DE10318762B3 - Dimensional measuring device calibration body manufacturing method using stack of calibration body blanks of at least 2 different thicknesses provided with required surface contour along one side face - Google Patents

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    • G01B21/042—Calibration or calibration artifacts

Abstract

The manufacturing method has a stack of plate-shaped calibration body blanks provided by at least 2 sets of blanks of differing thickness, with formation of the required surface contour for the calibration bodies provided along one side face of the stack, such that the profile is homogenous in the stack direction and calibration of each of the thicker test bodies (A1-A4) in the stack with at least one of the thinner test bodies (B1-B5) in the stack using optical measurement of the contour.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Prüfkörpern mit einer Kontur an mindestens einer Seitenfläche der Prüfkörper.The The invention relates to a method for producing test specimens a contour on at least one side surface of the test specimen.

In der Fertigungsmesstechnik werden dimensionelle Messgeräte eingesetzt, die eingemessen und periodisch durch Messungen überwacht werden müssen. Dazu werden aus praktischen, ökonomischen und messtechnischen Gründen vorteilhaft kalibrierte Prüfkörper eingesetzt. Die durch Messung an diesen Prüfkörpern bestimmten Koordinaten und die daraus ermittelten Maße und Formelemente werden mit den kalibrierten Koordinaten und Parametern verglichen und so die Einmessung bzw. die Messunsicherheit des Messgerätes überprüft. Solche Prüfkörper können monolithisch aufgebaut sein oder aus einfachen geometrischen Grundformen, wie Kugel, Prisma, Quader usw. zusammengesetzt sein.In In manufacturing metrology, dimensional measuring devices are used, which must be measured and periodically monitored by measurements. To become practical, economical and metrological reasons advantageously calibrated test specimens used. The determined by measurement on these test specimens Coordinates and the dimensions and shape elements determined from them compared with the calibrated coordinates and parameters and so checked the measurement or the measurement uncertainty of the measuring device. Such Test specimens can be monolithic be built up or from simple basic geometric shapes, such as spheres, Prism, cuboid, etc.

Eine bedeutende Untergruppe von Prüfkörpern stellen quasizweidimensionale Verkörperungen dar, wie sie z. B. als Flicknormal (Zylinder mit Anschliff) oder Wellennormal in der Form- oder Koordinatenmesstechnik, als Profilnormal in der Konturenmesstechnik oder als Rauheitsnormal in der Oberflächenmesstechnik verwendet werden. Diese sind dadurch gekennzeichnet, dass sie ein zweidimensionales Profil und in der dazu senkrechten Richtung eine Gerade verkörpern. In einer Richtung sind sie mithin invariant. Die Länge in der Invarianten Dimension wird zum Teil dadurch vorgegeben, wie breit die spätere Messspur auf dem zu prüfenden Messgerät sein muss und ab welcher Dicke die Verkörperung mechanisch ausreichend stabil für die Anwendung ist. Bisher werden diese Normale üblicherweise mit der gleichen Messtechnik kalibriert, für die sie in der Überwachung eingesetzt werden sollen. Dies führt dazu, dass eine prinzipielle Grenze der Messunsicherheit bei der Kalibrierung nicht unterschritten werden kann. Insbesondere wird dadurch auch die Messunsicherheit bei der späteren Überprüfung oder Kalibrierung der Messgeräte begrenzt, da diese immer größer oder gleich der Kalibrierunsicherheit ist. Für einige Messgeräteklassen der dimensionellen Messtechnik, wie etwa die der Konturenmessgeräte, ist eine Überwachung mit hinreichend niedriger Messunsicherheit daher nicht möglich. Aus ökonomischer und messtechnischer Sicht wäre der Einsatz optischer Messtechnik für die Kalibrierung gleichwohl wünschenswert. Optische Koordinatenmessgeräte sind beispielsweise aus der WO 99/53271 A1 und der DE 201 16 124 U1 hinreichend bekannt.An important subgroup of test specimens are quasi-two-dimensional representations, as they are e.g. B. as a flick standard (cylinder with bevel) or shaft standard in shape or coordinate measurement technology, as a profile standard in contour measurement technology or as a roughness standard in surface measurement technology. These are characterized by the fact that they embody a two-dimensional profile and a straight line in the direction perpendicular to it. They are therefore invariant in one direction. The length in the invariant dimension is partly determined by how wide the subsequent measurement track on the measuring device to be tested must be and from what thickness the embodiment is mechanically sufficiently stable for the application. So far, these standards have usually been calibrated using the same measurement technology for which they are to be used in monitoring. This means that a basic limit of the measurement uncertainty during the calibration cannot be undershot. In particular, this also limits the measurement uncertainty during the later checking or calibration of the measuring devices, since this is always greater than or equal to the calibration uncertainty. For some measuring device classes in dimensional measurement technology, such as those for contour measuring devices, monitoring with a sufficiently low measurement uncertainty is therefore not possible. From an economic and measurement point of view, the use of optical measurement technology for calibration would nevertheless be desirable. Optical coordinate measuring machines are for example from WO 99/53271 A1 and DE 201 16 124 U1 well known.

Für ebene Normale ist eine Dicke von einigen Millimetern bis zu einigen Zentimetern möglich. Diese Dicke ist zu groß, um die Normale z. B. mit Messmethoden, wie etwa optischer Koordinatenmesstechnik in Seitenansicht, also senkrecht zur Antastrichtung, zu kalibrieren, da die große Ausdehnung der Prüfkörper in ihrer Invarianten Richtung und damit in der optischen Achse der Messeinrichtung zu intolerablen Messunsicherheiten führt. Dies ist unter anderem begründet in der begrenzten Tiefenschärfe der optischen Messeinrichtung und dem Einfluss der Lichtstreuung und Beugung auf die Messunsicherheit. Es ist bekannt, dass mit Hilfe von speziellen Koordinatenmessgeräten (Maskenmessgeräten) Messungen an dünnen Strukturen, z. B. Chrom-auf-Glas-Strukturen, optisch im Durchlicht ausgeführt werden ( DE 101 15 888 A1 ). Die Dicke der Strukturen beträgt dabei nur etwa 100 nm. Es ist weiterhin bekannt, dass die Herstellung von dünnen Blechen mit komplexer Kontur mit Hilfe der Drahterosion erfolgen kann ( US 005 941 914 A ). Mit diesem Verfahren ist auch die gleichzeitige Barbeitung von mehreren Blechen in einem Stapel möglich. Eine optische Kalibrierung in Antastrichtung wird jedoch durch möglichst große Steigungen der Profilform und einer im Allgemeinen nur eingeschränkt reflektiven Oberfläche erschwert.A thickness of a few millimeters to a few centimeters is possible for flat standards. This thickness is too large to the normal z. B. with measurement methods, such as optical coordinate measurement technology in side view, i.e. perpendicular to the probing direction, because the large extent of the test specimens in their invariant direction and thus in the optical axis of the measuring device leads to intolerable measurement uncertainties. One reason for this is the limited depth of field of the optical measuring device and the influence of light scattering and diffraction on the measurement uncertainty. It is known that with the help of special coordinate measuring devices (mask measuring devices) measurements on thin structures, for. B. chrome-on-glass structures, optically carried out in transmitted light ( DE 101 15 888 A1 ). The thickness of the structures is only about 100 nm. It is also known that thin sheets with a complex contour can be produced using wire erosion ( US 005 941 914 A. ). With this method, the simultaneous processing of several sheets in one stack is also possible. However, optical calibration in the probing direction is made more difficult by the largest possible gradients in the profile shape and a surface which is generally only reflective to a limited extent.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Prüfkörpern mit einer Kontur an mindestens einer Seitenfläche der Prüfkörper zu schaffen, mit dem die Prüfkörper einfach und preiswert herstellbar und mit geringer Messunsicherheit kalibrierbar sind.task the invention is an improved method of manufacture of test specimens with to create a contour on at least one side surface of the test specimen with which the Test specimen simple and inexpensive to manufacture and calibrated with low measurement uncertainty are.

Die Aufgabe wird mit dem gattungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß gelöst durch

  • – Bilden eines Stapels von plattenförmigen Rohlingen, wobei in dem Stapel plattenförmige Rohlinge mit mindestens zwei unterschiedlichen Plattendicken vorgesehen sind,
  • – Herstellen der Kontur an mindestens einer Seitenfläche des Stapels derart, dass das Profil in Stapelrichtung homogen ist, und
  • – Kalibrieren der dickeren Prüfkörper aus dem Stapel mit jeweils mindestens einem dünneren Hilfsprüfkörper aus dem Stapel durch optische Vermessung der Kontur.
The object is achieved according to the invention with the generic method
  • Forming a stack of plate-shaped blanks, plate-shaped blanks with at least two different plate thicknesses being provided in the stack,
  • Producing the contour on at least one side surface of the stack in such a way that the profile is homogeneous in the stacking direction, and
  • - Calibrate the thicker test specimens from the stack with at least one thinner auxiliary test specimen from the stack by optical measurement of the contour.

Durch die Fertigung der Kontur gleichzeitig für mehrere gestapelte plattenförmige Rohlinge von Prüfkörpern wird eine Fertigungshomogenität in Stapelrichtung erreicht, so dass die Konturprofile der im Stapel benachbarten Prüfkörper nahezu identisch sind. Dann können die dickeren Prüfkörper mit Hilfe der dünneren Hilfsprüfkörper aus demselben Stapel kalibriert werden, da die dünneren Hilfsprüfkörper aufgrund der größeren Tiefenschärfe bei der Vermessung der Kontur an der Seitenfläche des Hilfsprüfkörpers mit einer größeren Genauigkeit optisch vermessen werden können, als die dickeren Prüfkörper. Hingegen haben die dickeren Prüfkörper eine ausreichend große Fläche zur Antastung, so dass sie zur Prüfung von verschiedenartigen taktilen oder optischen Messgeräten oder zur Rückführung von Messungen eingesetzt werden können.By manufacturing the contour simultaneously for several stacked plate-shaped blanks of test specimens, production homogeneity is achieved in the stacking direction, so that the contour profiles of the test specimens adjacent in the stack are almost identical. Then the thicker test specimens can be calibrated using the thinner auxiliary test specimens from the same stack, since the thinner auxiliary test specimens can be optically measured with greater accuracy than the thicker test specimens due to the greater depth of field when measuring the contour on the side face of the auxiliary test specimen. down the thicker test specimens, on the other hand, have a sufficiently large area for probing so that they can be used to test various types of tactile or optical measuring devices or to return measurements.

Vorzugsweise wird der Stapel aus abwechselnd dickeren und dünneren Rohlingen gebildet, so dass jeweils ein dickerer Prüfkörper mit den an beiden Seiten des im Stapel angrenzenden dünneren Hilfsprüfkörper kalibriert werden kann.Preferably the stack is formed from alternately thicker and thinner blanks, so that each with a thicker test specimen calibrated on both sides of the thinner auxiliary test piece in the stack can be.

Dabei werden vorzugsweise Mittelwerte der bei den dünneren Hilfsprüfkörpern gemessenen Konturen gebildet und Kalibrierwerte aus der Differenz der Mittelwerte der Kontur zu der gemessenen Kontur des zugeordneten dickeren Prüfkörpers bestimmt.there are preferably mean values of those measured for the thinner auxiliary test specimens Contours formed and calibration values from the difference of the mean values the contour to the measured contour of the assigned thicker specimen is determined.

Die Konturen der Seitenfläche werden vorzugsweise mit einem optischen Koordinatenmessgerät vermessen.The Contours of the side surface are preferably measured with an optical coordinate measuring machine.

Die Kontur sollte sowohl konkave als auch konvexe Profilabschnitte haben, die auf einer Seitenfläche des plattenförmigen Prüfkörpers in eine Richtung angeordnet sind. Damit sind im Prüfkörper die wesentlichen Geometrieelemente verkörpert.The Contour should have both concave and convex profile sections, the one on a side surface of the plate-shaped Test specimen in a direction are arranged. This means that the essential geometric elements are in the test specimen embodies.

Das Kalibrieren der dünneren Hilfsprüfkörper kann mit einem Bezugsnormal erfolgen, das beispielsweise eine lithographisch erzeugte Planarstruktur sein kann. Eine solche lithographisch erzeugte Planarstruktur kann beispielsweise eine Chrom-auf-Glas-Maske sein.The Calibrate the thinner Auxiliary test specimen can done with a reference standard, for example a lithographic generated planar structure can be. Such a lithographically generated The planar structure can be a chrome-on-glass mask, for example.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The The invention is explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. It demonstrate:

1 – Draufsicht auf die mit einer Kontur versehene Seitenfläche eines Stapels von Prüfkörpern; 1 - Top view of the contoured side surface of a stack of test specimens;

2 – Seitenansicht eines Prüfkörpers mit einer Kontur mit konkaven und konvexen Profilabschnitten; 2 - Side view of a test specimen with a contour with concave and convex profile sections;

3 – perspektivische Ansicht eines Stapels aus abwechselnd angeordneten Prüfkörpern und dünneren Hilfsprüfkörpern. 3 - Perspective view of a stack of alternately arranged test specimens and thinner auxiliary test specimens.

Zur Herstellung von Prüfkörpern A, B wird, wie in der 1 als Draufsicht auf eine Seitenfläche gestapelter Prüfkörper A, B erkennbar, zunächst ein Stapel plattenförmiger Rohlinge gebildet. In dem Stapel sind dabei vorzugsweise alternierend plattenförmige Rohlinge mit mindestens zwei unterschiedlichen Plattendicken vorgesehen.For the production of test specimens A, B, as in the 1 A plan view of stacked test specimens A, B can be seen, initially a stack of plate-shaped blanks is formed. Plate-shaped blanks with at least two different plate thicknesses are preferably provided alternately in the stack.

Die dickeren Prüfkörper A sind für das Einmessen und die Überprüfung der Messgenauigkeit dimensioneller Messgeräte vorgesehen. Die dünneren Hilfsprüfkörper B dienen hingegen zur Kalibrierung der dickeren Prüfkörper A.The thicker specimen A are for the Calibrate and review the Measuring accuracy of dimensional measuring devices provided. The thinner auxiliary test specimens B serve however for the calibration of the thicker test specimen A.

An mindestens einer Seitenfläche des Stapels wird eine Kontur derart hergestellt, dass das Profil in Stapelrichtung homogen ist, d. h. dass alle Spuren in Stapelrichtung nominell Geraden sind.On at least one side surface a contour of the stack is produced in such a way that the profile is homogeneous in the stacking direction, d. H. that all tracks are stacked are nominally straight lines.

Die 2 zeigt eine Seitenansicht eines Prüfkörpers A bzw. Hilfsprüfkörper B mit einer Kontur, die verschiedene konvexe und konkave Profilelemente hat, die sich auf der Seitenfläche in eine Richtung erstrecken.The 2 shows a side view of a test specimen A or auxiliary test specimen B with a contour which has various convex and concave profile elements which extend in one direction on the side face.

Die Kontur wird vorzugsweise mittels Drahterosion hergestellt, wobei die plattenförmigen Rohlinge aus einem leitfähigen, z. B. metallischen Werkstoff bestehen. Die Drahterosion ist ein geeignetes Fertigungsverfahren, das die notwendigen Anforderungen an Homogenität, Profiltreue und geringe Rauhigkeit der erzeugten Kontur erfüllen kann.The Contour is preferably produced by means of wire erosion, whereby the plate-shaped Blanks made of a conductive, z. B. exist metallic material. Wire EDM is a suitable manufacturing process that meets the necessary requirements homogeneity, True to profile and low roughness of the generated contour can meet.

Durch optische Konturvermessung der Prüfkörper A und Hilfsprüfkörper B, beispielsweise durch Vermessung der in der 2 dargestellten Seitenansicht, können die dickeren Prüfkörper A mit Hilfe der Messergebnisse der im Stapel unmittelbar angrenzenden dünneren Hilfsprüfkörper B kalibriert werden. Die Messgenauigkeit ist bei den dünneren Hilfsprüfkörpern B nämlich insbesondere aufgrund der größeren Tiefenschärfe und des höheren Kantenkontrastes genauer, als bei den dickeren Prüfkörpern. Dabei wird zur Kalibrierung die verbesserte Fertigungshomogenität ausgenutzt; die sich bei der Herstellung der Kontur eines Stapels abwechselnd dickerer Prüfkörper A und dünnerer Hilfsprüfkörper B ergibt. Die Bildung des Stapels bereits mit einer Kontur versehener Rohlinge aus abwechselnd dickeren und dünneren Rohlingen ist nochmals aus der perspektivischen Ansicht in der 3 deutlicher sichtbar.By optical contour measurement of the test specimen A and auxiliary test specimen B, for example by measuring the in the 2 shown side view, the thicker test specimens A can be calibrated with the aid of the measurement results of the thinner auxiliary test specimens B immediately adjacent in the stack. The measurement accuracy is more precise with the thinner auxiliary test specimens B, in particular because of the greater depth of field and the higher edge contrast, than with the thicker test specimens. The improved manufacturing homogeneity is used for calibration; which results in the production of the contour of a stack of alternately thicker test specimen A and thinner auxiliary test specimen B. The formation of the stack of blanks already provided with a contour from alternately thicker and thinner blanks is again from the perspective view in FIG 3 more clearly visible.

Die dünneren Hilfsprüfkörper B können ihrerseits durch Substitutionsverfahren kalibriert werden, die als Bezugsnormal beispielsweise eine lithographisch erzeugte Planarstruktur möglichst identischer Profilform nutzen, beispielsweise eine Chrom-auf-Glas-Maske mit möglichen Kalibrierunsicherheiten im Nanometerbereich. Auf diese Weise ist eine Kalibrierung der Hilfsprüfkörper B mit einer sehr geringen Messunsicherheit möglich.The thinner Auxiliary test specimens B can in turn can be calibrated by substitution methods that serve as reference standards for example, a lithographically generated planar structure if possible Use an identical profile shape, for example a chrome-on-glass mask with possible Calibration uncertainties in the nanometer range. That way is one Calibration of the auxiliary test specimen B with a very low measurement uncertainty possible.

Claims (8)

Verfahren zur Herstellung von Prüfkörpern (A) mit einer Kontur an mindestens einer Seitenfläche der Prüfkörper (A), gekennzeichnet durch – Bilden eines Stapels von plattenförmigen Rohlingen, wobei in dem Stapel plattenförmige Rohlinge mit mindestens zwei unterschiedlichen Plattendicken vorgesehen sind, – Herstellen der Kontur an mindestens einer Seitenfläche des Stapels derart, dass das Profil in Stapelrichtung homogen ist, – Kalibrieren der dickeren Prüfkörper (A) aus dem Stapel mit jeweils mindestens einem dünneren Hilfsprüfkörper (B) aus dem Stapel durch optische Vermessung der Kontur.Method for producing test specimens (A) with a contour on at least one side surface of the test specimens (A), characterized by - forming a stack of plate-shaped Rohlin gene, wherein in the stack plate-shaped blanks with at least two different plate thicknesses are provided, - producing the contour on at least one side surface of the stack in such a way that the profile is homogeneous in the stacking direction, - calibrating the thicker test specimens (A) from the stack, each with at least a thinner auxiliary test specimen (B) from the stack by optical measurement of the contour. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Bilden des Stapels plattenförmiger Rohlinge aus abwechselnd dickeren und dünneren Rohlingen.A method according to claim 1, characterized by forming of the stack more plate-shaped Blanks made of alternately thicker and thinner blanks. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Kalibrieren der dickeren Prüfkörper (A) jeweils durch optische Vermessung der Kontur des dickeren Prüfkörpers (A) und der im Stapel unmittelbar angrenzenden beiden dünneren Hilfsprüfkörper (B).A method according to claim 2, characterized by calibration the thicker test specimen (A) each by optical measurement of the contour of the thicker test specimen (A) and the two thinner auxiliary test pieces (B) immediately adjacent in the stack. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Bilden von Mittelwerten der bei den dünneren Hilfsprüfkörpern (B) gemessenen Kontur und Bestimmen von Kalibrierwerten aus der Differenz der Mittelwerte der Kontur zu der gemessenen Kontur des zugeordneten dickeren. Prüfkörpers (A).A method according to claim 3, characterized by forming of mean values of the thinner auxiliary test specimens (B) measured contour and determining calibration values from the difference the mean values of the contour to the measured contour of the assigned thicker. Test specimen (A). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Vermessen der Konturen an der Seitenfläche mit einem optischen Koordinatenmessgerät.Method according to one of the preceding claims, characterized by measuring the contours on the side surface with an optical coordinate measuring machine. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur sowohl konkave als auch konvexe Profilabschnitte hat.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized that the contour is both concave and convex Has profile sections. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Kalibrieren der dünneren Hilfsprüfkörper (B) mit einem Bezugsnormal.Method according to one of the preceding claims, characterized by calibrating the thinner Auxiliary test specimen (B) with a reference standard. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bezugsnormal eine lithographisch erzeugte Planarstruktur, vorzugsweise eine Chrom-auf-Glas-Maske, ist.A method according to claim 7, characterized in that the reference standard is a lithographically generated planar structure, preferably a chrome-on-glass mask, is.
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