb einer Messfahrt 2000 Messpunkte aufgenommen und in der Auswerteeinrichtung 18 gespeichert.

Nach Erreichen der Endposition des Messweges, die der Anfangsposition 23 entspricht, wird die Messdatenerfassung angehalten, wie es in Verfahrensschritt 36 beschrieben ist.

In einem weiteren Verfahrensschritt 38 werden die gesamten erfassten Messdaten aus dem Messdatenspeicher ausgelesen und in der Auswerteeinrichtung 18 analysiert. In einem Verfahrensschritt 40 erfolgen die Analyse der Messdaten und die Messwertberechnung.

Nach Beendigung der Messung kann dann im Verfahrensschritt 42 eine Anfangsposition eines nächsten Messweges auf demselben oder bei einem anderen Werkstück angefahren werden.

Der Verfahrensschritt 40, d. h. die Analyse der Messdaten und die Messwertberechnung, werden in der Auswerteeinrichtung 18 ausgeführt. Die Analyse der Messdaten kann einen Verfahrensschritt 40a enthalten, wobei die Messdaten einer Fourieranalyse unterzogen werden.

In einem nächsten Verfahrensschritt 40b werden alle Frequenzanteile (Schwingungen) eliminiert und nur der Gleichanteil, also die Schwingung mit n=0 berücksichtigt.

In einem Verfahrensschritt 40c wird dieser Gleichanteil als Messwert dem definierten Punkt 22 zugeordnet.

Alternativ kann der Gleichanteil durch ein Abschätzverfahren gemäß Schritt 40a' berechnet werden. Dieses Abschätzverfahren berechnet den Mittelwert der erfassten Messwerte, wobei es sich um einen der bekannten mathematischen Mittelwerte, beispielsweise arithmetischer Mittelwert, geometrischer Mittelwert etc. handeln kann.

Dieser Mittelwert wird im Schritt 40c’ nun als Messwert dem definierten Punkt 22 zugeordnet.

Die Senkung der Gesamtmesszeit für einen definierten Punkt wird durch Abfahren des Messweges mit gleichzeitiger Aufnahme der Messdaten durch die Messeinrichtung 14 erreicht. Je nach Oberflächenbeschaffenheit der zu vermessenden Oberfläche werden die Abtastrate und die prozentuale Belichtungsdauer des Lichtstrahls 16 der Messeinrichtung 14 gewählt. Bei einer gut reflektierenden Messoberfläche kann die Abtastrate auf 1kHz bei einem Tastverhältnis von 5% festgelegt werden. Für reflektionsarme Messflächen ist dann ein Tastverhältnis von 95% bei 1kHz Abtastrate erforderlich.

Die Verfahrgeschwindigkeit der Messseinrichtung 14 ist auch abhängig von der Abtastrate.

Um den Charakter der zu vermessenden Oberfläche 12 zu erfassen ist eine möglicht große Anzahl von Messwerten nötig. Durch die Verwendung von bekannten Verfahren aus der Spektralanalyse kann aus den erfassten Messdaten der Gleichanteil (DC-Anteil) ermittelt werden. Hierbei ist zu beachten, dass eine ausreichende Menge von Messwerten für diese Auswertung vorliegen muss. Eine automatische Konfiguration der Messparameter (Messweg) kann aus den Parametern Radius und Anzahl der Messkreise hergeleitet werden.

Damit bei diesem Verfahren keine systematischen Messfehler auftreten werden die Messkreise des Messweges vorzugsweise mit konstanter Geschwindigkeit abgefahren. Der Messvorgang wird von innen beginnend mit dem kleinsten Radius (Messradius/Anzahl der Kreise) durchgeführt und endet mit dem größten Messradius. Die Anzahl der zu messenden Kreise bestimmt der Benutzer mit dem Parameter,Anzahl der Kreise“ = N.

Damit der Messgraph einen symmetrischen Verlauf hat und geeigneter Weise dort aufhört, wo er angefangen hat, wird der gleiche Messweg 24 wieder zurück gefahren. So wird allein durch die relative Bewegung der Messeinrichtung 14 entlang des Messweges 24 eine Symmetrie der Messdaten erzwungen. Es werden also immer 2 x N Kreise abgefahren.

Die Vektorgeschwindigkeit VS ergibt sich wie folgt unter Verwendung folgender Vorgaben: R = max. Radius der Kreise um den Punkt N = Anzahl der Kreise um den Punkt

Daraus werden folgende Parameter berechnet: sk = Summe aller zu fahrenden Kreiswege 1x inkremental Radienkreise + 1x dekremental = 2x alle Kreiswege sk~2*(2*TT*R/N*(1 +2+... N)) = 2*2*tt*R/N*(N/2*(N+1) = 2*tt*R*(N+1) sv = Summe aller zu fahrenden Verbindungen zwischen den Kreisen sv=2*(R/N*(N-1 )}=2*(R-R/N)

Der Gesamtweg s, der abgefahren wird ergibt sich dann: s=sk+sv= 2wR(N+1)+2(R-R/N)= 2R((1-1/N)+tt(N+1))

Die Vektorgeschwindigkeit VS, die parametriert werden muss, um die vorgegebene Anzahl von Messwerten (Abtastwerte) vom Messsensor zu erhalten, wird unter Verwendung weiterer Parameter berechnet: SR - Abtastrate

Smpl = Abtastwerte für den Gesamtweg s t = Fahrzeit für den Gesamtweg s VS=s/t = s/(Smpl/SR) = s*SR/Smpl = 2R(1-1/N+TT(N+1))*SR/Smpl

Die laterale Position der Relativabstände muss bekannt sein

Die Messweg 24 kann ein kontinuierlicher Weg sein, oder auch ein unterbrochener

Weg, der aus mehreren nicht zusammenhängenden Wegteilen besteht.

Die Messgenauigkeit des chromatisch-konfokalen Messverfahrens beträgt typisch 20nm. Die Anforderung an die Messgenauigkeit des Abstandswertes für den Punkt 22 beträgt in der Praxis 1-2 Mikrometer.

Der Durchmesser der Kreise um den Punkt 22 kann beispielsweise 0,5 - 2mm betragen. Der Messpunkt selbst hat je nach Messeinrichtung 14 beispielsweise einen Durchmesser von ca. 4 Mikrometer. Der Messbereich in z-Richtung (Höhe) beträgt beim beschriebenen Verfahren ca. 0,5 -3 mm.

Bei eine Kapazitiven Abstandsmessung beträgt der nutzbare Abstand beispielsweise nur 250 Mikrometer, so dass ein kapazitiver Sensor in z Richtung der Kontur des Werkstücks nachgeführt werden muss.

Im Ergebnis ergibt sich durch das beschrieben Verfahren eine wiederholgenaue Messung des Abstands des Punktes 22 auf einer zu vermessenden rauen Oberfläche 12.

Liste der Bezugszeichen 10 Werkstück 12 Oberfläche 14 Messeinrichtung 16 Lichtstrahl 18 Auswerteeinrichtung 20 Symbol 22 Punkt, für den der Abstandswert bestimmt werden soll 23 Anfangsposition 24 Messweg 26 Visualisierung der Messwerte 30-42 Verfahrensschritte t Zeit d Abstandswert sk Summe aller zu fahrenden Kreiswege sv Summe aller zu fahrenden Verbindungen zwischen den Kreisen s Gesamtweg

Patentansprüche:

Claims (12)

1. GIBLER&POTH Dl DR. FERDINAND GIBLER Dl DR. WOLFGANG POTH Austrian and European Patent and Trademark Attorneys PATENTANWÄLTE 33626/ab Patentansprüche 1. Verfahren zur Bestimmung des Abstandswertes eines Punktes (22) auf einer rauigkeitsbehafteten technischen Oberfläche (12) mittels einer Messeinrichtung (14) mit einem Messwertaufnehmer, mit den Schritten: Festlegen des Punktes (22) auf der zu vermessenden technischen Oberfläche (12), für den der Abstandswert bestimmt werden soll, Festlegen eines Messweges (24) um diesen Punkt (22), Abfahren des Messweges (24) als Relativbewegung zwischen der Messeinrichtung (14) und dem Werkstück (10), Erfassen einer Anzahl von Messwerten entlang des Messweges (24), wobei die Messwerte den Abstand zwischen dem Messwertaufnehmer und der Oberfläche (12) beschreiben, Verarbeitung der Messwerte mit einem Auswerteverfahren, durch das der Gleichanteil aus den Messwerten gebildet wird und dem Abstandswert des Punktes (22) zugeordnet wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgenommenen Messwerte vor der Berechnung des Gleichanteils mathematisch gespiegelt werden, um ein periodisches Signal zu erhalten.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messweg (2$) sowohl in eine Richtung als auch wieder zurück in die entgegen gesetzte Richtung abgefahren wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichanteil durch Bildung eines mathematischen Mittelwertes bestimmt wird.
4. 4.

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5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichanteil durch Anwendung einer Fourieranalyse ermittelt wird.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme der Messdaten entlang des Messweges (24) mit einer konstanten Messfrequenz erfolgt.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme der Messdaten entlang des Messweges (24) mit einer konstanten Relativgeschwindigkeit zwischen Messeinrichtung (14) und Werkstück (10) erfolgt.
8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Messweg (24) als eine Anzahl von konzentrischen Kreisen um den Punkt (22), dessen Abstandswert bestimmt werden soll, beschrieben ist.
9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Messweg als eine Spirale mit dem Punkt (22), dessen Abstandswert bestimmt werden soll, in ihrer Mitte beschrieben ist.
10. 10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit einer Messeinrichtung (14) zur Erfassung von Messwerten in Form von Abstandswerten und einer Auswerteeinrichtung (18) zur Verarbeitung der erfassten Messwerte, gekennzeichnet durch einen Messweg (24), der um einen Punkt (22), für den der Abstandswert bestimmt werden soll festgelegt wird, und Mittel zur relativen Bewegung der Messseinrichtung (14) und des Werkstücks (10) zueinander entlang des Messweges (24), Mittel in der Auswerteeinrichtung zum Erfassen einer Anzahl von Messwerten entlang des Messweges (24), wobei die Messwerte den Abstand zwischen Messwertaufnehmer und der Oberfläche (12) beschreiben, und Mittel in der Auswerteeinrichtung zur Verarbeitung der Messwerte mit geeigneten Auswerteverfahren durch die der Gieichanteil aus den Messwerten gebildet wird und dem Abstandswert des Punktes (22) zugeordnet wird.
11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung einen chromatisch-konfokalen Messsensor beinhaltet.
12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung nach einem Prinzip der Interferometrie oder Laserprofilometrie arbeitet.

    Gibler & Poth Patentanwälte OG (Dr. F. Gibler oder Dr. W. Poth)