CN102252644A - 用于确定螺旋结构的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定至少局部为圆柱形工件的表面粗糙度中的螺旋结构的方法，其中，在工件所关注的表面区域中实施多个在工件轴向方向上延伸的、在圆周方向上彼此隔开距离的切片扫描，根据由切片扫描获得的测量值确定螺旋结构的至少一个特征参数的值。根据本发明，根据与第一扫描切片相配的测量值确定螺旋结构的至少一个特征参数的估计值，并且根据与至少一个第二扫描切片相配的测量值校正所述估计值。

Description

用于确定螺旋结构的方法

技术领域

本发明涉及一种权利要求1前序部分中所述类型的用于确定至少局部为圆柱形的构件的表面粗糙度中的螺旋结构的方法。

背景技术

尤其是在切削加工，例如研磨加工工件表面期间，会在圆柱形构件的表面中形成螺旋结构。在轴/轴密封环系统中尤其是在轴的圆周方向上定向的结构称为螺旋。根据螺旋的特征可能导致轴和轴密封环之间的不密封性。

由于该原因已知应借助适合的测量方法确定螺旋结构。

根据螺旋的特征分为宏螺旋和微螺旋。宏螺旋例如可构造为密封螺旋，这种螺旋是一种轴向周期性的、单线至多线地以一定角度环绕的结构。但宏螺旋也可构造为周期性或非周期性的零螺旋，在这种螺旋中，螺旋结构的各线精确地位于圆周方向上并且是闭合的。此外，宏螺旋还可构造成进给螺旋，进给螺旋是一种周期性的、单线的以一个角度环绕的、具有进给周期长度的结构。微螺旋尤其可以是一种偏斜螺旋

其存在于微研磨结构中，其主结构方向具有关于工件轴的直角度误差。

在本发明的范围内涉及宏螺旋(下面简称“螺旋”)，这种螺旋的特征在于在轴向和圆周方向上均为周期性的。圆周方向上的周期性特征为整数性并且被称为“线数”。根据现有技术的螺旋测量技术在梅塞德思-奔驰企业标准MBN 31 007-7中进行了详细说明。

DE 197 40 141 C1公开了一种用于检测精细加工的实心或空心圆柱形工件的表面粗糙度中的螺旋结构的方法，其中，在工件所关注的圆周带上扫描多个轴向定向的扫描切片(Tastschnitt)，扫描切片具有在不同的、但精确已知的圆周位置上的高的轴向测量点密度以及具有分别精确已知的轴向位置，其中，根据扫描切片在工件上的轴向和圆周上的相应位置与位置相对应地以密集的顺序并排描绘出不同扫描切片的各个局部的粗糙度轮廓，测量记录(Meβaufschriebe)在径向和轴向方向上被提高或者说拉长并且在圆周方向上收缩地示出，并且示出了这样的轮廓图/形貌图，该轮廓图对于每个维度有不同的仿射变换失真，但作为展开图以斜视图的方式立体地示出了圆周带表面的微结构。

DE 10 2006 001 799 B4公开了一种用于测量工件表面上的螺旋的方法，其中，为了获得测量值沿一条线扫描工件表面，该线具有平行于轴线的轴向分量和沿轴线的圆周方向的周向分量，该线具有至少一个第一区段和至少一个第二区段，这些区段在轴线中具有不同角度，据此从测量值中确定至少一个表征螺旋结构的特征参数。

文献“J.Seewig，T.Hercke：2^nd Generation Lead Measurement，XIXIMECO World Congress Fundamental and Applied Metrology，2009，1957-1961，ISBN 978-963-88410-01，里斯本，葡萄牙”中公开一种相关类型的用于确定工件表面粗糙度中的螺旋结构的方法。由该文献已知的方法也被称为第二代螺旋测量方法。在该方法中，在工件的一个有关的表面区域内实施多个在工件轴向方向上延伸的、在圆周方向上彼此隔开距离的切片扫描。第一“粗”测量网格由72个在圆周上角度步长为5°且测量长度为至少2mm的扫描切片构成。粗测量网格可描述最大线数为15的螺旋结构。更多的线数可借助第二测量网格检测，该测量网格由角度步长为0.5°并且测量长度同样为2mm的72个扫描切片构成。

由测量数据集对主要的螺旋结构的重建构成分析处理的基础。对此，根据最小二乘法(最小误差平方和)由三个加法叠加、调和相关(harmonisch verwandt)的、带有8个自由参数的余弦函数构成的函数对离散的测量数据进行拟合。关于分析方法的细节参见所述文献。在此螺旋结构通过6个特征参数来表征，即螺旋深度Dt、线数DG、每旋转一周DFu的理论进给截面积DF、周期长度DP和百分比表示的支承面DLv。在已知方法中按下面三个步骤的顺序确定螺旋结构的特征参数：首先选择测量网格并且进行扫描切片测量，紧接着确定主要的螺旋结构和特征值。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种权利要求1前序部分所述类型的方法，该方法用于确定至少局部为圆柱形的工件的表面粗糙度中的螺旋结构，该方法更加适合在批量生产中使用。

所述目的通过权利要求1中给出的发明来实现。

此外，本发明基于一种按描刻测量方法的触觉测量。其基于这样的认识：测量数据的检测在此需要相当长的时间。在常见的0.5mm/sec的进给速度和2mm的测量路段的情况下，理论上最小的测量时间为4分48秒。由此出发本发明基于这样的构思：这样修改已知的方法，从而更快地得到有表现力的结果。由此出发，本发明基于另一个构思：识别螺旋结构，并且无须检测例如由72个扫描切片组成的完整的测量数据集。本发明的基本构思在于，在每个所检测的扫描切片之后，拟合一“临时螺旋结构”，并且计算螺旋结构的所关注的特征参数的、与该临时螺旋结构的相配的“临时”值。通过考虑每个另外的扫描切片的测量值，使该特征参数的估计值逼近实际的最终结果。

因此，本发明实现了一种快速检测，借助该方法能快速识别螺旋结构。以这种方式大大改善了本发明方法在批量生产的测量过程的范围内的可用性。

本发明通过上述方式在分析处理第一扫描切片的测量值之后就已经得到关于螺旋结构的初步(第一)结论。一个有利的扩展方案设定：在每个新检测的扫描切片之后，对估计值或各估计值进行校正。在这种实施方式中，通过引入每个另外的扫描切片的测量值，该方法的结果的精确性的到改进并且最终收敛为一个基于对所有扫描切片的测量数据的分析处理得到的最终结果。

在这种情况下有利的是：为了确定特征参数的最终结果，重复对估计值的校正，直至考虑了所有扫描切片的测量值。通过这种方式一方面能够快速地得出以下结论，即，是否存在螺旋结构并且所述螺旋结构具有何种特征。另一方面通过考虑所有扫描切片的测量值实现很高的精度。与已知方法相比优点在于，可以在扫描下一个扫描切片的同时分析处理与所述一个扫描切片相配的测量值。

本发明的另一个扩展方案设定，借助与第一扫描切片相配的测量值确定螺旋深度和周期长度的估计值。

根据另一个扩展方案，在扫描第二扫描切片之后确定螺旋结构的线数的估计值。

下面借助实施例进一步解释本发明。在此，所有所说明的和在权利要求中要求保护的特征本身以及以任意组合构成本发明的内容，而与其在权利要求中的概括或权利要求的引用关系无关以及与其说明无关。

具体进行方式

本发明的用于确定至少局部地为圆柱形工件的表面粗糙度中的螺旋结构的方法的一个实施例以如下方式进行：

为确定螺旋结构，首先在工件所关注(相关)的表面区域中实现扫描多次在工件的轴向方向上延伸的、在圆周方向上彼此隔开距离的切片扫描，其中第一“粗”测量网格由72个圆周上的角度步长为5°和测量长度为至少2mm的扫描切片构成。该粗测量网格使得可以描述最大15线的螺旋结构。更多线数可借助第二测量网格检测，该测量网格由角度步长为0.5°并且测量长度也约为2mm的72个扫描切片构成。

由测量数据集重建主要的螺旋结构是分析处理的基础。对此，用由三个加法叠加、调和相关的带有8个自由参数Θ＝[Θ₁，...Θ₈]^T的余弦函数构成的函数w(0·Δθ，n·Δx，Θ₀)按最小二乘法来拟合离散的测量数据z(m·Δθ，n·Δx)：

$\underset{m=0}{\overset{71}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{(z(m\·\mathrm{\Δ\θ},n\·\mathrm{\Δx})-w(m\·\mathrm{\Δ\θ},n\·\mathrm{\Δx},\mathrm{\Θ}))}^2\→\underset{\mathrm{\Θ}}{\min }---\left(1\right)$

补偿函数w(0·Δθ，n·Δx，Θ₀)通过以下公式定义：

其中

Δx：轴向方向上的以mm表示的扫描步长

ΔФ：圆周方向上的以度表示的扫描步长

以及

参数λ：轴向方向上以mm表示的周期分量的波长

DG：整数的线数(无尺寸单位)

A_k：余弦函数的以μm表示的幅值

余弦函数的以弧度表示的角度偏移

分析处理以及数据检测的细节在文献“J.Seewig，T.Hercke：2^ndGeneration Lead Measurement，XIX IMECO World CongressFundamental and Applied Metrology，2009，1957-1961，ISBN978-963-88410-01，里斯本，葡萄牙”中公开并且因此不再在此详述。

根据上述方程(1)对优化问题合理的分析处理构成本发明的方法的基础。根据文献“J.Seewig，T.Hercke：2^nd Generation Lead Measurement，XIX IMECO World Congress Fundamental and Applied Metrology，2009，1957-1961，ISBN 978-963-88410-01，里斯本，葡萄牙”，基础算法由两个在轴向方向和圆周方向上独立进行的离散的傅立叶变换构成。在此，变换首先在轴向方向上进行，接着在圆周方向上进行。在此，圆周方向上离散的傅立叶变换是计算高效的，因为在圆周上只能出现整数的周期。

$\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{(z(0\·\mathrm{\Δ\θ},n\·\mathrm{\Δx})-w(0\·\mathrm{\Δ\θ},n\·\mathrm{\Δx},{\mathrm{\Θ}}_0))}^2\→\underset{{\mathrm{\Θ}}_0}{\min }$

借助补偿函数w(0·Δθ，n.Δx，Θ₀)确定螺旋深度的第一估计值Dt₀和周期长度的第一估计值DP₀。线数在第一扫描切片之后仍是不确定的并置为DG₀＝0。

紧接着，根据螺旋测量规则检测其它扫描切片。在每次新检测扫描切片之后对之前计算的特征值进行校正：

(Dt，DG，DP)_m＝(Dt，DG，DP)_m-1+Δ(Dt，DG，DP)_m，m＝1，...，71

这里利用了以下事实，即，之前在轴向方向上进行的所有离散的傅立叶变换存储在存储器中，并且仅通过对当前的扫描切片的变换进行补充。这也导致实现了一种计算高效的算法。

在测量第二扫描切片之后才能够对线数进行估计。该特征值随着每次校正而逼近标准化的螺旋测量的实际的最终结果。在72个扫描切片之后并且对其结果进行分析之后，其最终结果是精确的。

按本发明的方法在确定螺旋结构时提供一种快速检测。本发明方法在分析处理与第一扫描切片相配的测量值之后就已经能够实现对以下问题的初步判断，即，是否存在螺旋结构并且螺旋结构具有何种特征。在该步骤中已可确定螺旋深度和周期长度的估计值。通过考虑每个另外的扫描切片的测量值提高了精度，其中，在分析处理与第二扫描切片相配的测量值之后可以初次确定线数的估计值。

Claims (5)

1.用于确定至少局部为圆柱形的工件的表面粗糙度中的螺旋结构的方法，其中，在工件所关注的表面区域中实施多次在工件轴向方向上延伸的、在圆周方向上彼此隔开距离的切片扫描，根据通过扫描切片获得的测量值确定螺旋结构的至少一个特征参数的值，其特征在于，根据与第一扫描切片相配的测量值确定螺旋结构的至少一个特征参数的估计值，并且根据与至少一个第二扫描切片相配的测量值校正所述估计值。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，在每个新检测的扫描切片之后校正所述或各所述估计值。

3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，为确定所述特征参数的最终结果，重复对估计值的校正，直至考虑了所有扫描切片的测量值。

4.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于，根据与第一扫描切片相配的测量值确定螺旋深度和周期长度的估计值。

5.根据权利要去4的方法，其特征在于，在实现测量第二扫描切片之后确定螺旋结构的线数的估计值。