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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Diese
Aufgabe wird mit dem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst, das
beispielsweise von der Messvorrichtung nach Anspruch 19 auszuführen ist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Weitere
Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen
der Erfindung sind Gegenstand der Zeichnung, der Beschreibung oder
weiterer Unteransprüche.
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In
der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der
Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:
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1 einen
Ausschnitt aus einer Werkstückoberfläche mit
Drallstruktur und einer als Messweg dienenden Linie,
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2 bis 5 eine
Abwicklung der Werkstückoberfläche gemäß 1 mit
unterschiedlichen, als Messweg dienenden Linien,
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6 eine
Abwicklung der Werkstückoberfläche gemäß 1 mit
einem Messweg gemäß früherem Stand
der Technik,
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7 eine
Messvorrichtung zur Bestimmung der Drallstruktur einer Werkstückoberfläche in schematischer
Veranschaulichung,
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8 einen
berührungslosen
interferenzoptischen Taster zur Erfassung der Drallstruktur einer Werkstückoberfläche,
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9 einen
als konfokales Mikroskop ausgebildeten optischen Taster und
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10 eine
diagrammartige Veranschaulichung von auf einer Kreislinie gewonnenen
Messwerten zur Bestimmung der Gängigkeit
z.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.