DE102020103500A1

DE102020103500A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Rauheit und der Welligkeit einer Oberfläche eines Werkstücks

Info

Publication number: DE102020103500A1
Application number: DE102020103500.4A
Authority: DE
Inventors: Philipp Mayinger
Original assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2020-02-11
Filing date: 2020-02-11
Publication date: 2021-08-12

Abstract

Bei einem Verfahren zur Messung der Rauheit und der Welligkeit einer Oberfläche (19) eines Werkstücks (18) fährt ein Rauheitssensor (44) die Oberfläche (19) entlang einer vorgegebenen Bahn ab und bestimmt ein scheinbares Oberflächenprofil (90'). Der Rauheitssensor (44) stützt sich dabei mit einer Kufe (61; 98) auf der Oberfläche (19) ab. Während die Kufe (61; 98) sich entlang der vorgegebenen Bahn bewegt, werden Bewegungen der Kufe (61; 98) in einer Richtung senkrecht zu der Oberfläche (19) mit einem Bewegungssensor (36; 96) erfasst, wodurch ein Welligkeitsprofil (92) erhalten wird. Anschließend wird ein sowohl die Rauheit als auch die Welligkeit repräsentierendes tatsächliches Oberflächenprofil (90) bestimmt, indem das Welligkeitsprofil (92) lagerichtig von dem scheinbaren Oberflächenprofil (90') zumindest teilweise subtrahiert wird.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Rauheit und der Welligkeit einer Oberfläche eines Werkstücks, bei dem ein Rauheitssensor die Oberfläche entlang einer vorgegebenen Bahn abfährt und dadurch ein Rauheitsprofil der Oberfläche bestimmt. Die Erfindung betrifft ferner eine geeignete Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Beschreibung des Standes der Technik
Zu Messungen der Rauheit von Werkstückoberflächen werden Rauheitssensoren eingesetzt, die bei weniger hohen Anforderungen an die Messgenauigkeit als mobile und von Hand geführte Geräte erhältlich sind. Für höchste Messgenauigkeiten werden die Rauheitssensoren meist an Koordinatenmessgeräten (CMM, coordinate measuring machine) befestigt. Derartige Koordinatenmessgeräte umfassen üblicherweise einen Tisch, der das zu vermessende Werkstück trägt, und eine Positioniereinrichtung, mit der sich der Rauheitssensor in drei orthogonalen Verfahrrichtungen x, y und z relativ zu dem Tisch mit hoher Genauigkeit verfahren lässt. Bekannt sind jedoch auch Koordinatenmessgeräte mit einem Verfahrtisch, der sich relativ zur feststehenden Messvorrichtung bewegt. Ferner weisen Koordinatenmessgeräte eine Auswerte- und Steuereinrichtung auf, welche die Bewegungen der Positioniereinrichtung steuert und die von dem Rauheitssensor gelieferten Messwerte auswertet.
Bei dem Rauheitssensor handelt es sich meist um ein sogenanntes Tastschnittgerät. Dieses weist einen beweglich gelagerten Messarm auf, an dessen Ende ein Abtastelement befestigt ist, das während der Messung durch den Kontakt mit der Werkstückoberfläche ausgelenkt wird und eine Spitze hat, die üblicherweise aus Diamant oder einem anderen harten Material besteht. Das Abtastelement wird senkrecht zur Auslenkrichtung des Abtastelements mit Hilfe eines Linearantriebs entlang einer Vorschubrichtung verfahren und auf diese Weise über die zu vermessende Werkstückoberfläche geführt. Vor allem bei sehr empfindlichen oder plastisch leicht verformbaren Oberflächen werden auch optische Rauheitssensoren eingesetzt, die z.B. nach dem Prinzip eines Weißlichtinterferometers arbeiten und keinen mechanischen Kontakt zwischen dem Sensor und dem Werkstück erfordern.
Wenn lediglich die Diamantspitze das Werkstück berührt oder bei optischen Rauheitssensoren überhaupt kein Kontakt zum Werkstück besteht, schlagen sich Vibrationen des Werkstücks und/oder des Rauheitssensors unmittelbar im gemessenen Rauheitsprofil nieder und verfälschen die Rauheitsmessung. Um die Empfindlichkeit gegenüber solchen Vibrationen zu verringern, werden häufig Kufentaster eingesetzt. Bei einem Kufentaster stützt sich der Rauheitssensor während der Messung mit einer Kufe auf dem Werkstück ab. Die Kufe ruht dabei entweder aufgrund des Eigengewichts des Rauheitssensors auf dem Werkstück oder wird zusätzlich mit einem Federelement auf die abzutastende Oberfläche gedrückt und gleitet bei der Messung über diese hinweg. Da die Kufe im Vergleich zur Diamantspitze sehr breit ist, wird ihre Bewegung durch die Rauheit der Oberfläche nicht beeinflusst. Sie folgt lediglich der Form und größeren Wellen der Oberfläche und wirkt damit wie ein Hochpass, der langwellige Gestaltabweichungen herausfiltert, während die Rauheit als kurzwellige Gestaltabweichung von der Diamantspitze erfasst werden kann.
Aufgrund dieser durch die Kufe bewirkten Hochpasswirkung können Kufentaster keine Welligkeiten messen. Unter der Welligkeit versteht man die 2. Ordnung der Gestaltabweichungen, die langwelliger ist als Rillen und andere Rauheitserscheinungen der 3. Ordnung. Ursachen von Welligkeit können beispielsweise Formfehler oder Schwingungen eines Werkzeugs sein, das zur Bearbeitung des Werkstücks verwendet wurde.
Mit einem kufenlosen Rauheitssensor hingegen lässt sich zusätzlich zur Rauheit auch die Welligkeit einer Werkstückoberfläche messen. Dann besteht allerdings das oben bereits erwähnte Problem, dass Vibrationen des Werkstücks und/oder des Rauheitssensors die Messgenauigkeit beeinträchtigen.
Um Rauheitsmessungen unempfindlicher gegenüber derartigen Vibrationen zu machen, schlägt die DE 10 2015 209 193 A1 (entspricht US 2018/0073853 A1 ) vor, die Vibrationen des Rauheitssensors mit einem zusätzlichen Messsystem zu erfassen. Dadurch ist es möglich, die Vibrationen aus den gemessenen Rauheitsmesswerten herauszurechnen oder zumindest die betroffenen Rauheitsmesswerte als ungültig zu kennzeichnen. Bei dem zusätzlichen Messsystem kann es sich z.B. um einen Messkopf mit aktiver Antastkrafterzeugung handeln, der den Rauheitssensor mit dem Koordinatenmessgerät verbindet. Als Alternative werden Abstandsmessgeräte vorgeschlagen, die Relativbewegungen des Rauheitssensors gegenüber der zu vermessenden Oberfläche messen. Die rechnerische Korrektur der gemessenen Rauheitsmesswerte stößt allerdings an Grenzen, da auch die Messung der sich über ein großes Frequenz- und Amplitudenspektrum erstreckenden Vibrationen schwierig und deswegen entsprechend fehlerbehaftet ist.
Ein zusätzliches Abstandsmesssystem für einen Rauheitssensor ist auch aus der DE 20 2013 102 048 U1 bekannt. Die Abstandswerte werden dazu verwendet, bei der Annäherung eines von einem Roboterarm getragenen Rauheitssensors an die Werkstückoberfläche ein unsanftes Berühren derselben zu verhindern.
Die DE 100 20 734 A1 (entspricht US 6,510,363 B1 ) offenbart ein Rauheitsmesssystem, bei dem ein vom Rauheitssensor unabhängiger zweiter Sensor ortsfest angeordnet ist und Vibrationen des Werkstücks erfasst.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem sich sowohl die Rauheit als auch die Welligkeit von Werkstückoberflächen mit höherer Genauigkeit und dennoch mit einfachen Mitteln messen lässt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den folgenden Schritten:

a) ein Rauheitssensor fährt die Oberfläche entlang einer vorgegebenen Bahn ab und bestimmt ein scheinbares Oberflächenprofil, wobei sich der Rauheitssensor während des Abfahrens entlang der vorgegebenen Bahn mit einer Kufe auf der Oberfläche abstützt;
b) während die Kufe sich entlang der vorgegebenen Bahn bewegt, werden Bewegungen der Kufe in einer Richtung senkrecht zu der Oberfläche mit einem Bewegungssensor erfasst, wodurch ein Welligkeitsprofil erhalten wird;
c) Bestimmen eines sowohl die Rauheit als auch die Welligkeit repräsentierenden tatsächlichen Oberflächenprofils, indem das Welligkeitsprofil lagerichtig von dem scheinbaren Oberflächenprofil teilweise subtrahiert wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt die Vorteile, die mit der Verwendung einer Kufe bei der Rauheitsmessung verbunden sind. Die Kufe schafft eine direkte Verbindung zwischen dem Rauheitssensor und dem Werkstück, so dass es bei Vibrationen nicht zu Relativbewegungen zwischen dem Rauheitssensor und dem Werkstück kommt, welche die Rauheitsmessung beeinträchtigen. Um trotz der Verwendung einer Kufe Aussagen über die Welligkeit der Oberfläche treffen zu können, werden erfindungsgemäß die Bewegungen der Kufe senkrecht zu der Oberfläche mit einem Bewegungssensor erfasst. Dadurch erhält man ein Welligkeitsprofil der Oberfläche, das zwar meist nicht dem tatsächlichen Welligkeitsprofil entspricht, da es durch die Kufenform verfälscht sein kann. Indem jedoch gemäß dem Schritt c) das Welligkeitsprofil lagerichtig von dem scheinbaren Oberflächenprofil zumindest teilweise subtrahiert wird, erhält man ein Oberflächenprofil, das sowohl die Rauheit als auch die Welligkeit repräsentiert und dem tatsächlichen Oberflächenprofil sehr nahe kommt. Dieses berechnete Oberflächenprofil entspricht im Wesentlichen dem Oberflächenprofil, das man mit einem kufenlosen Rauheitssensor messen würde, wenn keinerlei Vibrationen die Messungen verfälschen würden.
Im Vergleich zu bekannten Verfahren, bei denen die Vibrationen gemessen und aus den Rauheitsmesswerten herausgerechnet werden, hat das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, dass sich die Bewegungen der Kufe entlang der vorgegebenen Bahn senkrecht zur Oberfläche leichter und mit höherer Genauigkeit messen lassen als die Vibrationen, da diese Bewegungen vergleichsweise langsam und groß sind und nur einen relativ kleinen Messbereich erfordern.
Vorzugsweise werden die Schritte a) und b) gleichzeitig durchgeführt, d.h. die Messung des scheinbaren Oberflächenprofils und des Welligkeitsprofils finden gleichzeitig statt. Im Prinzip ist es jedoch auch möglich, die beiden Messungen zeitlich zu entkoppeln und nacheinander (die Reihenfolge spielt dabei keine Rolle) durchzuführen. Wichtig ist dann lediglich, dass die Messungen entlang der gleichen vorgegebenen Bahn erfolgen, damit die zeitlich getrennt durchgeführten Messungen korreliert sind. Es ist sogar möglich, die Welligkeitsmessung mit einer Kufe durchzuführen, die einen kleineren Radius hat als die Kufe, die bei der Rauheitsmessung verwendet wurde. In diesem Fall muss jedoch eine Umrechnung des Welligkeitsprofils durchgeführt werden, welche die unterschiedlichen Kufenradien berücksichtigt.
Je geringer der Abstand zwischen der Kufe und einer Messachse des Rauheitssensors ist, desto weniger wirken sich Vibrationen auf die Genauigkeit der Messungen aus. Idealerweise befindet sich die Messachse in der Kufe, so dass die Kufenachse mit der Messachse zusammenfällt. Derartige Rauheitssensoren haben allerdings konstruktive Nachteile.
Im allgemeinen ist es daher zu bevorzugen, wenn der Rauheitssensor eine Messachse hat, die zumindest im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche ausgerichtet wird, und die Kufe eine Kufenachse hat, die parallel zu der Messachse und durch einen Punkt verläuft, an dem die Kufe bei einer Messung auf einer ebenen Oberfläche aufliegt. Wenn die Kufenachse und die Messachse in dieser Weise voneinander beabstandet sind, ist es erforderlich, dass in Schritt c) das Welligkeitsprofil entlang einer Vorschubrichtung um eine Strecke verschoben wird, die gleich dem Abstand zwischen der Messachse und der Kufenachse ist. Ansonsten ist keine lagerichtige Subtraktion des Welligkeitsprofils vom scheinbaren Oberflächenprofil möglich.
Außerdem kann es erforderlich sein, im Schritt c) das Welligkeitsprofil vor der Subtraktion zu invertieren. Ob eine Inversion notwendig ist oder nicht, hängt davon ab, wie der Bewegungssensor das Welligkeitsprofil ausgibt.
Im einfachsten Fall handelt es sich bei dem Bewegungssensor um einen Messkopf eines Koordinatenmessgeräts, der Auslenkungen des daran befestigten Rauheitssensors misst. Solche Messköpfe, die meist über die Möglichkeit einer aktiven Antastkrafterzeugung verfügen, erfassen kleinste Auslenkungen der daran befestigten Vorrichtungen mit hoher Präzision. Geeignet sind beispielsweise Messköpfe, die von der Anmelderin unter der Marke VAST vertrieben werden. Ausreichend sind aber selbstverständlich auch passive Messköpfe, wie sie in der DE 10 2004 011 728 A1 beschrieben sind, da es für die Erfindung nur auf die passive Messung der Auslenkungen ankommt. Prinzipiell geeignet sind darüber hinaus alle Messsysteme, mit denen sich die Absolutposition der Kufe bestimmen lässt, während diese sich entlang der vorgegebenen Bahn bewegt.
Wenn als Bewegungssensor ein Messkopf verwendet wird, kommt außerdem in Betracht, die Kufe als Taster, und zwar insbesondere als Scheibentaster oder Kugeltaster mit großem Kugeldurchmesser, zu verwenden. Die Kufe ist in diesem Fall zwar nicht in das Gehäuse des Rauheitstasters integriert, bildet aber trotzdem eine bauliche Einheit, da beide Elemente starr miteinander verbunden sind.
Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung anzugeben. Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung, die aufweist:

a) einen Rauheitssensor, der dazu eingerichtet ist, die Oberfläche entlang einer vorgegebenen Bahn abzufahren und ein scheinbares Oberflächenprofil zu bestimmen, wobei der Rauheitssensor eine Kufe hat, mit der er sich während des Abfahrens entlang der vorgegebenen Bahn auf der Oberfläche abstützt;
b) einen Bewegungssensor, der dazu eingerichtet ist, Bewegungen der Kufe in einer Richtung senkrecht zu der Oberfläche zu erfassen, während die Kufe sich entlang der vorgegebenen Bahn bewegt, wodurch ein Welligkeitsprofil erhalten wird;
c) eine Auswerteeinrichtung, die dazu eingerichtet ist, ein sowohl die Rauheit als auch die Welligkeit repräsentierendes tatsächliches Oberflächenprofil zu bestimmen, indem das Welligkeitsprofil lagerichtig von dem scheinbaren Oberflächenprofil zumindest teilweise subtrahiert wird.

Die für das Verfahren angegebenen vorteilhaften Ausgestaltungen gelten für die Vorrichtung entsprechend.
Figurenliste
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:

1: eine perspektivische vereinfachte Darstellung eines Koordinatenmessgeräts gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2: einen Ausschnitt aus der 1, in dem ein beweglicher Arm und ein daran befestigter Rauheitssensor erkennbar sind;
3: der in der 2 gezeigte Rauheitssensor in einer schematischen Seitenansicht;
4: einen Ausschnitt aus dem in der 3 gezeigten Rauheitssensor, in dem das Abtastelement und die Kufe vergrößert dargestellt sind;
5a bis 5d eine schematische Darstellung eines Messvorgangs, bei dem ein Abtastelement und eine Kufe nacheinander in ein Sackloch eines Werkstücks eintauchen;
6: das während der anhand der 5a bis 5d erläuterten Messung aufgenommene scheinbare Oberflächenprofil und Welligkeitsprofil;
7: eine der 6 entsprechende Darstellung, jedoch nach Verschiebung und Invertierung des Welligkeitsprofils;
8: das durch Subtraktion des verschobenen und invertierten Welligkeitsprofil vom scheinbaren Oberflächenprofil erhaltene tatsächliche Oberflächenprofil;
9: eine der 3 entsprechende Darstellung eines Rauheitssensors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
10: eine der 2 entsprechende Darstellung eines Rauheitssensors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, bei dem die Kufe durch einen Scheibentaster gebildet wird.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Koordinatenmessgerät
Die 1 zeigt ein insgesamt mit 10 bezeichnetes Koordinatenmessgerät in einer vereinfachten perspektivischen Darstellung. Das Koordinatenmessgerät 10 umfasst einen Tisch 12, der eine Basis 14 und eine Platte 16 aus Hartgestein umfasst. Die Platte 16 dient zur Aufnahme eines Werkstücks 18, dessen Oberfläche vermessen werden soll. Im dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Messung um eine ortsaufgelöste Rauheits- und Welligkeitsmessung.
Der Tisch 12 trägt eine Positioniereinrichtung 20, mit der sich eine erfindungsgemäße Messvorrichtung 22 relativ zu dem Tisch 12 mit hoher Genauigkeit positionieren lässt. Die Positioniereinrichtung 20 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel in Portalbauweise ausgeführt und umfasst ein Portal 24, das mit zwei Füßen 26, 28 an den Rändern des Tisches 12 gelagert und in der horizontal verlaufenden x-Richtung entlang des Tisches 12 motorisch verfahrbar ist. An einem Portalquerbalken 30, der die beiden Füße 26, 28 miteinander verbindet, ist ein Ausleger 32 so gelagert, dass er entlang der Längsrichtung des Portalquerbalkens 30, d. h. in der ebenfalls horizontal verlaufenden y-Richtung, motorisch verfahren werden kann, wie dies durch einen Doppelpfeil angedeutet ist. Der Ausleger 32 trägt eine Pinole 34, die entlang der vertikal verlaufenden z-Richtung motorisch verfahrbar ist und an deren Unterseite ein Messkopf 36 befestigt ist.
Der Messkopf 36 weist im dargestellten Ausführungsbeispiel drei hintereinander angeordnete Federparallelogramme auf, so dass die Positioniervorrichtung 22 über jedes Federparallelogramm in einer Koordinatenrichtung verschiebbar gelagert ist. Zur Erfassung der Auslenkung ist jedem Federparallelogramm ein Wandler in Form eines Tauchspulenmagneten zugeordnet. Zusätzlich weist jedes Federparallelogramm einen Messkraftgenerator in Form eines Tauchspulenantriebes auf, über den in der jeweiligen Koordinatenrichtung Kräfte auf die Positioniervorrichtung 22 ausgeübt werden können. Der Messkopf 21 kann auf diese Weise definierte Stellkräfte entlang orthogonaler Richtungen x, y und z ausüben, während die Wandler des Messkopfes 36 die auf die Positioniervorrichtung 22 entlang dieser Richtungen einwirkenden Kräfte messen. Weitere Einzelheiten hierzu können der WO 02/054010 A1 entnommen werden, deren Offenbarung insoweit durch Verweis zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht wird.
An dem Messkopf 36 ist die erfindungsgemäße Messvorrichtung 22 so mit Hilfe einer Automatikkupplung befestigt, dass sie automatisch gegen andere anders aufgebaute Messvorrichtungen ausgetauscht werden kann.
Der Raum, der von dem Messkopf 36 durch Verfahrbewegungen entlang den x-, y- und z-Achsen erreicht werden kann, liegt im dargestellten Ausführungsbeispiel in der Größenordnung von etwa 2 m³, so dass auch deutlich größere Werkstücke 18 vermessen werden können, als dies in der 1 dargestellt ist.
Die Positioniereinrichtung 20 verfügt für jede der drei Verfahrrichtungen x, y, z über mindestens einen Wandler, die an eine Auswerte- und Steuereinrichtung 38 Informationen über die zurückgelegten Verfahrwege zurückgibt. Dadurch ist die Position der Automatikkupplung, an der die Messvorrichtung 22 befestigt ist und die im Wesentlichen dem Tool Center Point (TCP) bei Robotern entspricht, in allen Verfahrstellungen mit hoher Genauigkeit bekannt. Die Auswerte- und Steuereinrichtung 38 steuert die Bewegungen der Positioniereinrichtung 20 und wertet die von der Messvorrichtung 22 übergebenen Messwerte aus.
Im Folgenden wird mit Bezug auf die 2 der Aufbau der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 22 näher erläutert.
Messvorrichtung
Die Messvorrichtung 22 umfasst einen Arm 40, der mehrere beweglich miteinander verbundene Glieder umfasst, und einen an einem Ende des Arms 40 befestigten Rauheitssensor 44. Das in der 2 oben dargestellte Glied des Arms 40 wird im Folgenden als Kupplungsglied 45 bezeichnet und ist dazu vorgesehen, den Arm 40 mit dem entsprechenden Gegenstück der Automatikkupplung am Messkopf 36 des Portals 24 zu verbinden.
Der Arm 40 hat einen ersten Armabschnitt G1, der unterhalb des Kupplungsglieds 45 angeordnet ist. Der erste Armabschnitt G1 ist relativ zu dem Kupplungsglied 45 um eine erste Drehachse A1 drehbar und verfügt zu diesem Zweck über einen ersten Antrieb, der in der 2 nur schematisch angedeutet und mit M1 bezeichnet ist. Ein zweiter Armabschnitt G2 ist relativ zu dem ersten Armabschnitt G1 um eine zweite Drehachse A2 mithilfe eines zweiten Antriebs M2 drehbar, wobei die zweite Drehachse A2 senkrecht zur ersten Drehachse A1 verläuft. Ein dritter Armabschnitt G3 ist relativ zu dem zweiten Armabschnitt G2 mithilfe eines dritten Antriebs M3 drehbar, und zwar um eine dritte Drehachse A3, die zur zweiten Drehachse A2 senkrecht verläuft. Der Arm 40 ist dabei so ausgelegt, dass die zweite Drehachse A2 sowohl die erste Drehachse A1 als auch die zweite Drehachse A3 schneidet.
Am dritten Armabschnitt G3 ist der Rauheitssensor 44 befestigt. Dieser umfasst eine sich radial vom dritten Armabschnitt G3 nach außen erstreckende Vorschubeinheit 52, die eine Antriebseinheit 54 und ein Befestigungselement 56 umfasst. Das Befestigungselement 56 ist linear entlang einer Vorschubrichtung V relativ zu der Antriebseinheit 54 mit Hilfe eines Antriebs M4 verfahrbar, wie dies in der 2 durch einen Doppelpfeil angedeutet ist. Die Vorschubrichtung V verläuft dabei senkrecht zur dritten Drehachse A3 und wird mit dieser mitgedreht.
An dem Befestigungselement 56 ist ein als Tastschnittgerät ausgebildeter Rauheitstaster 58 befestigt, der in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein im Wesentlichen röhrenförmiges Gehäuse 59 hat. An einem Ende des Gehäuses 59 ragt aus einer Öffnung ein taktiles Abtastelement 60 hervor, das am Ende eines drehbar gelagerten Messarms befestigt ist. Bei dem Abtastelement kann um eine Nadel mit einer Diamantspitze 80 handeln. Vom Rauheitstaster 58 erfasst werden Auslenkungen des Abtastelements 60 entlang einer Antastrichtung D, die senkrecht auf der Vorschubrichtung V steht.
Unmittelbar neben dem Abtastelement 60 befindet sich eine Kufe 61, die im Gegensatz zum Abtastelement 60 nicht auslenkbar ist, sondern fest mit dem Gehäuse 59 des Rauheitstasters 58 verbunden ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel hat die Kufe 61 die Form eines geraden Kreiszylinders, dessen Längsachse senkrecht zur Vorschubrichtung V und zur Antastrichtung D ausgerichtet ist. Während der Messungen liegt die Kufe 61 am Werkstück 18 an und verhindert, dass es aufgrund von Vibrationen zu Relativbewegungen zwischen dem Rauheitstaster 58 und dem Werkstück 18 kommt. Ausschläge des Abtastelements 60 entlang der Auslenkrichtung D entsprechen dadurch Wegdifferenzen relativ zur Kufe 61, wie dies an sich im Stand der Technik bekannt ist.
Rauheitssensor
Die 3 zeigt den Rauheitssensor 44 in einer schematischen Seitenansicht, wobei einige Teile im Inneren des Rauheitssensors 44 ebenfalls dargestellt sind.
Das Gehäuse 58 umschließt einen Messarm 74, der um eine Drehachse 76 drehbar gelagert ist. Der Messarm 74 trägt an einem Ende das Abtastelement 60. Wenn das Abtastelement 60 während des Vorschubs durch Profilstrukturen der Oberfläche 19 ausgelenkt wird, schlägt das gegenüberliegende Ende des Messarms 74 aus. Dieser Ausschlag wird von einem Wandler in Form eines Messsystems 79 erfasst, das in Abhängigkeit von der Drehstellung des Messarms 74 Messsignale erzeugt, welche die Drehstellung und damit die Auslenkung des Abtastelements 60 repräsentieren. Das Messsystem 79 kann die Drehstellung dabei induktiv, optisch magnetisch oder auch pneumatisch abgreifen. Über eine elektrische Schnittstelle werden die vom Messsystem 79 erzeugten Messsignale an die Steuer- und Auswerteinrichtung 38 zur weiteren Verarbeitung übermittelt.
Während der Messung wird der Rauheitstaster 58 mithilfe der Vorschubeinheit 52 entlang der Vorschubrichtung V verfahren. Auf der Grundlage der ortsabhängigen Erfassung der Auslenkung des Abtastelements 60 lässt sich die Rauheit der Oberfläche 19 ermitteln.
Die 4 zeigt einen Ausschnitt A aus dem in der 3 gezeigten Rauheitssensor 44, in dem das Abtastelement 60 und die Kufe 61 vergrößert dargestellt sind. Der Messachse des Rauheitssensors 44 entspricht die Antastrichtung D; bei optischen Rauheitssensoren wird die Messachse in der Regel durch die optische Achse der im Rauheitssensor enthaltenen optischen Elemente festgelegt. Wie in der 4 erkennbar ist, steht die Messachse (Antastrichtung D) senkrecht auf der zu vermessenden Oberfläche 19 und verläuft parallel zu der Kufenachse 65 der Kufe 61. Die Kufenachse 65 verläuft durch einen Punkt, an dem die Kufe 61 bei einer Messung auf einer im Wesentlichen ebenen Oberfläche 19 aufliegt. Im Falle der dargestellten zylindrischen Kufe 61 verläuft die Kufenachse senkrecht zur Längsachse des Zylinders; bei kugelförmigen Kufen verläuft die Kufenachse durch den Kugelmittelpunkt. Der Abstand d zwischen der Kufenachse 65 und der Messachse (Antastrichtung D) wird bei der Auswertung der Messergebnisse benötigt, wie dies weiter unten näher beschrieben wird.
Ablauf der Messung
Der Ablauf einer Messung unter Verwendung der Messvorrichtung 22 wird nachfolgend anhand eines Beispiels mit Bezug auf die schematischen 5a bis 5d erläutert.
Gezeigt ist jeweils ein Ausschnitt aus dem Werkstück 18, das eine flache sacklochartige Ausnehmung 82 hat. Die Tiefe der Ausnehmung 82 ist aus Gründen der besseren Darstellbarkeit übertrieben dargestellt. Die Rauheit der Oberfläche 19, die in den 5a bis 5d vereinfacht mit periodischen Strukturen angedeutet ist, kann aufgrund des Fertigungsprozesses am Boden 84 der Ausnehmung 82, an deren vertikalen Seitenwänden 86 und den umgebenden Bereichen 88a, 88b unterschiedlich sein. Die Messaufgabe besteht darin, die horizontalen Abschnitte des mit 90 bezeichneten Oberflächenprofils, d.h. sowohl die Rauheit als auch die Welligkeit des Bodens 84 und der umgebenden Bereiche 88a, 88b, zu messen. Die Rauheit der vertikalen Seitenwände 86 kann in der dargestellten Orientierung des Rauheitssensors 44 nicht gemessen werden.
Vom Rauheitssensor 44 sind in den 5a bis 5d lediglich das Abtastelement 60 und die Kufe 61 gezeigt; gestrichelte Darstellungen entsprechen der Position des Rauheitssensors 44 zu einem späteren Zeitpunkt.
Nach dem Aufsetzen des Rauheitssensors 44 auf der Oberfläche 19 werden das Abtastelement 60 und die Kufe 61 entlang der durch einen Pfeil angedeuteten Vorschubrichtung V über den links dargestellten Bereich 88a der Oberfläche 19 gezogen. In der 5a ist erkennbar, dass die Kufe 61 während des Vorschubs nicht in vertikaler Richtung ausgelenkt wird, da der Bereich 88a zwar rau, aber nicht wellig ist. Die Kufe gleitet somit auf gleicher Höhe über den Bereich 88a hinweg, während das Abtastelement 60 dem Rauheitsprofil folgt. Die Auslenkungen z des Abtastelements 60 entlang der Antastrichtung D werden von dem Messsystem 79 erfasst, wie dies an sich im Stand der Technik bekannt ist.
In der 6 sind die Auslenkungen z des Abtastelements 60 in der unteren Hälfte des Graphen über dem Weg x entlang der Vorschubrichtung V dargestellt. Die Auslenkungen entsprechen einem scheinbaren Oberflächenprofil 90', das von der Oberfläche 19 gemessen wurde. Man erkennt, dass in einem links dargestellten Abschnitt des Bereichs 88a die Auslenkungen dem Rauheitsprofil entsprechen. Das scheinbare Oberflächenprofil 90' und das tatsächliche Oberflächenprofil, wie es in den 5a bis 5d gezeigt ist, sind in diesem Abschnitt des Bereichs 88a somit identisch.
In der 5b ist oben mit strichpunktierte Linie die geradlinige Bewegung der Kufe 61 im Bereich 88a dargestellt. Außerdem ist erkennbar, wie die Kufe 61 in die Ausnehmung 82 einzutauchen beginnt. Bei einer als scharf angenommenen oberen Kante der Ausnehmung 82 bewegt sich die Längsachse der Kufe 61 solange auf einem Kreisbogen mit dem Radius der Kufe 61, bis sich die Kufe 61 vollständig innerhalb der Ausnehmung 82 befindet und dort sofort absinkt, bis sie den Boden 84 der Ausnehmung 82 berührt. Während des Abtauchens der Kufe 61 in die Ausnehmung 82 bleibt das beabstandet zur Kufe 61 angeordnete Abtastelement 60 jedoch auf seiner ursprünglichen Höhe. Das Messsystem 79 erfasst deswegen eine starke Aufwärtsbewegung des Abtastelements 60, da es nicht unterscheiden kann, ob das Abtastelement 260 relativ zur Kufe 61 angehoben wurde oder sich die Kufe 61 relativ zum Abtastelement 60 abgesenkt hat. Auf dem scheinbaren Oberflächenprofil 90' (vgl. 6) ist im Bereich der Kante die kurvenförmige Aufwärtsbewegung des Abtastelements 60, die dessen kurzwelligen Bewegungen überlagert sind, erkennbar. Das scheinbare Oberflächenprofil 90' weicht im letzten Abschnitt des Bereichs 88a somit erheblich vom tatsächlichen Oberflächenprofil ab.
Die 5c zeigt die Kufe 61 und das Abtastelement 60, während das Abtastelement 60 vom Bereich 88a in die Ausnehmung 82 eintaucht. Diese Eintauchbewegung wird im scheinbaren Oberflächenprofil 90' (vgl. 6) korrekt wiedergegeben, da sich die Kufe 61 weiterhin auf gleicher Höhe über den Boden 84 der Ausnehmung 82 bewegt. Nachdem das Abtastelement 60 den Boden 84 der Ausnehmung 82 berührt hat, liegen ähnliche Verhältnisse vor, wie sie in der 5a gezeigt sind.
Die 5d zeigt die Kufe 61 und das Abtastelement 60, während die Kufe 61 wieder aus der Ausnehmung 82 auftaucht. Durch das Auftauchen der Kufe 61 wird das Abtastelement 60 relativ zur Kufe 61 abgesenkt, wie dies in der 6 erkennbar ist. Erst wenn das Abtastelement 60 die rechts dargestellte Seitenwand 86 der Ausnehmung 82 erreicht hat, wird es wieder angehoben, so dass sich Kufe 61 und Abtastelement 60 im Bereich 88b und nun wieder gemeinsam auf gleicher Höhe befinden.
Vergleicht man das in der 6 dargestellte scheinbare Oberflächenprofil 90', das durch Messen der Auslenkung des Abtastelements 60 erhalten wurde, mit dem tatsächlichen Oberflächenprofil 90 gemäß den 5a bis 5d, so ist unschwer feststellbar, dass das scheinbare Oberflächenprofil 90' erheblich von dem tatsächlichen Oberflächenprofil 90 abweicht. Wenn man von der Ausnehmung 82 nichts wüsste, so suggeriert das scheinbare Oberflächenprofil 90', dass auf der Oberfläche 19 des Werkstücks 18 ein vorstehender Grat und beabstandet davon eine Nut verlaufen. Selbst für auf diesem Gebiet erfahrene Fachleute ist schwer zu erkennen, ob diese Strukturen im scheinbaren Oberflächenprofil 90' tatsächlich am Werkstück 18 vorhanden sind oder lediglich Artefakte darstellen, die durch die beabstandet zum Abtastelement 60 angeordnete Kufe 61 verursacht sind. Aus dem scheinbaren Oberflächenprofil 90', wie es in der 6 gezeigt ist, kann daher lediglich die Rauheit der Oberfläche 19 bestimmt werden. Aussagen über die Welligkeit oder Form der Oberfläche 19 können hingegen nicht getroffen werden.
Die Erfindung schafft hier Abhilfe, indem die Bewegungen der Kufe 61 entlang der Antastrichtung D, d.h. senkrecht zu der Oberfläche 19, mit einem Bewegungssensor erfasst werden. Als Bewegungssensor dient beim dargestellten Ausführungsbeispiel der Messkopf 36. Wird die Kufe 61 während der Vorschubbewegung ausgelenkt, überträgt sich diese Auslenkung über den Arm 22 auf den Messkopf 36 und wird von diesem gemessen. Das Ergebnis dieser Messung ist ein Welligkeitsprofil 92 der Oberfläche 19, wie es in den 5b bis 5d und in der 6 durch die strichpunktierte Linie angedeutet ist. Falls die Welligkeit nur Krümmungsradien aufweist, die größer sind als der Radius der Kurve 61, so entspricht das so gemessene Welligkeitsprofil dem tatsächlichen Welligkeitsprofil. Andernfalls ist auch das so gemessene Welligkeitsprofil nur eine Annäherung, wie dies auch bei dem in den 5a bis 5d gezeigten Beispiel der Fall ist. Dort ist erkennbar, dass infolge der scharfen Kanten, welche die Ausnehmung 82 begrenzen, das Welligkeitsprofil 92 im Bereich der Kanten nur ungefähr dem tatsächlichen Profil folgt. Im Allgemeinen kann deswegen das mit Hilfe des Messkopfes 36 gemessene Welligkeitsprofil nicht direkt als Messergebnis verwendet werden.
Erfindungsgemäß wird deswegen das gemessene Welligkeitsprofil 92 lagerichtig von dem scheinbaren Oberflächenprofil 90' subtrahiert. Lagerichtig bedeutet in diesem Zusammenhang, dass ggf. noch Verschiebungen oder Invertierungen durchgeführt werden müssen, damit einander entsprechende Strukturen in den beiden Profilen 90', 92 zur Deckung kommen. Da im dargestellten Ausführungsbeispiel die Kufe 61 im Abstand d zum Antastelement 60 angeordnet ist (vgl. 4), wird zunächst das Welligkeitsprofil 92 um den Abstand d verschoben, wie dies in der 6 durch einen horizontalen Pfeil angedeutet ist. Auf diese Weise erhält man ein verschobenes Welligkeitsprofil 92', das in der 6 durch eine gepunktete Linie angedeutet ist. Je nach Messrichtung des Messkopfes 36 kann dann noch eine Invertierung des verschobenen Welligkeitsprofils 92' erforderlich sein, wie dies der vertikale Doppelpfeil in der 6 andeutet. Das verschobene und invertierte Welligkeitsprofil ist in der 7 gezeigt und mit 92" bezeichnet.
Nun wird von der Auswerte- und Steuereinrichtung 38 das lagerichtig umgerechnete Welligkeitsprofil 92" von dem scheinbaren Oberflächenprofil 90' subtrahiert. Dadurch erhält man das in der 8 gezeigte tatsächliche Oberflächenprofil 90. Dieses entspricht fast vollkommen dem in den 5a bis 5d gezeigten Profil der Oberfläche 19. Abweichungen ergeben sich nur durch sonstige Messfehler und die Tatsache, dass die vertikalen Seitenwände 86 der Ausnehmung 82 nicht gemessen werden können, da sie parallel zur Antastrichtung D verlaufen. Durch an sich bekannte mathematische Filterungsalgorithmen lässt sich aus dem tatsächlichen Oberflächenprofil 90 bei Bedarf getrennt die Rauheit und die Welligkeit der Oberfläche 19 ableiten.
Weitere Ausführungsbeispiele
Die 9 zeigt in einer an die 3 angelehnten Darstellung ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Messvorrichtung 22, bei welcher der Bewegungssensor, der die Bewegungen der Kufe 61 senkrecht zu der Oberfläche 19 des Werkstücks 18 erfasst, nicht durch den Messkopf 36 gebildet wird, sondern in den Rauheitssensor 44 integriert ist. Zu diesem Zweck ist der Rauheitstaster 58 schwenkbeweglich über ein bei 94 angedeutetes Schwenkgelenk an dem verfahrbaren Befestigungselement 56 des Rauheitssensors 44 befestigt. Ähnlich wie das Messsystem 79 Auslenkungen des Messarms 74 erfasst, werden die Auslenkungen des gesamten Rauheitstasters 58, die durch Bewegungen der Kufe 61 auf welligen Oberflächen verursacht werden, durch ein weiteres Messsystem 96 erfasst.
Im Unterschied zu dem in der 3 gezeigten Ausführungsbeispiel haben außerdem die Kufe 61 und das Abtastelement 60 ihre Reihenfolge vertauscht. Bei bestimmten Oberflächen kann dies zu besseren Messergebnissen führen.
Die 10 zeigt in einer an die 2 angelehnten Darstellung ein drittes Ausführungsbeispiel, bei dem der Rauheitssensor 44 über einen Arm mit nur einem um eine Achse A1 drehbaren Armabschnitt G1 über das Kupplungslied 45 mit dem Messkopf 36 verbunden ist. Anstelle eines als Tastschnittgerät ausgebildeten Rauheitstaster ist ein optischer Rauheitstaster 58' vorgesehen, dessen Strahlengang durch gestrichelte Linien angedeutet ist. Die Funktion der Kufe übernimmt bei diesem Ausführungsbeispiel ein Scheibentaster 98, der starr mit dem Gehäuse des optischen Rauheitstasters 58' verbunden ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102015209193 A1 [0007]
US 2018/0073853 A1 [0007]
DE 202013102048 U1 [0008]
DE 10020734 A1 [0009]
US 6510363 B1 [0009]
DE 102004011728 A1 [0018]
WO 02/054010 A1 [0025]

Claims

Verfahren zur Messung der Rauheit und der Welligkeit einer Oberfläche (19) eines Werkstücks (18), umfassend die folgenden Schritte: a) ein Rauheitssensor (44) fährt die Oberfläche (19) entlang einer vorgegebenen Bahn ab und bestimmt ein scheinbares Oberflächenprofil (90'), wobei sich der Rauheitssensor (44) während des Abfahrens entlang der vorgegebenen Bahn mit einer Kufe (61; 98) auf der Oberfläche (19) abstützt; b) während die Kufe (61; 98) sich entlang der vorgegebenen Bahn bewegt, werden Bewegungen der Kufe (61; 98) in einer Richtung senkrecht zu der Oberfläche (19) mit einem Bewegungssensor (36; 96) erfasst, wodurch ein Welligkeitsprofil (92) erhalten wird; c) Bestimmen eines sowohl die Rauheit als auch die Welligkeit repräsentierenden tatsächlichen Oberflächenprofils (90), indem das Welligkeitsprofil (92) lagerichtig von dem scheinbaren Oberflächenprofil (90') zumindest teilweise subtrahiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt b) gleichzeitig mit dem Schritt a) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Rauheitssensor (44) eine Messachse (D) hat, die zumindest im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche (19) ausgerichtet wird, die Kufe (61; 98) eine Kufenachse (65) hat, die parallel zu der Messachse (D) und durch einen Punkt verläuft, an dem die Kufe (61; 98) bei einer Messung auf einer ebenen Oberfläche aufliegt, und und bei dem in Schritt c) das Welligkeitsprofil (92") entlang einer Vorschubrichtung (V) um eine Strecke verschoben wird, die gleich dem Abstand (d) zwischen der Messachse (D) und der Kufenachse (65) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in Schritt c) das Welligkeitsprofil (92) vor der Subtraktion invertiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Bewegungssensor ein Messkopf (36) eines Koordinatenmessgeräts (10) ist, der Auslenkungen des daran befestigten Rauheitssensors (44) misst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kufe als Scheibentaster (98) ausgebildet ist.
Vorrichtung (22) zur Messung der Rauheit und der Welligkeit einer Oberfläche (19) eines Werkstücks (18), umfassend: a) einen Rauheitssensor (44), der dazu eingerichtet ist, die Oberfläche (19) entlang einer vorgegebenen Bahn abzufahren und ein scheinbares Oberflächenprofil (90') zu bestimmen, wobei der Rauheitssensor (44) eine Kufe (61; 98) hat, mit der er sich während des Abfahrens entlang der vorgegebenen Bahn auf der Oberfläche (19) abstützt; b) einen Bewegungssensor (36; 96), der dazu eingerichtet ist, Bewegungen der Kufe (61; 98) in einer Richtung senkrecht zu der Oberfläche (19) zu erfassen, während die Kufe (61; 98) sich entlang der vorgegebenen Bahn bewegt, wodurch ein Welligkeitsprofil (92) erhalten wird; c) eine Auswerteeinrichtung (38), die dazu eingerichtet ist, ein sowohl die Rauheit als auch die Welligkeit repräsentierendes tatsächliches Oberflächenprofil (90) zu bestimmen, indem das Welligkeitsprofil (92) lagerichtig von dem scheinbaren Oberflächenprofil (90') zumindest teilweise subtrahiert wird.