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Die Erfindung betrifft ein Werkstückvermessungsverfahren zur Ermittlung der Dimension von Werkstücken.
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In der dimensionellen Messtechnik werden entsprechende Werkstückvermessungsverfahren eingesetzt, um Dimensionen eines Werkstücks zu ermitteln.
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Im Rahmen der Grob- und Feinbearbeitung von metallischen Bauteilen kommt es häufig dazu, dass die Oberfläche des Bauteiles abschnittsweise oder im Wesentlichen vollständig mit einer dünnen Oberflächenschicht bedeckt und dadurch verschmutzt wird. Bei der Oberflächenschicht kann es sich beispielsweise und insbesondere um einen dünnen Ölfilm handeln.
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Wird das Werkstück einer Dimensionsmessung unterzogen, so werden insbesondere optische Verfahren verwendet.
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Bei dem Schattenbildprinzip beleuchtet eine telezentrische Beleuchtungsquelle eine gegenüberliegende Kamera. Das Werkstück wird im Strahlengang platziert und erzeugt einen Schatten auf der Kamera. Aus der Information des Hell-Dunkelübergangs wird dann die Dimension des Werkstücks in der Messebene berechnet.
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Ein anderes bekanntes Verfahren zur optischen Dimension folgt dem Lasermessprinzip. Hierbei sendet eine Übertragungseinheit einen feinen Laserstrahl aus, der das Messfeld (Kamera) mit großer Bewegungsgeschwindigkeit abtastet. Das Werkstück unterbricht den Strahlengang temporär, wobei durch die Messung der Schattendauer die Dimension des Werkstücks in dieser Ebene berechnet werden kann.
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Die bekannten Verfahren ermöglichen auf schnelle und genaue Weise die Ermittlung von Dimensionen des Werkstücks. Nachteilig ist dabei jedoch, dass die Messergebnisse beider Verfahren durch das Vorhandensein einer Oberflächenschicht auf dem Werkstück beeinflusst werden mit dem Ergebnis, dass die Dimensionen gegenüber einem sauberen Werkstück, also einem Werkstück ohne Oberflächenschicht, zu groß ermittelt werden.
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Zur Lösung dieses Problems ist es bekannt, die Wellenlänge der Lichtquelle so zu wählen, dass die Messergebnisse durch die Oberflächenschicht nicht beeinflusst werden. In diesem Zusammenhang ist es beispielsweise bekannt, eine Lichtquelle mit einer Wellenlänge von beispielsweise 0,1 nm zu verwenden, bei der eine Verfälschung der Messergebnisse durch eine Oberflächenschicht, beispielsweise in Form eines Ölfilmes, weitgehend vermieden werden. Nachteilig hierbei sind jedoch die Mehrkosten sowohl für die Lichtquelle als auch für die erforderlichen optischen Elemente und Sicherheitsvorkehrungen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Werkstückvermessungsverfahren anzugeben, das relativ einfach und kostengünstig durchführbar ist und Messwerte hoher Genauigkeit liefert.
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Die Erfindung stellt ein Werkstückvermessungsverfahren zur Ermittlung der Dimension eines Werkstücks bereit, deren Oberfläche wenigstens abschnittsweise mit einer Oberflächenschicht bedeckt ist. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird mittels eines optischen ersten Messverfahrens zur Gewinnung wenigstens eines ersten Messwertes das Werkstück einschließlich Oberflächenschicht vermessen. Ferner wird mittels eines zweiten Messverfahrens an wenigstens einer Stelle des Werkstücks zur Gewinnung wenigstens eines zweiten Messwertes die Schichtdicke der Oberflächenschicht gemessen, wobei zur Ermittlung der Dimension des Werkstücks ohne Oberflächenschicht wenigstens ein erster Messwerte unter Heranziehung wenigstens einenes zweiten Messwertes korrigiert wird.
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Die Erfindung wendet damit das an sich bekannte Verfahren der Schichtdickenmessung auf die dimensionelle Messtechnik an. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden erste Messwerte ermittelt, die die Dimensionen des Werkstücks einschließlich Oberflächenschicht repräsentieren. Unter der Ermittlung von Dimensionen eines Werkstücks wird erfindungsgemäß verstanden, dass wenigstens ein Maß des Werkstücks, beispielsweise ein Durchmesser einer Welle, ermittelt wird, oder dass mehrere Maße des Werkstücks ermittelt werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ferner die Schichtdicke der Oberflächenschicht an wenigstens einer Stelle der Oberfläche des Werkstücks gemessen. Die gemessene Schichtdecke bildet wenigstens einen zweiten Messwert.
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Zur Ermittlung der Dimensionen des Werkstücks ohne die Oberflächenschicht, also beispielsweise der Dimension eines nicht verschmutzten Werkstücks, werden die ersten Messwerte unter Heranziehung des wenigstens einen zweiten Messwertes korrigiert. Da die Oberflächenschicht die Dimensionen des Werkstücks vergrößert, kann der zweite Messwert oder können die zweiten Messwerte von dem ersten Messwert oder den ersten Messwerten substrahiert werden.
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Die Erfindung stellt damit ein Werkstückvermessungsverfahren bereit, das relativ einfach und kostengünstig durchführbar ist und Messwerte hoher Genauigkeit liefert.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Werkstückvermessungsverfahrens, das nachfolgend auch kurz als Verfahren bezeichnet wird, besteht darin, dass grundsätzlich bekannte und bewährte optische Messverfahren, beispielsweise ein nach dem Schattenbildprinzip arbeitendes Verfahren oder ein Lasermessverfahren, beibehalten werden können, so dass das vorhandene Messequipment unverändert weiterverwendet werden kann. Dieses Messequipment wird lediglich ergänzt durch einen geeigneten apparativen Aufbau zur Messung der Schichtdicke der Oberflächenschicht.
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Unter der Annahme, dass die Schichtdicke der Oberflächenschicht entlang der Oberfläche des Werkstücks gleich oder im Wesentlichen gleich ist, wie dies bei einem dünnen Ölfilm beispielsweise häufig zutrifft, kann es erfindungsgemäß ausreichend sein, die Schichtdicke der Oberflächenschicht an einer Stelle des Werkstücks zu ermitteln und ausgehend von diesem Messwert anzunehmen, dass die Schichtdicke der Oberflächenschicht entlang der Oberfläche des Werkstücks im Wesentlichen konstant ist. Bei einer solchen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird also zur Korrektur des ersten Messwertes oder der ersten Messwerte stets der gleiche zweite Messwert herangezogen. Um die Genauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens zu verbessern, sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, dass mittels des zweiten Messverfahrens die Schichtdicke der Oberflächenschicht entlang des Werkstücks wenigstens abschnittsweise räumlich aufgelöst ermittelt wird. Bei dieser Ausführungsform wird somit die Schichtdicke an mehreren Stellen oder einer Vielzahl von Stellen entlang der Oberfläche des Werkstücks ermittelt, so dass der räumliche Verlauf der Schichtdicke der Oberflächenschicht entlang der Oberfläche des Werkstücks ermittelt und zur Korrektur der ersten Messwertes oder der ersten Messwerte herangezogen wird. Diese Ausführungsform ermöglicht auch dann genaue Messergebnisse der Dimensionen des Werkstücks ohne Oberflächenschicht, wenn die Schichtdicke der Oberflächenschicht entlang der Oberfläche des Werkstücks variiert.
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Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, das zweite Messverfahren ein berührungslos arbeitendes Messverfahren ist. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass eine Messapparatur zur Durchführung des zweiten Messverfahrens nicht in Kontakt mit dem Werkstück gelangt, so dass Verschmutzungen der Messapparatur, beispielsweise durch einen an dem Werkstück anhaftenden Ölfilm, zuverlässig vermieden sind. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass das erste Messverfahren und das zweite Messverfahren zeitgleich oder zeitlich überlappend durchgeführt werden können.
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Erfindungsgemäß können das erste Messverfahren und das zweite Messverfahren zeitlich aufeinanderfolgend durchgeführt werden. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht jedoch vor, dass das erste Messverfahren und das zweite Messverfahren zeitgleich oder zeitlich überlappend ausgeführt werden. Auf diese Weise sind die Messzeiten verringert, was sich positiv auf die Taktzeiten auswirkt, wenn beispielsweise im Rahmen einer Serienfertigung eine Mehrzahl gleichartiger Werkstücke zeitlich aufeinanderfolgend vermessen werden soll.
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Bei dem ersten Messverfahren kann es sich um ein beliebiges geeignetes optisches Messverfahren handeln.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das erste Messverfahren ein Schattenbildverfahren ist. Bei einem solchen nach dem Schattenbildprinzip arbeitendes Verfahren beleuchtet eine telezentrische Lichtquelle eine gegenüberliegende Kamera. Das Werkstück ist im Strahlengang platziert und erzeugt einen Schatten auf der Kamera. Aus der Information des Hell-Dunkelübergangs im Kamerabild wird die Dimension des Objektes in der Messebene ermittelt.
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Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das erste Messverfahren ein Lasermessverfahren ist. Bei dieser Ausführungsform sendet eine Übertragungseinheit einen feinen Laserstrahl aus, der mit großer Bewegungsgeschwindigkeit das Messfeld (Kamera) abtastet. Das Werkstück unterbricht den Strahlengang temporär. Durch die Messung der Schattendauer kann die Dimension des Werkstücks in dieser Ebene berechnet werden.
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Als zweites Messverfahren kann ein beliebiges geeignetes Verfahren zur Schichtdickenmessung verwendet werden.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht insoweit vor, dass das zweite Messverfahren ein Ultraschall-Messverfahren ist. Entsprechende Ultraschall-Messverfahren können mit relativ geringem apparativen Aufwand durchgeführt werden und ermöglichen eine Ermittlung der Schichtdicke der Oberflächenschicht mit hoher Genauigkeit.
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Bei dem zweiten Messverfahren kann es sich erfindungsgemäß beispielsweise um ein Messverfahren zur Ermittlung elektrischer Kenngrößen handeln. Insoweit sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass das zweite Messverfahren ein Wirbelstromverfahren und/oder ein kapazitives Verfahren ist. Bei einem Wirbelstromverfahren wird durch eine Spule ein wechselndes Magnetfeld erzeugt, das im zu untersuchenden Material Wirbelströme induziert. Bei der Messung wird mittels eines Sensors die Wirbelstromdichte durch das von dem Wirbelstrom erzeugte Magnetfeld detektiert, wobei die Amplitude und/oder die Phasenverschiebung zum Erregersignal gemessen werden können.
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Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das zweite Messverfahren ein optisches Messverfahren ist.
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Eine Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform sieht vor, dass das zweite Messverfahren ein optisches Interferometrieverfahren umfasst. Entsprechende Interferometrieverfahren sind dem Fachmann allgemein bekannt und werden daher nicht näher erläutert.
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Eine andere Weiterbildung der Ausführungsform, bei der das zweite Messverfahren ein optisches Messverfahren ist, sieht vor, dass das zweite Messverfahren ein insbesondere nach dem Prinzip der Konfokaltechnik arbeitendes mikroskopisches Messverfahren umfasst.
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Eine andere Weiterbildung sieht vor, dass das zweite Messverfahren ein nach dem Prinzip der Ellipsometrie arbeitendes Messverfahren ist.
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Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das zweite Messverfahren auf der Verwendung elektromagnetischer Wellen zur Ermittlung der Schichtdicke der Oberflächenschicht basiert. Bei dieser Ausführungsform können elektromagnetische Wellen beliebiger geeigneter Wellenlängen verwendet werden, beispielsweise Mikrowellen oder Radarwellen.
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Eine andere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass im Rahmen des zweiten Messverfahrens die optische Schichtdicke gemessen und unter Heranziehung bekannter oder ermittelter, insbesondere gemessener Eigenschaften der Oberflächenschicht, insbesondere des Brechungsindexes des Materiales der Oberflächenschicht, die mechanische Schichtdicke aus der optischen Schichtdicke ermittelt wird.
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Eine erfindungsgemäße Verwendung ist im Anspruch 15 angegeben. Insoweit sieht die Erfindung die Verwendung eines Schichtdickenmessverfahrens in der dimensionellen Messtechnik zur Korrektur von Messwerten vor, die Dimensionen eines Werkstückes einschließlich einer die Oberfläche des Werkstücks wenigstens abschnittsweise bedeckenden Oberflächenschicht repräsentieren.
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Die Bezeichnungen "erstes Messverfahren" und "zweites Messverfahren" dienen im Kontext der Erfindung zur Kennzeichnung, dass es sich um Messverfahren handelt, die auf unterschiedlichen Messprinzipien beruhen. Sie implizieren keine zeitliche Reihenfolge, in der die Messverfahren durchgeführt werden. Werden das erste und das zweite Messverfahren zeitlich aufeinanderfolgend ausgeführt, so kann entweder zunächst das erste Messverfahren und daran anschließend das zweite Messverfahren oder aber zunächst das zweite Messverfahren und daran anschließend das erste Messverfahren durchgeführt werden. Das erste und das zweite Messverfahren können auch gleichzeitig oder in beliebiger geeigneter Weise zeitlich überlappend ausgeführt werden.
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Die erfindungsgemäße Verwendung kann sinngemäß so weitergebildet werden, wie in den Unteransprüchen 2 bis 14 zum Verfahrensanspruch 1 angegeben.
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Erfindungsgemäß wird also die Schichtdicke der Oberflächenschicht mittels eines Schichtdickenmessverfahrens gemessen. Die ermittelten Messwerte der Schichtdicke werden herangezogen, um Messwerte oder wenigstens einen Messwert zu korrigieren, die bzw. der die Dimension oder wenigstens ein Maß des Werkstücks einschließlich der Oberflächenschicht repräsentieren.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert, in der stark schematisiert und blockschaltbildartig eine Anordnung zur Durchführung eines Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt ist.
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In der einzigen Figur der Zeichnung ist ein Werkstück in Form einer Welle 2 dargestellt, deren Axialrichtung senkrecht zur Zeichenebene verläuft. In der Zeichnung ist bei dem Bezugszeichen 4 angedeutet, dass die Oberfläche der Welle 2 wenigstens abschnittsweise, bei dem dargestellten Beispiel in Umfangsrichtung der Welle 2 umlaufend, mit einer Oberflächenschicht bedeckt ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird mittels eines optischen ersten Messverfahrens zur Gewinnung wenigstens eines ersten Messwertes das Werkstück 2 einschließlich Oberflächenschicht 4 vermessen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst das erste Messverfahren ein Schattenbildverfahren, bei dem Lichtstrahlen 6 aus einer telezentrischen Lichtquelle eine gegenüberliegende Kamera 8 beleuchten. Das Werkstück 2 ist im Strahlengang der Lichtquelle angeordnet und erzeugt einen Schatten auf der Kamera 8, wobei aus der Information des Hell-Dunkelübergangs die Dimension des Werkstücks 2 in der Messebene, bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel also der Durchmesser der Welle 2, ermittelt wird. Es ist ersichtlich, dass die Oberflächenschicht 4 im Rahmen des Schattenbildverfahrens den Messwert dahingehend beeinflusst, dass der Durchmesser der Welle 2 gegenüber einer sauberen Welle, also ohne Oberflächenschicht 4, zu groß ermittelt wird. Falls der Durchmesser der Welle lediglich an einer einzelnen axialen Stelle der Welle ermittelt werden soll, so ist es ausreichend, eine einzelne Messung auszuführen, so dass das Ergebnis der Messung ein einzelner erster Messwert ist, der von der Kamera 8 zu einem Speicher 10 übertragen und dort gespeichert wird. Falls der Durchmesser der Welle 2 an unterschiedlichen axialen Stellen ermittelt werden soll, so wird die Messung nach dem Schattenbildverfahren an unterschiedlichen axialen Stellen der Welle 2 durchgeführt, wobei die Messwerte dann zugeordnet zu der jeweiligen axialen Stelle in dem Speicher 10 abgespeichert werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass mittels eines zweiten Messverfahrens an wenigstens einer Stelle des Werkstücks zur Gewinnung wenigstens eines zweiten Messwertes die Schichtdicke der Oberflächenschicht 4 gemessen wird. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist rein exemplarisch dargestellt, dass das zweite Messverfahren ein Ultraschall-Messverfahren unter Verwendung eines Ultraschallsenders/Empfängers 12 ist. Die von dem Ultraschallender/Empfänger ermittelte Schichtdicke wird dem Speicher 10 zugeführt. Unter der Annahme, dass die Schichtdicke der Oberflächenschicht 4 in Umfangsrichtung der Welle 2 konstant ist, ist es erfindungsgemäß ausreichend, die Schichtdicke an lediglich einer Umfangsstelle zu messen.
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Erfindungsgemäß wird zur Ermittlung des Durchmessers der Welle 2 ohne die Oberflächenschicht 4 der erste Messwert, also der nach dem Schattenbildverfahren ermittelte Messwert des Durchmessers, unter Heranziehung des wenigstens einen zweiten Messwertes, also der von dem Ultraschallsender/Empfänger ermittelten Schichtdicke der Oberflächenschicht, korrigiert. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird dementsprechend die ermittelte Schichtdicke mit zwei multipliziert und von dem im Rahmen der Schattenbildverfahren ermittelten Durchmesser abgezogen.
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Sofern die Schichtdicke nicht in Umfangsrichtung der Welle 2 als konstant angenommen werden kann, so wird das erfindungsgemäße Verfahren für unterschiedliche Umfangsstellen der Welle 2 ausgeführt, indem diese beispielsweise um ihre Rotationsachse gedreht wird. Diese Drehung kann kontinuierlich oder schrittweise erfolgen, wobei mittels des ersten Messverfahrens und des zweiten Messverfahrens entsprechende Messwerte kontinuierlich oder schrittweise aufgenommen werden können.
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Falls darüber hinaus der Durchmesser der Welle 2 an unterschiedlichen axialen Stellen ermittelt werden soll, so kann die Welle 2 senkrecht zur Zeichenebene bewegt und an der jeweiligen axialen Stelle Messungen ausgeführt werden, wobei die Bewegung der Welle wiederum kontinuierlich oder schrittweise erfolgen kann.
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Das erfindungsgemäße Werkstückvermessungsverfahren ermöglicht auf relativ einfache und kostengünstige Weise die Vermessung von Werkstücken mit hoher Genauigkeit.
