DE102006001799B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung von Drallstrukturen - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Drallmessung an Werkstückoberflächen, die Oberflächenstrukturen (3), insbesondere Bearbeitungsspuren, mit einem Drall in Bezug auf eine Achse (2) aufweisen,
bei dem die Werkstückoberfläche zur Gewinnung von Messwerten entlang einer Linie (4) abgetastet wird, die eine Axialkomponente (6) parallel zu der Achse (2) sowie eine Umfangskomponente (5) in Umfangsrichtung zu der Achse (2) aufweist,
wobei die Linie (4) zumindest einen ersten Abschnitt (5, 20) und zumindest einen zweiten Abschnitt (6, 21) aufweist, wobei die Abschnitte (5, 20; 6, 21) zu der Achse (2) unterschiedliche Winkel aufweisen,
wonach aus den Messwerten zumindest eine den Drall kennzeichnende Größe bestimmt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Drallmessung an Werkstückoberflächen, die Oberflächenstrukturen, insbesondere Bearbeitungsspuren mit einem Drall in Bezug auf eine Achse aufweisen. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
  • Werkstückoberflächen, insbesondere rotationssymmetrische Werkstückoberflächen, wie zylindrische, kegelförmige oder anderweitig geformte Bohrungswandungen, zylindrische, kegelförmige oder anderweitige Außenumfangsflächen von Wellen, Zapfen oder ähnlichen Werkstücken oder Teilen von Werkstücken, weisen häufig Oberflächenstrukturen auf, die zu der Dreh- oder Symmetrieachse der betreffenden Werkstückoberfläche mit einer Steigung verlaufen. Solche Oberflächenstrukturen können z.B. bei der Schleifbearbeitung einer entsprechen den Werkstückoberfläche entstehen. Die Oberflächenstruktur besteht beispielsweise aus einer Überlagerung von geraden periodischen Drallrillen und kurzen stochastisch platzierten Schleifriefen. Insbesondere die periodischen Drallrillen können zu unerwünschten Wirkungen führen, wenn die betreffende Fläche z.B. als Wellendichtfläche dienen soll. Je nach Drallrichtung und Drehrichtung kann bei einer Relativdrehung zwischen einem Dichtring und der betreffenden Werkstückoberfläche eine Ölförderwirkung in der einen oder anderen Axialrichtung auftreten, die entweder zu unerwünschten Ölverlusten oder zum Trockenlaufen des Dichtrings führt. Beides ist unerwünscht. Auch bei Gleitlagern können durch eine Oberflächenstruktur, die einen Drall enthält unerwünschte axiale Ölfördereffekte auftreten, die unerwünscht sein können. Es sind deshalb Verfahren entwickelt worden, um den Drallwinkel, der üblicherweise im Bereich weniger Minuten liegt, zu messen.
  • Aus der DE 10 2004 045 418 A1 ist die Bestimmung von Drall und Welligkeit einer Werkstückoberfläche bekannt. Dazu gehört die Oberfläche entlang einer Spirallinie abgetastet. Diese schließt mit der Drehachse des zu vermessenden Körpers einen gegebenen Steigungswinkel ein.
  • Des Weiteren offenbart die DE 197 40 141 C1 die Bestimmung der Oberflächenbeschaffenheit eines geschliffenen Körpers durch Tastschnitte, die parallel zu der Drehachse des Körpers liegen.
  • Die DE 101 50 383 A1 offenbart dazu ein bildoptisches Messverfahren, bei dem eine Zylinderaußenfläche, die die zu untersuchende Werkstückoberfläche bildet, unter Streiflicht mit einer Kamera ausschnittsweise abgebildet wird. Das aufgenommene Bild wird einer Kammfilterung unterworfen. Aus den Bilddatensätzen vieler nacheinander aufgenommener Bilder wird die Oberflächenstreifenstruktur ermittelt und aus dieser die Drallrichtung bzw. der Drallwinkel bestimmt.
  • Das Verfahren erfordert die Auswertung mehrerer hundert Bilddatensätze, was zu erheblichen Datenmengen führt. Des Weiteren fehlt im aufgenommenen Kamerabild Tiefeninformation, so dass letztendlich Information über die Tiefe der Drallstruktur fehlt. Dies kann insbesondere dann störend sein, wenn eine auftretende Ölförderwirkung qualitativ zu bewerten ist oder wenn die Oberflächenstruktur sich kreuzende Drallstrukturen, d.h. sowohl Drall mit positivem als auch mit negativem Sinn, z.B. mit unterschiedlicher Tiefe, enthält.
  • Die Erfindung sucht hierzu nach Abhilfe. Dabei soll der zu treibende Messaufwand möglichst überschaubar bleiben, um die Messung in kurzer Zeit von allenfalls wenigen Minuten durchführen zu können.
  • Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst, das beispielsweise von der Messvorrichtung nach Anspruch 19 auszuführen ist.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Abtastung der Werkstückoberfläche zur Gewinnung von Messwerten entlang einer Linie, die sowohl eine Axialkomponente parallel zu der Achse der Werkstückoberfläche sowie eine Umfangskomponente in Umfangsrichtung zu der Achse der Werkstückoberfläche aufweist. Die Axialkomponente und die Umfangskomponente können durch gesonderte zusammenhängende oder nicht zusammenhängende Linienabschnitte gebildet sein, die sich in Axialrichtung bzw. in Umfangsrichtung erstrecken. Die Axial- und Umfangskomponente können auch in einer einzigen oder mehrere Schraubenlinien, in benachbarten Kreislinien oder anderen Linien formen enthalten sein. Werden zur Abtastung Kreislinien genutzt, ist der Axialabstand der Kreislinien vorzugsweise so klein, dass jede Welle der Drallstruktur in Axialrichtung von wenigstens zwei Kreislinien geschnitten wird. Ist die Linie eine Schraubenlinie, ist die Ganghöhe so gering, dass jede Welle der Drallstruktur in Axialrichtung von wenigstens zwei Kreislinien geschnitten wird. Damit ist das Abtasttheorem erfüllt. Bei sehr steilem Drall können somit unter Umständen wenige Kreislinien (z.B. drei oder vier) oder wenige Windungen zur Abtastung unter Einhaltung des Abtasttheorems (mindestens zwei Abtastwerte pro Welle) ausreichen.
  • Aus den Messwerten wird zumindest eine den Drall kennzeichnende Größe bestimmt. Diese kennzeichnende Größe kann beispielsweise der Drallwinkel β sein, der der Steigung der Drallstruktur, d.h. der einzelnen Riefen oder Rippen, entspricht und in der Regel im Bereich weniger Winkelminuten liegt. Des Weiteren kann als eine den Drall kennzeichnende Größe die Gängigkeit z bestimmt werden, die als Anzahl der durch den Drall bestimmten Gewindegänge angesehen werden kann. Des Weiteren kann eine den Drall kennzeichnende Größe die lokale, die durchschnittliche, die minimale oder die maximale Höhe der Drallstruktur sein, die beispielsweise zwischen Wellental und Wellenberg der Drallstruktur zu messen ist. Das erfindungsgemäße Verfahren liefert somit sichere und verlässliche Messwerte.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren beruht, wie erwähnt, auf der Abtastung der Werkstückoberfläche entlang zumindest einer Linie, die sowohl eine Axialkomponente wie auch eine Umfangskomponente aufweist. Enthält die Linie als einen Abschnitt beispielsweise eine Kreislinie und erfasst sie den gesamten Umfang der Werkstückoberfläche als Vollkreis, bestimmt die Anzahl der auf diesem Linienabschnitt zu messenenden Wellen täler und Wellenberge die Gängigkeit. Die Umfangskomponente wird in diesem Beispiel durch die Kreislinie geliefert. Wellenberge treten als Maximum des gemessenen Radius r in Erscheinung während Wellentäler als Minimum des gemessenen Radius r in Erscheinung treten. Die Gängigkeit z kann beispielsweise anhand der Anzahl der Wellenberge oder alternativ anhand der Anzahl der Wellentäler bestimmt werden. Es ist des Weiteren möglich, die Maxima und die Minima des Radius r zu registrieren, etwa mittig eine nahezu kreisförmige Linie zwischen diese zu legen und die Anzahl der Durchgänge der Messwerte durch diese Linie zu zählen. Die ermittelte Zahl geteilt durch Zwei entspricht wiederum der Gängigkeit z.
  • Die Abtastung der Werkstückoberfläche in Axialrichtung, d.h. entlang der Axialrichtung in einem Axialabschnitt der zur Abtastung vorgesehenen Linie, kann beispielsweise zur Ermittlung des Drallwinkels β genutzt werden. Der axial orientierte Abschnitt der Linie bildet oder liefert in diesem Ausführungsbeispiel die Axialkomponente. Der Drallwinkel β kann beispielsweise als Arcustangens des Verhältnisses aus dem Produkt der Gängigkeit z und der in Axialrichtung gemessenen Wellenlänge Δy zu dem Umfang der Werkstückoberfläche berechnet werden. Diese Rechnung liefert den Betrag des Drallwinkels, nicht aber sein Vorzeichen.
  • Unter Voraussetzung einer die Werkstückoberfläche einnehmenden, relativ gleichmäßigen Drallstruktur reichen somit zur Bestimmung wichtiger, den Drall kennzeichnenden Größen, die linienhafte Abtastung der Werkstückoberfläche beispielsweise entlang einer Kreislinie und entlang einer Mantellinie. Es ist des Weiteren aber auch möglich, entlang einer Linie abzutasten, die weder mit einer Kreislinie noch mit einer Mantellinie übereinstimmt, sondern beispielsweise schräg zu beiden mit einer gegebenen konstanten oder auch variierenden Steigung festgelegt ist. Beispielsweise kann die Werkstückoberfläche auf einer Spirale abgetastet werden. Im Falle einer zylindrischen Werkstückoberfläche ist diese Spirale eine Schraubenlinie. Im Falle einer kegelförmigen Werkstückoberfläche ist diese Spirale eine konische Schraubenlinie. Im Falle einer ebenen Werkstückoberfläche ist die Spirale eine Spirale im eigentlichen mathematischen Sinn. In allen Fällen werden die Messwerte entlang der Linie als Messpunkte in so dichter Folge aufgenommen, dass das Abtasttheorem erfüllt ist, d.h. jede Welle mindestens zweifach, vorzugsweise mehrfach, abgetastet wird. Wegen des in der Regel anzutreffenden relativ geringen Drallwinkels von wenigen Minuten kann bei der Spiralabtastung (bei zylindrischer Werkstückoberfläche Abtastung entlang einer Schraubenlinie) mit hohen Drehzahlen gearbeitet werden. Werkstücke mit einem Durchmesser von wenigen Zehn Millimetern können beispielsweise bei einer Drehzahl von mehreren Hundert bis mehreren Tausend Umdrehungen pro Minute abgetastet werden, wobei mehrere Tausend Umdrehungen, beispielsweise Fünftausend Umdrehungen vollführt werden können, um einen vollständigen Datensatz zu liefern. Die Ganghöhe der Linie auf der die Abtastung durchgeführt wird, kann relativ klein sein, wobei der seitliche Abstand zweier Windungen dieser Linie größer sein kann als die quer zur Drallstruktur zu messende Wellenlänge derselben.
  • Die über die Werkstückoberfläche verteilten Messpunkte bilden eine Punktewolke, aus der sowohl die Axialkomponente als auch die Radialkomponente einer hypothetischen (synthetischen) Abtastung herausgerechnet werden können. Aus der Punktewolke können diejenigen Punkte herausselektiert werden, die auf einer gedachten Kreislinie liegen. Diese Punkte bilden die Umfangskomponente. Entsprechend können aus der Punktewolke diejenigen Punkte herausselektiert werden, die auf einer gedachten Axiallinie liegen. Diese Punkte bilden die Axial komponente. Der Vorzug dieses Verfahrens liegt darin, dass zur Durchführung der Messung sowohl das Werkstück als auch der Messkopf, z.B. in Form einer Tastspitze oder eines optischen Tasters, gleichmäßig bewegt werden. Messfehler, die durch Beschleunigung oder Verlangsamung von Komponenten des Messkreises erzeugt werden könnten, werden vermieden.
  • Zur Bestimmung des Vorzeichens des Drallwinkels ist es ausgehend von der einfachst denkbaren Abtastung entlang einer Kreislinie sowie entlang einer Mantellinie möglich, eine Abtastung auf zumindest einer Kreislinie und/oder Mantellinie durchzuführen, die der ersten Kreislinie oder Mantellinie eng benachbart sind. Bei Spiralabtastung erübrigt sich dies wegen der engen Nachbarschaft benachbarter Gänge der Spirallinie. Aus dem Versatz der erfassten Wellen auf den beiden benachbarten Linienabschnitten gegen einander, kann die Steigungsrichtung, d.h. das Vorzeichen, des Drallwinkels bestimmt werden. Es ist auch möglich, die Abtastung auf zwei Linienabschnitten durchzuführen, die sich gegenseitig mehr- oder vielfach schneiden, z.B. weil sie entgegengesetzte Steigungen aufweisen. Die Messung kann bei drehendem Werkstück durchgeführt werden, indem die Tasteinrichtung in Axialrichtung einmal hin und her bewegt wird. Die erhaltene Punktwolke enthält wiederum die Axialkomponente und die Umfangskomponente.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich sowohl für schnelle und dabei doch präzise Übersichtsmessungen als auch für die präzise Vermessung eines gesamten interessierenden Flächenbereichs in geringer Messzeit und mit hoher Präzision. Mit dem Verfahren lassen sich auch Aussagen bei Vorliegen konkurrierender Drallstrukturen, z.B. mit positiver und negativer Steigung, gewinnen.
  • Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Zeichnung, der Beschreibung oder weiterer Unteransprüche.
  • In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:
  • 1 einen Ausschnitt aus einer Werkstückoberfläche mit Drallstruktur und einer als Messweg dienenden Linie,
  • 2 bis 5 eine Abwicklung der Werkstückoberfläche gemäß 1 mit unterschiedlichen, als Messweg dienenden Linien,
  • 6 eine Abwicklung der Werkstückoberfläche gemäß 1 mit einem Messweg gemäß früherem Stand der Technik,
  • 7 eine Messvorrichtung zur Bestimmung der Drallstruktur einer Werkstückoberfläche in schematischer Veranschaulichung,
  • 8 einen berührungslosen interferenzoptischen Taster zur Erfassung der Drallstruktur einer Werkstückoberfläche,
  • 9 einen als konfokales Mikroskop ausgebildeten optischen Taster und
  • 10 eine diagrammartige Veranschaulichung von auf einer Kreislinie gewonnenen Messwerten zur Bestimmung der Gängigkeit z.
  • In 1 ist ein zylindrischer Abschnitt einer Werkstückoberfläche 1 veranschaulicht, bei der es sich prinzipiell um die Außenfläche beispielsweise eines Zapfens oder auch die Innenfläche einer Bohrung handeln kann. Der Abschnitt 1 der Werkstückoberfläche ist rotationssymmetrisch zu einer Achse 2 und weist im Beispiel einen konstanten mittleren Radius R auf. Der Radius r kann sich jedoch entlang der Achse 2 auch ändern – das nachfolgend beschriebene Messverfahren ist nicht auf Zylinderflächen beschränkt sondern kann auch bei anderen rotationssymmetrischen Flächen oder auch ebenen Flächen oder im Einzelfall auch auf Flächen angewendet werden, bei denen der Radius r in Abhängigkeit von der in Zylinderkoordinaten geltenden Umfangskoordinate φ variiert. Hier, wie zur weiteren Erläuterung, werden Zylinderkoordinaten vorausgesetzt, deren Axialkoordinate y durch die Richtung der Achse 2 bestimmt ist.
  • Der Abschnitt 1 der Werkstückoberfläche weist eine in 1 schematisch veranschaulichte Drallstruktur 3 auf, die aus einer Anzahl sich nach Art eines Gewindes um die Achse 2 herum windenden Gewindegängen vorliegen kann. Die Drallstruktur 3 kann beispielsweise das Resultat einer Schleifbearbeitung der Werkstückoberfläche sein und aus einzelnen Riefen oder Riefenabschnitten bestehen, die einen Steigungswinkel bezüglich der Achse 2 aufweisen. Dieser Steigungswinkel wird als Drallwinkel β bezeichnet. Zur besseren Veranschaulichung wird auf 2 Bezug genommen, in die der Drallwinkel β eingetragen ist. Er zeigt die Neigung eines die Drallstruktur 3 bestimmenenden Formelements, beispielsweise einer Riefe oder eines Vorsprungs, in Bezug auf eine Kreislinie. In 2 ist die Drallstruktur 3 dazu als Abwicklung in die Zeichenebene veranschaulicht. Die Drallstruktur 3 wird nun mittels eines Tasters entlang einer Linie 4 abgetastet, wobei dann entlang der Linie 4 in dichter Folge Messwerte bzw. Punkte aufgenommen werden. Jeder Punkt hat die Koordinaten r, y, φ gemäß des Zylinderkoordinatensystems nach 1. Bei der Messung wird jedem durch die Linie 4 vorgegebenen Koordinatenpaar y, φ der durch den Taster erfasste Radius r zugeordnet.
  • Die Linie 4 weist eine Umfangskomponente 5 und eine Axialkomponente 6 auf. Im einfachsten Fall hat die Linie 4 einen Abschnitt in Form einer Kreislinie, die ausschließlich eine Umfangskomponente bildet und keine Komponente in Axialrichtung hat. Alle Messwerte auf dem die Umfangskomponente 5 bildenden Abschnitt haben die gleiche Y-Koordinate.
  • Die Axialkomponente 6 wird durch einen Zweig der Linie 4 gebildet, der sich parallel zu der Achse 2 erstreckt. Alle Punkte auf dem entsprechenden Zweig der Linie 4 haben die gleiche Umfangskoordinate φ.
  • Im Idealfall lassen sich aus den entlang der Umfangskomponente 5 der Linie 4 aufgenommenen Messwerten und den entlang der Axialkomponente 6 aufgenommenen Messwerten ein oder mehrere den Drall kennzeichnende Größen bestimmen. Zur Erläuterung wird zunächst auf 10 verwiesen. Diese veranschaulicht die entlang der Umfangskomponente 5 der Linie 4 aufgenommenen Messwerte, deren Radius r minimal ist, wenn bei der Messung entlang der Umfangskomponente 5 das Tal einer Riefe angetroffen wird und deren Radius r maximal ist, wenn ein zwischen zwei Riefen 7, 8 liegender Materialbereich 9 angetroffen wird. Obwohl im vorliegenden Beispiel die Aufnahme von Messpunkten im Abstand von einigen Grad der Winkelkoordinate φ ausreichen würden, ist die Punktefolge vorzugsweise wesentlich dichter, so dass die Messwerte entlang der Umfangskomponente 5 als durchgezogene wellige Linie dargestellt sind. Zur Bestimmung der Gängigkeit z, d.h. der Anzahl der den in 10 dargestellten Kreisschnitt schneidenden Riefen 7, 8, kann lokal ein mittlerer Radius bestimmt werden, der ungefähr mittig zwischen den Maxima 10, 11 und den Minima 12, 13 verläuft. Die Anzahl der Schnittpunkte 14, 15 (usw.) zwischen der von den Messwerten vorgegebenen Linie I und der von dem gemittelten Durchmesser vorgegebenen Linie II entspricht zwei z. Die Gängigkeit z ist auf diese Weise einfach zu erhalten, indem die betreffende Anzahl durch zwei geteilt wird.
  • Zur Bestimmung des Drallwinkels β wird nun anhand der Axialkomponente 6 der auf der Linie 4 durchgeführten Messung die Wellenlänge Δy der Drallstruktur 3 in Y-Richtung d.h. in Richtung der Axialkomponente 6 bestimmt. Die Wellenlänge Δy findet sich als Abstand zwischen gemessenen Maxima oder Minima des Radius r. Ist die Wellenlänge Δy einigermaßen konstant, kann der lokale Messwert genommen werden. Andernfalls kann über mehrere Messwerte gemittelt werden.
  • Zur Bestimmung des Drallwinkels β wird das Produkt aus Wellenlänge Δy und Gängigkeit z mit dem Umfang des Abschnitts 1 der Werkstückoberfläche ins Verhältnis gesetzt. Der Arcus Tangens dieses Verhältnisses ist der gesuchte Drallwinkel β. Dieser ist somit dem Betrag nach festgelegt. Nach Durchführung dieser einfachen Messung kann somit entschieden werden ob eine Werkstückoberfläche eine Struktur mit unzulässigem Drall aufweist oder nicht.
  • Zur Verfeinerung des Verfahrens ist es möglich, wie 3 zeigt, die Messlinie 4 auf mehrere Linien 4a, 4b aufzuteilen, die jeweils mehrere Zweige 16a, 17a, 18a bzw. 16b, 17b, 18b aufweisen. Die Zweige 16a, 16b, 18a, 18b bilden dabei die Umfangskomponente der beispielsweise nicht zusammenhängenden Messlinie 4, während die Zweige 17a, 17b die Axial komponente bilden. Die Messung wird, wie im Zusammenhang mit 2 und 10 erläutert, durchgeführt. Jedoch zeigen die entlang der Zweige 16a, 16b aufgenommenen Wellenformen einen Phasenversatz hinsichtlich der Winkelkoordinate φ zueinander. Die entlang der Zweige 17a, 17b aufgenommenen Wellenformen zeigen einen Phasenversatz hinsichtlich der Y-Koordinate. Aus der Richtung des Phasenversatzes kann auf das Vorzeichen des Drallwinkels β, d.h. positive oder negative Steigung, geschlossen werden.
  • Wie 4 veranschaulicht, kann die Linie 4 auch auf anderweitige Zweige 16a, 16b, 16c, 16d und 17a, 17b, 17c, 17d aufgeteilt sein, die sich auch kreuzen können. Die einzelnen Zweige 16a bis 17d der Linie 4 können somit einen großen Teil der Werkstückoberfläche überstreichen.
  • Es ist des Weiteren möglich, die Linie 4 auf Zweige 19, 20, 21 aufzuteilen, die jeweils eine Axialkomponente 6 und eine Umfangskomponente 5 aufweisen. Dies ist in 5 am Beispiel des Abschnitts 21 der Linie 4 veranschaulicht. Dieser verläuft nach Art einer Schraubenlinie mit einer z.B. konstanten Steigung entlang der Werkstückoberfläche. Schon allein anhand der unterschiedlichen Anzahl der erfassten Radius Maxima und Radius Minima entlang gleicher Längenabschnitte der Zweige 21, 20 lässt sich auf die Gängigkeit z und den Winkel β schließen. Dies kann beispielsweise mittels der in 5 eingezeichneten Hilfslinie III erfolgen, die rechtwinklig zu der Drallstruktur 3, d.h. zu deren Riefen, eingetragen ist. Die Winkel α20 und α21 der Zweige 20 und 21 zu der Linie III sind zunächst unbekannt. Bekannt ist jedoch der Winkel γ zwischen den beiden Zweigen 20, 21. Wird nun eine willkürliche Anzahl von geschnittenen Riefen, z.B. fünf, festgelegt und sowohl auf dem Zweig 20 wie auch auf dem Zweig 21 die Strecke A bzw. B bestimmt, die fünf Riefen jeweils einnehmen, gilt A/B = cosα20/cosα21. Des Weiteren gilt γ-α21 + α20 = 180°. Aus beiden Gleichungen lassen die beiden Unbekannten Winkel α20, α21 und aus diesen durch einfache Umrechnung der Drallwinkel β bestimmen. Das Verfahren kann an mehreren Stellen der Werkstückoberfläche wiederholt durchgeführt werden, wobei der erhaltene Drallwinkel β gemittelt werden kann. Außerdem lässt sich das Verfahren auf Linien 4 mit lokal nicht konstanter Steigung erweitern.
  • Es ist des Weiteren möglich, die Drallstruktur 3 gemäß 6 anhand einer schraubenförmigen Linie 4 abzutasten, wobei die Schraubenlinie, wie in 6 veranschaulicht, wiederum eine Umfangskomponente 5 und eine Axialkomponente 6 aufweist. Aus dem Phasenversatz der Welligkeiten der einzelnen Windungen 22, 23 lässt sich das Vorzeichen des Drallwinkels β bestimmen. Damit ist zunächst festgelegt, ob die Linie 4 und die Drallstruktur 3 gleich oder gegensinnig angeordnet sind. Des Weiteren kann vorausgesetzt werden, dass die Anzahl der Wellenberge und Wellentäler auf einer Windung, beispielsweise der Windung 22, gleich der Summe der Wellenberge und Wellentäler sind, die auf der Umfangskomponente 5 sowie auf der Axialkomponente 6 zu verzeichnen wären, wenn diese gemessen würden. Mit Hilfe des zuvor ermittelten Phasenversatzes zwischen den Welligkeiten benachbarter Windungen 22, 23 kann auch der Drallwinkel β bestimmt werden. Die Bestimmung des Phasenversatzes ist besonders einfach, wenn der Abstand zwischen den Windungen 22, 23, anders als in 6 dargestellt, so gering ist, dass das Abtasttheorem erfüllt ist, d.h. der Phasenversatz zwischen benachbarten Windungen kleiner als eine entlang der Linie 4 gemessene Wellenlänge der geschnittenen Drallstruktur 3 ist. In dem in 6 dargestellten Fall des größeren Windungsabstands kann der Phasenversatz evtl. durch eine Korrelationsanalyse des Verlaufs der Messwerte zwischen benachbarten Windungen 22, 23 ermittelt werden.
  • 7 veranschaulicht eine einfache Vorrichtung 24 zur Durchführung der vorbeschriebenen Messung. Die Vorrichtung 24 weist beispielsweise eine Einrichtung zum Drehen des Werkstücks in Form eines Drehtischs 25 und eine Positioniereinrichtung 26 auf, mit der ein Taster 27 wenigstens in Richtung der von dem Drehtisch 25 vorgegebenen Drehachse drehbar ist, die mit der Achse 2 übereinstimmt. Der Taster 27 kann beispielsweise ein mechanischer Taster sein, wie er als Rauheitstaster bekannt ist. Mit dieser Vorrichtung 24 lässt sich nach genauer Ausrichtung der Achse 2 des Werkstücks auf die Drehachse des Drehtischs die Werkstückoberfläche entlang der Linie 4 abtasten. Dabei kann jede Linie 4 nach einer der 2 bis 6 sowie abweichend beispielsweise in Form von über die Mantelfläche der Werkstückoberfläche verteilter Sinuskurven abgetastet werden.
  • Der Taster 27 ist beispielsweise ein mechanischer Taster mit einer Diamantnadel, deren Spitze einen Rundungsradius aufweist, der geringer ist als die Breite der abzutastenden Riefen. Bevorzugterweise werden jedoch optische Taster 27 verwendet, wie sie in 8 oder 9 schematisch veranschaulicht sind. Der Taster 27 nach 8 ist als Weißlichtinterferometer ausgebildet. Er weist eine Lichtquelle 28 mit geringer Kohärenzlänge auf, die über einen z.B. aus Lichtleitfasern 29, 30, 31 bestehenden Lichtweg und ein Objektiv 32 die Werkstückoberfläche 33 beleuchtet. In dem Lichtweg vorgesehene Faserkoppler 34, 35 schließen einen Referenzlichtweg 36 und ein Interferometer 37 an. In dem Interferometer werden Messlichtstrahl und Referenzlichtstrahl überlagert und beispielsweise über eine Zylinderlinse 38 auf einen linearen Sensor 39 projiziert. Eine Auswerteeinrichtung 40 wertet das entstandene Interferenzmuster aus. Seine Position ist ein Maß für den Abstand des Objektivs 32 von dem jeweils angetasteten Punkt der Werkstückoberfläche 33.
  • 9 veranschaulicht den Taster 27 in seiner Ausführungsform, beispielsweise als konfokales Mikroskop. In der veranschaulichten vorteilhaften Ausführungsform arbeitet es mit erhöhter Tiefenschärfe durch Nutzung mehrfarbigen Lichts und eines Objektivs 41 mit hoher chromatischer Aberration. Auf der optischen Achse 42 findet sich eine Brennlinie mit einer Folge farbiger Brennpunkte. An den Lichtweg ist über den Phaserkoppler 34 eine Auswerteeinrichtung mit einem Farbanalysator angeschlossen. Dieser kann, wie schematisch veranschaulicht, beispielsweise aus einem Prisma 43 und einem angeschlossenen Liniensensor 44 bestehen, der mit der Auswerteeinrichtung 40 verbunden ist. Das Licht der Farbe, deren Brennpunkt auf der Werkstückoberfläche 33 liegt, wird in den Taster 27 zurückgestrahlt und entsprechend der Lichtfarbe von dem Prisma 43 abgelenkt. Der Liniensensor 44, beispielsweise eine Linienkamera, erhält somit nur auf einem oder mehreren Pixeln Licht, wobei der Mittelpunkt des beleuchteten Flecks ein Maß für den Abstand zwischen der Werkstückoberfläche 33 und dem Objektiv 41 ist.
  • Beide Taster 27 nach 8 und 9 arbeiten schnell, so dass das Werkstück entlang der Linie 4 mit hoher Geschwindigkeit abgetastet werden kann. Es können in kurzer Messzeit von einigen Sekunden bis Minuten große Teile der Werkstückoberfläche vermessen werden. Die Messung liefert nicht nur den Drallwinkel β und gegebenenfalls die Gängezahl z sondern bedarfsweise auch die Tiefe der Drallstruktur 3, gemessen in Richtung der R-Koordinate.
  • Zur Drallmessung, beispielsweise mittels Formmessgeräten oder Koordinatenmessgeräten oder ähnlichen Messgeräten, wird die Werkstückoberfläche vorzugsweise entlang einer Schraubenlinie kleiner Ganghöhe durch koordinierte Messbewegung mit einer drehenden Komponente (Umfangskomponente) und einer linearen Komponente (Axialkomponente) bewegt. Es werden dabei gleichzeitig Messpunkte auf der Werkstückoberfläche dreidimensional erfasst. Die Antastung der Werkstückoberfläche kann mechanisch oder berührungslos erfolgen. Die Messung gestattet auf einfache, robuste und sichere Weise die Bestimmung von den drallkennzeichnenden Größen einschließlich auch der Tiefe der zu vermessenden Drallstruktur 3.

Claims (23)

  1. Verfahren zur Drallmessung an Werkstückoberflächen, die Oberflächenstrukturen (3), insbesondere Bearbeitungsspuren, mit einem Drall in Bezug auf eine Achse (2) aufweisen, bei dem die Werkstückoberfläche zur Gewinnung von Messwerten entlang einer Linie (4) abgetastet wird, die eine Axialkomponente (6) parallel zu der Achse (2) sowie eine Umfangskomponente (5) in Umfangsrichtung zu der Achse (2) aufweist, wobei die Linie (4) zumindest einen ersten Abschnitt (5, 20) und zumindest einen zweiten Abschnitt (6, 21) aufweist, wobei die Abschnitte (5, 20; 6, 21) zu der Achse (2) unterschiedliche Winkel aufweisen, wonach aus den Messwerten zumindest eine den Drall kennzeichnende Größe bestimmt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die den Drall kennzeichnende Größe der Drallwinkel (β) ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die den Drall kennzeichnende Größe die Gängigkeit (z) ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstückoberfläche zusätzlich an wenigstens einer Stelle (17b) abgetastet wird, die einem Abschnitt (17a) der Linie (4) benachbart ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass aus der zusätzlich vorgenommenen Abtastung das Vorzeichen des Drallwinkels (β) bestimmt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Linie (4) mehrere Kreisschnitte umfasst.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Linie (4) zumindest einen Abschnitt (17a) aufweist, der parallel zu der Achse (2) orientiert ist und die Axialkomponente (6) der Line (4) bildet.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Linie (4) zumindest einen Abschnitt (16b) aufweist, der in Umfangsrichtung orientiert ist und die Umfangskomponente (5) der Linie (4) bildet.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Linie (4) wenigstens einen Abschnitt (20, 21) aufweist, der zu der Umfangsrichtung (5) in einem spitzen Winkel orientiert ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der spitze Winkel wenigstens innerhalb des Abschnittes konstant ist.
  11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Linie (4) in der ebenen Abwicklung der Werkstückoberfläche wenigstens abschnittsweise eine Gerade ist.
  12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Linie wenigstens zwei Abschnitte gemäß wenigstens zwei der Ansprüche 6 bis 10 aufweist.
  13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zu den Messwerten Punkte (r, y, φ) gehören, die durch einen Radiuskoordinatenwert (r), einen Axialkoordinatenwert (y) und einen Winkelkoordinatenwert (φ) festgelegt sind.
  14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen zwei einander benachbarten Punkten (rn, Yn, φn; rn+1, Yn+1, φn+1) der Messwerte geringer ist als die halbe zu erwartende Wellenlänge der den Drall aufweisenden Oberflächenstruktur.
  15. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen zwei einander benachbarten Punkten (rn, Yn, φn; rn+1, Yn+1, φn+1) der Messwerte geringer ist als die halbe in der jeweiligen Messrichtung zu erwartende Wellenlänge der den Drall aufweisenden Oberflächenstruktur.
  16. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Axialkomponente (6) und die Umfangskomponente (5) aus einem Abschnitt der Linie (4) bestimmt werden, der in Bezug auf die Achse (2) eine Steigung aufweist.
  17. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastung der Werkstückoberfläche zur Gewinnung der Messwerte durch mechanische Antastung mit einer Tastspitze erfolgt.
  18. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastung der Werkstückoberfläche zur Gewinnung der Messwerte durch Antastung mit einer nichtberührenden Tasteinrichtung (27) erfolgt.
  19. Messvorrichtung (24) zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer Aufnahmeeinrichtung (25) zur Aufnahme das Werkstücks konzentrisch zu der Achse (2), mit einer Einrichtung (27) zur Aufnahme von Messwerten entlang der Linie (4) und mit einer Einrichtung (40) zur Bestimmung wenigstens des Betrags des Drallwinkels β anhand der auf beiden Abschnitten (5, 20; 6, 21) der Linie (4) aufgenommenen Messwerte.
  20. Messvorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (27) zur Aufnahme der Messwerte eine mechanische Tasteinrichtung ist.
  21. Messvorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (27) zur Aufnahme der Messwerte ein Lichtmikroskop ist.
  22. Messvorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (27) zur Aufnahme der Messwerte ein konfokales Mikroskop ist.
  23. Messvorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (27) zur Aufnahme der Messwerte ein Weißlicht-Interferenzmikroskop ist.
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