DE10027449B4

DE10027449B4 - Verfahren zur Filterung und Visualisierung periodischer Strukturen auf rauhen zylindrischen Oberflächen

Info

Publication number: DE10027449B4
Application number: DE10027449A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Rau Norbert; Dipl.-Ing. Michael (FH) Seibold; Prof. Dr.-Ing. habil. Truckenbrodt Horst; Dr.-Ing. Hertzsch Albrecht; Dipl.-Ing. Würtenberger Harry
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2000-05-29
Filing date: 2000-05-29
Publication date: 2013-03-07
Anticipated expiration: 2020-05-30
Also published as: DE10027449A1

Abstract

Verfahren zur Visualisierung einer periodischen Struktur, insbesondere einer Drallstruktur, in einer zylindrischen Oberfläche eines Werkstücks, – bei welchem Verfahren ein Laserlichtbündel näherungsweise streifend auf die zylindrische Oberfläche eingestrahlt und ein Beugungsbild der periodischen Struktur in dem von der Oberfläche zurückgeworfenen Sekundärlicht erzeugt wird, – und bei welchem Verfahren die Intensitätsverteilung des Beugungsbildes ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserlichtbündel (7) näherungsweise in Umfangsrichtung auf die zylindrische Oberfläche des Werkstücks (3) eingestrahlt wird und dass die Ausdehnung von im Beugungsbild enthaltenen Beugungslinien sowie das Signal-Rauschverhältnis des Beugungsbildes als Maß für den peak-to-valley-Wert der Drallstruktur verwendet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Filterung und Visualisierung periodischer Strukturen auf rauhen zylindrischen Oberflächen.
Um eine sichere Dichtfunktion an Wellen-Durchtrittsstellen zu gewähren, ergeben sich hohe Anforderungen an die Oberflächenstruktur von geschliffenen Dichtflächen. Neben den Rauheitsangaben nach DIN 3761 ist die Drallfreiheit einzuhalten. Dabei darf die in Umfangsrichtung der Welle weisende Schleifstruktur nicht durch periodische Welligkeiten überlagert sein. Die Überwachung dieser Eigenschaft erfolgte bisher mit der Fadenmethode, einem Verfahren, das zu hohen Unsicherheiten in der Beurteilung führt. Weiterhin sind spezielle Tastschnittverfahren entwickelt worden (siehe z. B. Rau, M. und Seibold, M. ”Werkstatt und Betrieb”, 130. Jhrg. (1997), Nr. 7, SS 1013–1016), die jedoch zeitaufwendige Meßverfahren darstellen und nur unter Laborbedingungen arbeiten. Gesucht wird eine Meßvorrichtung, die mit geringem Aufwand und hoher Stabilität gegenüber störenden Umwelteinflüssen schnell periodische Strukturen auf geschliffenen zylindrischen Oberflächen nachweist.
Beleuchtet man eine periodische Oberflächenstruktur mit Licht, so entsteht im allgemeinen ein charakteristisches Beugungsbild. Der Richtungswinkel des Beugungsmaximums m-ter Ordnung Θ_s,m ergibt sich aus der Gittergleichung für Reflexionsgitter: sinΘ_s,m + sinΘ_i = – mλ / g wobei Θ_i der Einfallswinkel des Lichts, λ die Wellenlänge des Lichts und g die Gitterperiode der Oberflächenstruktur sind. Dieser Zusammenhang gilt, wenn die Einfallsebene des Lichts, aufgespannt durch den Richtungsvektor des einfallenden Lichtbündels und der Oberflächennormalen des Prüflings, senkrecht zu den Gitterriefen der periodischen Struktur steht. So werden z. B. periodische Oberflächenstrukturen anhand ihres Beugungsbildes bei senkrechtem Lichteinfall charakterisiert ( US 5488476 ). Jedoch sind die periodischen Strukturen bei geschliffenen Wellen durch ein stochastisches Rauschen (den Schleifriefen) überlagert, welches zu einer Verrauschung des Beugungsbildes bis hin zur Auslöschung der Beugungsmaxima führt. Um die Beugungsmaxima innerhalb der Streulichtverteilung deutlicher hervorzuheben, kann ein großer Einfallswinkel Θ_i gewählt werden. Dadurch verkleinert man die effektive Gitterperiode der Oberflächenstruktur. Das Beugungsbild ist besser aufzulösen. Nach der Fresnel-Kirchhoffschen Beugungstheorie ergibt sich die Streuamplitude im Fernfeld für eine Profilfunktion z(x) wie folgt:
wobei C(Θ_s, Θ_i) ein physikalisch optischer Faktor und Θ_s der Streuwinkel sind. Für große Einfalls- und Streuwinkel ist der direkte Einfluß der Höhenmodulation z(x) stark gedämpft. Ausschließlich Periodizitäten in x-Richtung werden verstärkt. Somit kann der Einfluß von Speckleeffekten in der Streulichtverteilung minimiert werden, während das Beugungsmuster einer Welligkeit hervorgehoben wird. Zusätzlich werden durch Abschattung die stochastischen Anteile der Oberfläche als Streuzentren nahezu ausgeblendet. Zur Visualisierung von Drallstrukturen entwickelte man ein optisches Verfahren (siehe WO 00/22377 ), das nach der oben beschriebenen Methode einen Winkelbereich der Streulichtverteilung der geschliffenen Zylinderoberfläche als Maß zur Drallfreiheit nutzt. Entsteht innerhalb dieser Streulichtverteilung ein charakteristisches Beugungsmuster, so ist die Schleifstruktur von einer Drallstruktur überlagert. Die technische Umsetzung dieses Verfahrens führt jedoch zu Einschränkungen, die entweder den Bereich möglicher Probenabmessungen oder den Rauheits- und Dralltiefenbereich begrenzen. Dieses Problem verdeutlicht 1. Um die Specklewirkung des gestreuten Lichts bei rauen Oberflächen zu minimieren und somit das Beugungsmuster einer Drallstruktur innerhalb der Streulichtverteilung abzubilden, muss das Lichtbündel 1 die Probenoberfläche 3 unter nahezu streifenden Einfall beleuchten. Das Licht wird zunehmend an den Rauheitsspitzen gestreut und die vertikale Rauheitsamplitude in der Einfallsebene konvergiert gegen Null. Das Profil wirkt zunehmend als optisch glatte Fläche und die Speckleeffekte können vernachlässigt werden. Das Beugungsmuster wird mit einem Spiegel 2 umgelenkt und mit einer Streuscheibe 4 aufgefangen. Jedoch resultiert aus der Einfallswinkelvergrößerung auch eine Abschattung der zu vermessenden Drallstruktur in Abhängigkeit von ihrem Aspektverhältnis. Weiterhin führt die gerätetechnische Umsetzung dieser Forderung zu einer Mindestlänge der zu vermessenden Welle 3 von L > 20 mm, um das einfallende und an der Oberfläche gestreute Licht störungsfrei in das Gerät aus- und einzukoppeln. Kleinere Wellenabsätze, wie in dargestellt, können dann mit diesem Verfahren nicht bewertet werden. Die mögliche Probenvielfalt wird stark eingegrenzt.
Aus der gattungsbildenden WO 00/22377 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Visualisierung einer periodischen Struktur, insbesondere einer Drallstruktur, in einer zylindrischen Oberfläche eines Werkstücks beschrieben, bei welchem ein Laserlichtbündel näherungsweise streifend von dem von der Oberfläche zurückgeworfenen Sekundärlicht erzeugt wird und bei welchem die Intensitätsverteilung des Beugungsbildes ausgewertet wird.
In der Veröffentlichung von Fan Y. Y., Huyn V. M., „An investigation of light scattering from flat periodic rough surfaces for surface roughness estimation” in der Zeitschrift Precision Engineering, Vol. 16/No. 3 (1994), S. 205–211, ist ein Verfahren zur Untersuchung periodisch rauer Oberflächen mit Lichtstreuung beschrieben, bei dem Laserlicht streifend auf die zu untersuchende Oberfläche einfällt und ein Beugungsbild der periodischen Struktur in dem von der Oberfläche zurückgeworfenen Sekundärlicht erzeugt und die Intensitätsverteilung dieses Beugungsbildes ausgewertet wird, wobei der Lichteinfall parallel zu den periodischen Strukturen erfolgt.
Aufgabe der Erfindung ist es, Drallstrukturen für ein breites Probenspektrum ohne Einschränkung des Dralltiefenbereiches und der Oberflächenrauheit zu detektieren.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein Laserlichtbündel in Umfangsrichtung die geschliffene Welle streifend beleuchtet, wobei zur Auswertung die Ausdehnung von im Beugungsbild enthaltenen Beugungslinien sowie das Signal-Rauschverhältnis des Beugungsbildes als Maß für den peak-to-valley-Wert der Drallstruktur verwendet werden. Durch die Krümmung der Oberfläche variiert der Einfallswinkelbereich des Laserlichtbündels und es entsteht bei Vorhandensein einer Drallstruktur ein ausgedehntes liniengitterförmiges Streubild. Die Rauheit in Umfangsrichtung wird durch den streifenden Lichteinfall nahezu ausgeblendet. Für den vereinfachten Fall einer eindimensionalen Profilfunktion z(y), die nun senkrecht zur Lichteinfallsebene steht, ergibt sich folgende Streuamplitude im Fernfeld:
wobei φ der Streuazimut ist. Der Vergleich von Gl. (3) mit Gl. (2) zeigt, daß bei großen Einfalls- und Streuwinkeln der Einfluß der Höhenmodulation z(y) genauso gedämpft wird wie z(x) im senkrechten Beleuchtungsfall. Somit ist auch bei der Beleuchtung in Umfangsrichtung eine gute visuelle Trennung von Beugungstruktur und Specklebild möglich ist. Die Größe der objektiven Speckle wird zusätzlich verringert, da durch den streifenden Lichteinfall ein ausgedehntes Probengebiet beleuchtet wird, und somit die numerische Apertur objektseitig groß ist. Das Beugungsbild wird mit einer Streuscheibe aufgefangen und kann mit einem Zusatzobjektiv vergrößert in das Auge des Betrachters abgebildet werden. Diese optische Visualisierung von Drallstrukturen mit Peak-to-valley-Werten bis hinunter zu ca. 100 nm läßt sich in einem Handsensor kompakt realisieren, der durch das beschriebene Optikkonzept Drallstrukturen auf kleinen Wellenabsätzen mit Längen von wenigen Millimeter bewerten kann.
Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Die Zeichnungen zeigen:
1 Schema des Meßprinzips zur optischen Bewertung von Drallstrukturen an einer geschliffenen Welle bei senkrecht zur Drallausbreitungsrichtung stehender Einfallsebene,
2 Schema des Meßprinzips zur optischen Bewertung von Drallstrukturen an einer geschliffenen Welle bei parallel zur Drallausbreitungsrichtung stehender Einfallsebene,
3 Schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung
und 4 Typisches Messergebnis mit einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einer geschliffenen Welle mit überlagerter Drallstruktur.
Der prinzipielle Aufbau der Anordnung ist in 2 dargestellt. Eine Laserdiode 1 emittiert ein Lichtbündel 7 das am Spiegel 2 umgelenkt wird und die zylindrische Probe 3 in Umfangsrichtung streifend beleuchtet. Das an der Probenoberfläche gestreute Licht wird mit einer Streuscheibe 4 aufgefangen. Neben dem direkt reflektierten Licht 8, das infolge der gekrümmten Probenoberfläche einen in z-Richtung ausgedehnten Lichtstreifen bildet, entstehen bei Vorhandensein einer Drallstruktur weitere in z-Richtung ausgedehnte Beugungslinien 6, die sowohl in y- als auch in z-Richtung zum direkten Reflex verschoben sind. Die Ausdehnung dieser Beugungslinien sowie das Signal-Rauschverhältnis ermöglichen eine qualitative Aussage zum Peak-to-valley-Wert der Drallstruktur. Je kürzer und kontrastreicher die Beugungslinien erscheinen, umso größer ist der Peak-to-valley-Wert der Drallstruktur. Der Abstand der einzelnen Beugungslinien in y-Richtung dient als qualitatives Maß für die Periodenlänge der Drallstruktur. Je enger die Beugungslinien auf der Streuscheibe liegen, umso größer ist die Periodenlänge der Drallstruktur. Infolge der günstigen Beleuchtungsbedingungen (Beleuchtung in Umfangsrichtung der Welle) ist die Ausdehnung y des in Achsrichtung beleuchteten Probengebiets unabhängig vom Einfallswinkel. Die Ausdehnung des beleuchteten Probengebiets in Achsrichtung y wird ausschließlich vom Durchmesser des Laserlichtbündels bestimmt. Somit ist es möglich, auch bei streifendem Lichteinfall kleine Wellenabsätze mit diesem Verfahren auf Drallfreiheit hin zu untersuchen. Als Mindestausdehnung muss nur die Bedingung erfüllt sein, dass das beleuchtete Probengebiet in y-Richtung ein Vielfaches der Periodenlänge der Drallstruktur ist.
3 zeigt schematisch eine Ausführungsform der Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens als einfach zu bedienenden Handsensor. Eine batteriebetriebene Laserdiode 1 emittiert ein Laserlichtbündel 7, das durch den Spiegel 2 streifend auf die Probenoberfläche einer Welle 3 in Umfangsrichtung fällt. Das an der Probenoberfläche gestreute Licht wird auf einer Streuscheibe 4 aufgefangen. Um eine hohe Auflösung der Beugungslinien zu erreichen, wird das Beugungsmuster auf der Streuscheibe 4 mit Hilfe eines Objektivs 5 vergrößert in das Auge des Betrachters abgebildet.
Ein typisches Meßergebnis mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei einer geschliffenen Welle mit überlagerter Drallstruktur ist in 4 dargestellt. Das Beugungsmuster wurde erzeugt mit einer Drallstruktur, die eine Periodenlange pl = 70 μm und einen Peak-to-valley-Wert pt = 3.3 μm besitzt.

Claims

Verfahren zur Visualisierung einer periodischen Struktur, insbesondere einer Drallstruktur, in einer zylindrischen Oberfläche eines Werkstücks, – bei welchem Verfahren ein Laserlichtbündel näherungsweise streifend auf die zylindrische Oberfläche eingestrahlt und ein Beugungsbild der periodischen Struktur in dem von der Oberfläche zurückgeworfenen Sekundärlicht erzeugt wird, – und bei welchem Verfahren die Intensitätsverteilung des Beugungsbildes ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserlichtbündel (7) näherungsweise in Umfangsrichtung auf die zylindrische Oberfläche des Werkstücks (3) eingestrahlt wird und dass die Ausdehnung von im Beugungsbild enthaltenen Beugungslinien sowie das Signal-Rauschverhältnis des Beugungsbildes als Maß für den peak-to-valley-Wert der Drallstruktur verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenseitigen Abstände von im Beugungsbild enthaltenen Beugungslinien als Maß für die Periodenlänge der Drallstruktur verwendet werden.