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Die Erfindung betrifft ein Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zum Betreiben einer Messvorrichtung zur Vermessung des Profils einer Oberfläche eines Werkstücks.
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Derartige Messvorrichtungen sind, beispielsweise in Form von Tastschnittgeräten, allgemein bekannt und weisen einen Taster zur Antastung einer zu vermessenden Oberfläche eines Werkstücks und eine Vorschubeinrichtung zum Bewegen des Tasters relativ zu der zu vermessenden Oberfläche entsprechend einer Messgeschwindigkeit auf. Während der Abtastung der Oberfläche zeichnet der Taster Messwerte auf und gibt sie aus (Tasterausgangssignal), wobei in dem Tasterausgangssignal einem das Profil der zu vermessenden Oberfläche repräsentierenden Nutzsignal ein insbesonders schwingungsinduziertes Störsignal überlagert ist. Die Signalanteile des Störsignals, die auch als sogenannte Grundstörungen bezeichnet werden, werden entweder durch eine Bewegung des Werkstücks oder des Tasters (mechanische Grundstörung) oder durch Rauschprozesse (elektrische Grundstörung) verursacht. Das Störsignal bzw. die Störsignalanteile führen dazu, dass Oberflächenkenngrö-ßen, beispielsweise Rauheitskenngrößen, unter Umständen nicht korrekt ermittelt werden können.
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Eine Anforderung an eine Messung besteht somit darin, Störsignalanteile bei gleichzeitiger Erhaltung der Nutzsignalanteile zu minimieren, also den Signal/Rauschabstand in dem Tasterausgangssignal zu maximieren. Dies kann durch eine konstruktive Minderung der Grundstörungen oder durch Filterung, beispielsweise mittels eines Tiefpasses, erreicht werden, um Störsignalanteile von den Nutzsignalanteilen zu trennen.
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In diesem Sinne ist es bekannt, das Tasterausgangssignal einer Tiefpassfilterung mit einer Grenzfrequenz zu unterziehen zur Gewinnung eines Messsignals. Bei Störsignalanteilen in hohen Frequenzbereichen, in denen keine Nutzsignalanteile vorhanden sind, ist eine Tiefpassfilterung verlustfrei, also ohne Beeinträchtigung des Nutzsignals, möglich. Liegen demgegenüber Störsignalanteile in Frequenzbereichen, in denen auch das Nutzsignal oder Signalanteile des Nutzsignals liegt, so ist eine verlustfreie Trennung mittels eines Tiefpassfilters nicht möglich.
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Das Störsignal kann unterschiedliche Ursachen haben. Die Messung von Rauheitskenngrößen auf Werkstücken wird häufig im flexiblen Betrieb an unterschiedlichen Stellen des Werkstücks und teilweise in schwer zugänglichen Lagen gefordert. Dies erfordert eine Auslegung des Messplatzes bzw. der Messvorrichtung mit verschiedenen, teilweise motorisch verstellbaren Halterungen für den von der Vorschubeinrichtung (Vorschubgerät) bewegten Taster. Die Anordnung des Tasters am Ende von längeren Auslegern hat einen starken Einfluss auf die Resonanzfrequenz der Anordnung und damit auf die Grundstörung. In der Regel sinken dabei die typischen mechanischen Resonanzfrequenzen der Messanordnung ab. Damit steigt die Wahrscheinlichkeit, dass eine Resonanzfrequenz der Messanordnung mit einer Anregungsfrequenz aus einem motorischen Antrieb der Vorschubeinrichtung zusammenfällt.
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Eine andere Anforderung an die Messung besteht darin, diese so schnell wie möglich durchzuführen. Die Messgeschwindigkeit ergibt sich dabei aus der festgelegten erforderlichen Messstrecke und der Messgeschwindigkeit. Im Allgemeinen wachsen dabei die Grundstörungen mit steigender Messgeschwindigkeit. Sind geringe Grundstörungen gefordert, ist es daher erforderlich, die Messgeschwindigkeiten auf einen Bereich bis unter 0,5 mm/Sek. zu beschränken. Besonders einschneidend ist diese Einschränkung bei Verwendung von optischen Abstandsensoren als Rauheitstaster. Derartige Abstandssensoren können beispielsweise nach dem Grundprinzip der chromatischen Längsaberration arbeitende Taster sein, die in der Regel eine hohe Datenrate und damit eine hohe Messgeschwindigkeit zulassen, die aber aufgrund der begrenzten Messgeschwindigkeit bei Weitem nicht ausgenutzt werden kann.
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Eine weitere Ursache für das Störsignal besteht darin, dass eine in Fertigungsnähe betriebene Messvorrichtung unter Umständen stärkeren Erschütterungen ausgesetzt ist, die zu einem zumindest teilweise schwingungsinduzierten Störsignal führen. Um dennoch eine ausreichende Messgenauigkeit zu gewährleisten, werden Dämpfungssysteme eingesetzt, die jedoch aufwendig und teuer sind.
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Hochfrequente Störsignalanteile werden typischerweise durch einen dem Analog/Digital-Wandler vorgeschalteten Tiefpass herausgefiltert, wobei die Grenzfrequenz dieses Tiefpasses so gewählt wird, dass alle Messaufgaben zufriedenstellend ausgeführt werden können, also möglichst keine Nutzsignalanteile herausgefiltert werden. Für viele Oberflächen wird diese Grenzfrequenz jedoch häufig zu hoch gewählt, so dass das digitalisierte Tasterausgangssignal zum Teil noch Störsignalanteile enthält, die bei der Auswertung insbesondere von Rauheitskenngrößen zu Abweichungen führen.
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Bei stark erhöhten Grundstörungen kann die Grenzfrequenz des Tiefpasses in Sonderfällen durch Veränderung der Elektronikbausteile reduziert werden. Ist die Grenzfrequenz jedoch zu stark reduziert, so werden Nutzsignalanteile herausgefiltert. Bei der Auswertung insbesondere von Rauheitskenngrößen kommt es dann ebenso zu Abweichungen.
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Soll ein Werkstück mit höherer Messgeschwindigkeit vermessen werden, so erhöhen sich die in dem (analogen) Tasterausgangssignal auftretenden Frequenzen proportional zur Messgeschwindigkeit. War die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters bei einer geringen Messgeschwindigkeit noch geeignet, so kann sie bei erhöhter Messgeschwindigkeit jedoch schon nicht mehr geeignet sein.
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Da taktile Taster eine gewisse Trägheit besitzen, muss die Messgeschwindigkeit so gewählt werden, dass die Tastspitze des Tasters bei der Messung dem Profil der Oberfläche folgen kann. Die Grenzfrequenzen taktiler Taster liegen typischerweise im Bereich von 120 - 150 Hz. Wird die Messgeschwindigkeit bei gegebenen Tastern zu hoch gewählt, so tritt eine tiefpassähnliche Filterwirkung durch den Taster auf, so dass aus diesem Grund Rauheitskenngrößen unter Umständen nicht korrekt bestimmt werden.
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Um Rauheitskenngrößen sicher messen zu können, die bei technischen Funktionsflächen beispielsweise unter 1 µm liegen können, sollte die Messvorrichtung möglichst Grundstörungswerte haben, die sicher unter 0,1 µm liegen. Als Vorschubeinrichtung verwendete Universalvorschubgeräte, die auch in der Lage sind, größere Lasten senkrecht gegen die Schwerkraft bewegen zu können, erfordern eine relativ starre interne Führung. Zur Überwindung der Reibung sind verhältnismäßig große Motorleistungen erforderlich, wobei es sich in der Praxis als sehr anspruchsvoll erweist, unter diesen Bedingungen Vorschubgeräte mit Grundstörungswerten weit unterhalb von 100 Nanometern realisieren zu können.
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Zur Vermeidung der geschilderten Probleme bzw. Nachteile ist es bekannt, den Einfluss von Schwingungen auf das Messgerät zu minimieren. Da die Grundstörungen jedoch zum Teil durch die Vorschubeinrichtung selbst angeregt werden, sind kostenintensive Dämpfungssysteme nicht immer zielführend. Auch Maßnahmen zur Verringerung der durch die Vorschubeinrichtung angeregten Grundstörungsanteile lösen das Problem nicht zufriedenstellend, wenn mit einer Tasteranordnung gemessen wird, bei der der Taster sehr weit vom Drehpunkt in der Vorschubeinrichtung entfernt ist.
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Zur Vermeidung der geschilderten Nachteile ist es bekannt, die Messgeschwindigkeit zu verringern, so dass auch die Antriebsleistung der Vorschubeinrichtung kleiner gewählt werden kann. Auf diese Weise gehen die Grundstörungen zurück. Außerdem wirkt der Taster nicht stark filternd, weil er bei einer verhältnismäßig geringen Messgeschwindigkeit dem Profil der Oberfläche folgen kann. Nachteilig hierbei ist jedoch, dass entsprechende Messungen erhebliche Zeit in Anspruch nehmen und dadurch den Fertigungsprozess verzögern und verteuern.
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Es ist auch bekannt, die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters hardwareseitig variabel zu implementieren. Durch entsprechend geringe Wahl der Grenzfrequenz können somit Störsignalanteile für bestimmte Anwendungen minimiert werden. Aufgrund der Unkenntnis über das Nutzsignal besteht jedoch die Gefahr einer im Sinne der Messgenauigkeit unzulässigen Filterung des Nutzsignals.
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Durch US 2007 / 0 028 677 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Messvorrichtung bekannt, bei dem ein Werkstück mit zwei Messgeschwindigkeit abgetastet wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Messvorrichtung anzugeben, bei dem der Einfluss von Störsignalanteilen auf die Messgenauigkeit verringert ist.
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Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, den Einfluss von Störsignalanteilen auf die Messgenauigkeit durch eine Mittelung im Spektrum zu verringern.
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Im Frequenzbereich bewirkt eine Erhöhung der Messgeschwindigkeit eine spektrale Verbreiterung des die Werkstückoberfläche repräsentierenden Amplitudenspektrums, während eine Verringerung der Messgeschwindigkeit eine spektrale Stauchung des Amplitudenspektrums bewirkt. Bei einer Veränderung der Messgeschwindigkeit bleiben dabei die messgeschwindigkeitsunabhängigen Störsignalanteile im Spektrum unverändert, während sich die messgeschwindigkeitsabhängigen Störsignalanteile entsprechend der geänderten Messgeschwindigkeit im Spektrum verschieben.
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Hiervon ausgehend sieht die Erfindung vor, wenigstens zwei Tastschnitte mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten an derselben Stelle der Werkstückoberfläche aufzunehmen. Die Werkstückoberfläche wird dabei mit gleichem Punktabstand (Messpunktabstand delta x) abgetastet. Aufgrund der höheren Messgeschwindigkeit erscheinen die Ortsfrequenzen bei einer höheren Messgeschwindigkeit höherfrequent als bei einer geringeren Messgeschwindigkeit.
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Durch Multiplikation mit der Vorschubgeschwindigkeit entsteht aus dem jeweiligen Frequenzspektrum ein Ortsfrequenzspektrum. In dem jeweiligen Ortsfrequenzspektrum befindet sich das Nutzsignal messgeschwindigkeitsunabhängig bei allen Messungen spektral „an der gleichen Stelle“.
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Durch Verwendung eines Mittelungsverfahrens kann ausgehend von wenigstens zwei Messungen im Ortsfrequenzbereich ein gemitteltes Spektrum ermittelt werden, in dem die Störsignalanteile minimiert oder zumindest verringert sind. Die Mittelung (Mittelwertbildung) kann beispielsweise und insbesondere dadurch erfolgen, dass die den Tastschnitten zugeordneten Ortsfrequenzspektren arithmetisch gemittelt werden. In dem resultierenden Ortsfrequenzspektrum sind die Störsignalanteile minimiert oder zumindest verringert. Durch Rücktransformation kann damit das Profil der vermessenden Oberflächenstelle rekonstruiert werden, wobei aufgrund der Verringerung der Störsignalanteile die Messgenauigkeit verbessert ist.
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Die Erfindung macht sich auf geschickte Weise zunutze, dass bei der spektralen Mittelung Nutzsignalanteile unverändert erhalten bleiben, während Störsignalanteile zumindest teilweise reduziert werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht damit eine Reduzierung der Grundstörungen. Es ist auch bei schwingungsanfälligen Aufbauten weniger empfindlich gegenüber Messungenauigkeiten.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass es bessere Voraussetzungen für eine fertigungsnahe Messung bietet. Insgesamt ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine Erhöhung der Messgenauigkeit.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht damit eine zuverlässige Messung auch bei solchen Messaufgaben, die aufgrund höherer Grundstörungen bisher nicht mit einer hinreichenden Messgenauigkeit durchgeführt werden konnten.
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Erfindungsgemäß ist es grundsätzlich ausreichend, die erfindungsgemäß vorgesehene Mittelung (Mittelwertbildung) ausgehend von zwei Tastschnitten und den entsprechenden Spektren auszuführen. Die Messgenauigkeit kann jedoch dadurch weiter erhöht werden, dass zusätzliche Tastschnitte (bei entsprechend abweichenden Messgeschwindigkeiten) ausgeführt werden und damit zusätzliche Spektren in die Mittelung einbezogen werden. Hierbei ist grundsätzlich festzustellen, dass das aus dem gemittelten Ortsfrequenzspektrum rekonstruierte Profil der Oberflächenstelle umso genauer dem tatsächlichen Profil entspricht, je mehr Spektren in die Mittelung einbezogen werden.
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Erfindungsgemäß kann die Mittelung auf beliebige geeignete Weise erfolgen. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht insoweit vor, dass das gemittelte Ortsfrequenzspektrum durch Bilden des arithmetischen Mittelwertes oder durch Konjunktion (Schnittmengenbildung) der den Tastschnitten zugeordneten Ortsfrequenzspektren ermittelt wird.
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Eine außerordentlich vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der größte gemeinsame Teiler der bei den Tastschnitten angewendeten Messgeschwindigkeiten 1 ist. Auf diese Weise ist vermieden, dass Oberwellen der Resonanzfrequenzen des Systems angeregt werden, die dann proportional zur Messgeschwindigkeit verschoben im Tasterausgangssignal erscheinen und damit fälschlicherweise als Nutzsignalanteile repräsentiert werden.
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Erfindungsgemäß kann die Mittelwertbildung über die gesamte spektrale Breite des Tasterausgangssignales durchgeführt werden. Um die Verarbeitungsgeschwindigkeit bei der Auswertung zu erhöhen, sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass das Ortsfrequenzspektrum wenigstens einen ersten Frequenzbereich mit höheren Störsignalanteilen und wenigstens einen zweiten Frequenzbereich mit niedrigeren Störsignalanteilen aufweist und dass die Mittelwertbildung auf wenigstens einen ersten Bereich beschränkt wird. Bei dieser Ausführungsform wird die Mittelwertbildung gezielt in den Bereichen angewendet, in denen höhere Störsignalanteile liegen. Beispielsweise und insbesondere können mittels eines Beschleunigungssensors Frequenzbereiche erkannt werden, in dem besonders hohe Störsignalanteile zu erwarten sind. Diese Frequenzbereiche werden bei der Mittelung berücksichtigt, während in anderen, weniger kritischen Frequenzbereichen auf eine Mittelung verzichtet wird.
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Eine erfindungsgemäße Messvorrichtung zur Vermessung des Profils einer Oberfläche eines Werkstücks ist im Anspruch 5 angegeben.
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Die erfindungsgemäße Messvorrichtung weist einen Taster zur Antastung der zu vermessenden Oberfläche des Werkstücks und eine Vorschubeinrichtung zum Bewegen des Tasters relativ zu der zu vermessenden Oberfläche entsprechend einer Messgeschwindigkeit auf, wobei eine Auswertungseinrichtung vorgesehen ist, die für eine Auswertung von während der Abtastung der Oberfläche von dem Taster ausgegebenen Messwerten (Tasterausgangssignal) ausgebildet und programmiert ist, wobei in dem Tasterausgangssignal einem das Profil der zu vermessenden Oberfläche repräsentierenden Nutzsignal ein schwingungsinduziertes Störsignal überlagert ist. Die erfindungsgemäße Messvorrichtung ist für eine Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet und programmiert.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte, stark schematisierte Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigt:
- 1 in einer stark schematisierten, blockschaltbildartigen Ansicht ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung zur Durchführung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens und
- 2 ein Flussdiagramm zur Verdeutlichung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung zur Durchführung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachfolgend auf 1 Bezug genommen.
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In 1 ist stark schematisiert ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung 2 zur Vermessung des Profils einer Oberfläche 4 eines Werkstücks dargestellt, die einen Taster 6 zur Antastung der zu vermessenden Oberfläche 4 aufweist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Taster 6 als taktil arbeitender Taster ausgebildet und weist einen Tastkörper 8 in Form einer Tastspitze auf. Der Taster 6 kann jedoch auch als optischer Taster, beispielsweise als optischer Abstandssensor, ausgebildet sein.
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Die Messvorrichtung 2 weist ferner eine Vorschubeinrichtung (Vorschub) 10 zum Bewegen des Tasters 6 relativ zu der zu vermessenden Oberfläche 4 und eine Auswertungseinrichtung 12 auf, die für eine Rekonstruktion des Profils der Oberfläche 4 aus während einer Abtastung der Oberfläche 4 durch den Taster 6 aufgenommenen und ausgegebenen Messwerten (Tasterausgangssignal) ausgebildet und eingerichtet ist.
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Die erfindungsgemäße Messvorrichtung 2 kann zur Messung der Rauheit und/oder der Kontur und/oder der Form des Werkstücks ausgebildet sein. Aufbau und Funktionsweise einer entsprechenden Messvorrichtung einschließlich Taster, Vorschubeinrichtung und Auswertungseinrichtung im Allgemeinen sind dem Fachmann bekannt und werden daher hier nicht näher erläutert.
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Bei Durchführung einer Messung wird die Oberfläche 4 des Werkstücks mittels der Tastspitze 8 abgetastet, wobei die Tastspitze 8 entsprechend dem Profilverlauf der Oberfläche 4 des Werkstücks in z-Richtung ausgelenkt wird (zw (x) .
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Bei Betrieb der Messvorrichtung ist in dem Tasterausgangssignal zT (x,t), das zu der Auswertungseinrichtung 12 übertragen wird, einem das Profil der Oberfläche repräsentierenden Nutzsignal zW (x) ein insbesondere schwingungsinduziertes Störsignal überlagert. Dabei bewirken zeitlich variable Schwingungen des Werkstücks eine Auslenkung sW (x,t) der Tastspitze 8. Schwingungen des Tastergehäuses bewirken eine Auslenkung sT (x,t). Führungsabweichungen des Vorschubs bewirken eine Auslenkung zV (x) .
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Der mittels des Tasters
6 gemessene Profilverlauf z
T (x,t) (Tasterausgangssignal) ergibt sich damit wie folgt:
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Die Auswertungseinrichtung 12 ist bei diesem Ausführungsbeispiel als digitale Auswertungseinrichtung ausgebildet, die für eine Auswertung von während der Abtastung der Oberfläche 4 von dem Taster 6 ausgegebenen Messwerten (Tasterausgangssignal) ausgebildet und eingerichtet bzw. programmiert ist, wobei in dem Tasterausgangssignal einem das Profil der zu vermessenden Oberfläche repräsentierenden Nutzsignal ein schwingungsinduziertes Störsignal überlagert ist.
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Bei der Messvorrichtung 2 ist die Auswertungseinrichtung 12 für eine Durchführung eines Ausführungsbeispieles eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet und programmiert, das nachfolgend unter Bezugnahme auf 2 näher erläutert wird.
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2 stellt nach Art eines Flussdiagrammes den Ablauf des Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens dar.
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Wie in 2 durch einen Block 16 angegeben, wird die Oberfläche 4 des Werkstücks durch ein kontinuierliches Ortsfrequenzspektrum repräsentiert, das bei 18 symbolisch dargestellt ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird an einer zu vermessenden Oberflächenstelle zunächst ein erster Tastschnitt mit einer ersten Messgeschwindigkeit vt1 = vt0 durchgeführt. Wie in 2 bei 20 angegeben, wird das Tasterausgangssignal (Tastersignal) in den Frequenzbereich transformiert und durch ein diskretes Amplitudenspektrum repräsentiert. In 2 ist bei 22 ein entsprechendes Amplitudenspektrum dargestellt, das neben einem Nutzsignalanteil 24 Störsignalanteile 26 enthält.
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Daran anschließend wird erfindungsgemäß an derselben Oberflächenstelle ein zweiter Tastschnitt mit einer von der ersten Messgeschwindigkeit abweichenden zweiten Messgeschwindigkeit vt2 = k*vt0 ausgeführt. Wie bei 28 angedeutet, ist das Nutzsignal entsprechend der erhöhten Messgeschwindigkeit spektral verbreitert. Die Störsignalanteile sind mit dem Bezugszeichen 30 bezeichnet. Bei der zweiten Messung bleiben die messgeschwindigkeitsunabhängigen Störsignalanteile im Frequenzbereich an der gleichen Stelle des Spektrums, während die messgeschwindigkeitsabhängigen Störsignalanteile entsprechend der geänderten Messgeschwindigkeit spektral verschoben sind.
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Im nächsten Schritt 32 des erfindungsgemäßen Verfahrens entsteht durch Multiplikation mit der jeweiligen Messgeschwindigkeit aus dem jeweiligen Frequenzspektrum ein Ortsfrequenzspektrum 34 (erster Tastschnitt) bzw. 36 (zweiter Tastschnitt).
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Wie bei 38 angegeben, werden die Ortsfrequenzspektren 34, 36 gemittelt. Das resultierende gemittelte Ortsfrequenzspektrum ist in 2 bei 40 dargestellt. Da sich der das Nutzsignal repräsentierende Nutzsignalanteil in den Ortsfrequenzspektren 34, 36 spektral gesehen „an der gleichen Stelle“ befindet, bleibt der Nutzsignalanteil durch die Mittelwertbildung unangetastet, wie in 2 bei 40 angedeutet. Demgegenüber werden die Störsignalanteile durch die Mittelung verringert, wie in 2 bei 42 angedeutet. Durch Rücktransformation des gemittelten Ortsfrequenzspektrums kann das Profil der zu vermessenden Oberflächenstelle rekonstruiert werden. Aufgrund der erfindungsgemäß vorgesehenen Mittelung ist die Messgenauigkeit erhöht, indem Störsignalanteile minimiert oder zumindest verringert sind.
